DE4420193A1 - Anordnung zur Erfassung von Schadstoffen bei Kraftfahrzeugmotoren mit Selbstzündung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erfassung von Schadstoffen bei Kraftfahrzeugmotoren mit Selbstzündung (Dieselmotoren) zwecks Zertifizierung und/oder Leistungs­ optimierung, unter Verwendung einer CVS-Anlage (Constant Volume Sampling) oder eines für den Gastransport geeigneten Gebläses, wobei jeweils ein Raumluftfilter vorhanden ist.

Bei der Zertifizierung von Kraftfahrzeugen werden auf Rollen­ prüfständen bestimmte, von der jeweils zuständigen Behörde (epa (environment pro agency), ECE, etc.) vorgegebene Fahrprofile von einem Fahrer mit dem Kraftfahrzeug abgefahren und die dabei entstehenden Abgaskomponenten mittels Abgas- Meßanlagen modal bzw. integral gemessen und dokumentiert. Das Abgas wird dabei mit Hilfe sogenannter Verdünnungsein­ richtungen (CVS Constant-Volume-Sampling) mit Raumluft verdünnt. Aus diesem Abgas-Luftgemisch wird über den gesamten Test eine kleine repräsentative Probe entnommen und sofort (modal) analysiert; gleichzeitig wird ein Teil dieser Probe in sogenannte Sammelbeutel gesammelt. Nach Testende werden die gesammelten Beutelinhalte zusammen (integral) analysiert. Mit Hilfe des von der CVS-Anlage ermittelten Gesamtdurchsat­ zes, d. h. von Abgas plus Verdünnungsluft, läßt sich daraus die Gesamtmenge der emittierten Schadstoffe berechnen.

Bei Kraftfahrzeugmotoren mit Selbstzündung, d. h. bei Diesel­ fahrzeugmotoren, verlangt der Gesetzgeber nicht nur den Nach­ weis der Menge der emittierten Schadstoffe wie CO, CO₂, HC und NOx, sondern zusätzlich auch den Nachweis der Menge der emittierten Rußpartikel.

Speziell für den Nachweis von Rußpartikeln kann ebenfalls eine CVS-Anlage verwendet werden, die aber für diesen Fall durch einen sogenannten Verdünnungstunnel erweitert werden muß. In diesem Verdünnungstunnel erfolgt die Vermischung des Abgases mit Raumluft. Ein zusätzlicher Mischer sorgt dafür, daß ein homogenes Gemisch über den gesamten Tunnelquerschnitt entsteht und Schichtungen vermieden werden. Aus diesem homo­ genen Gemisch wird wiederum eine kleine repräsentative Probe entnommen und einem sogenannten Partikelsammler zugeführt, wo sich die Rußpartikel auf konditionierte Papierfilter gravime­ trisch ablagern. Nach dem Test werden die Papierfilter noch­ mals konditioniert, d. h. sie werden ca. 24 h bei vorgeschrie­ bener Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit gelagert. Erst danach kann mit einer hochempfindlichen Mikrowaage die Parti­ kelmenge gewogen und die gesamte Partikelemission mit Hilfe der Angaben aus der CVS-Anlage berechnet werden.

Vorstehend beschriebenes Verfahren hat folgende Nachteile:

• - Die Gesamtanlage wird durch den Verdünnungstunnel sehr groß,
• - die Konditionierung ist langwierig,
• - das Testergebnis liegt nicht sofort vor, sondern erst nach nochmaliger Konditionierung der Partikelfilter,
• - eine modale Partikelmessung ist nicht möglich,
• - bei Fahrzeuge mit sehr geringer Partikelemission ist ein gravimetrischer Nachweis kaum noch möglich.

