WO2005085793A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der massenemission zumindest einer abgaskomponente bei einem im verkehr befindlichen fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der massenemission zumindest einer abgaskomponente bei einem im verkehr befindlichen fahrzeug Download PDF

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WO2005085793A1
WO2005085793A1 PCT/AT2005/000061 AT2005000061W WO2005085793A1 WO 2005085793 A1 WO2005085793 A1 WO 2005085793A1 AT 2005000061 W AT2005000061 W AT 2005000061W WO 2005085793 A1 WO2005085793 A1 WO 2005085793A1
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exhaust gas
vehicle
gas component
signal
mass emission
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Ernst Pucher
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Ernst Pucher
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037—NOx
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the mass emission of at least one exhaust gas component in a vehicle that is in traffic and driven by an internal combustion engine.
  • So 20088711 A2 discloses a method for measuring the NO x concentration in the exhaust gas of a vehicle is placed on the market is for example known from JP, must be in which the NO x sensor installed directly into the exhaust line of the vehicle. Furthermore, sensors for measuring the vehicle speed and the engine speed are installed in the vehicle in order to display the measured NO x concentration as a function of these variables. In order to obtain the measurement data, a relatively large adaptation effort on the vehicle is necessary.
  • US Pat. No. 6,604,033 B1 also describes a wireless diagnostic system for vehicle exhaust gases, in which the data present in an OBD system are transmitted via data radio to a host computer outside the vehicle, which analyzes the exhaust gas behavior of the vehicle. For example, a reduction in the O 2 storage capacity (OSC) of the catalytic converter - measured by arranged in the flow direction before and after the catalytic converter - nete sensors - inferred about relatively high proportions of hydrocarbons in the exhaust gas.
  • OSC O 2 storage capacity
  • a quantitative determination of the mass emission of at least one exhaust gas component is not possible with this method.
  • US Pat. No. 6,263,268 B1 deals with a method and a device for the telemetry of measurement data of a vehicle, which are recorded in general by means of "diagnostic means". Signals from an OBD unit can also be used, although no measures are disclosed in order to determine the mass emission of at least one exhaust gas component.
  • exhaust gas measurement is used at best in connection with the measurement of the exhaust gas concentration.
  • the object of the invention is to develop a device or a method for determining the mass emission of at least one exhaust gas component for a vehicle in traffic, which analyzes an undiluted partial flow of the exhaust gas and determines distance or time-related mass emissions in real time with good time resolution.
  • the device should be able to be used in any vehicle without any problems and eliminate the disadvantages of previous methods and devices.
  • This object is achieved according to the invention in that the concentration of at least one exhaust gas component in the exhaust gas stream or partial exhaust gas stream of the internal combustion engine is measured and a concentration signal of the exhaust gas component is obtained, and that from the concentration signal and an input Intake air mass signal and / or fuel consumption signal, which is provided by an on-board diagnosis (OBD) interface of the vehicle, the temporal mass emission of the exhaust gas component is determined.
  • OBD on-board diagnosis
  • a device for determining the mass emission of at least one exhaust gas component for a vehicle in traffic, driven by an internal combustion engine, with a measuring and evaluation device for determining the concentration of at least one exhaust gas component, is characterized in that the measuring and evaluation unit has a plug connection or a Has wireless data connection (e.g. WiFi, Bluetooth, IR connection, etc.) to an on-board diagnosis (OBD) interface of the vehicle, which for transmitting the status and measurement signals of the vehicle and the ready in the OBD interface Internal combustion engine is used.
  • OBD on-board diagnosis
  • the OBD data available in the vehicle at all times are therefore not only used for diagnostic purposes, but also for the delivery of measurement data, which are mathematically linked to measurement data from the on-board exhaust gas measuring system.
  • measurement data exhaust emission data, operating data of the engine, speed, etc.
  • This measuring method is characterized in particular by the fact that it is compatible with the certification test method of internal combustion engines and delivers measurement results in the same dimension.
