DE3800219A1 - Verfahren und messvorrichtung zur volumenbestimmung von abgasstroemen, insbesondere zur autoabgas-volumenbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren - und eine der Verfahrensdurchführung dienende Meßvorrich­ tung - zur Volumenbestimmung von Abgasströmen, ins­ besondere zur Autoabgas-Volumenbestimmung, bei dem das je Zeiteinheit strömende Gasvolumen unter Berück­ sichtigung von Druck und Temperatur fortlaufend er­ mittelt wird.

Für die Ermittlung der in Abgasströmen anzutreffen­ den Schadstoffmengen bedarf es einerseits einer Be­ stimmung der je Zeiteinheit strömenden Abgasmenge und andererseits einer Gasanalyse. Die Bestimmung der Abgasmenge erfordert neben der Ermittlung von Temperatur und Druck die Ermittlung des strömenden Abgasvolumens.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich lediglich mit der Volumenbestimmung strömender Abgase. Dieser Volu­ menbestimmung kommt insbesondere bei den bekannten Autoabgas-Untersuchungen insofern Bedeutung zu, als Brennkraftmaschinen sehr unterschiedlicher Leistung hinsichtlich ihres Abgasverhaltens zu untersuchen sind und über den Lastbereich einer bestimmten Brennkraft­ maschine je Zeiteinheit sehr unterschiedliche Abgas­ mengen und auch beträchtlich unterschiedliche Abgas­ temperaturen auftreten.

Es ist bereits ein Verfahren zur Autoabgas-Volumenbe­ stimmung - und eine der Durchführung dieses Verfahrens dienende Vorrichtung - bekannt, bei dem mittels eines sogenannten Rootsgebläses Motorabgase und gefilterte Umgebungsluft in einem Mischungsverhältnis von bei­ spielsweise zwischen 1/4 bis 1/10 über einen Mischer angesaugt und in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl das Volumen der je Zeiteinheit strömenden - verdünnten Abgase - ermittelt wird. Temperatur und Druck der in­ folge Luftbeimengung verdünnten Abgase sollen dabei am Gebläseeingang erfaßt und durch Umrechnung in einem Auswertegerät berücksichtigt werden.

Unbefriedigend bei diesem vorbekannten Meßverfahren ist, daß Kurzzeitmessungen nur recht ungenaue Daten liefern, weil verfahrens- und anlagebedingt recht große Todvolumina vorhanden sind. Auch wirkt sich die "Ver­ dünnung" der zu untersuchenden Abgase mit Umgebungs­ luft ungünstig auf die parallel zur Volumenbestimmung durchzuführende Gasanalyse aus.

Angesichts dieser Unzulänglichkeiten des Standes der Technik besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Volumenbestimmung von Abgasströmen und einer der Verfahrensdurchführung dienenden Meßvorrichtung, wobei das Verfahren und die Meßvorrichtung insbesondere für die Abgasvolumenbestimmung bei Brennkraftmaschinen geeignet sein sollen.

Ausgehend von dem eingangs angegebenen Verfahren ist die insoweit gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Abgas durch eine Meßkammer mit definiertem Strö­ mungsquerschnitt hindurchgeführt und vor der Meßkammer die Gastemperatur auf einen vorbestimmten Wert einge­ stellt sowie während des Durchströmens im wesentlichen auf dem eingestellten Wert gehalten wird und daß durch fortlaufende Ultraschallabtastung auftretender Strö­ mungswirbel deren Ablösfrequenz als Maß für die Strö­ mungsgeschwindigkeit ermittelt und das Gasvolumen an­ hand der Druck- und Temperaturwerte sowie der geschwin­ digkeitsproportionalen Meßwerte errechnet wird.

