Verfahren und Vorrichtung zur Emissionsmessung an Motoren Method and device for measuring emissions on engines
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung spezifischer Stickoxid-Emissionen eines Verbrennungsmotors .The invention relates to a method and a device for determining specific nitrogen oxide emissions of an internal combustion engine.
Im Zuge der anhaltenden Klimadiskussion wurden in vielen Bereichen des Personen- und Güterverkehrs für einzelne Verkehrsmittel Regeln und Bestimmungen zum Klimaschutz eingeführt, die Grenzwerte für die Abgasemission festlegen. Diese Grenzwerte werden in der Regel auf einen bestimmten Wert, wie z.B. km, kWh o.a. bezogen.In the course of the ongoing climate debate, rules and regulations on climate protection were introduced for individual transport modes in many areas of passenger and freight transport, which set limit values for exhaust emissions. These limits are typically set to a certain value, e.g. km, kWh or similar based.
Derartige Grenzwerte werden vermehrt auch im Bereich Schienenfahrzeuge, aber auch im Schiffsverkehr eingeführt. So regelt beispielsweise für den Schiffsbereich die Marpol Konvention im Anhang VI, den Abgasausstoß eines Schiffes in Relation zur Motorleistung zu setzten, also z.B. Gramm Schadstoff pro Kilowatt Leistung und Betriebsstunde. Aktuell ist der Ausstoß von Schwefeloxiden (SOx) und Stickoxiden (NOx) geregelt.Such limits are increasingly being introduced in the field of rail vehicles, but also in shipping. For example, for the shipping sector, the Marpol Convention in Annex VI regulates the exhaust emission of a ship in relation to engine power, eg grams of pollutant per kilowatt of power and hour of operation. Currently, the emission of sulfur oxides (SO x ) and nitrogen oxides (NO x ) is regulated.
Auch andere Bereiche wie z.B. stationäre Motoren in verschiedensten Applikationen sind ähnlich geregelt, bzw. vergleichbare Richtlinien und Grenzwerte sind in Vorbereitung.Other areas such as e.g. stationary motors in a wide variety of applications are similarly regulated, or comparable guidelines and limit values are in preparation.
Die Einhaltung der Grenzwerte wird meist bei Typzulassungen, Baumusterprüfungen etc. auf entsprechenden Prüfständen an den Motoren überprüft. An diesen Prüfständen steht die komplette Messtechnik in Form von stationären Messgeräten zur Ver-
fügung, da der Prüfstand ja genau auf die Überprüfung der entsprechenden Grenzwerte, Kennwerte, Faktoren etc. ausgelegt ist. Da aber vermehrt die Überprüfung der Einhaltung der Grenzwerte im Feld, d.h. im realen Betrieb des Motors, z.B. in einer Lokomotive oder auf einem Schiff, notwendig bzw. gefordert wird, sind zuverlässige und mobile Messsysteme notwendig, um vor Ort eine schnelle und einfache Überprüfung der Verbrennungsmotoren auf Einhaltung der Grenzwerte zu ermöglichen. Oftmals ist es jedoch schwierig oder unmöglich, alle auf dem Prüfstand gemessenen Betriebs-Kenngrößen zur Bestimmung der Emissionswerte auch direkt vor Ort zu messen. Beispielsweise ist es zumeist nicht möglich, die momentan abgegebene Leistung oder den aktuellen Treibstoffverbrauch zu ermitteln, ohne komplizierte An- oder Umbauten an der Maschine selbst vorzunehmen.The compliance with the limit values is usually checked during type approvals, prototype tests, etc. on corresponding test stands on the engines. These test benches are equipped with the complete measuring technology in the form of stationary measuring devices. because the test rig is designed to check the corresponding limit values, characteristic values, factors, etc. But as the verification of compliance with the limits in the field, ie in real operation of the engine, eg in a locomotive or on a ship, is increasingly necessary or required, reliable and mobile measuring systems are necessary to quickly and easily check the on-site Internal combustion engines to ensure compliance with the limits. Often, however, it is difficult or impossible to measure all operating parameters measured on the test bench to determine the emission values directly on site. For example, it is usually not possible to determine the currently delivered power or the current fuel consumption, without making complicated attachments or conversions on the machine itself.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur einfachen Echtzeit-Bestimmung spezifischer Abgas-Kennzahlen eines Verbrennungsmotors unter realen Bedingungen zu schaffen.The object of the invention is therefore to provide a method and a device for simple real-time determination of specific exhaust emission figures of an internal combustion engine under real conditions.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Emissions-Massenstrom, auch spezifischer Abgaskomponenten- Massenstrom, als erste Betriebs-Kenngröße und die Motor- Abgabeleistung als zweite Betriebs-Kenngröße bestimmt wird, der spezifische Abgaskomponenten-Massenstrom und die Motor- Abgabeleistung aus jeweils mindestens einer von der Betriebs- Kenngröße abweichenden Messgröße abgeleitet bzw. ermittelt wird und die spezifische Emission (Abgas-Kennzahl) als Quotient aus dem spezifischen Abgaskomponenten-Massenstrom und der Motor-Abgabeleistung berechnet wird. Unter einer von einer Betriebskenngröße abweichenden Messgröße wird insbesondere eine von der Betriebs-Kenngröße physikalisch verschiedene Messgröße verstanden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Abgaskomponente um NOx. Das Verfahren ist jedoch auch
bei anderen Abgaskomponenten, beispielsweise SOx, einsetzbar.This object is achieved in that the emission mass flow, and specific exhaust gas component mass flow is determined as the first operating parameter and the engine power output as a second operating characteristic, the specific exhaust gas mass flow and the engine output from each at least derived or determined from the operating parameter different measure and the specific emission (exhaust gas ratio) is calculated as a quotient of the specific exhaust gas component mass flow and the engine power output. Under a deviating from a performance parameter size is understood in particular one of the operating characteristic physically different measure. Preferably, the exhaust gas component is NO x . However, the procedure is as well in other exhaust gas components, such as SO x , can be used.
