DE4018872A1 - Dynamic determn. of pollutant concns. in automobile exhaust gases - by measuring vol. of undiluted exhaust gas and/or diluent air at successive time interval - Google Patents
Dynamic determn. of pollutant concns. in automobile exhaust gases - by measuring vol. of undiluted exhaust gas and/or diluent air at successive time intervalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermit teln der Massenkonzentrationen von Schadstoffen in den Abgasen insbesondere von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmo toren bei verschiedenen Fahr- bzw. Betriebszuständen, bei dem Abgas und Mischluft zusammengeführt und zu einem nach Schadstoffkonzentration und Temperatur homogenen verdünnten Abgasstrom innig miteinander vermischt werden und dann einem konstanten Volumenstrom der verdünnten Abgase ein zu diesem proportionaler Probe gasstrom entnommen sowie hinsichtlich der darin ent haltenen Schadstoffe nach Art und jeweiliger Massen konzentration analysiert wird.The invention relates to a method for detection of the mass concentrations of pollutants in the Exhaust gases, in particular from motor vehicle combustion engines gates in different driving or operating conditions, at the exhaust gas and mixed air merged into one homogeneous according to pollutant concentration and temperature diluted exhaust gas stream mixed intimately and then a constant volume flow diluted exhaust gases a sample proportional to this withdrawn gas flow and ent pollutants by type and mass concentration is analyzed.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art, das sich der sogenannten CVS (constant volume sampling)-Meß methode bedient, wird einem konstanten Volumenstrom aus innig miteinander vermischten - unverdünnten - Abgasen und Zuluft ein Probegasstrom entnommen und letzterer zur Füllung von Meßbeuteln herangezogen, deren Inhalt dann hinsichtlich Art und Konzentration der enthaltenen Schadstoffe analysiert wird. Da die Befüllung der Meßbeutel größere Zeiträume von beispiels weise 500 Sekunden beansprucht, können mit der vorbe kannten Meßmethode nur über den jeweiligen Befüllungs zeitraum gebildete Mittelwerte der Schadstoffemissionen ermittelt werden. In Abhängigkeit von kurzfristigen Änderungen des Betriebszustandes auftretende Verände rungen der einzelnen Schadstoffanteile sind hingegen nicht erfaßbar.In a known method of this type, the the so-called CVS (constant volume sampling) measurement method is used, a constant volume flow is used from intimately mixed - undiluted - Exhaust gases and supply air are taken from a sample gas stream and the latter used to fill measuring bags, their content then in terms of type and concentration the contained pollutants is analyzed. Since the Filling the measuring bags larger periods of example 500 seconds can be used with the vorbe Known measurement method only via the respective filling period-formed mean values of the pollutant emissions be determined. Depending on short-term Changes in the operating state the individual pollutant fractions are, however not detectable.
Durch die Erfindung soll demgegenüber ein Meßverfahren der obengenannten Art und Zweckbestimmung geschaffen werden, das eine dynamische Messung der jeweils an fallenden Schadstoffemissionen ermöglicht.In contrast, the invention is intended to provide a measuring method of the above-mentioned type and purpose be a dynamic measurement of each falling pollutant emissions.
Gelöst ist diese Aufgabe dadurch, daß bei dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 in aufeinanderfolgen den Zeitintervallen von beispielsweise einer Sekunde die jeweiligen Volumina der unverdünnten Abgase und/oder der zur Verdünnung eingesetzten Mischluft gemessen und die für jedes Zeitintervall geltenden Verdünnungsverhältnisse be stimmt sowie anhand dieser Verdünnungsverhältnisse die Schadstoff-Massenkonzentrationen in den unverdünnten Abgasen durch Hochrechnung der in den verdünnten Abgasen ge messenen Schadstoffkonzentrationen ermittelt werden.This problem is solved in that the method according to the preamble of claim 1 in succession the time intervals of, for example, one second respective volumes of the undiluted exhaust gases and / or the mixed air used for dilution and measured for dilution ratios apply every time interval is correct and based on these dilution ratios Pollutant mass concentrations in the undiluted exhaust gases by extrapolating the ge in the diluted exhaust gases measured pollutant concentrations can be determined.
