DE3733075A1 - Verfahren zur messung der abgaszusammensetzung von verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Abgaszu­ sammensetzung von Verbrennungskraftmaschinen durch Probenentnahme aus dem Abgasstrom und Untersuchung der Probe in einem Ana­ lysegerät, insbesondere auf ihren Gehalt an Sauerstoff, Kohlen­ monoxyd, Kohlendioxyd, Stickoxyden und einzelnen Kohlenwasser­ stoffen, wobei das Probenvolumen nach der Entnahme von einem Trägergas eingeschlossen wird.

Dieses Verfahren wird grundsätzlich bei der Prozeß-Gaschromato­ graphie mit Kapillarsäulen angewendet. Die DE-AS 26 20 756 be­ schreibt ein derartiges Verfahren und zeigt eine Vorrichtung zu seiner Durchführung. Seine Anwendung setzt voraus, daß sich die Probengaszusammensetzung im Verhältnis zur Zeitdauer der Proben­ entnahme nur langsam ändert. Andernfalls würde das Meßergebnis nur zufällige Schwankungen zeigen und hätte keine Aussagekraft.

Auf einem Prüfstand für Automobilmotoren wird so beispielsweise die Zusammensetzung der Abgase kontinuierlich bestimmt. Das Meß­ ergebnis der einzelnen Komponenten ist stark bedämpft, da es sich um das Integral über viele Arbeitstakte des Motors handelt. Wie die DE-OS 27 52 862 zeigt, wird der Gehalt an Sauerstoff, Kohlen­ monoxyd, Kohlendioxyd, Stickoxyden und der Summe der Kohlenwasser­ stoffe bestimmt. Die Messung erfolgt statisch bei konstanter Druck­ zahl und konstantem, meist atmosphärischen Druck. Anhand des Meß­ ergebnisses werden die Motoren auf geringen Treibstoffverbrauch und geringen Schadstoffausstoß während des Betriebes optimiert. Die Abgaszusammensetzung bei den insbesondere im Stadtverkehr häufig vorkommenden Beschleunigungsvorgängen ist demgegenüber noch weitge­ hend unbekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung der Ver­ änderung der Abgaszusammensetzung während der Änderung der Mo­ torendrehzahl zu ermöglichen.

Dies wird gemäß Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß die Probe nahe dem Auslaß der Brennkammer der Verbrennungskraftmaschine entnommen und mit konstanter Temperatur zum Analysegerät trans­ portiert wird, daß ein kleineres Volumen als das Abgasvolumen eines Arbeitstaktes entnommen und der Zeitpunkt der Probenent­ nahme so gelegt wird, daß das Probenvolumen aus dem Abgasvolumen eines einzigen Arbeitstaktes entnommen wird und daß dieser Zeit­ punkt gemessen und gemeinsam mit den zu diesem Zeitpunkt aktuellen Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine aufgezeichnet wird.

Nach diesem Verfahren werden die Abgase der Motoren dynamisch gemessen und es können Aussagen über Treibstoffverbrauch und Schadstofferzeugung im kritischen Bereich der Beschleunigungs­ phase eines Motors gewonnen werden. Es erfolgt eine Synchroni­ sierung der Probenentnahme mit den Arbeitstakten der Zylinder. Die Probe wird entnommen, bevor es zu einer Vermischung der Abgase aufeinanderfolgender Arbeitstakte kommt. Dadurch sind die Abgase jedes einzelnen Arbeitstaktes analysierbar.

Das Beheizen des Probengases verhindert das Entmischen der Komponenten des Auspuffgases auch bei längeren Transportwegen und die Analysegeräte müssen nicht mehr in unmittelbarer Nähe der Verbrennungskraftmaschine aufgestellt werden. Eine analyti­ sche Auftrennung der Kohlenwasserstoffe ermöglicht den Nachweis krebserregender Substanzen, wie Benzole, Benzpyrene oder Aldehyde.

Während der Änderung der Motorendrehzahl kommt es zu starken Schwankungen des Abgasdruckes. Die Genauigkeit des Analyseergeb­ nisses wird dadurch erhöht, daß die Stickstoffmenge des Proben­ gases und/oder die Summe der analysierten Bestandteile des Proben­ gases zur Bestimmung des infolge von Druckschwankungen des Abgases variierenden druckkonstanten Probenvolumens ermittelt wird. Der Stickstoff eignet sich besonders zur Verwendung als "interner Standard", da er in einer konstanten Konzentration von etwa 70% in der Ansaugluft enthalten ist und bei der Ver­ brennung des Gemisches nur zu einem sehr geringen Bruchteil in Stickoxyde umgewandelt wird. Die Stickstoffmenge bleibt also annähernd konstant. Daher kann bei konstantem Entnahmevolumen die Menge des unter variablem Druck tatsächlich entnommenen Ab­ gases ermittelt werden. Zu diesem Zweck kann auch die Summe der übrigen analysierten Bestandteile des Probengases herangezogen werden, da der Stickstoffanteil bekannt ist.

