DE69326679T2 - Abgasprobennehmer und Steuersystem - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zum Testen und Kontrollieren von Abgas und genauer gesagt eine Vorrichtung zum Messen der Gasbestandteile von Abgas unter Verwendung von Meßmitteln zum Messen des Abgas- oder des Abgas/Luft- Mischungsstroms unter Verwendung eines kalibrierten Subsonischen Venturis und unter Verwendung von Mitteln zum Kontrollieren der Flußrate von Verdünnungsluft oder einer Abgas/Luft- Mischung.
• Nach den gegenwärtigen US-Bundesbestimmungen dürfen die Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen bestimmte Werte von bestimmten Bestandteilen nicht überschreiten, wie es in dem Code of Federal Regulations festgelegt ist. Man vergleiche Titel 40 des Code of Federal Regulations, Teile 81-99, Unterteile A, B, D, E, F, G, K und N. Man vergleiche auch Kaufman, US-Patent Nr. 3,699,814. Die Existenz solcher Standards hat es unerläßlich gemacht, daß die Abgasemissionen aus Fahrzeugmotoren getestet und analysiert werden, um den relativen Anteil von bestimmten Bestandteilen darin festzustellen. Viel Mühe wurde auf die Entwicklung von Ausrüstung zur Verwendung in diesem Bereich des Abgastestens verwendet, und es ist jetzt bekannt, daß Abgase aus einer Verbrennungskraftmaschine mit einer genau kontrollierten Flußrate durch eine Testvorrichtung zum Zwecke der Bestimmung und der Analysierung der relativen Anteile von Bestandteilen darin geliefert werden. Das Grundschema eines solchen Testens besteht darin, daß den Abgasen Verdünnungsluft zugesetzt wird. Es muß das Gesamtvolumen der Mischung aus Abgas und Verdünnungsluft gemessen werden. Eine kontinuierliche proportionale Probe des Volumens muß gesammelt und für eine nachfolgende Analyse der Bestandteile, wie etwa Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und NOX gespeichert werden. Aus den Probenkonzentrationen werden die Massenemissionen und der gesamte Fluß während der Testdauer bestimmt.
• Ein solches System zum Analysieren von Proben von Abgasen wird im US-Patent Nr. 3,699,814 von Kaufman mit dem Titel "Gas Sampler", herausgegeben am 24. Oktober 1972, beschrieben. Das Kaufman-Patent, dessen Offenbarung hiermit in die Offenbarung einbezogen wird, lehrt eine erheblich verbesserte Abgasemissionstestvorrichtung, die die konstante Verdrängungspumpe von herkömmlichen Systemen durch einen Venturi mit kritischem Fluß und ein Kreiselgebläse zum Messen der verdünnten Abgasemissionen eines konstanten Volumenflusses ersetzte.
• Ein anderes System verwendet ein Paar von Venturis mit kritischem Fluß zum proportionalen Testen. Ein Beispiel eines solchen Systems wird in dem US-Patent 3,817,100 gegeben. In einem anderen solchen System erzeugt eine stromabwärtige Pumpe ein ausreichendes Vakuum für den Venturi mit kritischem Fluß im Hauptstrom, so daß die Hauptstrommischung mit kritischer Geschwindigkeit fließt, ein Zustand, der die Hauptstrommischung auf eine konstante Massenflußrate bei einem gegebenen Satz von stromaufwärtigen Temperatur- und Druckbedingungen begrenzt, gemessen an dem Venturieinlaß des Hauptstroms mit kritischem Fluß. Aus dem verdünnten Hauptstromfluß wird durch einen anderen Venturi mit kritischem Fluß in unmittelbarer Nähe des Venturis des Hauptstroms mit kritischem Fluß eine Probe extrahiert, so daß die Venturis mit demselben Eingangsdruck und denselben Temperaturbedingungen arbeiten. Dieser Testventuri mit kritischem Fluß arbeitet in Zusammenhang mit einer stromabwärtigen Pumpe der Testlinie, um Fluß mit Schallgeschwindigkeit zu erzeugen, und dadurch eine konstante Massenflußrate bei den gemessenen stromaufwärtigen Temperatur- und Druckbedingungen. Somit extrahiert der Testventuri mit kritischem Fluß eine Probe zur Analyse mit einer Flußrate, die derjenigen der Hauptstromflußrate proportional ist.
• Obwohl die Flußrate, die durch einen kritischen Venturifluß kontrolliert ist, um einen kleinen Wert infolge von Veränderungen der Temperatur und des Druckes am Venturieinlaß variieren wird, falls der Testventuri und der Hauptstromventuri bei kritischen Flußraten Bedingungen mit identischen Druck- und Temperaturbedingungen am Einlaß arbeiten, wird die Testflußrate proportional zu der Hauptstromflußrate extrahiert.
• Obwohl dieses proportionale Testsystem unter Verwendung von zwei Venturis mit kritischem Fluß bestimmte Vorteile besitzt, hat es den Nachteil, daß es keine aktive Kontrolle der Hauptstrom- oder Teststromflußraten ermöglicht, um ein statisches und dynamisches Testen der Hauptstrommischung zu erlauben. Folglich können solche herkömmlichen Systeme nicht ohne weiteres auf das Testen von Verbrennungskraftmaschinen unterschiedlicher Größe angepaßt werden, die erheblich von einander abweichende Abgasflußvolumina erzeugen, ohne daß unterschiedliche Hauptstromventuris mit kritischem Fluß verwendet werden.