Das von dem erstmalig von Karmann beschriebenen Phäno­ men der Wirbelablösung an einem in einer Strömung lie­ genden Hindernis abgeleitete Meßprinzip ist zwar an sich bekannt, hat aber bisher zur Volumenermittlung unverdünnter Abgasströme noch keine Anwendung gefunden.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfah­ rens liegt in dessen hoher Ansprechgenauigkeit auf sich ändernde Gasdurchsätze, wobei die Umrechnung der Gasvolumina in beispielsweise auf 20°C und Atmosphären­ druck bezogene Normalkubikmeter erfolgt. Wenn gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung der Mittelwert der auftretenden Strömungswirbel in Zeitintervallen Δ t 1,0 s errechnet wird, ist eine besonders hohe Genauigkeit des Meßverfahrens gewähr­ leistet.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht geht die Erfin­ dung aus von einer zum Durchführen des Verfahrens dienen­ den Meßvorrichtung mit Einrichtungen zur fortlaufenden Ermittlung der Dichte und Temperatur sowie des Volumens der strömenden Abgase. Die insoweit gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß bei einer derartigen Meßvorrich­ tung zum Einleiten unverdünnter Abgase eine Vorlaufkammer vorgesehen und mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung zum Einstellen der Gastemperaturen auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau ausgerüstet ist, daß sich an die Vorlauf­ kammer eine einen definierten Strömungsquerschnitt auf­ weisende Meßkammer anschließt, die mit Mitteln zum Auf­ rechterhalten der Gastemperatur während des Durchströ­ mens und mit einer Meßeinrichtung zum fortlaufenden Ermitteln der Ablösefrequenz auftretender Strömungs­ wirbel versehen ist und daß dieser Meßeinrichtung ein seinerseits auf einen Auswerterechner geschaltetes Auswertegeräte zur Erfassung der Wirbelablösefrequenz, der Temperatur und Dichte der Gasströmung in der Meß­ kammer nachgeschaltet ist.

Eine so beschaffene Vorrichtung ist im Aufbau einfach und führt zu genauen Meßwerten, wobei besonders günstige Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Vorlaufkammer so bemessen ist, daß vor dem Eintritt der Gasströmung in die eigentliche Meßkammer eine präzise Temperatur­ einstellung auf das gewünschte Temperaturniveau er­ reicht wird.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Meßvorrichtung bestehen die Vorlaufkammer und die Meßkammer aus lang­ gestreckten Rohren, die in Parallellage zueinander ver­ laufen und über einen sich über 180° erstreckenden Um­ lenkungsbereich zu einer Meßapparatur zusammengefaßt sind, und die Meßeinrichtung zum Ermitteln der Ablösefre­ quenz auftretender Strömungswirbel ist in der abströmsei­ tigen Hälfte der Meßkammer angeordnet. Damit ist eine kompakt bauende Meßapparatur geschaffen worden, bei der die Meßeinrichtung zur Ermittlung der geschwindig­ keitsproportionalen Wirbelablösefrequenz in einem Be­ reich der Meßkammer angeordnet ist, in dem außere Ein­ flüsse auf die Strömung ausgeschaltet sind und somit letztere beruhigt ist. Demgemäß werden lediglich die an einem in die Strömung hineinragenden Hindernis der Meßeinrichtung sich ablösenden Strömungswirbel erfaßt. Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Meß­ einrichtung zum Ermitteln der Ablösefrequenz auftreten­ der Strömungswirbel in einem etwa dem zwanzigfachen Durchmesser der Meßkammer entsprechenden Abstand vom Einlaß der Meßkammer angeordnet ist.

Als gleichfalls vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sich innerhalb des die Vorlaufkammer bildenden Rohrs eine elektrische Widerstandsheizung in Form eines Heiz­ stabes entlangerstreckt, der von sich radial bis an die Rohrwandung reichenden und im übrigen in Strömungs­ richtung verlaufenden Wärmeleitblechen umgeben ist, während der Umlenkungsbereich und das die Meßkammer bildende Rohr mit rohraußenseitigen Begleitheizungen versehen sind.

Anhand der beigefügten Zeichnung sollen nachstehend das erfindungsgemäße Meßverfahren und eine Ausführungs­ form der Meßvorrichtung zum Durchführen des Verfahrens erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 einen Übersichtsplan einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der Schadstoffimmissionen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer Meßapparatur mit einer Vorlaufkammer zum Einleiten und Ein­ stellen unverdünnter Abgase auf ein vorbestimm­ tes Temperaturniveau und mit einer der Vorlauf­ kammer in Strömungsrichtung der Abgase nachge­ schalteten Meßkammer,

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2 durch die Meßapparatur und

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 2 durch die mit einer Heizung versehene Vorlaufkammer in vergrößerter Darstellung.

