DE2407031A1 - Verfahren und geraet zur durchfuehrung von abgasemissionstests an fahrzeugmotoren - Google Patents

Description

KESSLEWLATZ 1

14 639/40 Hg/ir

Lars Collin Consult AB, 431 39 Mölndal / Schweden

Verfahren und Gerät zur Durchführung von Äbgasemissionstests an Fahrzeugmotoren

Während des vergangenen Jahrzehntes vnirde die Verbrennungsmotorenindustrie mehr und mehr gezwungen, sich der mit der Emission von Auspuffgasen zusammenhängenden Probleme anzunehmen. Die Entwicklung ist dadurch gekennzeichnet, dass durch verstärkte, internationale Gesetzgebung ein Druck ausgeübt wird, um bei den heutigen Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge einen.immer niedrigeren Änissionsgehalt an CO, HC und N0_v, sowie an Schwebeteilchen und Lärm su erreichen.

Zuerst wurden auf nationaler Basis vergleichsweise unkompliziert e Prüfzylclen entwickelt, die statistisch erstellte Belastungsfolgen für Motoren ira Stadtverkehr simulierten. In Verbindung mit diesen Testfolgeh wurde der Verschmutzungsgehalt der Auspuffgase gemessen und

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dann nach bestehenden Vorschriften ausgewertet. Diese Verfahren ermöglichten eine Einstellung der Kraft st o-ffversorgungsanlage auf niedrige Smissionswerte innerhalb der geprüften Übergangsbereiche, gabon aber kein genaues Bild von den eigentlichen Betriebsverhältnissen.

Aus diesem Grunde hat man sich in einigen Ländern dazu entschieden, eine kompliziertere Testfolge einzuführen und gleichzeitig Proben zu nehmen, welche die Emissionssumme in Gewichtseinheiten pro Entfernung für ein nach dem Testzyklus laufendes Fahrzeug repräsentieren. Eine neue Test— folge hat eine Laufzeit von dreiundzwanzig Minuten und erfordert eine spezielle Einheit zur Entnahme von Gasproben wie auch ein geeignetes Gasanalysegerät in Verbindung mit einem Prüfstand. Der Investitionswert einer derartigen Anordnung beträgt heute einschliesslieh Aufstellung, maschineller und analytischer Geräte etwa 200.000,- US-$. .

Damit wurde ein Gerät geschaffen, mit dem gebaxite und gelieferte ¥agen geprüft werden können, das aber für die Überwachung eines voz*handenen Wagenparkes in der Praxis nicht geeignet ist. Es ist klar, dass eine Einz3!überwachung eines grossen Wagenparkes nicht möglich ist, wenn jeder Test für die Analyse etwa eine halbe Stunde in Anspruch nimmt, während gleichseitig qualifiziertes Personal und

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Gerät für die gleiche Seit unabkömmlich sind. Deshalb ist es wichtig, Testverfahren zu finden, die ein frühzeitiges Aussortieren ermöglichen. Ein paar Jähre lang

vroröen Kohlenoxydtests anlässlich der jährlichen Inspekz.B.

tiori/des schwedischen Wagenparkes in Verbindung mit dem Leerlauf der Motoren gemacht. Die Leerlauffolge ist jedoch nur ein Teil dos oben erwähnten Zyklus und hat den Nachteil, dass sich ein Gehalt an Stickstoffoxyd, der mit dem Gehalt der eigentlichen Zyklen in Beziehung gesetzt werden kann, nicht feststellen lasst. Auch lassen sich der HC-Gelialt während des Leerlaufes und der HC-Gehalt während des Fahrzylclus nicht zufriedenstellend miteinander in Beziehung setzen. In der internationalen Literatur findet man vereinfachte Fahrzyklen, die darauf abzielen, eine einfache Überwachung zu ermöglichen, doch ist allen eigen, dass sie während der kontrollierbaren" Verhältnisse auf einem Prüfstand Belastung erfordern. Der Iiauptteil der Investition, wie auch der Bedarf an Messgeräten bleibt, wie oben beschrieben, auch dann erhalten, wenn die Prüfzeit verkürzt ',/erden kann. ■

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Glied zwischen einer detaillierten Untersuchung auf dem Prüfstand und einer einfachen Inspektion des Fahrzeugs zu bilden.