  • the exhaust gas mass emission measurement according to the invention during the operation of a vehicle represents an important addition to the conventional stationary test bench measurement technology.
  • the selection of the measurement method and the system components took place under the boundary conditions of minimal costs, minimal dimensions and weight, no use of operating gases, good measurement accuracy and time resolution as well as application in any vehicle categories ,
  • One or more exhaust gas components from the group CO 2 , CO, HC, NO, NO 2 and / or NO x (total mass of all nitrogen oxides) is preferably measured.
  • the mass emission of the exhaust gas component as a function of the route is determined from the mass emission signal of the exhaust gas component and a vehicle speed signal which is provided by the OBD interface.
  • the result can be displayed directly in the form g / km CO 2 , for example. It is also possible to determine the mass emission of the exhaust gas component as a function of the vehicle load from the mass emission signal of the exhaust gas component and a vehicle load signal which is provided by the OBD interface. The result can then be displayed directly in the form g / kWh CO 2 , for example.
  • the signals of the OBD interface are correlated in time with the measured concentration signals of the exhaust gas components. This takes into account the fact that the exhaust gas concentration measured at a certain point in time is assigned to the corresponding time-related signal of the intake air mass.
  • additional signals of the OBD interface for example a radiator temperature, oil temperature, engine load or gear selection signal, can be used to prepare and interpret the measurement results.
  • the measured concentration values of the exhaust gas components can be calibrated in a simple manner with the aid of the fuel consumption signal from the OBD interface, for example via the carbon balance derived therefrom, the CO 2 mass emission both being measured at speed 0 (idling speed) and at two predetermined speeds as well as calculated from the fuel consumption signal.
  • FIG. 1 shows an inventive device for on-board determination of the mass emission of at least one exhaust gas component for a vehicle in traffic
  • 5 shows the speed curve in km / h of a test vehicle on a real inner-city course
  • 6 shows the course over time of the CO 2 mass emission of the test vehicle on the inner-city course according to FIG. 5;
  • the device 1 schematically shown in FIG. 1 for on-board determination of the mass emission of at least one exhaust gas component essentially consists of a measuring unit 2 and an evaluation unit 3, which are connected via an interface 4.
  • a conventional PC preferably a handy notebook, can be used as the evaluation unit 3, which is equipped with the software 6 adapted to the respective vehicle 5 and is arranged in the interior 7 of the vehicle.
  • the measuring unit 2 which can be carried in the trunk, for example, which has sensors for determining one or more exhaust gas components such as CO 2 , CO, HC, NO, NO 2 or NO x as a sum signal and / or a device for measuring the exhaust gas turbidity, is provided by a Exhaust gas supply line 8 is connected to the exhaust line of the vehicle 5 in order to supply a partial exhaust gas flow to the measuring unit 2.
  • the exhaust gases leave the measuring unit 2 via the exhaust gas outlet 9.
  • the evaluation unit 2 is connected via a plug connection 10 to the on-board diagnosis (OBD) interface 11 of the vehicle, in which status and measurement signals of the vehicle 1 and the internal combustion engine 12 are present.
  • OBD on-board diagnosis
  • the distance-related mass emission in [g / km] of the measured Components are calculated.
  • the fuel consumption in [g / s] or [l / 100km] can either be recorded at the OBD interface or calculated using a carbon balance, as with an exhaust gas certification test (e.g. ECE test).
  • time-dependent signals include ready at OBD interface 11:
  • a partial flow is taken from the exhaust gas flow in the exhaust system, processed and the gas or particle concentrations measured.
  • All components for sample gas processing, sample gas delivery, pollutant measurement and the power supply can be housed compactly in the housing of measuring unit 2.
  • An NDIR measuring bench for example, is suitable as an exhaust gas measuring device, which simultaneously detects the components CO 2 , CO, (HC) 6 and NO using opto-pneumatic double-layer detectors.
