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Verfahren und Anordnung zur kontinuierlichen AbSasmengenmessung an
einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur kontinuierlichen
Abgasmengenmessung an mit einer Ansaugluftufuhrung ausgerästeten Brennkraftmaschinen.
Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anordnungen dieser Art zu schaffen,
die es in Abweichung von bekannten Verfahren und Anordnungen, die die Abgasmenge
pro Test ermitteln, gestatten, kontinuierlich die Abgasmenge beispielsweise je Phase
während eines Tests zu ermitteln. Da die Abgasemission während der Phasen des Betriebes
des Motors, also beispielsweiso während Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen
sowie bei Schaltvorgängen, wichtige Rückschlüsse auf die Funktion des Motors zulassen,
erweisen sich in diesem Zusammenhang bekannte Verfahren und Anordnungen als unzureichend,
die gleichsam integrierend lediglich die gesamte Abgasemission während des Tests
feststellen.
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So ist es bekannt, die während eines gesamten Tests anfallende Abgasmenge
in einem Beutel aufzufangen und das Volumen zu bestimmen.
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Ein Verfahren zur Lösung der definierten Aufgabe ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß die angesaugte Luftmenge nach dem Wirkdruckverfahren
kontinuierlich als über die Verbrennungsgleichung der Abgasmenge proportionales
Maß für diese gemessen wird.
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Wie die erfindungsgemäß angestellten Untersuchungen und Überlegungen
gezeigt haben, ist die direkte kontinuierliche Messung der Abgasmenge insofern mit
Schwierigkeiten verbunden, als die Brennkraftmaschine nicht mlr gasförmige Bestandteile,
sondern auch feste Bestandteile emittiert, die zu einem erheblichen Meßfehler bei
der direkten kontinuierlichen Abgasmengenmessung führen können. Aus diesem Grunde
sieht das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren nicht eine direkte Messung der
Abgasmenge, sondern eine indirekte Messung derselben durch meßtechnische Erfassung
der von der Brennkraftmaschine jeweils angesaugten Luftmenge vor. Der Zusammenhang
zwischen der Abgasmenge und der angesaugten Luftmenge in Abhängigkeit vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des der Brennkraftmaschine zugeführten Gemischs ist bekannt. Das Verhältnis von
Abgasmenge zu apgesaugter Luftmenge beträgt in erster Näherung für trockenes Abgas
0,55, für feuchtes Abgas 1,09 und für gesättigtes Abgas bei 200C 0,97, wobei die
Abgas menge stets auf die Temperatur und den Druck der vom Motor angesaugten Luft
bezogen ist.
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Eine zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Anordung ist dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Luftfilter in der Ansaugleitung
ein Wirkdruckgeber angeordnet ist.
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Da der Wirkdruckgeber die Strömung beeinflußt,damit eine Druckdifferenz
erzeugt wird, also der Wirkdruckgeber beispielsweise
durch eine
Normdüse, eine Normblende oder eine Normventuridüse gebildet ist, hat es sich zur
Vermeidung einer Beeinflussung der Abgasemission des Motors durch den Wirkdruckgeber
als vorteilhaft erwiesen, diesen in Strömungsrichtung nicht hinter, sondern vor
dem üblicherweise vorgesehenen Luftfilter einzubauen.
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Während bei dem bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und
der Anordnung zu seiner Durchführung die vom Motor angesaugte Frischluftmenge kontinuierlich
gemessen und aus dieser die Abgasmenge bestimmt wurde, zeichnet sich ein anderes
zur Durchführung der oben definierten Aufgabe geeignetes Verfahren erfindungsgemäß
dadurch aus, daß unter Anwendung des CVS-Verfahrens, bei dem das emittierte Abgas
und Verdünnungsluft für dieses zusammen angesaugt werden, die angesaugte Verdünnungsluftmenge
und die Menge des verdünnten Abgases nach dem Wirkdruckverfahren kontinuierlich
als mit ihrer Differenz ein Maß für die Abgasmenge darstellende Größen gemessen
werden.
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Das CVS-(Constant Volume Sampler)Verfahren, wie es in den USA-Bestimmungen
(Federal Register, Vol. 37, No. 221) festgelegt ist, arbeitet bekanntlich in der
Weise, daß dem beispielsweise in einem Meßrohr von der Brennkraftmaschine zu einem
Gebläse gesaugten Abgas über eine in das Meßrohr einmündenden Verdünnungsluftlei-tung
Lnft zugeführt wird, so daß hinter dieser Einmündungsstelle verdünntes Abgas vorliegt.
Bei der bekannten Anwendung dieses Verfahrens werden mittels des erwähnten Beutels
das während des gesamten Tests anfallende Volumen des verdünnten Abgases und die
Schadstoffkonzentration einer interessierenden Komponente des Abgases im Beutel
bestimmt. Aus diesen Werten können dann Rückschlüsse auf die Konzentration der
verschiedenen
Schadstoffanteile im unverdünnten Abgas, aber stets bezogen auf den gesamten Test
und nicht einzelne Phasen des Betriebs der Maschine, gezogen werden.
