DE4213640C2

DE4213640C2 - Meßverfahren und Meßvorrichtung zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren

Info

Publication number: DE4213640C2
Application number: DE4213640A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Kirstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-04-25
Filing date: 1992-04-25
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2012-04-26
Also published as: DE4213640A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes im Abgas von Dieselmotoren gemäß den Ansprüchen 1 und 9.

Aus der Zeitschrift "Technisches Messen atm" 1977, Heft 4, Seiten 135, Abschnitt 4.2, ist ein Verfahren zur Messung der Emission von sichtbehindernden Stoffen, insbesondere die Emission von HC, CO und NO_X mit Absorptionsmeßgeräten bekannt, welche nach der Methode der Prüfung der Lichtabsorption arbeiten. Gemäß dieser Methode können auch nicht begrenzte Abgaskomponenten, Aldehyde, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe, Oxidationsprodukte des Schwefels, Cyanverbindungen, Feststoffe in Verbindung mit Spurenelementen und Ammoniak gemessen werden. Eine automatische und kontinuierliche Messung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotor-Auspuffsystemen ist damit nicht möglich. Ferner beschreibt die DE 33 05 867 A1 ein Verfahren mit zwei Filtern, deren Strömungsdurchlässigkeit, welche von der Partikelkonzentration des Motorabgasstromes abhängig ist, mittels radioaktiver Strahlen gemessen wird. Hier stellt eine radioaktive Verseuchung der Filter und der Rußpartikel ein zusätzliches Umweltproblem dar.

Aus der DE 25 19 609 A1 ist eine Dieselmotor-Aus puffanlage bekannt, die einen ausbrennbaren Rußpartikelfilter enthält. In Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck des Rußpartikelfilters wird ein Meßwert gebildet und in Abhängigkeit von diesem Meßwert wird der Zündvorgang zum Ausbrennen des Rußpartikelfilters eingeleitet. Ferner ist aus der DE 36 10 057 A1 ein Filter im Abgaskanal eines Motors bekannt, wobei eine Meßvorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe ermittelt wird, ob der Verstopfungsgrad des Filters unannehmbar ist, wobei in Abhängigkeit von der Verstopfung das Ausbrennen des Filters veranlaßt wird. Die bekannten Rußfilter dienen bei Dieselmotor-Fahr zeugen zur Reduzierung des Ausstoßes von Rußpartikeln.

Die Erfindung ist sowohl auf Dieselmotoren ohne Rußpartikelfilter als auch auf Dieselmotoren mit Rußpartikelfilter in ihrem Auspuffsystem anwendbar.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit welcher der Ausstoß von Rußpartikeln am Auspuffsystem von Dieselmotoren auf einfache Weise schnell und preiswert gemessen werden kann, ohne daß Abfallprobleme oder Umweltverschmutzungsprobleme entstehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Ferner wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Vorrichtungsanspruches zur Durchführung dieses Verfahrens gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Gemäß der Erfindung wird ein Rußpartikelfilter als Meßfilter an das vorhandene Auspuffrohr eines zu testenden Dieselmotors strömungsmäßig angeschossen. Für dieses "Anschließen" ist die Meßvorrichtung vorzugsweise mit einem Trichter an ihrem stromaufwärtigen Anfang versehen, welcher über das stromabwärtige Ende des Auspuffrohres gesteckt werden kann. Dadurch bilden die Meßvorrichtung und das Auspuffrohr eine schnell herstellbare und wieder lösbare, einfache Verbindungs vorrichtung. Die Verbindung braucht nicht eine mechanische Verbindung zu sein, sondern es muß lediglich ein Strömungsübergang der Auspuffgase vom Auspuffrohr in die Meßvorrichtung sichergestellt werden. Nach diesem Anschließen wird der zu testende Dieselmotor mit einem vorbestimmten Betriebszyklus betrieben.

Dieser Betriebszyklus kann bei der Prüfung von Diesel motorfahrzeugen auf einfache Weise auf einem Fahrzeugprüfstand durchgeführt werden, auf welchem verschiedene Fahrzeug-Fahrzustände simuliert werden können, beispielsweise "Stadtfahrten" mit entsprechend vielen Anfahr- und Bremsvorgängen. Nach Beendigung dieses Zyklusses ist der Rußpartikel-Meßfilter mit Rußpartikeln geladen.