Die in Fig. 1 anhand eines Übersichtsplans veranschau­ lichte Meßvorrichtung besitzt eine Meßapparatur 10, die aus einer Vorlaufkammer 11 mit einem Einlaßstutzen 12 zum Einleiten der zu untersuchenden Abgase und einer sich daran in Strömungsrichtung anschließenden Meßkam­ mer 13 mit einem Strömungsauslaß 14 anschließt. lm Be­ reich der Meßkammer 13 werden bei 15 der Durchfluß und bei 16 die Temperatur der strömenden Abgase erfaßt und mittels eines Auswertegerätes 17 unter Berücksichti­ gung des statischen Druckes in ein volumenproportio­ nales Analogsignal umgesetzt, das einem nachgeschalte­ ten Auswerterechner 18 - in der Zeichnung nur gestrichelt angedeutet - zugeleitet wird. Im Strömungswege hinter dem Abgriff der geschwindigkeitsproportionalen Durchfluß­ und Temperatursignale werden bei 19 aus der Meßkam­ mer 13 unverdünnte Abgasproben entnommen und mittels eines - ebenfalls nur gestrichelt angedeuteten - Analysen­ gerätes 20 die in diesen Proben enthaltenen Schadstoff­ konzentrationen ermittelt. Die mittels des Analysen­ gerätes gewonnen Daten werden ebenfalls dem Auswerte­ rechner 18 zugeführt, der seinerseits anhand dieser Daten und der vom Auswertegerät 17 gelieferten volu­ menproportionalen Analogsignale die jeweiligen Schad­ stoffimmissionen ermittelt.

Bei der in Fig. 2 in einer Gesamtansicht veranschaulich­ ten Meßapparatur 10 besteht die Vorlaufkammer 11 aus einem langgestreckten Rohr 22 mit einem in der Nähe des einen Rohrendes angeordneten Einlaßstutzen 12 zum Ein­ leiten der zu analysierenden Brennkraftmaschinen-Abgase. Parallel zu der rohrförmigen Vorlaufkammer 11 und über dieser ist eine gleichfalls als langgestrecktes Rohr 23 mit definiertem Strömungsquerschnitt ausgebildete Meß­ kammer 13 angeordnet, deren eines Ende mittels eines sich über 180° erstreckenden Umlenkbereichs 24 mit dem vom Einlaßstutzen 12 entfernten Ende des die Vorlauf­ kammer 11 bildenden Rohrs 22 in Strömungsverbindung steht. lm Bereich des Einlaßstutzens 12 erstreckt sich zwischen den Rohren 22 und 24 der Vorlauf- und Meßkammer ein Abstandshalter 21 und das die Vorlaufkammer 11 bil­ dende Rohr 22, der Umlenkungsbereich 24 und das die Meßkammer 13 bildende Rohr 23 sind in bekannter Weise mit einer Isolierung ausgerüstet, die aus einer lso­ lierstoffumhüllung 25 und einem letzteren einschließen­ den Blechmantel 26 besteht, was jedoch hier nicht wei­ ter interessiert.

Zum Aufheizen der über den Einlaßstutzen 12 in die Vorlaufkammer 11 eingeleiteten Abgase erstreckt sich innerhalb des die Vorlaufkammer bildenden Rohrs 22 ein etwa bis an den Umlenkungsbereich 24 heranreichender Heizstab 28, bei dem es sich um eine elektrische Wi­ derstandsheizung handelt. Zwischen dem Heizstab und dem die Vorlaufkammer bildenden Rohr 22 sind Wärmeleit­ bleche 29 angeordnet, die sich radial erstrecken, wie Fig. 4 zeigt, und im übrigen in Strömungslängsrich­ tung verlaufen. Ferner ist die Vorlaufkammer mit einem hier nicht weiter interessierenden Kondensatablaß 30 ausgerüstet. Der sich an die Vorlaufkammer anschließende Umlenkungsbereich und das die Meßkammer bildende Rohr sind mit einer Rohrbegleitheizung versehen, die in Fig. 2 als die Rohre umschließende Heizwendel 32 an­ gedeutet sind und dazu dienen, die in der Vorlaufkam­ mer auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizten Ab­ gase innerhalb eines vorbestimmten Schwankungsbereichs im wesentlichen auf dem erreichten Temperaturniveau zu halten.