Während bei dem Verfahren nach dem Stande der Technik jeweils nur die sich über die Dauer der Befüllung der Meßbehälter ergebenden Mittelwerte bestimmt werden können, gelingt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dynamische Messung der Abgasemissionen nach Art und jeweiliger Massenkonzentration, weil aufeinanderfolgend in sehr kurzen Meßintervallen die Volumina der unverdünnten Abgase und/oder der zur Ver dünnung eingesetzten Mischluft gemessen werden und da durch das Verdünnungsverhältnis des verdünnten Abgas stroms jeweils präzise ermittelt und dadurch eine einfache Hochrechnung auf die unverdünnten Abgase möglich wird. Durch Verrechnung der Schadstoffkonzentrationen mit den gemessenen Volumina ist nicht nur eine integrale, sondern auch eine zeitlich aufgelöste Bestimmung des Schadstoff massenausstoßes möglich, und zwar in Zeitintervallen kleiner als eine Sekunde.While in the prior art method each only that over the duration of filling the measuring container resulting mean values can be determined with the inventive method a dynamic measurement of Exhaust gas emissions by type and respective mass concentration, because consecutively in very short measuring intervals Volumes of the undiluted exhaust gases and / or those for ver mixed air can be measured and there by the dilution ratio of the diluted exhaust gas currents precisely determined and thereby a simple Extrapolation to the undiluted exhaust gases is possible. By offsetting the pollutant concentrations with the measured volume is not just an integral, but also a temporally resolved determination of the pollutant mass ejection possible, at time intervals less than a second.
Bei der Erfindung handelt es sich somit um eine dynamische Volumenmessung, wobei zwar auch über das jeweilige Meßin tervall Mittelwerte gebildet werden, aber die Messungen werden aufeinanderfolgend in sehr kurzen Zeitintervallen von beispielsweise weniger als einer Sekunde durchgeführt. Dadurch sind im Betrieb auftretende Änderungen der Volumen ströme schnell und präzise erfaßbar.The invention is therefore a dynamic one Volume measurement, although also via the respective meas tervall averages are formed, but the measurements are consecutive in very short time intervals of less than a second, for example. As a result, changes in volume occur during operation currents can be grasped quickly and precisely.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Verdünnungsverhältnisse für die jeweiligen Meßintervalle durch Messung der Volumina nur einer der Komponenten zur Bildung des konstanten Volumenstroms der verdünnten Abgase, nämlich der unverdünnten Abgase oder der Zuluft, sowie durch Differenzbildung zwischen diesen Meßwerten und dem konstanten Volumenstrom der verdünnten Abgase zu ermitteln. Angesichts der unterschiedlichen und jeweils vom Fahr- bzw. Betriebs zustand abhängigen Temperaturverhältnisse der unver dünnten Abgase sollten in den Meßintervallen mit Vorteil jeweils die zur Bildung des verdünnten Abgas stroms herangezogenen Mischluft-Volumina ermittelt und die entsprechenden Abgas-Volumina als Differenz zwischen dem konstanten Volumenstrom der verdünnten Abgase und der eingesetzten Mischluft gebildet werden.An expedient development of the invention provides before, the dilution ratios for each Measuring intervals by measuring the volumes of only one of the Components for the formation of the constant volume flow the diluted exhaust gases, namely the undiluted exhaust gases or the supply air, as well as by forming the difference between these measured values and the constant volume flow of the diluted exhaust gases. Given the different and each of the driving or operating condition-dependent temperature conditions of the un thin exhaust gases should be included in the measurement intervals Advantage each to form the diluted exhaust gas current mixed air volumes determined and the corresponding exhaust gas volumes as a difference between the constant volume flow of the diluted Exhaust gases and the mixed air used are formed.