Zur Ermittlung der nach dem Testzyklus im Rußpartikel-Meß filter enthaltenen Rußpartikelmenge eignen sich gemäß der Erfindung insbesondere zwei Möglichkeiten besonders gut:

1. Ermittlung der Gewichtsdifferenz des Meßfilters zwischen dem Gewicht des leeren Meßfilters vor dem Testzyklus und dem Gewicht des mit Rußpartikeln geladenen Meßfilters nach dem Testzyklus durch Wiegen jeweils des Meßfilters allein oder zusammen mit dem Brenner oder durch Wiegen eines im Meßfilter enthaltenen Filterkörpers.
2. Messen des Staudruckes stromaufwärts des Meßfilters oder der Druckdifferenz zwischen der stromaufwärti gen Seite und der stromabwärtigen Seite des Meß filters je vor dem Testzyklus und nach dem Test zyklus, wobei anschließend die aktuelle Rußparti kelmenge, die im Filter enthalten ist, durch einen Rechner errechnet werden kann oder anhand von Vergleichstabellen ermittelt werden kann.

Nach Beendigung des Meßvorganges wird der Meßfilter gemäß der Erfindung auf einfache Weise zur erneuten Verwendung regeneriert, indem die in ihm enthaltenen Rußpartikel durch einen ihm strömungsmäßig vorgeschalteten oder in ihn integrierten Brenner verbrannt werden. Danach kann mit der gleichen Meßvorrichtung nach dem gleichen Meßverfahren, unter Verwendung des gleichen Rußpartikel-Meß filters, ein neuer Meßvorgang zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes eines Dieselmotors durchgeführt werden. Durch Verwendung einer elektronischen Steuerung kann der gesamte Meßvorgang, und gewünschtenfalls auch die Regenerierung des Meßfilters durch Verbrennen der in ihm enthaltenen Rußpartikel, vollautomatisch durchgeführt werden.

Wenn der Meßfilter nach mehrmaliger Benutzung und Regeneration im leeren, regenerierten Zustand einen anderen Strömungswiderstand hat als bei einer früheren Messung oder einen anderen Wert hat als vor seiner ersten Benutzung, dann ist dies ein Zeichen dafür, daß im Rußfilter Abnutzungserscheinungen oder nicht entfernbare Materialablagerungen vorhanden sind. Solche im Leer zustand des Meßfilters vorhandene Strömungsunterschiede müssen bei der Messung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren berücksichtigt werden, weil sonst falsche Meßergebnisse entstehen. Diese Berücksichtigung und die erforderliche Meßwertkorrektur erfolgt durch eine elektronische Steuereinrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise automatisch. Zur Messung der sich ändernden Strömungswerte des leeren Meßfilters können übliche Drucksensoren im Abgasstrom stromaufwärts des Meßfilters und gegebenenfalls auch stromabwärts von ihm angeordnet werden, welche der Steuereinrichtung die erforderlichen Meßwerte liefern. Der Meßfilter besteht beispielsweise aus einem Gehäuse und einem in ihn eingesetzten Filterkörper, beispielsweise aus Keramik.

Wesentliche Vorteile der Erfindung sind: Genaue und schnelle Feststellung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren; geringe Kosten; der Rußpartikel-Meßfilter kann viele zehntausend Mal regeneriert und neu benutzt werden; die Regenerierung des Meßfilters erfolgt umweltfreundlich durch vollständige Verbrennung des im Meßfilter gesammelten Rußes.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Figur eine Meßvorrichtung nach der Erfindung zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren.

Die einzige Figur zeigt eine Meßvorrichtung 2 zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes eines Dieselmotors 4. Der Diesel motor 4 ist in ein durch eine strichpunktierte Linie angedeutetes Fahrzeug 6 eingebaut. Der Dieselmotor 4 könnte jedoch auch in ein Schiff eingebaut oder eine stationäre Anlage an Land sein. An den Dieselmotor 4 ist eine Auspuffanlage 8 mit einem Schalldämpfer 10 und einem sich stromabwärts daran anschließenden Auspuffrohr 12 angeschlossen. Über das stromabwärtige Endstück 14 des Auspuffrohres 12 greift das im Querschnitt erweiterte Ende 16 eines Trichters 18. Der Trichter 18 bildet einen Abgaseinlaß der Meßvorrichtung 2. Die wesentlichen Teile der Meßvorrichtung 2 sind ein Brenner 20, ein Rußpartikel-Meßfilter 22, und eine Microcomputer-Steuer einrichtung 24. Der Trichter 18 ist mit dem Einlaß 26 des Brenners 20 durch ein kurzes Anschlußstück 28 mechanisch und strömungsmäßig verbunden. Der Auslaß 30 des Brenners 20 ist durch ein kurzes Anschlußstück 32 mit dem Einlaß 34 des Rußpartikel-Meßfilters 22 mechanisch und strömungsmäßig verbunden. Vom Auslaß 36 des Meßfilters 22 strömen die Motorabgase in die freie Umgebung. Im Meßfilter 22 befindet sich ein Rußfilterkörper 38, der beispielsweise aus Keramik bestehen kann und austauschbar in einem Filtergehäuse 40 untergebracht sein kann.