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Das zuletzt angeführte erfindungsgemäße Verfahren nützt nun-insofern
das bekannte CVS-Verfahren aus, als es als Maß für die Abgasmenge kontinuierlich
letztlich die Menge der Verdünnungsluft ermittelt.
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Ubrigens ist die kontinuierliche meßtechnische Ermittlung der Abgasmenge
auch für die Ermittlung der Schadstoffkonzentrationen im Abgas insofern von Vorteil,
als bei mit Mitteln zur Abgasentgiftung, also beispielsweise Katalysatoren, ausgerüsteten
Brennt kraftmaschinen die Konzentrationswerte so niedrig liegen, daß Schwierigkeiten
bei der üblichen Anwendung des CVS-Verfahrens, nämlich bei der Konzentrationsermittlung
im verdünnten Abgas, auftreten.
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Bei einer Anordnung zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens
ist also in einer Zuführungsleitung für die Verdünnungsluft ein Wirkdruckgeber angeordnet.
Dieser kann, wie schon bei dem eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren,
eine Normventuridüse sein. Sie wirkt als Drosselstelle in der betreffenden Rohrleitung,
also Querschnittsverengung in derselben, wodurch die Geschwindigkeit des Abgases
vergrößert und damit der statische Druck verringert wird. Der Zusammenhang zwischen
dem Volumendurchfluß bzw. dem Nassendurchfluß durch diese Drosselstelle einerseits
und der gemessenen Druckdifferenx, dem Wirkdruck, andererseits, kann beispielsweise
aus DIN 1952 entnommen werden. Der Wirkdruck wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung
mit einem schnellen Differenzdruckmesser gemessen, beispielsweise einem handelsüblichen
induktiven Druckaufnehmer, der eine hohe Stabilität und Linearität aufweisen soll.
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An diesen elektrische Ausgangssignale abgebenden Druckaufnehmer ist
ausgangsseitig bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung - gegebenenfalls
über Verstärker - ein mit einem Meßgerät, vorzugsweise mit einem Schreiber, in Verbindung
stehender Linearisator angeschaltet, der Mittel zur Erzielung einer linearen Kalibrierkurve
der Anordnung enthält. Hierzu kann er beispielsweise einen Radizierer sowie Verstärker
zur Kompensation von Druck- und/oder Temperatureinflüssen enthalten. Weitere Verstärker
können zur Einstellung verschiedener Meßbereiche dienen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise
erläutert. Dabei zeigt Figur 1 schematisch die gesamte Anordnung, während Figur
2 ein elektrisches Blockschaltbild wiedergibt.
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Betrachtet man zunächst Figur 1, so saugt die zu prüfende Brennkraftmaschine
1, beispielsweise der Motor eines Kraftfahrzeugs, durch die Frischluftzuführung
2 mit dem Luftfilter 3 Verbrennungsluft an. Die Abgasleitung 4 der Maschine 1 mündet
in die Meßleitung 5 mit dem Wärmetauscher 6 ein, die in Strömungsrichtung hinter
dieser Einmündungsstelle das Gebläse 7 aufweist. Das Gebläse saugt nicht nur die
vom Motor 1 emittierten Abgase an, sondern durch die Zuleitung 8 für Verdünnungsluft
auch Luft durch das Filter 9, so daß hinter der Einmündungsstelle der Abgasleitung
4 verdünntes Abgas vorliegt.
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Erfindungsgemäß erfolgt nun bei dieser - soweit bisher beschrieben
- zur Durchführung des CVS-Verfahrens eingerichteten Anordnung eine kontinuierliche
Messung der vom Motor 1 angesaugten Prischluftmenge oder der vom Gebläse 7 zusammen
mit dem unverdünnten Abgas angesaugten Verdünnungsluftmenge. Soll die vom
Motor
angesaugte Verbrennungsluft gemessen werden, so ist in der Luftzuführungsleitung
2 der beispielsweise durch eine Normventuridüse gebildete Wirkdruckgeber 10 angeordnet,
und zwar zur t'Entkopplung" von der Brennkraftmaschine 1 in Strömungsrichtung vor
dem Luftfilter 3. Der Druckabfall an dem Wirkdruckgeber 10, also der Wirkdruck,
wird mittels des Druckaufnehmers 11 in elektrische Signale umgewandelt, die mittels
des Schreibers 12 registriert werden. Dabei besteht die Möglichkeit, infolge des
bekannten Zusammenhangs zwischen angesaugter Luftmenge und Abgasmenge den Schreiber
in Abgasmengenwerten zu eichen.