Von letzteren Nachteilen abgesehen ist eine Gesamteinrichtung zur Partikelmessung, bestehend aus Verdünnungstunnel, Mischer, Partikelsammler und Konditionierungsraum, äußerst aufwendig und damit teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein System vorzu­ schlagen, das insbesondere ohne den voluminösen Verdünnungs­ tunnel auskommt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei identische Sonden vorhanden sind, wobei die eine Sonde unmit­ telbar hinter dem Raumluftfilter zur Erfassung der in der ge­ filterten Umgebungsluft vorhandenen Restpartikel und die andere Sonde hinter dem Mischpunkt von Verdünnungsluft mit dem abgesaugten Abgas zur Erfassung der Gesamtpartikel in Raumluft und Abgas angeordnet ist.

Bei der Erfindung werden in vorteilhafter Weise solche Sonden verwendet, die aus den im Gemisch vorhandenen Partikeln ein von einem Mikrorechner auswertbares Signal liefern, das der Mikrorechner mit Hilfe der erfaßten Größen - wie Druck, Tem­ peratur und absolute Luftfeuchte - korrigiert. Vorzugsweise arbeiten solche Sonden nach dem kapazitiven Meßprinzip.

Das mit dem erfindungsgemäßen System durchzuführende Meßver­ fahren hat gegenüber dem Stand der Technik folgende Vorteile.

• - Auf Verdünnungstunnel, Partikelsammler und Konditionierraum wie ein klimatisierter Reinstraum mit Mikrowaage u. dgl. kann verzichtet werden, wodurch erhebliche Kosten wegfal­ len.
• - Es wird Platz eingespart, der auf den Prüfständen meistens immer sparsam bemessen ist.
• - Es wird kein Filterpapier benötigt, so daß sich die langwierige Konditionierung erübrigt.
• - Das Meßergebnis liegt ohne Zeitverzug sofort vor.
• - Die Bestimmung der Partikel kann modal erfolgen, wobei durch den Motorenentwickler ein Instrument zur Verfügung steht, mit dem er Motoren optimal hinsichtlich Verbrennung, Leistung, Umweltschutz, etc. einstellen kann.
• - Im Gegensatz zu den bisherigen Verfahren, bei denen immer nur eine kleine repräsentative Teilmenge gemessen wird, werden durch das sogenannte Vollstromverfahren alle Parti­ kel erfaßt, was sich positiv auf die Genauigkeit des Meß­ ergebnisses auswirkt.
• - Aufgrund der Vollstrommessung läßt sich die emittierte Par­ tikelmenge sogar bei sehr schadstoffarmen Fahrzeugen (LEV bzw. ULEV) nachweisen.

Will man nicht zertifizieren, so kann man auf die kostspie­ lige CVS-Anlage verzichten, indem man für den notwendigen Gastransport ein geeignetes Gebläse verwendet und die Sonden zur Bestimmung der Abgasmenge mit Durchflußmessern kombi­ niert. Mit einer solchen preiswerten Einrichtung können übli­ che Motorprüfstände nachgerüstet werden, wodurch schon bei der Motorenentwicklung die Partikelemission meßtechnisch mo­ dal erfaßt werden kann.

Bei Verwendung geeigneter Sensoren ist eine zunehmende Ver­ schmutzung oder gar ein Zusetzen der Sonden mit Rußpartikeln nicht zu befürchten. Vielmehr wird sich aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit - ähnlich wie bei einer Venturidüse in einer CVS-Anlage - ein konstanter Verschmutzungsgrad ein­ stellen, der durch eine erneute Kalibrierung eliminiert wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei­ spielen anhand der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau der neuen Meßrichtung als Blockschaltbild sowie

Fig. 2 und 3 den Aufbau eines vorteilhaft zu verwendenden Meßkondensators als Sensor bei einer Meßeinrichtung gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 bedeuten 1 ein erstes Gasführungsrohr für ein Automobilabgas, die in ein zweites Gasführungsrohr 2 mit grö­ ßerem Lumen und Umgebungsluft bzw. Raumluft eingebracht ist und dort einen Mischpunkt bildet. Dem Führungsrohr 2 für Um­ gebungsluft ist ein Filter 3 vorgeschaltet. Nach dem Filter 3 ist vor dem Mischpunkt von Umgebungsluft und Abgas eine erste Sonde 10 und nach dem Mischpunkt eine zweite Sonde 10′ ange­ ordnet, die beide identisch aufgebaut sind und nach dem glei­ chen Meßprinzip arbeiten. Weiterhin ist eine sogenannte CVS- Anlage 4 (Constant Volume Sampling) vorhanden sowie ein Mikro-Rechner 5 zur Auswertung der Signale.