Der Brenner 20 kann ein Gasbrenner oder ein mit Flüssigbrennstoff, beispielsweise Dieselöl, arbeitender Brenner sein. Bei dem in der Figur dargestellten Beispiel wird angenommen, daß es sich um einen Dieselöl-Brenner handelt. Der Brenner 20 enthält ein Zündelement 42, welches von der Steuereinrichtung 24 in Abhängigkeit eines Meßprogramms zur Verbrennung von Brennstoff im Brenner 20 eingeschaltet wird. Der Brennstoff wird über ein Injektionselement 44 in den Brenner 20 eingespritzt. Das Injektionselement 44 wird aus einem Tank 46 durch eine Pumpe 48 in Abhängigkeit von einem Meßprogramm der Steuereinrichtung 24 mit flüssigem Brennstoff versorgt. Falls die über den Trichter 18 angesaugten Gase nicht genügend Sauerstoff für eine Verbrennung im Brenner 20 enthalten, kann über eine Leitung 48, beispielsweise durch das Injektionselement 44 hindurch, Luft in den Brenner 20 zugeführt werden. Unmittelbar stromaufwärts des Einlasses 34 des Meßfilters 22 ist im Abgasströmungsweg ein Drucksensor 50 angeordnet, welcher dem Staudruck am Einlaß 34 des Meßfilters entsprechende Druckmeßwerte an die Steuereinrichtung 24 liefert. Am Auslaß 36 ist ein weiterer Druckmeßsensor 52 angeordnet, welcher am Auslaß 36 gemessene Druckwerte der Steuereinrichtung 24 meldet. Ein Temperaturfühler 54 im Abgasströmungsweg zwischen dem Brenner 20 und dem Meßfilter 22 meldet der Steuereinrichtung 24 die dort jeweils herrschende Temperatur. Ferner kann im Abgasströmungsweg, beispielsweise am Einlaß 26 des Brenners 20, ein Strömungssensor 56 angeordnet sein, welcher der Steuereinrichtung 24 Strömungsgeschwindig keitswerte der Abgase meldet, so daß die Steuer einrichtung 24 auch in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase den Meßvorgang beeinflussen kann.

Es ist ersichtlich, daß zur Messung des Rußpartikel ausstoßes des Dieselmotors 4 es lediglich erforderlich ist, die Meßvorrichtung 2 so an das Auspuffrohr 12 zu stellen, daß der Trichter 18 die Motorabgase 58 aufnimmt.

Eine im Rahmen der Erfindung liegende Abwandlungs möglichkeit besteht darin, den Brenner 20 nicht als getrenntes Element stromaufwärts des Rußpartikel-Meß filters 22 anzuordnen, sondern in diesen Meßfilter 22 zu integrieren. Dazu braucht beispielsweise lediglich das Zündelement 42 und das Injektorelement 44 im Meßfilter 22 installiert zu werden.

Die dargestellte Ausführungsform und die genannte abgewandelte Ausführungsform arbeiten nach dem sogenannten "Vollstromprinzip". Dabei wird der vollständige Abgasstrom sowohl durch den Brenner 20 als auch durch den Meßfilter 22 geleitet.

Der Filterkörper 38 des Meßfilters 22 kann aus verschiedenen Materialien bestehen und die Form eines beliebigen bekannten Filters haben. Vorzugsweise ist der Filterkörper 38 ein keramischer Körper, in welchem eine Vielzahl von Kanälen gebildet sind, die sich in der Abgasströmungsrichtung erstrecken. Die Kanäle sind nicht durchlaufend offen, sondern wechselseitig am stromaufwärtigen Ende oder am stromabwärtigen Ende mit Keramikmaterial verschlossen. Das ungereinigte Abgas wird gezwungen, durch die porösen, aus Keramik bestehenden Kanalwände hindurchzuwandern in einen jeweils benachbarten Kanal. Beim Durchtritt durch die Kanalwand werden Partikel, die größer sind als in der Kanalwand vorhandene Poren, zurückgehalten. Auf diese Weise lagern sich Rußpartikel in den Kanälen an, deren stromaufwärtige Enden offen und deren stromabwärtige Enden verschlossen sind. Das gereinigten Gas tritt aus den Kanälen am Auslaß 36 des Meßfilters 22 aus, welche am stromaufwärtigen Ende verschlossen und am stromabwärtigen Ende offen sind.