Dadurch, dass die Betriebs-Kenngrößen aus einfacher zu messenden Messgrößen abgeleitet werden, kann ein Verfahren und Messsystem zum Einsatz kommen, das ohne komplizierte und aufwändige Aufbauten auskommt. Ein solches Verfahren ist somit an jedem Ort an unterschiedlichen Motoren einsetzbar und ermöglicht die zuverlässige Kontrolle der Abgas-Kennzahl und/oder von Abgas-Grenzwerten in Echtzeit.The fact that the operating parameters are derived from measured quantities that are easier to measure, a method and measuring system can be used, which manages without complicated and complex structures. Such a method can thus be used at any location on different engines and allows the reliable control of the exhaust gas ratio and / or exhaust gas limits in real time.
Zweckmäßig ist es, wenn die Bestimmung der beiden Betriebs- Kenngrößen für verschiedene Lastbedingungen des Motors erfolgt. Gegebenenfalls wird über die Betriebs-Kenngrößen noch eine Gesamtsumme gebildet.It is expedient if the determination of the two operating parameters for different load conditions of the engine takes place. If necessary, a total sum is formed via the operating parameters.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die zu einer bestimmten Laststufe gehörenden Betriebs-Kenngrößen vor der Summenbildung mit dem Einsatzzweck des Motors angepassten Gewichtungsfaktoren multipliziert werden, wobei die Gewichtungsfaktoren beispielsweise in einer Tabelle abgelegt sein können. Dabei ist es insbesondere möglich, die einzelnen Laststufen unterschiedlich stark in der Kennzahl zu berücksichtigen. Ein Schiffsdiesel z.B. läuft hauptsächlich knapp unter Volllast, so dass der Gewichtungsfaktor hier höher sein kann als im Leerlauf, wohingegen ein Automobil hauptsächlich unter Teillast oder darunter betrieben wird und deshalb der Schadstoffausstoß in diesem Lastbereich stärker gewichtet werden kann bzw. muss.It is particularly expedient if the operating parameters belonging to a specific load stage are multiplied by weighting factors adapted to the intended use of the engine before the summation, wherein the weighting factors can be stored, for example, in a table. In this case, it is possible, in particular, to take the individual load levels into consideration differently in the characteristic number. A marine diesel, e.g. runs mainly just under full load, so that the weighting factor here can be higher than at idle, whereas an automobile is operated mainly under part load or less and therefore the pollutant emissions in this load range can be more weighted or must.
Die spezifische Abgas-Kennzahl ist bevorzugt als korrigierter spezifischer Abgaskomponenten-Massenstrom pro Kilowatt Motor¬ leistung und pro Betriebsstunde definiert und im Folgenden einfach als spezifische Emissions-Kennzahl bezeichnet.The specific exhaust ratio is preferably defined as a corrected specific exhaust gas component mass flow per kilowatt engine performance and ¬ per hour and simply referred to as specific emission measure.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die Motor-
leistung aus dem aktuellen Drehmoment und der Motordrehzahl bestimmt, wobei das Drehmoment beispielsweise durch einen Dehnungsmessstreifen an der Welle ermittelt wird.In a first embodiment of the invention, the engine power determined from the current torque and the engine speed, wherein the torque is determined for example by a strain gauge on the shaft.
Eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Emissions-Kennzahl-Bestimmung sieht vor, die Motorleistung aus dem Kraftstoff-Massenstrom und dem spezifischen Kraftstoff-Verbrauch des Motors zu berechnen, wobei der spezifische Kraftstoff- Verbrauch ein vom Hersteller angegebener Wert ist, der z.B. in tabellarischer oder diagrammatischer Form enthält, bei welcher Leistung der Motor welchen Kraftstoff-Verbrauch aufweist. Durch die Bestimmung des momentanen Kraftstoff-Verbrauchs kann die Leistung z.B. einfach in der Tabelle abgelesen oder auf Basis der Tabellewerte interpoliert werden.A second embodiment of the emission index determination according to the invention provides for calculating the engine power from the fuel mass flow and the specific fuel consumption of the engine, the specific fuel consumption being a value indicated by the manufacturer, e.g. in tabular or diagrammatic form, at which power the engine has which fuel consumption. By determining the instantaneous fuel consumption, the power may e.g. simply read in the table or interpolated based on the table values.
Mitunter kann es jedoch schwierig oder unmöglich sein, einen Kraftstoff-Massenstrom-Sensor an oder in den Zuleitungen des Motors anzubringen, weshalb es sinnvoll sein kann, den Kraftstoff-Massenstrom aus dem Abgas-Massenstrom und dem stöchio- metrischen Luftbedarf zu berechnen. Durch einfache Betrachtung der Reaktionsgleichung kann aus der Abgasmenge so auf den Kraftstoff-Massenfluss zurückgerechnet werden.Sometimes, however, it may be difficult or impossible to mount a fuel mass flow sensor on or in the engine supply lines, so it may be useful to calculate the fuel mass flow rate from the mass flow of exhaust gas and the stoichiometric air requirement. By simply considering the reaction equation, it is possible to calculate back from the exhaust gas quantity to the fuel mass flow.
Dabei ergibt sich der stöchiometrische Luftbedarf aus der chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffes, insbesondere dem Massenanteil an Kohlenstoff, Wasserstoff und ggf. Schwefel.This results in the stoichiometric air requirement from the chemical composition of the fuel, in particular the mass fraction of carbon, hydrogen and possibly sulfur.
Der Abgas-Massenstrom kann ebenfalls schwierig zu messen sein, weshalb über den Ve'rbrennungsluft-Massenstrom und den Luftüberschussfaktor auf den Kraftstoff-Massenstrom zurückgerechnet werden kann. Dabei berücksichtigt der Luftüberschussfaktor, dass nicht alle Luft (Sauerstoff) zur Verbrennung notwendig ist und daher nicht in die Kraftstoff-Rechnung eingehen darf.