• Aus der EP-A-0 155 793 ist eine Vorrichtung zum Testen des Abgasgehaltes aus einer Abgasquelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt, die einen Abgaseinlaß aufweist, der zur Verbindung mit der Abgasquelle geeignet ist, einen Einlaß für Verdünnungsluft, der zur Verbindung mit dem Abgaseinlaß geeignet ist, um eine Mischung von Abgas und Verdünnungsluft zu erzeugen, mit Mitteln zum Festlegen einer Fließwegumgrenzung für die Mischung, mit Flußsteuermitteln, die mit der Fließwegumgrenzung gekoppelt sind, um einen Fluß der Mischung in der Fließwegumgrenzung zu erzeugen, mit Mitteln zum Messen der Flußrate der Mischung, die eine Venturi-Verengung aufweisen, mit einer Testzone, die in der Fließwegumgrenzung stromaufwärts der Venturi-Verengung angeordnet ist, und mit Mitteln zum Entnehmen einer Probe der durch die Testzone fließenden Mischung, die Mittel zum Festlegen eines Probenfließweges einschließen.
• Auch diese bekannte Vorrichtung verwendet eine kritische Venturi-Verengung zur Steuerung der Flußrate der Hauptstrommischung und erlaubt keine aktive Kontrolle der Hauptstrom- und der Testflußrate, um statisches und dynamisches Testen der Hauptstrommischung zu erlauben.
• Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle anzugeben, mit der eine große Vielfalt von Flußraten ausgewählt und zwischen oder während der Testphasen kontrolliert werden kann.
• Ferner soll eine Vorrichtung zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle angegeben werden, die einen Arbeitsmodus mit einer konstanten Flußrate besitzt und einen Arbeitsmodus mit einer variablen Flußrate, was eine Möglichkeit zur Einhaltung eines konstanten Verdünnungsverhältnisses bei einer veränderten Hauptstrom- oder Abgasflußrate liefert.
• Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung, wie sie aus der EP-A-0 155 793 bekannt ist, eine Steuereinrichtung vorgesehen wird, die auf die Meß - einrichtung zum Steuern der Flußsteuermittel reagiert, um eine vorbestimmte Massenflußgeschwindigkeit der Mischung mit subsonischer Geschwindigkeit durch die Testzone zu erzeugen, die im Verhältnis zu der vorbestimmten konstanten Massenflußgeschwindigkeit der entnommenen Probe steht, wodurch die Venturi- Verengung als eine subsonische Venturi-Verengung betrieben wird.
• Gemäß dieser Erfindung wird eine Möglichkeit zum Messen der Flußrate der Mischung angegeben, die eine subsonische Venturi-Verengung umfaßt, Mittel zum Messen wenigstens einer Bedingung der stromaufwärtigen Mischung des subsonischen Venturis, vorzugsweise des Druckes und der Temperatur der stromaufwärtigen Mischung des subsonischen Venturis, Mittel zum Messen einer Bedingung, vorzugsweise des Druckes der Mischung in dem Hals des subsonischen Venturis, und eine Steuereinrichtung zum Messen der Flußrate der Mischung auf der Basis von Signalen, die von den stromaufwärtigen Meßmitteln und von den Meßmitteln des subsonischen Venturis erhalten werden. Gemäß der Erfindung umfaßt die Testvorrichtung ferner Mittel zum Steuern der Flußrate der Mischung als Reaktion auf die berechnete Flußrate der Mischung, sowie Mittel zum Entnehmen einer Probe der Mischung und Mittel zum Steuern der Flußrate der entnommenen Probe.
• Bei einer anderen Ausführung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle angegeben, die einen Abgaseinlaß aufweist, der zur Verbindung mit der Abgasquelle geeignet ist, Mittel zum Festlegen einer Fließwegumgrenzung für das Abgas, sowie Mittel, die mit der Fließwegumgrenzung gekoppelt sind, um einen Fluß in der Fließwegumgrenzung einzustellen. Gemäß der Erfindung wird eine Möglichkeit zum Messen der Flußrate des Abgases angegeben, die eine subsonische Venturi-Verengung umfaßt, Mittel zum Messen wenigstens eines Zustandes, vorzugsweise sowohl des Druckes und der Temperatur, des Abgases stromaufwärts des subsonischen Venturis, Mittel zum Messen eines Zustandes, wie etwa des Druckes des Abgases, in dem subsonischen Venturi, und eine Steuereinheit zum Berechnen der Flußrate des Abgases auf der Basis von Signalen, die von den stromaufwärtigen und den subsonischen Venturimeßmitteln erhalten werden. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Steuern der Flußrate des Abgases als Reaktion auf die berechnete Flußrate des Abgases auf, sowie Mittel zum Entnehmen einer Probe aus dem Abgas, die eine Testwegfließumgrenzung umfassen. Es wird eine Einrichtung bereitgestellt, die mit der Testwegfließumgrenzung gekoppelt ist, um der Probe Verdünnungsgas zuzuführen, um eine Mischung aus Abgastest- und Verdünnungsgas bereitzustellen. Ferner schließt die Erfindung Mittel ein zum Steuern der Flußrate des Verdünnungsgases als Reaktion auf Signale, die von der Steuereinheit erhalten werden, sowie Mittel zum Steuern der Flußrate der Mischung als Reaktion auf Signale, die von der Steuereinheit erhalten werden.