Die Volumenbestimmung der Abgase basiert darauf, daß in der Meßkammer Druck, Temperatur und Strömungsge­ schwindigkeit der Abgase laufend ermittelt und diese Daten vom Auswertegerät 17 in volumenproportionale Analogsignale umgesetzt sowie einem Auswerterechner zugeleitet werden. Zur Ermittlung geschwindigkeitspro­ portionaler Daten dient eine Meßeinrichtung 34, die in einem vorbestimmten Abstand vom Umlenkungsbereich 24 der Meßkammer zugeordnet ist, und zwar in einem Abstand von der Gaseintrittseite der Meßkammer, der etwa das zwanzigfache des lnnendurchmessers des die Meßkammer bildenden Rohrs 23 beträgt. Die Meßeinrichtung 34 besitzt ein in das die Meßkammer bildende Rohr 23 hineinra­ gendes Hindernis 35 und dient zur Ermittlung der Fre­ quenz von Wirbelablösungen, die an dem genannten Hin­ dernis auftreten. Abströmseitig von der Meßeinrich­ tung 34 ist ein Temperaturfühler 36 angeordnet, der einerseits zur Steuerung der elektrischen Widerstands­ heizung in der Vorlaufkammer 11 dient und andererseits seine Meßdaten in der oben in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Weise an das Auswertegerat 17 liefert. Fer­ ner ist abströmseitig von dem Temperaturfuhler ein nur angedeuteter Stutzen 37 zur Entnahme von Gasproben an­ geordnet, was hier indessen nicht weiter interessiert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Volumenbestimmung von Abgasströomen, insbesondere zur Autoabgas-Volumenhestimmung, bei dem das je Zeiteinheit strömende Gasvolumen unter Berück­ sichtigung vnn Druck und Temperatur laufend ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch eine Meßkammer mit definiertem Strömungsquerschnitt hindurchgeführt und vor der Meß­ kammer die Gastemperatur auf einen vorbestimmten Wert eingestellt sowie während des Durchströmens im wesentli­ chen auf dem eingestellten Wert gehalten wird und daß durch fortlaufende Ultraschallabtastung auftretender Strömungswirbel deren Ablösefrequenz als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt und das Gasvolumen anhand der Druck- und Temperaturwerte sowie der geschwin­ digkeitsproportionalen Meßwerte errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert der auftretenden Strömungswirbel in Zeitintervallen Δ t 1,0 s errechnet wird.

3. Zum Durchführen des Verfahrens nach Patentanspruch 1 oder 2 dienende Meßvorrichtung mit Einrichtungen zur fort­ laufenden Ermittlung der Dichte und Temperatur sowie des Volumens der strömenden Abgase, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Einleiten unverdünnter Abgase eine Vorlaufkammer (11) vorgesehen und mit einer Heiz- und/ oder Kühleinrichtung (28) zum Einstellen der Gastempera­ tur auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau ausgerüstet ist, daß sich an die Vorlaufkammer eine einen definier­ ten Strömungsquerschnitt aufweisende Meßkammer (13) an­ schließt, die mit Mitteln (32) zur Aufrechterhaltung der Gastemperatur während des Durchströmens und mit einer Meßeinrichtung (34) zum fortlaufenden Ermitteln der Ab­ lösefrequenz auftretender Strömungswirbel als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit versehen ist und daß dieser Meßeinrichtung ein seinerseits auf einen Auswerterechner (18) geschaltetes Auswertegerät (17) zur Erfassung der Wirbelablösefrequenz, der Temperatur und Dichte der Gas­ strömung in der Meßkammer nachgeschaltet ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorlaufkammer (11) und die Meßkammer (13) aus langgestreckten Rohren (22, 23) bestehen, die in Parallellage zueinander verlaufen und über einen sich über 180° erstreckenden Umlenkungsbereich (24) zu einer Meßappa­ ratur zusammengefaßt sind, und daß die Meßeinrichtung (34) zum Ermitteln der Ablösefrequenz auftretender Strömungswir­ bel in der abströmseitigen Hälfte der Meßkammer (13) ange­ ordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinrichtung (34) zum Ermitteln der Ablösefrequenz auftretender Strömungswirbel in einem Abstand vom Einlaß der Meßkammer (13) angeordnet ist, der etwa dem zwanzigfachen des Durchmessers der Meßkammer entspricht.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb des die Vorlaufkammer (11) bildenden Rohrs (22) eine elektri­ sche Widerstandsheizung in Form eines Heizstabes (28) entlangerstreckt, der von sich radial bis an die Rohr­ wandung reichenden und im übrigen in Strömungsrich­ tung verlaufenden Wärmeleitblechen (29) umgeben ist, während der Umlenkungsbereich (24) und das die Meß­ kammer (13) bildende Rohr (23) mit rohraußenseitigen Begleitheizungen (32) versehen sind.