Der Luftüberschussfaktor wird dabei bestimmt aus der Zusammensetzung des Abgases, insbesondere der Volumenkonzentration von Kohlendioxid CO2 und ggf. CO sowie ggf. der Kohlenwasserstoffe HC. Dabei lässt sich auch hier der Messaufwand reduzieren, indem der Kohlendioxidanteil aus der Sauerstoff- Volumenkonzentration berechnet wird.The exhaust gas mass flow can also be difficult to measure, and therefore can be calculated back on the Ve 'rbrennungsluft-stream and the excess air factor of the fuel mass flow. The excess air factor takes into account that not all air (oxygen) is necessary for combustion and therefore can not be included in the fuel bill. The excess air factor is determined from the composition of the exhaust gas, in particular the volume concentration of carbon dioxide CO 2 and possibly CO and possibly the hydrocarbons HC. Here, too, the measurement effort can be reduced by calculating the carbon dioxide content from the oxygen volume concentration.
Der Verbrennungsluft -Massenstrom ist mit einem Flügelradanemometer oder einem ähnlichen Messgerät messbar. Falls kein Zugang zum Lufteinlass des Motors besteht, kann er jedoch auch berechnet werden.The combustion air mass flow can be measured with an impeller anemometer or similar measuring device. However, if there is no access to the air intake of the engine, it can also be calculated.
Dazu wird die Drehzahl, der Hubraum und die Anzahl der Zylinder des Motors, der Ladeluftdruck und die Ladelufttemperatur nach dem Ladeluftkühler, also vor Eintritt in den Motor, und die Umgebungstemperatur sowie Luftdruck und relative Luftfeuchtigkeit bestimmt und daraus der Verbrennungsluft-Massenstrom berechnet.For this purpose, the speed, the displacement and the number of cylinders of the engine, the charge air pressure and the charge air temperature after the intercooler, ie before entering the engine, and the ambient temperature and air pressure and relative humidity determined and calculated from the combustion air mass flow.
Bei Verwendung eines Motors ohne Ladeluftkühler bzw. Turbolader wird mit den entsprechenden Messwerten analog verfahren, wobei die Ladeluft in diesem Fall durch die Ansaugluft gegeben ist und Ansauglufttemperatur und normaler Umgebungsdruck statt Ladelufttemperatur und Ladeluftdruck verwendet werden.When using an engine without intercooler or turbocharger, the corresponding measured values are used analogously, in which case the charge air is given by the intake air and intake air temperature and normal ambient pressure are used instead of charge air temperature and charge air pressure.
Zur Bestimmung der Leistung stehen somit mehrere Möglichkeiten zur Verfügung abhängig davon, welche Art von Sensoren zur Verfügung stehen und welche Stellen am Motor zugänglich sind. Im ungünstigsten Fall genügt bereits eine einfache Sauerstoffmessung im Abgas, wozu eine kleine Öffnung im Abgassystem genügt, um eine dünne Sonde einzuführen, sowie die Bestimmung von Ladeluftdruck und -temperatur zusammen mit den Umgebungsparametern und der Motordrehzahl. Alle weiteren Daten können dann aus diesen Messwerten, den Kraftstoff-
Parametern und den bekannten Motordaten berechnet werden.Thus, to determine the power, several options are available depending on which type of sensors are available and which points are accessible on the motor. In the worst case, a simple oxygen measurement in the exhaust gas is sufficient, for which a small opening in the exhaust system is sufficient to introduce a thin probe, as well as the determination of charge air pressure and temperature together with the environmental parameters and the engine speed. All other data can then be calculated from these measured values, the fuel Parameters and the known motor data are calculated.
Ähnlich kann bei der Bestimmung des Abgaskomponenten-Massenstroms, insbesondere des Stickoxid-Massenstroms, vorgegangen werden. Auch hier ist die direkte Bestimmung des Massenstroms mitunter schwierig, da eine hierfür notwendige Volumenstrom- Messung in größeren Abgaskaminen, wie z.B. auf Schiffen vorhanden, problematisch durchführbar ist.Similarly, it is possible to proceed in the determination of the exhaust-gas component mass flow, in particular of the nitrogen oxide mass flow. Again, the direct determination of the mass flow is sometimes difficult, since a volume flow measurement required for this purpose in larger exhaust gas amines, such as e.g. on ships, is problematic feasible.
Daher ist es notwendig, über einen Gassensor die Volumenkonzentration z.B. an Stickoxiden zu bestimmen und den Massenstrom daraus zu berechnen. Handelsübliche NOx-Sensoren bestimmen teilweise die Konzentration in trockenem Abgas, weshalb das Messergebnis zur Weiterverwendung dann mit einem trocken-feucht Korrekturfaktor verrechnet wird.Therefore, it is necessary to use a gas sensor to determine the volume concentration, eg of nitrogen oxides, and to calculate the mass flow therefrom. Commercially available NO x sensors partially determine the concentration in dry exhaust gas, which is why the measurement result is then used for further use with a dry-humid correction factor.
Mit entsprechenden Messverfahren und Sensoren ist es generell auch möglich, die O2-, NOx-, SOx- und/oder HC-Konzentrations- messung direkt am feuchten Abgas durchzuführen. Eine Verrechnung zum nassen Massenstrom ist dann nicht mehr notwendig.With appropriate measuring methods and sensors, it is generally also possible to measure the O 2 , NO x , SO x and / or HC concentration directly on the moist exhaust gas. An offset to the wet mass flow is then no longer necessary.
Dieser trocken- feucht Korrekturfaktor ist bestimmt durch die Volumenkonzentration an CO und CO2 sowie durch die Umgebungsbedingungen wie absoluter Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur.This dry-humidification correction factor is determined by the volume concentration of CO and CO 2 as well as by the ambient conditions such as absolute air pressure, relative humidity and temperature.