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Die Erfindung basiert auf der Tatsache, dass bei den vorgeschlagenen, eigentlichen Fahrzyklen sich die Abschnitte der stärksten Emission auf Übergangsvorgänge,. Beschleunigung und Verlangsamung, wie auch auf Leerlaufzeiten stützen. Die eigentlichen, komplizierten Fahrzyklen bieten den Vorteil, dass in bezug auf die Temperaturen der Auspuffgase und des Motors konstante Verhältnisse unter verschiedenen Betriebsbedingungen erreicht werden, die auch eine Prüfung der wärmetechnischen und katalytischen Reaktionen der Auspuffgase ermöglichen. Das hier vorgeschlagene Verfahren untersucht die Qualität des "Rohgases, d.h. die Zusammensetzung, die vor dem nachfolgenden Einsatz wärmetechnischer und katalytischer Realctoren besteht. Ein Motor hat ein inneres Trägheitsmoment, was bedeutet, dass eine Beschleunigung des Motors aus dem Leerlauf im Motor selbst während der Beschieunigungsfolge einen beträchtlichen Kraftstoffverbrauch erfordert. Beschleunigt man einen Motor durch einen bestimmten Impuls der Kraftstoffzufuhr auf seine höchste Drehzahl - normalerweise wird das Erreichen der höchsten Drehzahl durch konstantes Beschleunigen bestimmt - , oder auf eine Teildrehzahl, so wird eine BeJ_astungsfolge mit Beschleunigung unter Last, wie auch ein Abbremsen des Motors nach Beendigung der Kraftstoffzufuhr erreicht. Diese Belastungsfolge kann mit unterschiedlicher Intensität nach einem vorgegebenen Muster wiederholt werden. Auf diese V/eise

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wird eine Emission von CO, HC und NO erreicht, die sich mit komplizierteren Tests mit verschiedenen Koeffizienten für verschiedene Teile in angemessener Weise in Beziehung setzen lässt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Emissionsgehaltes der Auspuffgase eines Fahrzeugmotors, das sich dadurch auszeichnet, dass der vom Fahrgetriebe getrennte Motor im Leerlauf während einer festgesetzten Zeitspanne einer Reihe von Belastungsschwankungen ausgesetzt wird, indem die Kraftstoffzufuhr kurzzeitig erhöht wird, damit der Motor xrährend einiger Phasen auf seine annähernd höchste Drehzahl und während anderer Phasen nur auf eine Teildrehzahl beschleunigt und anschliessend sofort wieder auf seine Leerlaufdrehzahl zurückgeführt wird, dass ein bestimmter Anteil der während der erwähnten Zeit erzeugten Menge des Auspuffgases in eine Entnahmeeinheit für Gasproben abgeleitet wird, und dass der gesamte Emissionsgehalt der während dieser Zeitspanne angesammelten Gasanteile bestimmt wird.

Nach der Erfindung wird auch ein Gerät zur Feststellung des Emissionsgehaltes der Auspuffgase eines Fahrzeuges vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch eine Einheit zum Betätigen der KraftstoffVersorgungsanlage des Motors

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nach einem vorbestimmten Programm, damit während der festgesetzten Zeit eine Anzahl von Kraftstoffstössen unterschiedlicher Dauer bewirkt wird, von denen keiner übe?? das zinn Erreichen der annähernd höchsten Drehzahl des Motors erforderliche Mass hinausgeht, und durch eine Entnahraeeinheit für Gasproben zum Anschluss an das Auspuffrohr des Motors, deren Volumen atisreichend gross ist, um die anteilige Gasmenge aufzuspeichern, ohne dass das Testergebnis durch erhöhten Gegendruck beeinträchtigt wird.