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle angegeben, die einen Abgaseinlaß aufweist, der zur Verbindung mit der Abgasguelle geeignet ist, Mittel zum Festlegen einer Fließwegumgrenzung für das Abgas, sowie Mittel, die mit der Abgasfließwegumgrenzung gekoppelt sind, um darin einen Fluß einzustellen. Es werden Mittel zum Messen der Flußrate des Abgases angegeben, die eine subsonische Venturi- Verengung aufweisen, Mittel zum Messen wenigstens einer Bedingung, vorzugsweise sowohl des Druckes als auch der Temperatur, des Abgasstromes des subsonischen Venturis, Mittel zum Messen einer Bedingung, wie etwa des Druckes des Abgases in dem subsonischen Venturi, sowie eine Steuereinheit zur Berechnung der Flußrate des Abgases auf der Basis von Signalen, die von den stromaufwärtigen und den subsonischen Venturi-Meßeinrichtungen erhalten werden. Ferner sind Mittel zum Steuern der Flußrate des Abgases als Antwort auf die berechnete Flußrate des Abgases vorgesehen. Die Testvorrichtung umfaßt ferner Mittel zum Extrahieren einer Probe aus dem Abgas, wozu eine Testfließwegumgrenzung gehört. Gemäß der Erfindung werden Mittel bereitgestellt, um die Testflußrate als Reaktion auf von der Steuereinheit erhaltene Signale zu kontrollieren. Ferner gibt es Mittel, die stromabwärts mit der Testfließwegumgrenzung der Teststeuermittel gekoppelt sind, um der Probe Verdünnungsgas zuzuführen, um eine Mischung aus Testabgas und Verdünnungsgas zu erzeugen, sowie Mittel zum Steuern der Flußrate des Verdünnungsgases als Reaktion auf von der Steuereinheit erhaltene Signale.
• Fig. 1 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems ähnlich demjenigen der Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Diagrammdarstellung eines anderen Testsystems, das eine andere, der Erfindung ähnliche Ausführung zeigt.
• Fig. 3 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine andere, der Erfindung ähnliche Ausführung zeigt.
• Fig. 4 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems in einer anderen, der Erfindung ähnlichen Ausführung.
• Fig. 5 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine erste Ausführung der Erfindung zeigt.
• Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine zweite Ausführung der Erfindung zeigt.
• Fig. 7 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine dritte Ausführung der Erfindung zeigt.
• Fig. 8 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine Testvorrichtung zeigt, in der eine Flußbegradigung oder ein Wärmetauscher stromabwärts der subsonischen Venturi-Verengung angeordnet ist. Die Flußbegradigung oder der Wärmetauscher sind auf alle Ausführungen der Erfindung anwendbar.
• Fig. 9 ist eine Diagrammdarstellung eines Abgastestsystems, die eine Testvorrichtung mit einem Gebläse mit veränderbarer Geschwindigkeit zwischen dem subsonischen Venturi für Verdünnungsluft und der Filtereinrichtung für Verdünnungsluft angeordnet ist. Diese Anordnung kann in Verbindung mit der ersten und der zweiten. Ausführung der Erfindung verwendet werden.
• Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der eine allgemein mit der Bezugsziffer 11 bezeichnete Vorrichtung, die nicht durch die gegenwärtige Erfindung umfaßt ist, zum Testen und Messen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Quelle dargestellt ist. Die Vorrichtung 11 umfaßt einen Abgasrohradapter 12 zur Ankopplung an ein Abgasrohr 13 eines Verbrennungsmotors. Abgas aus dem Abgasrohr 13 wird durch ein Abgaseinlaßrohr 14 in einen Mischungskanal 15 eingeführt, der mit einem Luftstapel 16 gekoppelt ist, der Einlaßluft aus der Umgebung durch ein Filter 17 erhält. Dieses Filter 17 kann unter Verwendung einer Folge von gestaffelten Filtern, wie etwa einem Vorfilter 18, einem Aktivkohlefilter 19 und einem Absolutfilter 21 implementiert sein. Die Filteranordnung 17 dient allgemein dazu, eine Zufuhr von relativ schadstofffreier Einlaßluft zu erlauben, die in dem Mischungskanal 15 mit dem Abgas aus dem Verbrennungsmotor oder mit einer anderen Abgasquelle gemischt wird, die mit dem Abgaseinlaßrohr 14 gekoppelt ist.
• Der Mischungskanal 15 ist in einen Hauptfluidweg oder eine Hauptfluidleitung eingekoppelt, die allgemein mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet ist, wodurch die Abgas/Einlaß-Verdünnungsluftmischung fließt. Eine Kompressoreinheit mit einer einzigen Geschwindigkeit oder einer Pumpe 23 ist mit dem Hauptfluidweg 22 gekoppelt und erzeugt einen Unterdruck, um den Fluß der Mischung in dem Hauptfluidweg 22 einzustellen, was manchmal auch als Hauptstromfluß bezeichnet wird. Die flußeinstellende Kompressoreinheit oder Pumpe 23 mündet über eine Auslaßöffnung 20 in die Atmosphäre.