Die so gebildete NOx-Konzentration in feuchtem Abgas wird zusammen mit dem feuchten Abgas-Massenstrom zu einem NOx- Massenstrom verrechnet, wobei der Abgas-Massenstrom bereits bei der Leistungsbestimmung gemessen oder bestimmt wurde und daher bereits als Wert vorliegt oder nach dem gleichen Verfahren bestimmt werden kann.The thus formed NO x concentration in moist exhaust gas is charged together with the moist exhaust gas mass flow to a NO x - mass flow, the exhaust gas mass flow was already measured or determined during the determination of power and therefore already present as a value or by the same method can be determined.
Der nun vorliegende Wert des NOx-Massenstroms wird, je nach Anwendung und Vorgaben, mit einem speziellen NOx-Bewertungs-
faktor verrechnet, um einen beispielsweise mit Prüfstandswerten des Motors vergleichbaren Wert zu erhalten. Dieser Bewertungsfaktor ist bestimmt aus der Lufttemperatur und dem Luftdruck des Ladeluftkühlers sowie den Umgebungsbedingungen wie absoluter Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur.The present value of the NO x mass flow will, depending on the application and specifications, with a special NO x evaluation factor, in order to obtain a value comparable, for example, with test bench values of the engine. This weighting factor is determined by the air temperature and the air pressure of the charge air cooler and the ambient conditions such as absolute air pressure, relative humidity and temperature.
Dadurch ist dieses Verfahren universell einsetzbar und speziell im Feld einfach durchführbar. Insbesondere auf einem im Betrieb befindlichen Fahrzeug, beispielsweise einem Schiff, ist es dadurch möglich, mit einer einfachen Sonde in Motornähe die Messung der Abgasparameter im Abgas durchzuführen, ohne dass aufwändige Abgas-Massenstrom-Messungen im Kamin ausgeführt werden müssen. Vorzugsweise weist die Sonde einen Flansch oder dergleichen auf, mit dem sie an dem Kamin oder dem Abgasaustritt befestigbar ist und in befestigter Position zur Entnahme einer Abgasprobe in die Motorabgase ragt .This makes this method universally applicable and easy to carry out, especially in the field. In particular, on a vehicle in operation, such as a ship, it is thereby possible to carry out the measurement of the exhaust gas parameters in the exhaust gas with a simple probe close to the engine, without complex exhaust gas mass flow measurements must be performed in the fireplace. Preferably, the probe has a flange or the like with which it can be fastened to the chimney or the exhaust gas outlet and protrudes into the engine exhaust gases in the fastened position for removing an exhaust gas sample.
Die Entnahme der Abgasprobe erfolgt vorzugsweise über einen beheizten oder einen unbeheizten Schlauch, wobei bei einem unbeheizten Schlauch Vorkehrungen, beispielsweise wie in DE 196 31 002 C2 beschrieben, getroffen sind, die einen Übergang der Abgaskomponente in Abgasfeuchte verhindern.The removal of the exhaust gas sample is preferably carried out via a heated or unheated hose, wherein in an unheated hose precautions, for example, as described in DE 196 31 002 C2, taken to prevent a transition of the exhaust gas exhaust gas component.
Darüber hinaus ermöglicht die Echtzeit-Bestimmung der Abgas- Parameter und -Kennzahl eine Optimierung des Verbrennungsprozesses im Motor, da direkt und unter realen Einsatzbedingungen beobachtet werden kann, wie sich Veränderungen an den Eingangsparametern und Motoreinstellungen auf die Abgaskonzentration auswirken, welche auch letztlich Einfluss auf den Treibstoffverbrauch haben.In addition, the real-time determination of the exhaust gas parameters and KPI allows an optimization of the combustion process in the engine, as can be observed directly and under real-life conditions, as changes in the input parameters and engine settings affect the exhaust gas concentration, which ultimately affects the Have fuel consumption.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das feuchte Abgas vor Kontakt mit den Sensoren schlag-
artig gekühlt wird. Dies kann beispielsweise in einer Kühlfalle oder in einem Gaskühler, die bzw. der im Strom des entnommenen Abgases den Sensoren vorgeordnet ist, erfolgen. Von Vorteil ist dabei, dass die untersuchten Abgaskomponenten nicht im feuchten Abgas gebunden werden.According to one embodiment of the invention, provision may be made for the moist exhaust gas to be blown before contact with the sensors. is cooled like. This can be done, for example, in a cold trap or in a gas cooler, which is upstream of the sensors in the flow of the exhaust gas withdrawn. The advantage here is that the investigated exhaust gas components are not bound in the moist exhaust gas.
Zur einfachen Entnahme der Abgasprobe für das beschriebenen Verfahren kann bei einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen sein, dass zur Abgasentnahme eine Sonde vorhanden ist, die einen Flansch zur Befestigung am Abgasaustritt des Verbrennungsmotors aufweist. Diese Sonde ist somit schnell und zerstörungsfrei über einen längeren Zeitraum und/oder ohne personellen Aufwand im Abgasstrom, beispielsweise im Kamin eines Schiffes, befestigbar.For easy removal of the exhaust gas sample for the described method can be provided in a device for carrying out the method that the exhaust gas removal probe is present, which has a flange for attachment to the exhaust gas outlet of the engine. This probe is thus fast and non-destructive over a longer period and / or without human effort in the exhaust stream, for example, in the chimney of a ship, fastened.