Zur genauen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, daß eine Entnahmevorrichtung an einem Auspuff­ rohr der Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, die einen in seiner Längsrichtung bewegbaren Entnahmekolben für die Probe enthält, daß ein durch den Entnahmekolben festgelegtes Entnahme­ volumen über eine Entnahmeöffnung mit dem Innenraum des Auspuff­ rohres verbunden ist und daß ein Positionsgeber zur Anzeige des Momentes der Probenentnahme durch Verschließen der Entnahme­ öffnung vorhanden ist.

Um Probengas in der richtigen Zusammensetzung ohne Restgasan­ teile anderer Arbeitstakte zu entnehmen, ist es vorteilhaft, daß der Entnahmekolben in das Auspuffrohr ausfahrbar ist, daß ein Hohlraum des Entnahmekolbens mit Entnahmeöffnung als Ent­ nahmevolumen in ausgefahrener Stellung in den Abgasstrom ragt und daß das Entnahmevolumen nach der Probenentnahme von einem Haltezylinder verschlossen ist. Durch das Ausfahren des Ent­ nahmekolbens in den Abgasstrom wird das Entnahmevolumen vor der Probenentnahme durch das Abgas gespült. Das Verschließen mit dem Haltezylinder definiert den Zeitpunkt der Probenent­ nahme. Der Hohlraum kann exakt gefertigt werden, wodurch das Entnahmevolumen für die Betriebsdauer unveränderbar festgelegt ist.

Der mechanische Aufwand, insbesondere die Zahl der bewegten Teile, wird dadurch möglichst gering gehalten, daß der Halte­ zylinder mit dem Auspuffrohr fest verbunden ist, daß das Ent­ nahmevolumen durch Zurückziehen des Entnahmekolbens aus dem Abgasstrom verschließbar ist und daß das Entnahmevolumen in zurückgezogener Stellung mit einer Trägergas führenden Trans­ portkapillarleitung verbunden ist. Diese Vorrichtung eignet sich zum Anschluß an einen Gaschromatographen, der nicht nur eine genaue Analyse, sondern auch das Auslangen mit geringer Probenmengen ermöglicht. Diese Vorrichtung ist klein herstell­ bar und kann unmittelbar hinter der Auslaßöffnung des Zylinders der Verbrennungskraftmaschine befestigt werden.

Die Probe kann aus der Mitte des Abgasstromes entnommen werden, wenn der Haltezylinder als über den Entnahmekolben schiebbare Hülse ausgeführt ist.

Um den Entnahmekolben keiner so hohen thermischen Belastung im Abgasstrom aussetzen zu müssen, ist der Entnahmekolben von der Entnahmeöffnung zurückziehbar und der so entstehende Hubraum nach der Probenentnahme mit einem Schieber abgeschlossen. Durch Öffnen des Schiebers und Bewegen des Entnahmekolbens bis zur Entnahmeöffnung werden Restgase ausgestoßen und die Entnahmevor­ richtung zur nächsten Probenentnahme bereitgemacht.