Die Meßeinrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet nach folgendem Funktionsprinzip:
Die angesaugte Verdünnungsluft gelangt über das Raumluftfil­ ter 3 zur Sonde 10, in dem die immer noch vorhandenen Rest­ partikel gemessen werden. Hinter der Sonde 10 erfolgt eine Vermischung von Verdünnungsluft und dem abgesaugten Abgas.

Dieses Gemisch passiert die Sonde 10′, in der die gesamten Partikel gemessen werden. Der Mikro-Rechner 5 verarbeitet beide Sensorsignale, korrigiert sie hinsichtlich Druck, Tem­ peratur sowie Luftfeuchte und stellt die berechnete emit­ tierte Partikelmenge als Modal- oder Integralwert zur weite­ ren Verarbeitung zur Verfügung.

Will man nicht zertifizieren, so kann man auf die CVS-Anlage verzichten, indem man für den notwendigen Gastransport ein geeignetes Gebläse verwendet und die Sonden zur Bestimmung der Gasmenge mit Durchflußmessern kombiniert.

Wichtig ist bei dieser Einrichtung die Verwendung solcher Sonden, die aus den im Gemisch vorhandenen Partikeln ein von einem Mikro-Rechner auswertbares Sensorsignal liefern. Vor­ teilhaft zu verwendende Sonden arbeiten nach folgendem Prin­ zip:
Zwei gegenüberliegende, im Abstand d voneinander entfernte ebene Platten mit der Fläche A bilden einen Kondensator mit der Kapazität C. Für die Kapazität C gilt folgende Gleichung:

C= A_*a_*r/d,

wobei a die absolute und r die relative Dielektrizitätskon­ stante darstellt.

Für Vakuum ist r = 1, für jeden anderen Stoff, also auch für die Rußpartikel, ist r größer als 1, d. h., daß bei konstanter Fläche A und konstantem Plattenabstand d die Kapazität allein vom Dielektrikum zwischen den Platten abhängig ist.

Wird ein solcher Kondensator von dem Gemisch aus Verdünnungs­ luft und Abgas durchströmt, so stellt sich eine relative Di­ elektrizitätskonstante ein, die von der Anzahl der im Gemisch vorhandenen Partikel abhängig ist. Sind wenig Partikel im Ge­ misch vorhanden, so liegt die resultierende relative Dielek­ trizitätskonstante in der Nähe von 1 (Luft), im anderen Fall entsprechend höher.

Ein geeignetes Sensorsignal läßt sich erzeugen, wenn man die­ sen Kondensator in einem Stromkreis mit Wechselspannung be­ treibt und den Spannungsabfall über ihn meßtechnisch erfaßt.

In Fig. 2 und Fig. 3 ist als Sonde 10 oder 10′ in Fig. 1 ein Meßkondensator speziell als Zylinderkondensator 100 aus­ gebildet und besteht aus zwei im wesentlichen rotationssymme­ trisch ausgebildeten Rohren 110 und 115, die von Ringhalte­ rungen 130 getragen sind. Dabei sind die Enden des Zylinder­ kondensators 100 als Eingang und Ausgang für den Gasstrom durch schräggestellte Wände 111 und 116 jeweils in Form einer Venturidüse ausgebildet. Zwischen den geraden Teilen der Rohre 110 und 115 entsteht so ein in Axialrichtung des Rohr­ kondensators 100 durchströmbarer Ringspalt 120, bei dem der Druckabfall vernachlässigbar ist. Für diesen Bereich gelten die vorstehend für einen Plattenkondensator ausgeführten Überlegungen in entsprechender Weise.