Das Verfahren ist nachfolgend am Beispiel der Bestimmung der gewichteten Stickoxid-Kennzahl GASNOx gemäß der Richtlinie Marpol 73/78 Anhang VI, im folgenden einfach Marpol, anhand der Zeichnungen näher erläutert.The method is described below using the example of the determination of the weighted nitrogen oxide index GAS NOx in accordance with the Marpol 73/78 Annex VI, hereinafter simply Marpol, with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Anordnung zur Bestimmung der Abgas-Kennzahl ,1 is a schematic arrangement for determining the exhaust gas ratio,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm zur Ermittlung der gewichteten Stickoxid-Kennzahl ,2 is a flow chart for determining the weighted nitrogen oxide code,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens zur Motor-Abgabeleistungsermittlung,3 is a flowchart of a first method of engine output determination;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines ersten Verfahrens zur korrigierten Stickoxid-Massenstrom Bestimmung,4 shows a flow chart of a first method for the corrected nitrogen oxide mass flow determination,
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens zur
Motor-Abgabeleistungsermittlung undFig. 5 is a flowchart of a second method for Engine power takeoff and
Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Verfahrens zur korrigierten Stickoxid-Massenstrom Bestimmung.6 shows a flowchart of a second method for the corrected nitrogen oxide mass flow determination.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stickoxid- Kennzahl gezeigt, wie sie beispielsweise zur Messung an Bord eines Schiffes verwendet werden kann.In Fig. 1, a device for determining the nitrogen oxide index is shown, as it can be used for example for measuring on board a ship.
Zentraler Bestandteil des Systems ist ein Messgerät 30, das über einen Schlauch mit einer Abgassonde 31 verbunden ist und zur Messung der Abgas-Volumenkonzentrationen an den Abgaskomponenten O2, CO, CO2, NOx, SO2 und HC und weiteren Größen geeignet ist. Dazu weist das Messgerät eine Pumpe auf, die über die Sondenspitze Abgas einsaugt und durch eine Sensorstrecke im Messgerät pumpt. Das Messgerät ist dabei modular aufgebaut, so dass in die Messstrecke einfach weitere Sensoren eingesteckt werden können, sollten für andere oder zukünftige Anwendungen weitere Messwerte, wie beispielsweise SOx benötigt werden.A central component of the system is a measuring device 30, which is connected via a hose to an exhaust gas probe 31 and is suitable for measuring the exhaust gas volume concentrations of the exhaust gas components O 2 , CO, CO 2 , NO x , SO 2 and HC and other sizes. For this purpose, the measuring device has a pump, which sucks in exhaust gas via the probe tip and pumps it through a sensor path in the measuring device. The measuring device has a modular structure, so that further sensors can simply be plugged into the measuring section if additional measured values, such as SO x , are required for other or future applications.
Außerdem beinhaltet Sie entprechende Einrichtungen zur Aufbereitung des Messgases, wie z.B. Filter, ein Modul zur Gastrocknung, beispielsweise mit einem Gaskühler, etc. Die Abgassonde 31 und ihr Schlauch können fallweise ebenfalls Filter (z.B. auch an der Sondenspitze) aufweisen und sind so gestaltet, dass eine Bindung der zu messenden Gaskomponenten an den Oberflächen etc. verhindert wird.In addition, it contains entprechende facilities for the preparation of the sample gas, such. Filter, a module for gas drying, for example, with a gas cooler, etc. The exhaust gas probe 31 and its hose can occasionally filters (eg also on the probe tip) and are designed so that binding of the gas components to be measured on the surfaces, etc. prevented becomes.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Kombination aus Sonde 30 und dem als Analysegerät eingesetzten Messgerät 31 als eine Einheit realisiert, also ohne zwischengeschalteten Schlauch, welche direkt an den Abgaskanal angebracht wird.
Die Abgas-Messwerte 38 werden an eine zentrale Messwert- erfassungseinrichtung 32 weitergeleitet.In a further embodiment, a combination of probe 30 and the measuring device 31 used as an analyzer is realized as a unit, ie without intermediate hose, which is attached directly to the exhaust duct. The exhaust gas measured values 38 are forwarded to a central measured value acquisition device 32.
Weiterhin weist die Vorrichtung Messeinrichtungen für Umge- bungs- 35 und Motorparameter 36 auf, die per Funk oder über Kabel an die zentrale Messwerterfassungseinrichtung 32 übertragen werden. Diese können z.B. auch über eine Schnittstelle zum Motormanagement eingelesen werden.Furthermore, the device has measuring devices for ambient 35 and motor parameters 36, which are transmitted by radio or by cable to the central measured value detection device 32. These may e.g. also be read in via an interface to the engine management.
Die Messdaten in der zentralen Messwerterfassungseinrichtung 32 sind von mindestens einem Rechner 33 abrufbar, der ein geeignetes Programm zur Durchführung der Kennzahl-Berechnung aufweist. Zur Berechnung stehen dem Programm fallweise weiterhin Tabellen-Daten 37 der Motoren- und Kraftstoff¬ hersteller zur Verfügung. Als Ergebnis der Berechnung kann direkt ein entsprechendes Messprotokoll 34 ausgestellt werden. Es ist auch möglich, mit dem Rechner 33 die Messdaten permanent zu überwachen, so dass zu jeder Zeit ein aktueller Wert der Abgas-Kennzahl berechnet und angezeigt werden kann. Es ist auch denkbar, dass die Anzeige direkt am Leitstand oder auch auf der Kommandobrücke eines Schiffes angeordnet ist, damit der Bordingenieur bzw. der Kapitän jederzeit die Abgasemission des Motors überwachen kann. Dadurch können unter Umständen frühzeitig Betriebsstörungen am Motor erkannt werden und größere Schäden vermieden werden.The measurement data in the central measured value acquisition device 32 can be called up by at least one computer 33, which has a suitable program for performing the characteristic number calculation. To calculate the program of the engine and fuel ¬ manufacturers are occasionally further table data 37 are available. As a result of the calculation, a corresponding measurement protocol 34 can be issued directly. It is also possible to permanently monitor the measurement data with the computer 33 so that a current value of the exhaust gas ratio can be calculated and displayed at any time. It is also conceivable that the display is located directly on the control room or on the command bridge of a ship, so that the flight engineer or the captain can monitor the exhaust emission of the engine at any time. As a result, malfunctions in the engine can be detected at an early stage and greater damage can be avoided.