• Die Hauptstromflußratenmessung wird unter Verwendung eines Paares von Druckwandlern 24 und 25 und eines Temperaturwandlers 26 in Verbindung mit einer kalibrierten subsonischen Venturi- Verengung 27 erhalten. Mit einer subsonischen Venturi-Verengung 27 kann die Hauptstromflußrate dann berechnet werden, falls Druck und Temperatur der Mischung stromaufwärts als auch der Druck in dem Hals des subsonischen Venturis 27 bekannt sind. Somit sind die Druck- und Temperaturwandler 24 und 26 stromaufwärts der subsonischen Venturi-Verengung 27 in einer Testzone 31 des primären Fluidweges 22 vorgesehen, um den Druck bzw. die Temperatur der Mischung unmittelbar vor dem Eintreten in den subsonischen Venturi 27 zu messen. Ferner ist ein Druckwandler 25 vorgesehen, um den Druck der Mischung im Hals des subsonischen Venturis zu messen. Diese Wandler 24, 26 und 25 sind elektrisch mit einer Steuereinheit 28 verbunden, die ein digitaler oder analoger Computer sein kann, und sind jeweils geeignet, elektrische Signale an die Steuereinheit 28 zu übertragen, die Druck und Temperatur in der Testzone 31 bzw. den Halsdruck repräsentieren. Die Steuereinheit 28 berechnet die Hauptstromflußrate auf der Basis der von diesen Druck- und Temperaturwandlern 24, 25 und 26 erhaltenen Signale. Die Flußraten, auf die hier im Zusammenhang mit der gegenwärtigen Erfindung Bezug genommen wird, sind Massenflußraten.
• Stromabwärts des subsonischen Venturis 27 sind Mittel zum Steuern der Hauptstromflußrate vorgesehen. Bei dieser Ausführung umfassen diese Mittel ein einstellbares Flußsteuerventil 29. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Flußsteuerventil 29 elektrisch mit der Steuereinheit 28 verbunden, so daß es automatisch als Reaktion auf die berechnete Flußrate eingestellt wird. Jedoch ist es möglich, das System so auszulegen, daß das Ventil 29 manuell auf der Basis der berechneten Flußrate eingestellt wird.
• Als Steuerverfahren sendet die Steuereinheit 28 ein elektrisches Signal zu dem Flußsteuerventil 29, um den Hauptstromfluß einzustellen, um stromaufwärtig Druck- und Temperaturzustände, wie durch den Druckwandler bzw. Temperaturwandler 24 und 26 gemessen, einzustellen, die weitgehend den vorbestimmten Druck- und Temperaturzuständen stromaufwärts entsprechen, die unter kritischen Flußbedingungen existieren würden. Dies erzeugt in der Testzone 31 Druck- und Temperaturbedingungen für kritischen Fluß.
• Wenn somit eine Probe des Hauptstromflusses aus der Testzone 31 durch einen Venturi 32 mit kritischem Fluß entnommen wird, der in der Testzone 31 unter Bedingungen des kritischen Flusses arbeitet, wird die entnommene Probenflußrate durch einen Probenflußweg 33 proportional zu der Hauptstromflußrate sein, da die Druck- und Temperaturbedingungen am Einlaß des entnommenen Probenflusses gleichzeitig gleich zu den Druck- und Temperaturbedingungen am Einlaß des gesteuerten Hauptstromflusses sind. Der Test-Venturi 32 mit kritischem Fluß mißt den entnommenen Testfluß und wird verwendet, um den entnommenen Testfluß in der Testleitung 33 unabhängig von dem stromabwärtigen Unterdruck infolge des Flusses am Hals des Venturis 32 mit Schallgeschwindigkeit zu steuern und zu stabilisieren. Eine Pumpe 34 ist stromabwärts des Venturis 32 mit kritischem Fluß vorgesehen, um ein ausreichendes Vakuum am Ausgang des Venturis 32 bereitzustellen, um den Fluß mit Schallgeschwindigkeit oder kritischem Fluß einzuhalten.
• Obwohl die Flußrate, die von einem Venturi mit kritischem Fluß kontrolliert wird, um einen kleinen Teil infolge von Veränderungen von Druck und Temperatur am Venturieinlaß variieren wird, werden dann, wenn sowohl ein Venturi mit kritischem Fluß für den Test als auch für den Hauptstrom verwendet werden und sie so angeordnet werden, daß sie identische Temperatur- und Druckbedingungen am Einlaß mit kritischem Fluß besitzen, die stromaufwärtigen Veränderungen von Temperatur und Druck am Einlaß jeweils dieselbe Auswirkung haben, so daß die Probenflußrate proportional zu der Hauptstromflußrate entnommen wird. Somit erlaubt die Testvorrichtung dieser Ausführung eine aktive Steuerung der Hauptstromflußrate, um die Flußsteuerung eines Venturis mit kritischem Fluß zu simulieren, was die Verwendung des Test-Venturis 32 mit kritischem Fluß zur proportionalen Probennahme erlaubt.