Anhand von Modellrechnungen läßt sich zeigen, daß das Meß­ signal in geeigneter Weise aufbereiten werden kann. Betrach­ tet man den Meßkondensator als Teil eines aus einem RC-Glied bestehenden Spannungsteilers, so läßt sich in einfacher Weise zeigen, daß die am Meßkondensator abfallende Spannung ein Maß für die Partikel in dem durch den Rohrkondensator strömenden Abgas ist. Der so erhaltene Spannungswert läßt sich mit einem Mikroprozessor meßtechnisch erfassen und aufbereiten.

Ein anderer Ansatz zur Gewinnung eines auswertbaren Sensor­ signals bei Ausnutzung des kapazitiven Meßprinzips ist da­ durch gegeben, daß eine Messung der Kraft des Dielektrikums zwischen den beiden Platten mit Hilfe eines Piezoelementes erfolgt. Weiterhin kann der Meßkondensator Teil eines Oszil­ lators sein und man mißt die Verstimmung bzw. die Schwingun­ gen pro Sekunde, die sich durch die ständige Änderung der Ka­ pazität verändert.

Claims (11)

1. Anordnung zur Erfassung von Schadstoffen bei Kraftfahr­ motoren in Selbstzündung (Dieselmotoren) zwecks Zertifizie­ rung und/oder der Leistungsoptimierung unter Verwendung einer CVS-Anlage (Constant Volume Sampling) oder eines für den Gas­ transport geeigneten Gebläses, wobei jeweils ein Raumluftfil­ ter vorhanden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei identische Sonden (10, 10′) vorhanden sind, wobei die eine Sonde (10) unmittelbar hinter dem Raum­ luftfilter (3) zur Erfassung der in der gefilterten Um­ gebungsluft vorhandenen Restpartikel und die andere Sonde (10′) hinter dem Mischpunkt von Verdünnungsluft mit dem abge­ saugten Abgas zur Erfassung der Gesamtpartikel in Raumluft und Abgas angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensoren (10, 10′, 100) ein von einem Mikrorechner (5) auswertbares Signal liefern, das vom Mikro-Rechner (5) mit Hilfe der erfaßten Größen - wie Druck, Temperatur, absolute Luftfeuchte - korrigiert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sonden (10, 10′, 100) nach dem kapazitiven Meßprinzip arbeiten.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sonden durch Kondensatoren ((10, 10′, 100)) mit vorgegebener Elektrodenfläche (A) gebildet sind, die einen Meßkondensator mit vorgegebener Kapazität (C) definieren, die allein vom Dielektrikum zwischen den Platten abhängig ist, wobei der Spannungsabfall über den so gebilde­ ten Meßkondensator (10, 10′, 100) in einem RC-Glied als Meß­ signal dient.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit Hilfe eines Piezoelementes erfaßbare Kraft des Dielektrikums zwischen den beiden Konden­ satorplatten als Meßsignal erfaßt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Meßkondensator (10, 10′) in einen Schwingkreis geschaltet ist, dessen Verstimmung als Meßsignal erfaßbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Meßkondensator ein Zylinderkon­ densator (100) mit einem Ringspalt 120) zwischen zwei konzen­ trischen Elektrodenflächen (110, 115) verwendet wird, der in Axialrichtung mit Gasgemisch aus Raumluft und Abgas durch­ strömbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser des Zylinderkondensa­ tors (100) entsprechend der Größe der verwendeten Gastrans­ porteinrichtung, die der Motorleistung und damit der Abgas­ menge proportional ist, gewählt wird.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ringspalt (120) des Zylinderkon­ densators (100) so gewählt ist, daß der Druckabfall vernach­ lässigbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ringspalt (120) am Ein- und Auslaß des Zylinderkondensators (100) als Venturidüse ausgebildet ist.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderkondensator (100) einen Durchmesser zwischen 25 und 50 mm mit einem Ring­ spalt zwischen 5 und 20 mm hat.