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Erfolgt dagegen die kontinuierliche Ermittlung der Abgasmenge über
die Messung der angesaugten Verdünnungsluft'mengen, so befindet sich der Wirkdruckgeber
13 hinter dem Luftfilter 9 in der Zeitung 5 im Einsatz, und auch hier wird mittels
eines vorzugsweise induktiven Druckaufnehmers 14 und eines Schreibers 15 kontinuierlich
der Verdünnungsluftdurchsatz während der einzelnen Phasen der Betriebsweise des
Motors ermittelt. Wird in der Ausgangsleitung 16 in Strömungsrichtung hinter dem
Geleise 7 ebenfalls kontinuierlich der Durchsatz ermittelt, so ergibt sich die Abgasmenge
während einer bestimmten Betriebsphase des Motors 1 als Differenz der momentanen
Durchsätze durch die Leitungen 16 und 8.
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Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist diese Ermittlung der Abgasmenge
erheblich genauer als die Ermittlung über Eonzentrationsmessungen einerAbgaskomponente,
wozu sich besonders CO2 eignen würde. Wie sich überraschenderweise gezeigt hat,
ist das erfindungsgemäß angewendete Wirkdruckverfahren, das bisher nur für stationäre
bzw. quasi-stationäre Strömungen Anwendung gefunden hat, bei entsprechend schneller
Erfassung der Meßgröße, also Druckmessung, auch für die bei der Abgasmengenmessung
vorliegenden
instationären Zustände mit guter Genauigkeit anwendbar.
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Ein Blockschema des elektrischen Teils der Anordnung zeigt Figur 2.
An den Wirkdruckgeber, also beispielsweise den in Figur 1 mit 10 bezeichneten Wirkdruckgeber
in der Ansaugleitung des Motors 1, ist der elektrische Druckaufnahmer 11 angeschlossen,
der als induktiver Druckaufnehmer einen bekannten und daher hier nicht angegebenen
Aufbau besitzt. Uber den Trägerfrequenzmeßverstärker 16 gelangen die Ausgangssignale
des Druckaufnehmers 11 zu dem allgemein mit 17 bezeichneten Lineärisator, der mehrere,
ebenfalls für sich bekannte Baugruppen enthält. Zunächst gelangen die Signale zu
dem Anpassungsves stärker 18, dessen einstellbarer Rückkopplungswiderstand 19 der
Wahl des Meßbereichs dient. Es handelt sich insofern un eine Anpassung, als der
Meßbereich durch die Maße des Wirkdruckgebers und den Meßbereich des Druckaufnehmers
bestimmt wird. Während die entsprechende Anpassung für die Messung der vom Motor
angesaugten Luftmenge durch Einstellung des Verstärkungsfaktors des Anpassungsverstärkers
18 erfolgt, geschieht dies bei Messung der angesaugten Verdünnungsluftmenge durch
den weiteren Anpassungsverstärker 20 mit dem veränderbaren Widerstand 21. Die diesen
Anpassungsverstärkern eingangs zugeordneten Potentiometer 22 und 23 dienen zur Abstimmung
des Nullpunkts bei der Messung der vom Motor angesaugten Verbrennungsluftmenge bzw.
der Verdünnungsluftmenge; im letstgenannten Falle erfolgt eine Gegenkompensation
für die Gesamtabgasmenge.
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Was die Bestückung der Schaltung mit Verstärkern anbelangt, so ist
noch der Verstärker 24 mit dem veränderbaren Widerstand 25 für die Temperatur und
Druckkompensation zu erwähnen; die Ausgangsverstärker 26 und 27 sind dem Spannungsausgang
28 bzw.
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dem Stromausgang 29 zugeordnet.
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Zwischen dem Anpassungsverstärker 18 und dem Verstärker 24 zur Temperatur-
und Druckkompensation befindet sich das radizierende Netzwerk 30, das, wie die eingezeichnete
Kennlinie zeigt, einen bestimmten Zusammenhang zwischen seiner Eingangsspannung
Ul und seiner Ausgangsspannung U2 sicherstellt. Hierdurch wird eine Linearisierung
der Kalibrierkurve der gesamten Anordnung erzielt.
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Natürlich wird man in der Regel an die Leitung 5 und ggf.
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auch an die Abgasleitung 4 in üblicher Weise Analysatoren für verschiedene
Bestandteile der Abgase anschließen, wie dies für das CVS-Verfahren bekannt ist.
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Die einzelnen Elemente oder Schaltungsbausteine der Erfindung sind
handelsüblich. So können Wirkdruckgeber 2.3. von den Firmen Siemens oder Hartmann
& Braun Verwendung finden. Bei einer ausgeführten Anordnung nach der Erfindung
werden als Differenzdruckaufnehmer mit Trägerfrequenzmeßverstärkern Anordnungen
vom Typ GP 14 der Firma Consolidated Controls Corpo ration verwendet, als Radizierer
ein solches Modell 4126/15L der Firma Burr Brown.