Wartung und Verschleiß der Entnahmevorrichtung wird dadurch möglichst gering gehalten, daß der Entnahmekolben mit einer elektromagnetischen oder pneumatischen Zugvorrichtung verbunden ist, der Positionsgeber einen einstückig am Entnahmekolben an­ geformten, mit mindestens einer Markierung versehenen Meßzapfen und eine berührungsfreie Markierungsabtastung enthält und das Analysegerät ein Gaschromatograph ist. Diese Zugvorrichtung gewährleistet das Zurückziehen des Entnahmekolbens in der kur­ zen, durch die Dauer eines einzigen Arbeitstaktes definierten Zeitspanne. Die Markierungsabtastung kann beispielsweise optisch oder mit Hallsonden erfolgen und die Position des Entnahmekol­ bens wird gemessen, ohne die Zugvorrichtung durch Reibung zu­ sätzlich zu belasten. Die Gasschromatographie ist eine sehr ge­ naue Analysemethode und kommt mit geringen Probenmengen aus. Dadurch wird die rasche Probenentnahme und die Temperierung der Probe beim Transport zum Chromatographen beträchtlich erleich­ tert.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine Entnahmevorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur zeigt ein Auspuffrohr AR für das Abgas AG einer Ver­ brennungskraftmaschine unmittelbar hinter dem Auslaß der Brenn­ kammer eines oder mehrerer Zylinder. Eine Entnahmevorrichtung für eine Abgasprobe ist mit einem Haltezylinder HZ am Auspuff­ rohr AR angeflanscht. Der Haltezylinder HZ ist gegen das Aus­ puffrohr AR thermisch isoliert. Im Haltezylinder HZ befindet sich ein in seiner Längsrichtung bewegbarer Entnahmekolben EK. Im oberen Teil des Entnahmekolbens EK befindet sich in Quer­ richtung eine Bohrung, die ein Entnahmevolumen EV für eine Probe des Abgases AG festlegt. Der Entnahmekolben EK ist mit einem Dichtring DR aus Teflon oder Graphit gasdicht gegen Trägergas TG führende Bohrungen B des Haltezylinders HZ abge­ schlossen. Haltezylinder HZ und Entnahmekolben EK sind aus hitzebeständigem Material, vorzugsweise Metall, ausgeführt. Der Haltezylinder HZ weist darüber hinaus auch noch einen Kühlmantel KM auf. Damit wird eine übermäßige Erhitzung der Entnahmevorrich­ tung vermieden. Als Kühlmittel kann Wasser oder Luft verwendet werden.

Zur Analyse des Abgases AG wird die Methode der Gaschromato­ graphie angewandt. Dazu wird die Gasprobe entnommen, vom Trä­ gergas TG eingeschlossen und über eine unbeschichtete Transport­ kapillarleitung TKL, beispielsweise aus "fused silica", Durch­ messer 0,2 mm, zum Chromatographen transportiert. Der ausge­ fahrene Entnahmekolben EK wird von einer Zugvorrichtung ZV so­ weit in den Haltezylinder HZ zurückgezogen, daß das Entnahme­ volumen EV mit den sich trichterförmig erweiternden Bohrungen B verbunden wird. Bei ausgefahrenem Entnahmekolben EK strömt das Trägergas TG über einen Bypass um den Entnahmekolben EK herum. Bei zurückgezogenem Entnahmekolben EK wird der Bypass verschlos­ sen und das Trägergas TG strömt durch die Bohrungen B und das Entnahmevolumen EV, spült das Abgas AG heraus und transportiert die Probe über die Transportkapillarleitung TKL zum Gaschromato­ graphen.

Vom Chromatographen wird das Abgas AG auf seine Bestandteile untersucht. Diese Methode und die dazu benötigten Geräte werden beispielsweise in einer Produktschrift der Siemens AG, Bestell- Nr. A 19 100-E687-A5-V1, "Sichromat der Gas-Chromatograph mit überzeugender Technik" und in der Enzyklopädie der Naturwissen­ schaft und Technik, 1979, unter dem Schlagwort Chromatographie, Seite 704-711, beschrieben. Das Analyseergebnis liegt nach einigen Minuten vor. Die Gaschromatographie hat den Vorteil, daß mit einem einzigen Gerät nicht nur die Menge der bekannten Abgaskomponenten Sauerstoff, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd und Stickoxyde, sondern auch einzelne, bisher nur in Summe berück­ sichtigte Kohlenwasserstoffe untersucht werden können.

Die Abgaszusammensetzung der Verbrennungskraftmaschine ist in einem möglichst kurzen Zeitintervall zu untersuchen, um Aus­ sagen über Motorenbetriebszustände bei dynamischem Verhalten, beispielsweise bei Beschleunigungsvorgängen, machen zu können. Als kürzest sinnvolles Zeitintervall ist der Arbeitstakt eines Zylinders bei beliebiger Motordrehzahl zu wählen. Bei einer Motordrehzahl von beispielsweise 6000 U/min (Nockenwellendreh­ zahl 3000 U/min) ergibt sich eine Zylinderarbeitsfrequenz von 50 Hz. Das sind 20 ms je Zylinder eines 4-Takt-Motors. Inner­ halb dieser Zeitspanne muß Probenentnahme erfolgen. Dieser Zeitpunkt wird bei einem Motorenprüfstand von einer numerischen Steuerung festgelegt und das Analyseergebnis gemeinsam mit den entsprechenden Motordaten des Motors, wie Drehzahl, Treibstoff­ verbrauch, Belastung usw., von einem Rechner ausgewertet.