Mit der Meßvorrichtung ist ein Meßverfahren durch folgende Schritte durchführbar:

1.1. Strömungsmäßiges Anschließen des Ruß partikel-Meßfilters 22 über den Brenner 20 und den Trichter 18 an das stromabwärtige Ende 14 des Auspuffrohres 12;
1.2. Laufenlassen des Dieselmotors 4 während einer vorbestimmten Meßfilter-Ladungszeitdauer mit einer vorbestimmten Motordrehzahl und/oder einer vorbestimmten Motorbelastung;
1.3. Erzeugen eines von der Partikelmenge im Meß filter 22 abhängigen Ladungszustands-Meßwertes nach der Partikel-Ladungs-Zeitdauer durch die Steuereinrichtung 24 in Abhängigkeit des von ihr mittels des Drucksensors 50 am Einlaß 24 des Meßfilters 22 gemessenen Druckwertes am Ende der Meßfilter-Ladungs-Zeitdauer;
1.4. Ausbrennen des Meßfilters 22 durch Temperatur erhöhung in ihm mittels des Brenners 20 so lange, bis der Meßfilter 22 einen vorbestimmten Leerzustands-Wert erreicht.

Die Meßvorrichtung 2 kann bereits unmittelbar nach der Meßfilter-Ladungs-Zeitdauer vom Auspuffrohr 12 getrennt werden.

Die elektronische Steuereinrichtung 24 erzeugt in Abhängigkeit von den mittels der Drucksensoren 50 und 52 gemessenen Druckwerte den Ladungszustands-Meßwert. Da der Druck am Ausgang 36 des Meßfilters 22 im wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht, genügt es normalerweise, nur den Druck stromaufwärts des Einlasses 34 des Meßfilters 22 durch den Drucksensor 50 zu messen. Der vom Drucksensor 50 gemessene Druckwert ist umso höher, je größer der Strömungswiderstand im Meßfilter 22 durch die in ihm gesammelten Rußpartikel wird. Der Meßfilter 22 hat im neuen, nicht mit Rußpartikeln geladenen Zustand seinen kleinsten Strömungswiderstand, so daß sich in diesem leeren Zustand an seinem Eingang 34 ein kleinster Staudruck ergibt. Aus dem sich ergebenden Unterschied der Drücke zwischen leerem und geladenen Zustand des Meßfilters 22 erzeugt die Steuereinrichtung 24 den Ladungszustands-Meßwert. Der Druck am Ausgang 36 des Meßfilters 22 ändert sich nur dann wesentlich, wenn der Meßfilter 22 in unterschiedlichen Höhen, beispielsweise einmal auf Meereshöhe und ein anderes mal im Gebirge verwendet wird. Diese sich durch Höhenunterschiede ergebende Druckdifferenz am Ausgang 36 kann durch den dortigen Drucksensor 52 festgestellt werden.

Mit der Steuereinrichtung 24 können der Betriebspraxis des Dieselmotors 4 entsprechende Betriebszustände simuliert werden. Zu diesem Zwecke enthält die Steuereinrichtung 24 Computerprogramme zur Steuerung der Motordrehzahl oder der Motorbelastung entlang von Drehzahlkurven oder Belastungskurven.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung kann der Ladungszustands-Meßwert des Meßfilters 22 dadurch gebildet werden, daß der Meßfilter 22, oder nur sein Filterkörper 38, nach der Ladungs-Zeitdauer gewogen wird und das gemessene Gewicht des mit Rußpartikeln geladenen Meßfilters 22, oder dessen Filterkörper 38, mit seinem Gewicht im leeren, nicht mit Rußpartikeln beladenen Zustand verglichen wird. Dieser Wiegevorgang und die Meßwertbildung in Abhängigkeit vom Wiegevorgang kann durch die Steuereinrichtung 24 automatisch erfolgen.