Es wird angenommen, dass bei den Emissionstests die Probenahme durch Ableiten eines Sollanteiles des Auspuffgases> in einen Beutel geschieht. Dieser Anteil kann entweder durch ein Gasanalysegerät oder, im einfachsten Fall, durch ein absorbierendes, chemisches Nachweisgemisch geleitet werden, wo durch bereits vorgeschriebene Abstufung festgestellt werden kann, ob sich das Fahrzeug in zufriedenstellendem Zustand befindet, oder ob es einer sorgfältigen Untersuchung nach den anfänglichen Verfahren bedarf· Die Anwendung dieser Verfahren, um festzustellen, ob die Wagen gegen bestehende Vorschriften verstossen, könnte bei bestehenden Wagenparks das Erfordernis für.qualifizierte Proben auf zwischen eine und zwei Zehnerpotenzen verringern, was gegenüber früher einen völlig neuen Gesichtspunkt in bezug auf wirtschaftliehe Erfordernisse für Überwachungsmittel darstellt.

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V/eitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.

Es zeigen:

Figur 1 einen Teil eines erstellten Testzyklus;

Figur 2 bis Figur 4 Änderungen der Stellung des Gaspedales, der Drehzahl und des mittleren Druckes v/älirend erfindungsgeiaässer Tests; und

Figur 5 eine schematische Ansicht eines sich, in Betrieb befindlichen, erfindungsgenüissen Gerätes.

In Figur 1 sind Drehzahländerungen '.fahrend einer bestimmten Zeitdauer eines erstellten Testzyklus dargestellt, die darauf abzielen, echte Betriebsverhärtnisse zu simulieren, während sich das Fahrzeug axif einem Prüfstand befindet.

Zuerst vjxrd der Motor zusammen mit drehbaren Fahrzeugteilen, den Bremsxvalzen des Prüfstandes und den sich drehenden Gegengewichten, die insgesamt dem Gewicht des Fahrzeuges entsprechen, während eines bestimmten Zeitintervalles 10 beschleunigt, anscliliessend mit konstanter Drehzahl 'während eines folgenden Intervalles 11 laufen lassen, während des Intervalles 12 auf Leerlaufdrehzahl verlangsamt und danach

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in" ähnlicher !/eise, doch mit xiechselnden Werten, v/ie bei 13 und 14 vorgeschlagen, beschleunigt.

Der hier vorgeschlagene Testzylclus beruht auf dem Gedanken, dass die Trägheit eines vom Fahrgetriebe getrennten Motors einen ausreichend grossen i/iderstand für repräsentative Testwerte gibt, wenn der Motor rasch auf einen bestimmten Drehzahlbereich beschleunigt und die ICr aft st off zufuhr dann sofort auf das für den Leerlauf erforderliche Mass verringert wird.

Auf diese l/eise ist es möglich, kurze Testverhältnisse zu erreichen, die kurzzeitig den Abschnitten 15, 16 und 17 der Beschleunigungs- und Verzögerungskurven eines erstellten Testzylclus entsprechen.

In Figur 2 sind Änderungen der Stellung des Gaspedales während eines erfxndungsgemassen Tests dargestellt. In vorbestimmten Intervallen, die ausreichend grossen Abstand voneinander haben, um den Motor jedesmal wieder auf die Leerlaufdrehzahl zurückgehen au lassen, vdrd ein Kraftstoffimpuls 18, 19 fcsv«^r. 20 von abweichender Dauer ausgesandt. Dass die Impulse mit sich stufenweise erhöhender Dauer dargestellt sind, hat nur erläuternden Charakter. Ein echter Test hat mehrere Impulse, deren genieinsame Grossen auf verschiedene Art und Weise verändert werden können.

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Es ist wichtig, dass keiner der Impulse so lange anhält, dass der Motor während eines Intervalles mit maximaler Drehzahl läuft. Es sind lediglich die während der Beschleunigung und Verlangsamung vorherrschenden Verhältnisse von Interesse.

Die Figur 3 zeigt Änderungen der Motordrehzahl als Folge der in Figur 2 dargestellten Kraftstoffimpulse. 2s ist ersichtlich, dass sich sowohl Drehzahl als auch Laufzeit in diesem Beispiel von 21 bis 23 als Folge erhöhter Dauer der Kraftstoff zufuhr erhöhen.