• Gemäß einer anderen Ausführung, die nicht durch die gegenwärtige Erfindung abgedeckt ist, kann das Steuerventil 29 eliminiert werden, falls ein Kompressor mit variabler Geschwindigkeit, ein Turbokompressor oder eine Verdrängerpumpe mit variabler Geschwindigkeit als flußeinstellendes Mittel anstelle des Kompressors oder der Pumpe 23 mit der einzigen Geschwindigkeit verwendet wird. In diesem Fall wird die Pumpe mit variabler Geschwindigkeit, der Kompressor oder der Turbokompressor vorzugsweise mit der Steuereinheit 28 elektrisch verbunden, so daß die Pumpe mit variabler Geschwindigkeit, der Kompressor oder Turbokompressor als Reaktion auf die berechnete Flußrate automatisch eingestellt werden. Diese Anordnung ist auf alle Ausführungen anwendbar.
• Die Fig. 2 bis 8 zeigen schematisch alternative Vorrichtungen zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle, die gemäß zusätzlichen Ausführungen der Erfindung aufgebaut sind. Die Vorrichtungen jeder dieser zusätzlichen Ausführungen sind allgemein ähnlich zu der zuvor beschriebenen Ausführung. Aus diesem Grund sind Komponenten dieser zusätzlichen Ausführungen, die mit den Komponenten der ersten Ausführungen übereinstimmen, durch dieselben Bezugsziffern bezeichnet und werden hier nicht beschrieben, soweit dies nicht für das Verständnis des Aufbaus und der Betriebsweise dieser zusätzlichen Ausführungen notwendig ist.
• Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung, die nicht durch die gegenwärtige Erfindung abgedeckt ist, bei der der Test-Venturi 32 mit kritischem Fluß durch einen Testkanal ersetzt ist, der mit der Testleitung 33 in der Testzone 31 gekoppelt ist. Ein einstellbares Flußsteuerventil 35 und ein Differentialdruckregler 36 werden verwendet, um den entnommenen Testfluß durch die Testleitung 33 mit einer gewünschten konstanten Flußrate zu regulieren. Das Flußsteuerventil 35, das verwendet wird, um eine gewünschte Flußrate für die Testentnahme einzustellen, erzeugt ein Druckdifferential zwischen seiner Eingangsseite und seiner Ausgangsseite. Nachdem eine Entnahmetestflußrate ausgewählt ist, wird sie durch den Differentialdruckregler 36 konstant gehalten, der mit dem Testfluidweg 33 gekoppelt ist, um einen Entnahmetestfluß sowohl stromaufwärts als auch stromaufwärts des Flußsteuerventils 35 zu erhalten. Der Differentialdruckregler 36 bestimmt das Druckdifferential zwischen diesem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Fluß in bezug auf das Steuerventil 35, um die vorgewählte Massenflußrate für die entnommene Probe einzuhalten. Die Hauptstromflußrate wird durch die subsonische Venturi-Verengung 27 und durch das Flußsteuerventil 29 kontrolliert, um ein konstantes Verhältnis der Flußraten des Entnahmeflusses und des Hauptstroms während der Testdauer einzuhalten. Somit ist die Testflußrate proportional zur Hauptstromflußrate, was eine proportionale Probennahme erlaubt.
• Es sei nun auf Fig. 3 Bezug genommen, in der ein anderes Beispiel einer Abgastestvorrichtung, die nicht durch die gegenwärtige Erfindung abgedeckt ist, dargestellt ist, bei der die Abgasflußrate unmittelbar bestimmt werden kann, und die Probe unter Verwendung des Venturis 32 mit kritischem Fluß extrahiert wird. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungen enthält alle der Komponenten der zuvor beschriebenen ersten Ausführung und enthält zusätzlich eine kalibrierte subsonische Venturi- Verengung 37 für die Verdünnungsluft. Dieser subsonische Venturi 37 ist mit dem Luftstapel wie in Fig. 3 gezeigt gekoppelt und bewirkt eine Messung der Flußrate der Einlaßverdünnungsluft. Um die Verdünnungsluftflußrate unter Verwendung dieses Venturis 37 zu bestimmen, wird die äußere Verdünnungslufttemperatur mittels eines Temperaturwandlers 38 gemessen, und der Verdünnungsluftdruck wird am Hals des Venturis 37 mittels eines Druckwandlers 39 gemessen. Diese Wandler 38 und 39 übertragen ihre betreffenden Signale zu der Steuereinheit 28, wo sie verarbeitet werden. Die Hauptstromflußrate wird wie oben im Zusammenhang mit der ersten beschriebenen Ausführung berechnet, und die Abgasflußrate wird als Hauptstromflußrate minus Verdünnungsluftflußrate berechnet. Das einstellbare Flußsteuerventil 29 wird verwendet, um die Hauptstromflußrate einzustellen, um Zustände einzuhalten, die die Leistung eines Venturis mit kritischem Fluß simulieren. In diesem Fall kann die extrahierte Testflußrate durch den Venturi 32 mit kritischem Fluß durch die Druck- und Temperaturmessungen bestimmt werden, die mittels der Wandler 24 und 26 in der Testzone 31 gemacht werden. Die analysierte Konzentration des integrierten Testtaschenvolumens kann dann durch die Steuereinheit 28 korrigiert werden, um Variationen in der Hauptstromflußrate während der Testdauer zu berücksichtigen, um eine Korrelation zu den Ergebnissen herzustellen, die unter Verwendung der Venturi- Testausrüstung mit kritischem Fluß gemäß dem oben beschriebenen Kaufman-Patent erhalten würden.
• Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ausführung der Testvorrichtung, bei der ein konstantes Verhältnis der Verdünnungsluftflußrate zur Abgasflußrate eingehalten wird und die Probe mit einer festen Massenflußrate extrahiert wird. Diese Ausführung verwendet das Flußsteuerventil 35 und den Differentialdruckregler 36 gemäß Fig. 2, um die feste Massenflußrate für die entnommene Probe zu erhalten, unter Eliminierung des Venturis 32 mit kritischem Fluß und der Notwendigkeit für Druck- und Temperaturkorrekturen im Verhältnis hierfür. Somit hat diese Ausführung die Möglichkeit der einfachen Auswahl einer festen Testflußrate für spezielle Tests.
• Wie in Fig. 4 gezeigt, schließt diese Ausführung auch die Meßeinrichtung für die Verdünnungsluftflußrate der vierten Ausführung ein, als auch die Steuermerkmale dieser Ausführung, um die Hauptstromflußrate auf einem festen Verhältnis von Verdünnungsluft- zu Abgasflußraten zu halten.
• In einer ersten Ausführung gemäß der Erfindung, die in Fig. 5 dargestellt ist, ist eine Testvorrichtung gezeigt, die eine aktive Kontrolle des Verhältnisses der Verdünnungsluftzur Abgasflußrate mit einer proportionalen Testflußratensteuerung ermöglicht. Bei dieser Ausführung ist ein Massenflußzähler 41 in der Testleitung 33 vorgesehen, um die Massenflußrate hierdurch zu messen und zu steuern und um ein elektrisches Signal von der Steuereinheit 28 zu erhalten, um eine Einstellung der Testflußrate zu erlauben. In dem Testweg 33 stromaufwärts des Massenflußzählers 41 ist ein Filter 42 vorgesehen, um Partikel zu entfernen und sie daran zu hindern, den Flußzähler 41 zu verunreinigen.
• Mit dieser Ausführung können zahlreiche Steuermodi verwendet werden. Z. B. kann die Testflußrate durch den Massenflußzähler 41 so gesteuert werden, daß sie proportional zu der Hauptstromflußrate ist, wie sie unter Verwendung des subsonischen Venturis 27 bestimmt wird. Alternativ kann die Hauptstromflußrate gesteuert werden, um ein integriertes Volumen ähnlich der von Kaufman beschriebenen Venturiausrüstung mit kritischem Fluß zu simulieren. Eine andere Alternative besteht in der Einhaltung einer vorgewählten konstanten Testflußrate.
• Es sei nun auf Fig. 6 Bezug genommen, in der eine zweite Ausführung der Erfindung dargestellt ist, die eine Rohabgas- Probenentnahme mit einer Kontrolle der Verdünnung der entnommenen Probe beinhaltet. Der Luftstapel 16 und die zugehörigen Komponenten sind eliminiert. Bei dieser Ausführung ist eine Trockengasversorgungsleitung, die durch die Bezugsziffer 43 bezeichnet ist, mit der Testleitung 33 stromaufwärts des Massenflußzählers 41 und des Filters 42 gekoppelt. Ein anderer Massenflußzähler 44 ist in die Trockengasversorgungsleitung 43 eingekoppelt, um die Massenflußrate des Trockengases, das zur Verdünnung der extrahierten Rohabgas-Probe verwendet wird, zu regulieren.
• Die verdünnte Probenflußrate durch die Testleitung 33 wird durch den Massenflußzähler 41, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, gesteuert. Der Trockengas-Massenflußzähler 44 erhält ein elektrisches Signal von der Steuereinheit 28, um die Trockengasflußrate aktiv zu steuern. Das Flußsteuerventil 29 wird von der Steuereinheit 28 justiert, um den durch den Druckwandler 24 in der Testzone 31 gemessenen Druck auf den Wert null zu halten, so daß die unter Verwendung des subsonischen Venturis 27 gemessene Flußrate die Abgasflußrate ist.
• Eine aktive Steuerung der Trockengasflußrate durch den Massenflußzähler 44 und eine aktive Steuerung der extrahierten verdünnten Probenflußrate durch den Massenflußzähler 41 erlaubt zwei Verfahren zum Erhalten einer proportional verdünnten Probe. Das erste schließt ein festes Verdünnungsverhältnis ein, bei dem die extrahierte verdünnte Probenflußrate und die Trockengasflußrate proportional zu der Abgasflußrate geregelt werden, um ein konstantes Verdünnungsverhältnis der Trockengasflußrate zur Abgasflußrate einzuhalten.
• Bei dem zweiten Steuerverfahren, das die "klassische" Venturiausrüstung mit kritischem Fluß von Kaufman simuliert, ist die extrahierte verdünnte Testflußrate auf einen festen Wert gesetzt. Die Trockengasflußrate wird von der Steuereinheit 28 so eingestellt, daß die Trockengasflußrate umgekehrt proportional zu der Abgasflußrate ist, skaliert mit der extrahierten Testflußrate. Falls somit die Abgasflußrate null ist, ist dann die Trockengasflußrate gleich der extrahierten Testflußrate.
• Falls die Abgasflußrate den maximalen Wert für die Größe des getesteten Motors hat, dann entspricht die Trockengasflußrate der Hälfte der extrahierten Testflußrate, was zu einem Verdünnungsverhältnis von Trockengasflußrate zu Abgasflußrate von 1 : 1 führt.