Die Figur zeigt den Entnahmekolben EK in ausgefahrenem Zustand vor der Probenentnahme. Dabei wird nun das Entnahmevolumen EV vom Abgas AG durchströmt und die Gasreste einer vorherigen Pro­ benentnahme werden ausgespült. Das Entnahmevolumen EV beträgt 1 ml und ist beträchtlich geringer als die bei einem Zylinder­ hub ausgestoßene Abgasmenge. Die Entnahmevorrichtung befindet sich möglichst nahe an den Brennkammern des Motors, um einer­ seits nur die Probe eines einzigen Arbeitstaktes eines einzigen Zylinders zu entnehmen und andererseits die Probe möglichst in der im Brennraum vorhandenen Zusammensetzung des Abgases AG zu entnehmen. Eine Entmischung durch Abkühlung wird auch auf dem Transport zum Chromatographen durch Beheizen der Transport­ kapillarleitung TKL verhindert. Dadurch wird gewährleistet, daß die Zusammensetzung der Probe für das gesamte Abgas AG eines Arbeitstaktes typisch ist. Der Entnahmekolben EK ist von der Zugvorrichtung ZV innerhalb der erwähnten 20 ms aus dem Abgas­ strom zurückzuziehen. Das Verschließen der Entnahmeöffnung hat möglichst rasch zu erfolgen, um einen genauen Zeitpunkt der Probenentnahme zu definieren. Ein längerer Beschleunigungsweg durch weiteres Ausfahren des Entnahmekolbens EK erhöht die Ver­ schließgeschwindigkeit der Entnahmeöffnung. Die Zugvorrichtung ZV arbeitet pneumatisch mit Hilfe einer am Entnahmekolben EK einstückig angeformten Druckplatte DP. Es ist aber auch eine elektromagnetische Ausführung der Zugvorrichtung ZV einsetzbar.

Die numerische Steuerung löst bei einem gewählten Betriebszu­ stand des Motors die Probenentnahme aus. Der genaue Zeitpunkt dieser Probenentnahme durch Verschließen des Entnahmevolumens EV durch den Haltezylinder HZ beim Zurückziehen des Entnahme­ kolbens EK wird durch das Unterbrechen der Lichtstrecke einer optischen Markierungsabtastung MA durch die Nase eines am Ent­ nahmekolben EK angeformten Meßzapfens MZ gemessen und zur Steuerung weitergeleitet. Eine genaue Positionsbestimmung des Entnahmekolbens EK in unterschiedlichen Stellungen ist beispiels­ weise durch die Aufbringung eines Strichcodes als Markierung auf dem Meßzapfen MZ und Abtastung des Codes möglich.

Im Auspuffrohr AR treten betriebsbedingt große Temperatur- und Druckschwankungen auf. Daher ist auch die Probenmenge im Ent­ nahmevolumen EV nicht konstant. Der in der Ansaugluft der Ver­ brennungskraftmaschine enthaltene Stickstoff nimmt jedoch am Verbrennungsvorgang nahezu nicht teil. Der in Stickoxyde umge­ wandelte Anteil ist bekannt und kann berücksichtigt werden. Da­ her kann die Menge des Stickstoffs im Abgas AG als Bezugswert für die entnommene Probenmenge herangezogen werden. Dadurch wird dieser für die Messung des dynamischen Verhaltens der Ver­ brennungskraftmaschine charakteristische Meßfehler eliminiert.

Da mit einem Chromatographen während eines Beschleunigungsvor­ ganges der Verbrennungskraftmaschine in der Regel nur ein bis zwei Proben analysiert werden können, muß dieser Beschleuni­ gungsvorgang mehrmals hintereinander identisch ausgeführt wer­ den, um die gewünschte Anzahl von Messungen zu erhalten. Die für eine Gesamtmessung notwendige Zeit wird dadurch verkürzt, daß mehrere Entnahmevorrichtungen und Chromatographen parallel zueinander am Auspufftrakt der Verbrennungskraftmaschine ange­ ordnet werden. Führt man jedem Zylinder ein eigenes Auspuffrohr AR zu, kann an jedes eine eigene Entnahmevorrichtung angeschlos­ sen werden. Je nach gewünschter Meßgenauigkeit oder Dauer der Drehzahlerhöhung ist die Probenentnahme mit den Arbeitstakten zu synchronisieren. Von einer Entnahmevorrichtung aus können nacheinander entnommene Proben auch zu unterschiedlichen Chromatographen geleitet werden. Eine Speicherung der ent­ nommenen Proben zur späteren Analyse ist im allgemeinen nicht zu empfehlen, da sich die Vermischung der einzelnen Komponenten des Abgases AG insbesondere durch Temperaturänderung verändern kann und die Signifikanz der Probe dann nicht mehr gewährlei­ stet ist.