In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung der gewichteten Stickoxid-Kennzahl GASNOx 1 , die den Stickoxid-Massenausstoß im Abgas pro Kilowatt Leistung und Betriebsstunde wiedergibt, beschrieben. Folglich umfasst das Verfahren die Bestimmung der Leistung 2 und des Stickoxid-Massenstroms 3. Die Leistung 2 und der Stickoxid- Massenstrom 3 wird bei unterschiedlichen Laststufen des Motors bestimmt und die Werte mit einem Gewichtungsfaktor 4 gewichtet. Die Berechnung der Stickoxid-Kennzahl erfolgt nach
der im Schritt 5 angegeben Formel:FIG. 2 shows a flow chart of the method for determining the weighted nitrogen oxide index GAS NOx 1, which represents the nitrogen oxide mass output in the exhaust gas per kilowatt of power and operating hour. Consequently, the method comprises the determination of the power 2 and of the nitrogen oxide mass flow 3. The power 2 and the nitrogen oxide mass flow 3 are determined at different load stages of the engine and the values are weighted with a weighting factor of 4. The nitrogen oxide code is calculated according to the formula given in step 5:
Über die Gewichtungsfaktoren 4 wird berücksichtigt, dass ein Motor, je nach Anwendung, hauptsächlich in einem bestimmten Lastbereich betrieben wird. Bei Schiffen ist dies auch abhängig von der Art des Antriebs. So wird beispielsweise der Dieselmotor eines dieselelektrischen Antriebs immer die volle Drehzahl fahren, damit die erzeugte Spannung die richtige Frequenz aufweist. Daher ist bei einem dieselelektrischen Antrieb der Schadstoffausstoß bei niedriger Drehzahl zu vernachlässigen, da der Motor meist nicht in diesem Bereich betrieben wird. Bei direkt angetriebenen Schiffen wird die Drehzahl bei langsamer Fahrt hingegen gedrosselt, weshalb der Schadstoffausstoß hier einen Teil zum Gesamtausstoß beiträgt.The weighting factors 4 take into account that a motor, depending on the application, is mainly operated in a specific load range. For ships, this also depends on the type of drive. For example, the diesel engine of a diesel-electric drive will always drive at full speed so that the voltage generated has the correct frequency. Therefore, in a diesel-electric drive the pollutant emissions at low speed is negligible, since the engine is usually not operated in this area. On direct-driven ships, however, the speed is slowed down at low speeds, which is why the pollutant emissions here contributes to a part of the total output.
Beispielsweise kann bei einer Applikation die Emission mit dem beschrieben Verfahren bei 10%, 50% und 100% der Vollast des Verbrennungsmotors gemessen und in die Formel eingesetzt werden.For example, in one application, the emission can be measured with the described method at 10%, 50% and 100% of the full load of the internal combustion engine and used in the formula.
Bei einer anderen Applikation, beispielsweise den erwähnten dieselelektrischen Antrieben, die andere Regelungen befolgen muss, wird dagegen die Emission beispielsweise nur bei 100% der Volllast des Verbrennungsmotors gemessen, und die Summa- tion in obiger Formel entfällt.In another application, for example, the mentioned diesel-electric drives, which must follow other regulations, however, the emission is measured, for example, only at 100% of the full load of the internal combustion engine, and the summation in the above formula is omitted.
Üblich sind Applikationen, bei denen bei zwischen drei und fünf Lastpunkten die Emission gemessen wird, es kann jedoch bei entprechenden Richtlinien oder Anforderungen von diesen Zahlen abgewichen werden.Usual are applications in which the emission is measured at between three and five load points, but it can be deviated from these figures given appropriate guidelines or requirements.
Die in Schritt B beschriebene Berechnung lässt sich auch auf
andere spezifische Kennzahlen übertragen und wäre auch geeignet, um beispielsweise die bei Kraftfahrzeugen gebräuchliche Kennzahl C02-Ausstoß pro Kilometer zu berechnen. Auch hier könnte eine Gewichtung unterschiedlicher Leistungsstufen sinnvoll sein.The calculation described in step B is also possible transferred other specific ratios and would also be suitable, for example, to calculate the usual in motor vehicles code C0 2 output per kilometer. Again, a weighting of different performance levels could be useful.
Leistung 2 und Stickoxid-Massenstrom 3 können dabei durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. Ein erstes Verfahren zur Leistungsbestimmung ist in Fig. 3 dargestellt.Power 2 and nitrogen oxide mass flow 3 can be determined by various methods. A first method for power determination is shown in FIG.
Zur Bestimmung der Leistung 2 ist hier eine Drehmomentmessung 6 an der Welle des Motors vorgesehen. Dazu wird beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen an der Welle angebracht und die gemessene Spannung in ein Drehmoment umgerechnet. Zusammen mit der Drehzahl 7 des Motors kann die Leistung 2 einfach gemäß der Formel P1=T}%2π'n berechnet werden, insbesondere wenn die Wellenparameter zur Umrechnung der gemessenen Brückenspannung in das Drehmoment verwendet werden.To determine the power 2, a torque measurement 6 is provided on the shaft of the motor. For this purpose, for example, a strain gauge is attached to the shaft and converted the measured voltage into a torque. Together with the speed 7 of the motor, the power 2 can be calculated easily according to the formula P 1 = T }% 2π'n, in particular if the shaft parameters are used to convert the measured bridge voltage into the torque.