• Eine dritte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt, die der zweiten Ausführung dahingehend weitgehend ähnlich ist, daß der Luftstapel 16 und die zugehörigen Komponenten nicht verwendet sind. Bei dieser Ausführung kann die Testleitung 33 mittels eines Heizers 45, der einen Teil der Leitung 33 umschließt, beheizt werden. Gekoppelt mit dem Heizer 45 ist ein Temperaturregler 46, um die Temperatur des Heizers 45 zu steuern. Die Trockengasversorgungsleitung 43 ist mit der Testleitung 33 stromabwärts des Massenflußzählers 41 gekoppelt, der die Testflußrate steuert. Wie in der zweiten Ausführung reguliert der Massenflußzähler 44 die Trockengasflußrate.
• Bei dieser dritten Ausführung wird eine Rohabgasprobe aus dem Abgasfluß über die beheizte Testleitung 33 extrahiert und durch das Filter 42 gefiltert. Die beiden Verfahren zum Erhalten einer proportionalen Probe, die in Verbindung mit der siebten Ausführung beschrieben wurden, können dann verwendet werden. Die Testvorrichtung der achten Vorrichtung kann mit oder ohne den Heizer 45 und die zugehörige Temperatursteuerung 46 verwendet werden.
• Es sei nun auf Fig. 8 Bezug genommen, in der eine Testvorrichtung, die eine Flußbegradigung enthält, die durch die Bezugsziffer 47 bezeichnet ist, mit der Hauptfluidleitung 32 stromaufwärts des subsonischen Venturis 27 gekoppelt ist. Die Flußbegradigung 47 besteht normalerweise aus miteinander gebündelten Röhren, die in einem Rohrstück aufgenommen sind; Fluid fließt durch das Rohrbündel. Alternativ oder zusätzlich kann die Testvorrichtung einen Wärmetauscher 48 besitzen, der einen Einlaß und einen Auslaß besitzt, so daß Kühlflüssigkeit durch die Rohre zirkuliert werden kann, um den Hauptstromfluß zu kühlen.
• Die Flußbegradigung 47 kann mit allen der beschriebenen Ausführungen verwendet werden und ist besonders nützlich für die Rohtestausführungen gemäß den Fig. 6 und 7. Die Flußbegradigung bewirkt eine Minimierung der Gasturbulenz, die unter bestimmten Betriebsbedingungen auftreten kann. Abgaspulsationen treten normalerweise bei Motorleerlaufeinstellungen auf, und die Fließbegradigung 47 wird die Pulsationen minimieren, bevor der Fluß den subsonischen Venturi 27 erreicht.
• Der Wärmetauscher 48 kann anstelle der Flußbegradigung 47 verwendet werden, und zusätzlich zur Vergleichmäßigung des Flusses wird die Hauptstrommischung oder der Rohabgasfluß auch gekühlt, wodurch die Probentemperaturveränderungen reduziert werden. Dies wird seinerseits die durch die Steuereinheit 28 notwendigen Korrekturen reduzieren.
• In Fig. 9 ist eine Abgastestvorrichtung gezeigt, die ein Gebläse mit variabler Geschwindigkeit oder Ventilator 49 zeigt, der zwischen dem subsonischen Venturi 37 für Verdünnungsluft und der Verdünnungsluftfiltereinrichtung 17 angeordnet ist. Das Gebläse 49 erhält elektrische Signale von der Steuereinheit 28, die die Geschwindigkeit des Gebläses oder des Ventilators steuert, um die Verdünnungsluftflußrate zu steuern. Die Geschwindigkeit des Gebläses oder des Ventilators wird so gesteuert, daß der von einem Druckwandler 51, der in dem Mischungskanal 15 angeordnet ist, gemessene Druck auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der normalerweise null ist, so daß der an dem Fahrzeugabgasrohr 14 reflektierte Druck keinen Einfluß durch die Testausrüstung erfährt. Alternativ kann das System so eingestellt werden, daß diese Steuerung auf Drucksignalen des Wandlers 24 in der Testzone 31 beruht.
• Die Gebläsegeschwindigkeit kann auch in Abhängigkeit von der Hauptstromflußrate gesteuert werden, um zusätzliche Verdünnungsverhältnisse zu erhalten, die durch nicht geförderte Verdünnungsluft nicht möglich wären.
• Es sollte aus der vorherigen Beschreibung deutlich geworden sein, daß zahlreiche Ausführungen einer hochwirksamen und nützlichen Abgastestvorrichtung zum Testen des Emissionsgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle illustriert und beschrieben wurden. Die Steuereinheit in Verbindung mit der Abgastesteinrichtung ist in der Lage, eine Vielfalt von Flußraten auszuwählen und einzuhalten, sowie eine Vielfalt von Testverfahren zum Extrahieren einer Probe aus einem Hauptstromfluß von Abgas und Luft oder aus einem Rohabgasfluß. Obwohl zahlreiche Ausführungen dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß zahlreiche Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Geist und Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie durch die zugehörigen Ansprüche definiert ist.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Testen des Abgasgehaltes von Abgas aus einer Abgasquelle mit:

einem Abgaseinlaß (14), der zur Verbindung mit der Abgasquelle geeignet ist;

einem Einlaß für Verdünnungsluft, der zur Verbindung mit dem Abgaseinlaß (14) geeignet ist, um eine Mischung von Abgas und Verdünnungsluft zu erzeugen;

Mitteln zum Festlegen einer Fließwegumgrenzung für die Mischung;

Flußsteuermitteln (23, 29), die mit der Fließwegumgrenzung gekoppelt sind, um einen Fluß der Mischung in der Fließwegumgrenzung zu erzeugen;

Mitteln zum Messen der Flußrate der Mischung, die eine Venturi-Verengung (27) aufweisen;

einer Testzone (31), die in der Fließwegumgrenzung stromaufwärts der Venturi-Verengung (27) angeordnet ist;

Mitteln (33, 34) zum Entnehmen einer Probe der durch die Testzone (31) fließenden Mischung, die Mittel zum Festlegen eines Probenfließweges (33) einschließen, wobei die Mittel (33, 34) zum Entnehmen eine Massenflußmeßeinrichtung (41) zum Erfassen der Massenflußrate durch den Probenfließweg (33) aufweisen;

Mitteln (32) zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten konstanten Massenflußgeschwindigkeit durch den Probenfließweg (33);

dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (28) vorgesehen ist, die auf die Meßeinrichtung zum Steuern der Flußsteuermittel (23, 29) reagiert, um eine vorbestimmte Mas senflußgeschwindigkeit der Mischung mit subsonischer Geschwindigkeit durch die Testzone (31) zu erzeugen, die im Verhältnis zu der vorbestimmten konstanten Massenflußgeschwindigkeit der entnommenen Probe steht, wodurch die Venturi-Verengung als eine subsonische Venturi-Verengung (27) betrieben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (28) zur Einhaltung eines konstanten Verhältnisses zwischen der Massengeschwindigkeit der Mischung durch die Testzone (31) und der vorbestimmten konstanten Massenflußgeschwindigkeit durch den Probenfließweg (33) geeignet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung Meßwandlermittel (24, 25, 26) zur Erzeugung von Signalen umfaßt, die proportional zu einer Charakteristik der Mischung stromaufwärts der subsonischen Venturi-Verengung und zu einer Charakteristik der Mischung in der subsonischen Venturi-Verengung (27) sind.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenflußmeßeinrichtung (41) dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal von der Steuereinrichtung (28) zu erhalten, um den Fluß durch den Probenfließweg (33) zu steuern.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußsteuereinrichtung eine Pumpe (23) mit fester Fließgeschwindigkeit zur Erzeugung eines Mischungsflusses umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußsteuermittel ein einstellbares Ventil (29) zur Steuerung der Flußgeschwindigkeit der Mischung umfassen, das stromabwärts des subsonischen Venturis (27) und stromaufwärts der Pumpe (23) mit fester Fließgeschwindigkeit angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (23) zur Einstellung des Flusses der Mischung und die die Fließgeschwindigkeit der Mischung steuernde Einrichtung (29) einen Kompressor mit veränderbarer Geschwindigkeit umfassen.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (23) zur Einstellung des Flusses der Mischung und die die Fließgeschwindigkeit der Mischung steuernde Einrichtung (29) eine Verdrängerpumpe mit veränderbarer Geschwindigkeit umfassen.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (44) zum Steuern der Fließgeschwindigkeit des Verdünnungsgases in Abhängigkeit von Signalen, die von der Steuereinrichtung (28) erhalten werden.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine subsonische Venturi- Verengung (37), die mit dem Lufteinlaß gekoppelt ist, mit Mitteln (38) zum Messen der Temperatur der Verdünnungsluft stromaufwärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft und mit Mitteln (39) zum Messen des Druckes der Verdünnungsluft in dem subsonischen Venturi (37) für Verdünnungsluft, wobei die Fließgeschwindigkeit der Mischung so gesteuert wird, daß Bedin gungen eingehalten werden, die das Verhalten eines Venturis mit kritischer Fließgeschwindigkeit simulieren.

11. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen der Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft umfassend eine subsonische Venturi- Verengung (37), die mit dem Lufteinlaß gekoppelt ist, durch Mittel (38) zum Messen der Temperatur der Verdünnungsluft stromaufwärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft, und durch Mittel (39) zum Messen des Druckes der Verdünnungsluft in dem subsonischen Venturi (37) für Verdünnungsluft, wobei die Fließgeschwindigkeit der Mischung so gesteuert wird, daß ein festes Verhältnis der Fließgeschwindigkeiten von Verdünnungsluft und Abgas eingehalten wird.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der entnommenen Probe und die Fließgeschwindigkeit des Verdünnungsgases proportional zu der Abgasfließgeschwindigkeit gesteuert werden, um ein konstantes Verdünnungsverhältnis der Fließgeschwindigkeiten von Verdünnungsgas und Abgas einzuhalten.

13. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit der entnommenen Probe auf einem konstanten Wert gehalten wird, und wobei die Fließgeschwindigkeit des Verdünnungsgases so gesteuert wird, daß sie umgekehrt proportional zu der Fließgeschwindigkeit des Abgases, skaliert mit der Fließgeschwindigkeit der entnommenen Probe ist.

14. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließwegumgrenzung eine Flußbegradigung (47) stromaufwärts des subsonischen Venturis (27) umfaßt.

15. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließwegumgrenzung einen Wärmetauscher (48) stromaufwärts des subsonischen Venturis (27) umfaßt.

16. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen der Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft umfassend eine subsonische Venturi-Verengung (37), die mit dem Lufteinlaß gekoppelt ist, Mittel (38) zum Messen der Temperatur der Verdünnungsluft stromaufwärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft, und Mittel (39) zum Messen des Druckes der Verdünnungsluft in dem subsonischen Venturi (37) für Verdünnungsluft, und Mittel zum Steuern der Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft umfassend ein Gebläse (49), das stromabwärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft angeordnet ist, und einen Druckwandler (51) zum Messen des Druckes der Mischung, wobei die Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft so gesteuert wird, daß ein vorbestimmter Druck eingehalten wird, wie er von dem Druckwandler (51) gemessen wird.

17. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen der Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft umfassend eine subsonische Venturi- Verengung (37), die: mit dem Lufteinlaß gekoppelt ist, Mittel (38) zum Messen der Temperatur der Verdünnungsluft stromauf wärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft, und Mittel (39) zum Messen des Druckes der Verdünnungsluft in dem subsonischen Venturi (37) für Verdünnungsluft, und Mittel zum Steuern der Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft mit einem Gebläse (49), das stromabwärts des subsonischen Venturis (37) für Verdünnungsluft angeordnet ist, und mit einem Druckwandler (51) zum Messen des Druckes der Mischung, wobei die Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsluft und die Fließgeschwindigkeit der Mischung so gesteuert werden, daß ein festes Verdünnungsverhältnis der Fließgeschwindigkeiten von Verdünnungsluft und Abgas eingehalten wird, sowie ein vorbestimmter Druck, wie er von dem Druckwandler gemessen wird.