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung braucht für die durch zuführende Ermittlung der Schadstoff-Massenkonzen trationen indessen nicht der gesamte Abgasstrom einge setzt zu werden, was als "Vollstrommethode" bezeichnet werden kann, sondern es kann auch ein definierter Teilstrom der unverdünnten Abgase mit Mischluft zu sammengeführt und zu einem homogenen verdünnten Abgas strom mit konstantem Volumen vermischt werden, wobei die Volumina der unverdünnten Abgase und des davon abgezweigten Teilstroms zur Bildung des verdünnten Abgasstroms in jedem Meßintervall ermittelt und die im verdünnten Abgasstrom gemessenen Schadstoffkon zentrationen wiederum entsprechend dem jeweiligen Verdünnungsverhältnis auf die unverdünnten Abgase hochgerechnet werden. Dieses Verfahren kann als "Teil strommethode" bezeichnet werden und hat für solche Anwendungsfälle besondere Bedeutung, bei denen sehr große Abgas-Volumina je Zeiteinheit anfallen.According to another embodiment, the need for leading determination of the pollutant mass concentration However, the entire exhaust gas flow is not reduced to become what is referred to as the "full current method" can be, but it can also be a defined one Partial flow of the undiluted exhaust gases with mixed air brought together and to a homogeneous diluted exhaust gas stream are mixed with constant volume, whereby the volumes of the undiluted exhaust gases and of them branched partial stream to form the diluted Exhaust gas flow is determined in every measuring interval and the Pollutant con. measured in the diluted exhaust gas flow concentrations in turn according to the respective Dilution ratio to the undiluted exhaust gases be extrapolated. This procedure can be considered a "part current method "and has for such Use cases of particular importance where very large exhaust gas volumes per unit of time arise.
Anhand der beigefügten Zeichnung sollen nachstehend zwei Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln von Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen insbesondere von Kraftfahrzeug-Ver brennungsmotoren bei verschiedenen Fahr- bzw. Betriebs zuständen erläutert werden: Based on the attached drawing, below two possible embodiments of the invention Procedure for determining pollutant concentrations in the exhaust gases, in particular from motor vehicle ver internal combustion engines in different driving or operating states are explained:
Fig. 1 in einem Prinzipschaubild die sogenannte Vollstrommethode, bei der die anfallenden Abgase mit Zuluft, die der Atmosphäre ent nommen wird, zu einem konstanten Volumen strom verdünnter Abgase zusammengeführt und innig vermischt werden, Fig. 1 in a schematic diagram of the so-called full-flow method, wherein the resulting exhaust gases with fresh air, the atmosphere is taken ent, brought together to a constant volume flow of diluted gases and are intimately mixed,
Fig. 2 in einem Fig. 1 entsprechenden Prinzipschau bild die sogenannte Teilstrommethode, bei der nur ein Teilstrom der anfallenden unver dünnten Abgase mit Zuluft zusammengeführt und zur Bildung eines konstanten Volumenstroms verdünnter Abgase vermischt wird und Fig. 2 in a schematic view corresponding to Fig. 1 shows the so-called partial flow method, in which only a partial flow of the undiluted exhaust gases obtained is combined with supply air and mixed to form a constant volume flow of diluted exhaust gases and
Fig. 3 in einer graphischen Darstellung den über einer Zeitachse aufgetragenen konstanten Volumenstrom verdünnter Abgase mit seinen jeweiligen Anteilen aus Zuluft und unverdünntem Abgas. Fig. 3 is a graph showing the plotted a time axis constant volume flow of diluted gases with its respective proportions of supply air and exhaust undiluted.