Für den Fall, dass der Motor einen elektrischen Generator antreibt, ist alternativ eine Bestimmung der Leistung 2 durch Bestimmung der elektrischen Abgabeleistung des Generators, insbesondere unter Berücksichtigung des Generator-Wirkungsgrads und/oder der Getriebeübersetzung eines zwischen Motor und Generator im Antriebsstrang angeordneten Getriebes, durchführbar .In the event that the motor drives an electric generator, a determination of the power 2 is alternatively feasible by determining the electric power output of the generator, in particular taking into account the generator efficiency and / or the gear ratio of a arranged between the engine and generator in the drive train transmission ,
Falls jedoch eine Messung des Drehmoments 6 nicht möglich ist, da beispielsweise kein Zugang zur Welle besteht und kein Dehnungsmessstreifen angebracht werden kann, ist in Fig. 4 ein Verfahren zur Leistungsbestimmung beschrieben, das ohne Messung des Drehmoments auskommt und nur einfache Anforderungen an die Messtechnik stellt.However, if a measurement of the torque 6 is not possible because, for example, no access to the shaft and no strain gauges can be attached, a method for determining the power is described in Fig. 4, which does not require the measurement of torque and only makes simple demands on the measurement technique ,
In einem ersten Schritt wird aus der Drehzahl 7, der Anzahl
der Zylinder 8, dem Hubraum 9, dem Ladeluftdruck 10 und der Ladelufttemperatur 11 nach dem Ladeluftkühler, sowie den Umgebungsbedingungen 12 wie absoluter Luftdruck, relative Luftfeuchtigkeit und Temperatur, der Ansaugluft-Massenstrom 13 berechnet .In a first step, the speed 7, the number the cylinder 8, the displacement 9, the charge air pressure 10 and the charge air temperature 11 after the intercooler, as well as the ambient conditions 12 such as absolute air pressure, relative humidity and temperature, the intake air mass flow 13 calculated.
In einem zweiten Schritt, der zeitgleich und unter gleichen Bedingungen erfolgen muss, wird im trockenen Abgas die Volumenkonzentration des Kohlendioxids 14 und ggf. Kohlenoxids 15 sowie ggf. an Kohlenwasserstoffen 16 gemessen. Dazu wird beispielsweise eine Sonde in den Abgaskanal des Motors eingeführt, über die das Abgas in ein Messgerät gesaugt wird und dort über verschiedene Sensoren geleitet wird.In a second step, which must take place at the same time and under the same conditions, the volume concentration of the carbon dioxide 14 and optionally carbon oxide 15 and possibly of hydrocarbons 16 is measured in the dry exhaust gas. For this purpose, for example, a probe is introduced into the exhaust passage of the engine, through which the exhaust gas is sucked into a measuring device and is passed there via various sensors.
Die Cθ2-Volumenkonzentration CO2 kann alternativ auch aus der Sauerstoffkonzentration O2,gemessen (in %) und der maximal aus dem Brennstoff erzeugbaren CO2-Menge CO2,max nach der FormelAlternatively, the CO 2 volume concentration CO 2 can also be measured from the oxygen concentration O 2 , measured (in%) and the maximum CO 2 amount CO 2 , max that can be produced from the fuel, according to the formula
berechnet werden.be calculated.
Aus den drei Werten lässt sich ein Luftüberschussfaktor 17 berechnen, der angibt, wie viel von der Ansaugluft nicht zur Verbrennung benötigt wurde.From the three values, an excess air factor 17 can be calculated, which indicates how much of the intake air was not needed for combustion.
Aus dem Ansaugluft-Massenstrom 13 und dem Luftüberschussfaktor 17 wird ein Verbrennungsluft- oder Abgas-Massenstrom 18 berechnet.From the intake air mass flow 13 and the excess air factor 17, a combustion air or exhaust gas mass flow 18 is calculated.
Parallel dazu wird in einem weiteren Schritt der stöchio- metrische Luftbedarf 19 aus der spezifischen Zusammensetzung des Kraftstoffes 20 berechnet, wobei die Zusammensetzung ein vom Kraftstoff-Hersteller angegebener Wert ist. Die Berech-
nung kann daher auch im Vorfeld erfolgen und das Ergebnis zwischengespeichert werden. Die interessanten Komponenten sind dabei der Kohlenstoff-, Schwefel- und Wasserstoffantei-1 im Kraftstoff.In parallel, in a further step, the stoichiometric air requirement 19 is calculated from the specific composition of the fuel 20, the composition being a value given by the fuel manufacturer. The calcula- Therefore, it can also be done in advance and the result can be cached. The interesting components are the carbon, sulfur and Wasserstoffantei-1 in the fuel.
Durch Betrachtung der Reaktionsgleichung und der Molmassenbilanz lässt sich auf Grundlage des Verbrennungsluft-Massenstromes 18 und des stöchiometrischen Luftbedarfs 19 der Kraftstoff-Massenstrom 21 bestimmen.By considering the reaction equation and the molar mass balance, the fuel mass flow 21 can be determined on the basis of the combustion air mass flow 18 and the stoichiometric air requirement 19.
Aus dem Kraftstoff-Massenstrom 21 wird in einem letzten Schritt mit der in Tabellenform vorliegenden Motoren- Herstellerangabe über den spezifischen Kraftstoffverbrauch 22 die Leistung 2 des Motors berechnet oder interpoliert.From the fuel mass flow 21, the power 2 of the engine is calculated or interpolated in a final step with the present in tabular form engine manufacturer information on the specific fuel consumption 22.
Figur 5 zeigt ein erstes Verfahren zur Bestimmung des Stickoxid-Massenstromes GNOX, der außer der Leistung zur Berechnung der Stickoxid-Kennzahl benötigt wird. Ein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens ist die Bestimmung der Stickoxid-Volumenkonzentration 23 im trockenen Abgas. Dazu ist ein Sensor im Abgasstrom notwendig, der vorteilhaft im gleichen Messgerät angeordnet ist, das unter anderem auch zur Messung von Kohlendioxid 14 vorgesehen ist. Im einfachsten Falle ist es dazu ausreichend, ein entsprechendes Sensormodul in den Gasweg des Messgerätes einzubauen, so dass der Installationsaufwand sehr gering ist.Figure 5 shows a first method for determining the nitrogen oxide mass flow GNOX, which is required in addition to the power for calculating the nitrogen oxide index. An essential component of the method is the determination of the nitrogen oxide volume concentration 23 in the dry exhaust gas. For this purpose, a sensor in the exhaust stream is necessary, which is advantageously arranged in the same meter, which is also provided for measuring carbon dioxide 14, among other things. In the simplest case, it is sufficient to install a corresponding sensor module in the gas path of the meter, so that the installation cost is very low.