Schliesslich sind in Figur 4 die grundlegenden Änderungen des mittleren Motordruckes während der genannten Zeitpunkte dargestellt.

In Figur 5 ist in sehr schematischer Form ein bei dem Test eingesetztes, erfindungsgemässes Gerät dargestellt.

Das Auspuffrohr eines Fahrzeuges ist durch die Zahl 27 und das Gaspedal des Fahrzeuges durch die Zahl 28 bezeichnet.

Zum Betätigen des Gaspedales ist eine mechanische Vorrichtung 29 vorgesehen, deren Einzelheiten nicht angegeben sind. Die Vorrichtung 29 betätigt das Gaspedal 28 nach einem vorbestimmten Programm, so dass der sich im Leerlauf drehende Motor wnhr.end einer festgesetzten Zeitdauer eine bestimmte

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Anzahl von Kraftstoffimpulsen verschiedener Länge erhält. Die Impulse dürfen, wie oben angegeben, nicht so lange an- * halten, dass der Motor zu irgendeinen Zeitpunkt mit maximaler Drehzahl läuft oder eine Drehzahl erreicht, die seiner Funktion schaden v/ürde.

Zum Betreiben des Motors v/ird ein Gerät verv/endet, das in der Lage ist, die vorbestimmten Kraftstoffimpulse wiederholt mit ausreichender Genauigkeit von Test zn Test zu geben.

Der Aufbau des Gerätes kann sehr unterschiedlich sein. Nur die Hauptbestandteile sind in schematischer Form dargestellt. Es sind dies eine Haupteinheit 29, die vorzugsweise elektronisch arbeitet, eine vOlumenbeinessungseinrichtung 30 und ein blasenförmiger Aufnahmebeutel 31, der vorzugsweise aus Plastilanaterial hergestellt ist. Letzterer kann mittels eines Schlauches 33 an eines von einer Ansahl von Auslassrohren 32 der VOlumenbemessungseinriehtung 30.angeschlossen werden.

Eine Vorrichtung sum Betätigen des Gaspedales 28 ist mit einem Stab 34 versehen, der av/ischen dem Steuerrad 35 und dem darunter liegenden Boden montiert ist. Der Stab 34 trägt einen doppelt wirkenden Pressluftmotor 36, der von einem Ventil 37 gesteuert v.lrö, das durch einen Solenoiden 38, der von der Haupteinheit 29 Impulse empfängt, betätigt wird.

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Die Haupteinheit 29 ist an eine Batterie 39 angeschlossen. Der Pressluftmotor 36 \rilrd aus einer Flasche 40 oder aus einer anderen Quelle mit Pressluft versorgt. Der Schlauch 33 ist mit einem Magnetventil 41 versehen, das von Signalen aus der elektronischen Einheit 29 gesteuert wird, um ein Einströmen in den Beutel 31 nur während des Testzyklus zu gestatten.

Die Mittel, um die Einheit 29 und den Stellmotor 36 mit Antriebeenergie zu versorgen, hängen von den örtlichen Verhä3.tnissen ab. Der Motor 36 kann elektrisch, hydraulisch oder möglicherweise auch mechanisch, beispielsweise durch Federkraft, angetrieben werden. Ausserdem kann der Motor 36 auch näher an dem Fahrzeugmotor angebracht werden, so dass er direkt auf einen Gashebel einwirkt.

Die Einheit 29, die zur Aussendung von Grundsignalen dient, kann ebenfalls beliebige Bauart aufweisen. Um Fahrzeuge verschiedener Grossen und Bauarten berücksichtigen zu können, kann eine elektronische Einheit konstruiert werden, die durch Lochkarten oder andere Informationsträger gesteuert wird, oder möglicherweise leicht auswechselbare, gedruckte Leiterplatten enthält.

Die Volumenbemessungseinrichtung besteht geeigneterv/eise aus einem zylindrischen Aufnahmegerät 30. An eines seiner Enden ist eine Anzahl von Rohren 32 angeschlossen, deren Länge und Innendurchmesser sorgfältig bestimmt sind. Am

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Zylinder ist eine an einen blasenförmigen Beutel 31 angeschlossene Schlauchleitung 33 befestigt und hat das gleiche Grundmass wie die liohre 32. Der Durchmesser und die Länge der Leitung 33 sind so bestimmt, dass ein praktisch konstanter Mengenanteil innerhalb des eigentlichen Strömungsbereiches in den Beutel 31 geleitet wird.