Die beiden nachstehend zu beschreibenden Verfahrens möglichkeiten stützen sich auf die sogenannte CVS-Methode, bei der ein konstanter Volumenstrom aus innig miteinander vermischten unverdünnten Abgasen und Zuluft gebildet und ein davon abgezweigter Probegasstrom zur Analyse der in diesem Probegasstrom enthaltenen Schadstoffkonzentrationen herangezogen wird.The two procedures to be described below possibilities are based on the so-called CVS method, at which a constant volume flow from intimately to each other mixed undiluted exhaust gases and supply air are formed and a branched sample gas stream for analysis of the in this sample gas stream contained pollutant concentrations is used.
Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Vollstrommethode gelangt der gesamte Abgasstrom von einem Abgaserzeuger 10, bei dem es sich um eine Kolbenbrennkraftmaschine, aber auch um eine Gasturbine handeln kann, gemäß Pfeil 11 über eine Meßeinrichtung 12 zu einer Mischeinrich tung 14, der über einen Zuluftfilter 15 und eine Meßeinrichtung 16 gemäß Pfeil 17 Mischluft zugeführt wird. In der Mischeinrichtung 14 werden die unver dünnten Abgase und die Zuluft zu einem hinsichtlich der Schadstoffkonzentrationen und Temperatur homogenen Abgasstrom 18 konstanten Volumens miteinander ver mischt. Der Abgasstrom 18 wird mittels eines Gebläses 20 gefördert.In the full flow method illustrated in Fig. 1, the entire exhaust gas flow from an exhaust gas generator 10 , which can be a piston internal combustion engine, but also a gas turbine, according to arrow 11 via a measuring device 12 to a mixing device 14 , which has an inlet air filter 15 and a measuring device 16 according to arrow 17 mixed air is supplied. In the mixing device 14 , the undiluted exhaust gases and the supply air are mixed with one another to form a constant volume 18 with respect to the concentrations of pollutants and the temperature of the exhaust gas. The exhaust gas stream 18 is conveyed by means of a fan 20 .
Die Mischeinrichtung 14 kann, was indessen bekannt und deshalb nicht weiter dargestellt ist und auch keiner weiteren Erläuterung bedarf, mit einem Wärmeaustauscher gekoppelt sein, mittels dessen der verdünnte Abgas strom durch Kühlung oder Wärmezufuhr auf eine konstante oder zumindest annähernd konstante Temperatur eingestellt werden kann. Wenn dabei noch im wesentlichen Druck konstanz gewährleistet wird, gelingt es neben der Konstanz des Volumenstroms auch Konstanz des Massen stroms zu erreichen.The mixing device 14 can, however, which is known and therefore not shown further and also requires no further explanation, be coupled to a heat exchanger, by means of which the diluted exhaust gas stream can be adjusted to a constant or at least approximately constant temperature by cooling or supplying heat. If this essentially guarantees constant pressure, it is possible to achieve not only the constancy of the volume flow but also the constancy of the mass flow.
Mittel zum Erzeugen eines konstanten Volumenstroms sind bekannt. Bei nach der sogenannten CVS-Methode arbeitenden Anlagen haben sich insbesondere Drehkolben gebläse als für diesen Zweck geeignet erwiesen.Means for generating a constant volume flow are known. With the so-called CVS method working systems have in particular rotary lobes blowers proved to be suitable for this purpose.
Gemäß Fig. 1 werden die vom Abgaserzeuger 10 kommenden unverdünnten Abgase und die Zuluft über je eine Meßein richtung 12, 16 der Mischeinrichtung 14 zugeführt und dabei die jeweiligen Volumina der beiden Gasströme er mittelt. In Fig. 3 sind die jeweiligen Anteile der unver dünnten Abgas-Volumina und der Zuluft aufgetragen, die gemeinsam den konstanten Volumenstrom verdünnter Abgase bilden. Aus dem Verhältnis des unverdünnten Abgas-Volumens entsprechenden Zuluft-Volumen im jeweils betrachteten Zeitintervall ergibt sich in sehr einfacher Weise das jeweilige Verdünnungsverhältnis.Referring to FIG. 1, the exhaust gas coming from the generator 10 undiluted exhaust gases and the supply air via one MESSEIN device 12, 16 supplied to the mixer 14 while the respective volumes of the two gas streams, it averages. In Fig. 3, the respective proportions of the raw exhaust gas volumes and the supply air are applied which together form the constant volume flow of diluted gases. The respective dilution ratio is obtained in a very simple manner from the ratio of the undiluted exhaust gas volume corresponding to the supply air volume in the time interval under consideration.