Die NOx Konzentration muss zur Weiterverarbeitung mit einem trocken-feucht-Korrekturfaktor 24, der aus den bereits in der Leistungsbestimmung ermittelten Umgebungsbedingungen 12 und den Kohlenoxidkonzentrationen 14, 15 berechnet wird, auf die Volumenkonzentration in feuchtem Abgas 25 umgerechnet werden.The NO x concentration must be converted to the volume concentration in moist exhaust gas 25 for further processing with a dry-humidification correction factor 24, which is calculated from the environmental conditions 12 and the carbon oxide concentrations 14, 15 already determined in the performance determination.
In einem parallelen Schritt wird der Kraftstoff-Massenstrom 26 gemessen, wozu beispielsweise ein Flügelradzähler in die
KraftstoffZuleitung eingebaut oder über Clamp-on-Sensoren nicht-invasiv gemessen wird. Aus dem Kraftstoff-Massenstrom 26 und den bereits in der Leistungsbestimmung berechneten Luftüberschussfaktor 17 und dem stöchiometrischen Luftbedarf 19 wird der feuchte Abgas-Massenstrom 27 berechnet.In a parallel step, the fuel mass flow 26 is measured, including, for example, an impeller in the Fuel supply is installed or non-invasively measured via clamp-on sensors. The moist exhaust gas mass flow 27 is calculated from the fuel mass flow 26 and the excess air factor 17 already calculated in the power determination and the stoichiometric air requirement 19.
Aus dem feuchten Abgas-Massenstrom 27 und der NOx-Konzentra- tion 25 wird in einem nächsten Schritt der feuchte NOx- Massenstrom 28 im Abgas berechnet.From the moist exhaust gas mass flow 27 and the NO x concentration 25, the humid NO x mass flow 28 in the exhaust gas is calculated in a next step.
Da die Stickoxid-Kennzahl jedoch nicht mit Umgebungseinflüssen wie der Luftfeuchtigkeit behaftet sein darf, muss in einem weiteren Schritt ein NOx-Feuchtekorrekturfaktor aus den bereits in der Leistungsbestimmung ermittelten Umgebungsbedingungen 12 und dem Ladeluftdruck 10 und der Ladelufttemperatur 11 nach dem Ladeluftkühler, also vor Eintritt in den Motor, berechnet werden.However, since the nitrogen oxide index must not be affected by environmental influences such as humidity, must in a further step, a NO x -Feuchtekorrekturfaktor from the already determined in the performance determination ambient conditions 12 and the charge air pressure 10 and the charge air temperature 11 after the intercooler, ie before entry in the engine, to be calculated.
Aus dem feuchten NOx-Massenstrom 28 und dem NOx-Feuchte- korrekturfaktor 29 wird in einem letzten Schritt der NOx- Massenstrom 3 berechnet, der zur Bestimmung der Stickoxid- Kennzahl benötigt wird.From the moist NO x mass flow 28 and the NO x humidity correction factor 29, the NO x mass flow 3, which is needed to determine the nitrogen oxide characteristic number, is calculated in a last step.
In Fig. 6 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des NOx- Massenstroms 3 gezeigt, das sich nur in der Bestimmung des Kraftstoff-Massenstromes vom Verfahren in Fig. 5 unterscheidet .FIG. 6 shows a further method for determining the NO x mass flow 3, which differs from the method in FIG. 5 only in the determination of the fuel mass flow.
Als Kraftstoff-Massenstrom 21 wird hier der berechnete Wert aus der Leistungsbestimmung gemäß Fig. 4 übernommen. Dadurch kann auf eine Messung des Kraftstoff-Massenstromes verzichtet und das Verfahren wesentlich vereinfacht werden, da zumeist keine Möglichkeit besteht, an einem Motor nachträglich oder temporär einen Massenstromsensor anzubringen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der spezifischen Emissionen als Abgas-Kennzahl eines Verbrennungsmotors. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Emissions-Massenstrom, auch als Abgas-Massenstrom bezeichnet, insbesondere der Abgas- komponenten-Massenstrom 3, wobei die Abgaskomponente vorzugsweise NOx ist, als erste Betriebs-Kenngröße und die Motor- Abgabeleistung 2 als zweite Betriebs-Kenngröße bestimmt werden, dass der Abgaskomponenten-Massenstrom 3 und die Motor-Abydbeleistung 2 aus jeweils mindestens einer von der Betriebs-Kenngröße abweichenden Messgröße abgeleitet werden und die Abgas-Kennzahl als Quotient aus dem korrigierten Abgaskomponenten-Massenstrom 3 und der Motor-Abgabeleistung 2 berechnet wird.
As the fuel mass flow 21, the calculated value from the power determination according to FIG. 4 is adopted here. As a result, it is possible to dispense with a measurement of the fuel mass flow and to simplify the process considerably, since in most cases there is no possibility of subsequently or temporarily attaching a mass flow sensor to a motor. The invention relates to a method and a device for determining the specific emissions as an exhaust gas ratio of an internal combustion engine. The method is characterized in that the emission mass flow, also referred to as the exhaust gas mass flow, in particular the exhaust gas component mass flow 3, wherein the exhaust gas component is preferably NO x , as a first operating characteristic and the engine output 2 as a second operation Characteristic are determined that the exhaust gas component mass flow 3 and the engine Abydbeleistung 2 are each derived from at least one of the operating characteristic deviating parameter and the exhaust gas ratio as a quotient of the corrected exhaust gas component mass flow 3 and the engine output power. 2 is calculated.