Die erfindungsgemäße Entnahmevorrichtung kann konstruktiv wei­ ter abgewandelt werden. Die Bohrung des Entnahmekolbens EK kann durch eine Ringnut als Entnahmevolumen EV ersetzt werden. Das Verschließen des Entnahmevolumens EV kann auch durch eine nachgeschobene Hülse erfolgen. Anstelle des Ausfahrens des Ent­ nahmekolbens EK zur Probenentnahme kann mit Hilfe einer geeig­ neten Vorrichtung durch einen Kolbenhub Abgas AG in den Halte­ zylinder HZ eingesaugt werden. Durch das Verschließen dieses Hubraumes ist gleichfalls ein Entnahmevolumen EV festgelegt.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung der Abgaszusammensetzung von Verbren­ nungskraftmaschinen durch Probenentnahme aus dem Abgasstrom und Untersuchung der Probe in einem Analysegerät, insbesondere auf ihren Gehalt an Sauerstoff, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Stick­ oxyden und einzelnen Kohlenwasserstoffen, wobei das Probenvo­ lumen nach der Entnahme von einem Trägergas (TG) eingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe nahe dem Auslaß der Brennkammer der Verbrennungskraft­ maschine entnommen und mit konstanter Temperatur zum Analyse­ gerät transportiert wird, daß ein kleineres Volumen als das Ab­ gasvolumen eines Arbeitstaktes entnommen und der Zeitpunkt der Probenentnahme so gelegt wird, daß das Probevolumen aus dem Abgasvolumen eines einziges Arbeitstaktes entnommen wird und daß dieser Zeitpunkt gemessen und gemeinsam mit den zu diesem Zeitpunkt aktuellen Betriebsdaten der Verbrennungskraftmaschine aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stickstoffmenge des Probengases und/oder die Summe der analysierten Bestandteile des Proben­ gases zur Bestimmung des infolge von Druckschwankungen des Ab­ gases variierenden druckkonstanten Probenvolumens ermittelt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Entnahmevorrichtung an einem Auspuffrohr (AR) der Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, die einen in sei­ ner Längsrichtung bewegbaren Entnahmekolben (EK) für die Probe enthält, daß ein durch den Entnahmekolben (EK) festgelegtes Entnahmevolumen (EV) über eine Entnahmeöffnung mit dem Innen­ raum des Auspuffrohres (AR) verbunden ist und daß ein Positions­ geber zur Anzeige des Momentes der Probenentnahme durch Ver­ schließen der Entnahmeöffnung vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entnahmekolben (EK) in das Auspuff­ rohr (AR) ausfahrbar ist, daß ein Hohlraum des Entnahmekolbens (EK) mit Entnahmeöffnung als Entnahmevolumen (EV) in ausgefah­ rener Stellung in den Abgasstrom ragt und daß das Entnahmevolu­ men (EV) nach der Probenentnahme von einem Haltezylinder (HZ) verschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Haltezylinder (HZ) mit dem Auspuff­ rohr (AR) fest verbunden ist, daß das Entnahmevolumen (EV) durch Zurückziehen des Entnahmekolbens (EK) aus dem Abgasstrom verschließbar ist und daß das Entnahmevolumen (EV) in zurück­ gezogener Stellung mit einer Trägergas (TG) führenden Transport­ kapillarleitung (TKL) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Haltezylinder (HZ) als über den Ent­ nahmekolben (EK) schiebbare Hülse ausgeführt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entnahmekolben (EK) von der Entnahme­ öffnung zurückziehbar ist und der so entstehende Hubraum nach der Probenentnahme mit einem Schieber abgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Entnahmekolben (EK) mit einer elektromagnetischen oder pneumatischen Zugvorrichtung (ZV) verbunden ist, der Positionsgeber einen einstückig am Entnah­ mekolben (EK) angeformten, mit mindestens einer Markierung ver­ sehenen Meßzapfen (MZ) und eine berührungsfreie Markierungsab­ tastung (MA) enthält und das Analysegerät ein Gaschromatograph ist.