Von dem hinsichtlich seiner Schadstoffkonzentration und Temperatur homogenen verdünnten Abgasstrom wird in bekannter Weise ein Probegasstrom abgezweigt und hinsichtlich Art und Konzentration der darin ent haltenen Schadstoffe in ebenfalls bekannter Weise analysiert. Dies ist bekannt und bedarf keiner weiteren Erörterung. Die so ermittelten Schadstoffkonzentra tionen sind in entsprechend dem im jeweiligen Zeit intervall vorliegenden Verdünnungsverhältnis in ein facher Weise auf den unverdünnten Abgasstrom hoch rechenbar und damit bestimmbar.Of that with regard to its pollutant concentration and temperature becomes homogeneous diluted exhaust gas flow a sample gas stream is branched off in a known manner and in terms of type and concentration of ent keeping pollutants in a known manner analyzed. This is known and requires no further Discussion. The pollutant concentration determined in this way ions are in the according to the respective time Interval dilution ratio in one high on the undiluted exhaust gas flow calculable and therefore determinable.
Die Vollstrommethode gemäß Fig. 1 kann auch in der Weise Anwendung finden, daß lediglich die zur Bildung des konstanten Volumenstroms aus verdünnten Abgasen zugeführte Zuluft laufend ermittelt und aus der Diffe renz zwischen dem konstanten Volumenstrom verdünnter Abgase und den jeweiligen Zuluft-Volumina die unver dünnten Abgas-Volumina bestimmt werden. In diesem Falle wird die Meßeinrichtung 12 zur laufenden Messung der unverdünnten Abgasvolumina nicht benötigt. Diesem Meß verfahren kommt insofern Bedeutung zu, als die laufende Volumenmessung an dem thermisch nicht belasteten Zuluftstrom vorgenommen wird und es daher keiner Maßnahmen gegen schädliche thermische Einwirkungen bedarf. The full-flow method shown in FIG. 1 can also be in the way apply that only the power supplied for forming the constant volume flow of diluted exhaust supply air continuously determined and from the Diffe rence between the constant volume flow of diluted gases and the respective intake air volumes of the undiluted exhaust gas -Volumes can be determined. In this case, the measuring device 12 is not required for the continuous measurement of the undiluted exhaust gas volumes. This measuring method is important insofar as the current volume measurement is carried out on the thermally unloaded supply air flow and therefore no measures against harmful thermal effects are required.
Umgekehrt ist selbstverständlich auch eine Verfahrens verwirklichung in der Weise möglich, daß lediglich die Abgas-Volumina laufend gemessen und die jeweils zur Bildung des verdünnten Abgasstroms erforderlichen Zuluft-Volumina aus der Differenz zwischen dem konstanten verdünnten Volumenstrom und den gemessenen Abgas- Volumina bestimmt werden. Dabei wird die Meßeinrichtung 16 zur laufenden Messung der Zuluft-Volumina nicht benötigt.Conversely, it is of course also possible to implement a method in such a way that only the exhaust gas volumes are measured continuously and the supply air volumes required to form the diluted exhaust gas flow are determined from the difference between the constant diluted volume flow and the measured exhaust gas volumes. The measuring device 16 is not required for the ongoing measurement of the supply air volumes.
In Fig. 2 sind für gleiche Teile wie in Fig. 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet, zur Unterscheidung jedoch durch einen Strich gekennzeichnet.In Fig. 2, the same reference numerals are used for the same parts as in Fig. 1, but to distinguish them by a dash.