Somit ist innei'halb des Messbereiches der Gegendruck im wesentlichen dem in den anderen Rohren gleich, deren Anzahl und Durchmesser die Grosse des Mengenanteiles bestimmen. Der blasenförmige Beutel 31 hat ein Volumen, das gross genug ist, um den Gasanteil aufzunehmen, der von der Volumenbemessungseinrichtung 30 abgezweigt wird, ohne einen Gegendruck zu verursachen, der die Probenahme beeinträchtigt.

Es ist './ichtig, dass v/ährend der stark schwankenden Strömungsintensität des Tests die Entnahmeeinheit für Gasproben die Mengen in anteilig konstantem Verhältnis zwischen der gesamten Menge des Auspuffgases und der Probemenge teilt. Statt einen blasenförmigen Beutel 31 zu füllen, kann der abgezweigte Anteil auch direkt zu einem Hessgerät geleitet v/erden.

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Claims (4)

1. -.13 -

   Patentansprüche

   Verfahren zur Feststellung des Emissionsgehaltes der Auspuffgase eines Fahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor im Leerlauf, vom Fahrgetriebe abgetrennt, 'während einer festgesetzten Zeitspanne einer Reihe· von Beiastungsschwanliungen durch kurzzeitiges Erhöhen der Kraft stoffzufuhr ausgesetzt wird, so dass er x;ährend einiger Phasen, auf annähernd maximale Drehzahl und während anderer Phasen nur auf Teildrehzahl beschleunigt und anschliessend sofort auf die Leerlaufdrehzahl verlangsamt wird, dass ein bestimmter Anteil der Menge des während dieser Zeitspanne erzeugten Auspuffgases in eine Prüfeinheit (31) abgeleitet wird, und dass der gesamte Emissionsgeha.lt der während dieser Zeitspanne angesammelten Gasanteile bestimmt wird.
2. 2. Gerat zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einheit (20) zum Betätigen der Kraftstoffversorgungsaniage des Motors in Übereinstimmurig mit einem vorbestimmten Programm aufweist, um v/ährend der festgesetzten Zeit eine Anzahl von Kraftstoffstössen unterschiedlicher Dauer zu bewirken, von denen keiner über das zum Erreichen der annähernd höchsten Drehzahl des Motors erforderliche Hass hinausgeht, und

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   dass es eine Einheit (30, 31) zur Gasprobenahme zum Anschluss an aas Auspuffrohr (27) des Motox-s aufweist,
   deren Volumen ausreichend gross ist, um die anteilige · Gasmenge aufzuspeichern, ohne dass das Testergebnis
   durch erhöhten Gegendruck beeinträchtigt wird.
3. 3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Gasprobenahme eine Vbiumenbemessungseinrichtung (30) umfasst, die eine an das Auspuffrohr (27) anschliessbare Kammer aufweist und mit einer Anzahl von
   Auslassrohren (32), die der Umgebungsatmösphäre ausgesetzt sind, ^/ersehen ist, und dass die Kammer über eine Leitung (33) mit einem Sammelbeutel (31) verbunden ist, v;obei die Einheit so angeordnet ist, dass innerhalb des eigentlichen Gasströmungsbereiches die Leitung (33) und der Sammelbeutel (31) im wesentlichen den gleichen Strömungswiderstand haben wie jedes beliebige der frei liegenden Kohre (32).
4. 4. Gerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn-· zeichnet, dass es einen Stab (54) aufweist, der an der
   Leokung des Fahrzeuges montierbar ist und einen doppelt -wirkenden Pressluftmotor (36) trägt, der von einem Magnetventil (37, 38) steuerbar ist, '. und dass eine fiaupteinheit (29) mit einer elektronischen Einrichtung vorgesehen ist, die Signale aussendet, welche den Solenoiden des
   Ventiles (37, 33) betätigen.

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