Die Erfindung beinhaltet grundsätzlich zwei Varianten zur Bestimmung, ob ein Dieselmotor bestimmte Rußausstoß-Grenzwerte einhält:

1. Messen, wie lange es dauert, bis sich im Meßfilter eine vorbestimmte Menge Ruß angesammelt hat, wenn der Motor im Testbetrieb mit einer definierten Leistung (Drehzahl, Drehmoment) betrie ben wird. Hierbei bleibt die zu messende Rußmenge konstant.
2. Messen, welche Rußmenge der Motor in einer vorbestimmten Zeitdauer in den Meßfilter ausstößt, wenn der Motor im Testbetrieb mit einer definierten Leistung (Drehzahl, Drehmoment) betrieben wird. Hierbei bleibt die Meßdauer konstant.

Bei jeder dieser beiden Varianten ist das Meßergebnis ein Maß dafür, ob der Motor bezüglich der Rußentwicklung "gut" oder "schlecht" ist, und damit dafür, ob er bei der technischen Überprüfung, z. B. durch einen Technischen Überwachungsverein oder eine Werkstatt, beanstandet wird oder nicht.

Die "definierte Leistung" des Motors kann eine Konstante oder Variable sein. Die "Rußmenge" kann durch Wiegen der Rußmenge allein oder zusammen mit dem Meßfilter oder einem Meßfilter-Filterteil, oder durch Messen des vom Meßfilter erzeugten Staudruckes oder Strömungswider standes gemessen werden.

Claims

1. Meßverfahren zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren, insbesondere bei Dieselmotor-Fahrzeugen, wobei folgende Schritte ausgeführt werden:

1.1. Strömungsmäßiges Anschließen eines Rußpartikel-Meß filters an das stromabwärtige Ende eines Auspuffrohres des betreffenden Dieselmotors;
1.2. Testbetrieb des Dieselmotors mit einer vor bestimmten Motorleistung, Motordrehzahl, Motordrehmoment und/oder Motorbelastung;
1.3. Erzeugen eines Ruß-Ladungszustands-Meßwertes in Abhängigkeit von der Testbetriebsdauer des Dieselmotors und der während dieser Testbe triebsdauer im Rußpartikel-Meßfilter gesammelten Rußmenge;
1.4. Ausbrennen der gesammelten Rußmenge im Rußpartikel-Meßfilter solange, bis er einen vorbestimmten Leerzu stands-Wert erreicht;
1.5. strömungsmäßiges Trennen des Meßfilters vom Auspuffrohr nach dem Schritt 1.2., 1.3. oder 1.4.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte, mit Ausnahme des strömungsmäßigen Anschließens und späteren Trennens des Rußpartikel-Meßfilters an oder vom Auspuffrohr, elektronisch gesteuert oder geregelt automatisch durchgeführt werden.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustands-Meßwert in Abhängigkeit vom Strö mungswiderstand oder Staudruck des Rußpartikel-Meßfilters in der Abgasströmung erzeugt wird.

4. Meßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustands-Meßwert in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz gebildet wird, und daß die Druck differenz zwischen dem Strömungsdruck stromaufwärts des Meßfilters und dem Strömungsdruck stromabwärts des Meßfilters gebildet wird.

5. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustands-Meßwert erzeugt wird durch Wiegen des geladenen Rußpartikel-Meßfilters nach der Meßfilter-Ladungs-Zeit dauer und durch Vergleich dieses Wiegeergebnisses mit einem Referenzwert, welcher dem Gewicht des Rußpartikel-Meßfilters im ungeladenen leeren Zustand entspricht.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Motordrehzahl einen während der Meßfilter-Ladungs-Zeitdauer in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Programmverlauf sich ändernden Wert hat.

7. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Motorbelastung einen während der Meßfilter-Ladungs-Zeitdauer in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Programmverlauf sich ändernden Wert hat.

8. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorleistung einen während der Meßfilter-Ladungs-Zeit dauer in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Programmverlauf sich ändernden Wert hat.

9. Meßvorrichtung zur Ermittlung des Rußpartikelausstoßes von Dieselmotoren, insbesondere bei Dieselmotor-Fahr zeugen, wobei ein Rußpartikel- Meßfilter (22) und ein Brenner (20) zum Ausbrennen von Rußpartikeln im Rußpartikel-Meßfilter (22) im Abgasströmungsweg angeordnet sind und eine elektronische Steuer einrichtung (24) mit mindestens einem Meßelement (50, 52) zur automatischen Bildung eines Ladungszustands-Meß wertes in Abhängigkeit von der im Meßfilter vom Dieselmotor abgelagerten Rußmenge während einer Testbetriebsdauer angeschlossen ist.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (24) einen Mikrocomputer und mindestens ein Computerprogramm zur Bildung des Ladungszustands-Meßwertes enthält.