Bei der Teilstrommethode gemäß Fig. 2 wird hingegen aus dem vom Abgaserzeuger 10′ gemäß Pfeil 11′ kommenden unverdünnten Abgasstrom, der über eine Meßeinrich tung 12′ geführt ist, lediglich ein Teilstrom abgezweigt und gemäß Pfeil 21 über eine weitere Meßeinrichtung 22 einer Mischeinrichtung 14′ zugeführt und in dieser mit Zuluft zu einem homogenen verdünnten Abgasstrom konstan ten Volumens zusammengeführt, während der übrige Teil der unverdünnten Abgase gemäß Pfeil 23 unmittelbar abgeführt wird. Demgemäß werden mittels der dem Abgaser zeuger 10′ nachgeschalteten Meßeinrichtung 12′ das gesamte unverdünnte Abgasvolumen und mittels der weiteren Meßeinrichtung 22 die Volumina des abgezweigten und der Mischeinrichtung 14′ zugeführten Abgasteilstroms gemessen, der zusammen mit der ebenfalls über einen Filter 15′ und eine Meßeinrichtung 16 gemäß Pfeil 17′ zugeführten Misch luft in der Mischeinrichtung zu dem konstanten Volumenstrom verdünnter Abgase vermischt werden, der hinsichtlich Schadstoffkonzentration und Temperatur homogen ist. Die Volumenkonstanz des verdünnten Abgasstroms wird ebenfalls mittels einer geeigneten Fördereinrichtung 20′ erzeugt, wie beispielsweise eines Drehkolbengebläses.In the partial flow method according to FIG. 2, however, only a partial flow is branched off from the undiluted exhaust gas stream coming from the exhaust gas generator 10 'according to arrow 11 ', which is guided via a measuring device 12 ', and according to arrow 21 via a further measuring device 22 of a mixing device 14 ' supplied and combined in this with supply air to a homogeneous diluted exhaust gas stream constant volume, while the remaining part of the undiluted exhaust gas is discharged directly according to arrow 23 . Accordingly, by means of the exhaust gas generator 10 'downstream measuring device 12 ' the total undiluted exhaust gas volume and by means of the further measuring device 22 the volumes of the branched and the mixing device 14 'supplied exhaust gas partial flow, which together with that also via a filter 15 ' and a measuring device 16th according to arrow 17 'supplied mixed air in the mixing device to the constant volume flow of diluted exhaust gases are mixed, which is homogeneous in terms of pollutant concentration and temperature. The constant volume of the diluted exhaust gas flow is also generated by means of a suitable conveyor 20 ', such as a rotary blower.
Bei der Teilstrommethode müssen zur Ermittlung des jeweiligen Verdünnungsverhältnisses zunächst die Abgas- und Zuluftanteile im konstanten Volumenstrom der verdünnten Abgase in der oben in Verbindung mit der Vollstrommethode nach Fig. 1 erläuterten Weise ermittelt und das diesbezügliche Verdünnungsverhältnis durch Verhältnisbildung bestimmt werden. Da sowohl die jeweiligen Gesamtvolumina der Abgase und die Volumina des davon zur Bildung des verdünnten Abgas stroms abgezweigten Abgasteilstroms infolge laufender Messung bekannt sind, gelingt auch bei dieser Methode die Umrechnung auf den Gesamtstrom unverdünnter Abgase und damit die Ermittlung der in diesen auftretenden Schadstoff-Massenkonzentrationen in einfacher Weise.In the partial flow method, to determine the respective dilution ratio, the exhaust gas and supply air fractions must first be determined in the constant volume flow of the diluted exhaust gases in the manner explained above in connection with the full flow method according to FIG. 1, and the relevant dilution ratio must be determined by forming the ratio. Since both the respective total volumes of the exhaust gases and the volumes of the partial exhaust gas stream diverted from them to form the diluted exhaust gas stream as a result of ongoing measurement are known, this method also enables conversion to the total stream of undiluted exhaust gases and thus the determination of the pollutant mass concentrations occurring in them simple way.
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