  • the gas paths and dead volume are optimized to ensure the fastest possible response and thus to keep the change in the concentration profile of a control volume as small as possible.
  • the transfer function of all measuring channels is almost the same.
  • the power supply 13 of the system in the vehicle 1 takes over, for example, a sine wave inverter, which can be connected to the vehicle electrical system.
  • the system can also be connected directly to the 12V, 24V or 42V electrical system.
  • the measurement data is transferred to a notebook near the driver, processed and saved in real time.
  • the notebook computer also controls the sample gas preparation, such as the sample gas pump, solenoid valves for zero balancing, etc.
  • a separate software is provided for the measurement data acquisition, mass calculation and control of the system. can be measured.
  • a GPS receiver (not shown in FIG. 1) can also be integrated for route identification.
  • the measurement method according to the invention was compared with the results on the vehicle roller test bench, constant driving, different exhaust gas measurement cycles (for example MVEG cycles, FTP cycles) and various other special cycles being carried out and the emissions both with the respective CVS systems which are used for the type test is used and the new on-board measuring system has been measured.
  • the results of the comparisons on the car chassis dynamometer are shown in the graphics in FIGS. 2 and 3.
  • the accumulated mass emissions in two typical car driving cycles (MVEG and FTP) for a VW Golf 1.8 (petrol engine and 3-way catalytic converter) show a very satisfactory agreement of the measured values.
  • results in the dynamic FTP test which confirms the good time resolution of the measuring system, are particularly gratifying.
  • the total results in FIG. 3 have been calculated as an integral value of the mass flow curve from FIG. 4.
  • An inner city route was chosen for measurements in real road traffic.
  • the volume of traffic was very low at the time of the test drive.
  • the vehicle was half loaded.
  • a GPS receiver was carried to record the current vehicle position.
  • the internal clock of the computer was adjusted to the time of the time signal sent by the satellites in order to be able to synchronize position and emission.
  • the speed curve of the vehicle is shown in Fig. 5.
  • FIG. 6 shows the CO 2 mass emission during the road trip according to FIG. 5.
  • the maximum short-term CO 2 mass emission is a little over 3000 g / km.
  • the high dynamic requirements for the measuring system are also clearly visible.
  • the measured data can be shown on the display of the evaluation unit 3 with the support of a GPS receiver, for example as a route line that changes color depending on the amount of exhaust gas on a road map.
  • both the dimensions and the costs for a mass-based on-board exhaust gas measuring system with good time resolution can be significantly reduced.
  • the system has proven itself within its scope of performance both in use on the dynamometer and in mobile use.
  • the results on the roller test bench with CVS system show a very good agreement, so that a direct measurement of the exhaust gas volume flow can be dispensed with.
  • the on-board exhaust gas measurement offers an interesting perspective, especially for the inspection of vehicles with internal combustion engines that are in traffic, as well as for development and application work, as well as for exact emission measurements under real conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches, von einer Brennkraftmaschine (12) angetriebenes Fahrzeug (1) mit einer Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) zur Bestimmung der Konzentration zumindest einer Abgaskomponente, wobei die Abgaszuleitung (8) der Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) mit dem Abgasstrang des Fahrzeuges (1) verbindbar ist. Erfindungsgemäß weist die Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) eine Steckverbindung (10) oder eine drahtlose Datenverbindung zu einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle (11) des Fahrzeuges (1) auf, welche zur Übertragung der in der OBD-Schnittstelle (11) bereitstehenden Zustands- und Messsignale des Fahrzeugs (1) und der Brennkraftmaschine (12) dient. Aus dem Konzentrationssignal und einem Ansaugluftmassen-Signal und/oder Kraftstoffverbrauchs-Signal, welches von OBD - Schnittstelle (11) des Fahrzeuges bereitgestellt wird, kann die zeitliche Massenemission der Abgaskomponente ermittelt werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente bei einem im Verkehr befindlichen Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente bei einem im Verkehr befindlichen, von einer Brennkraftmaschine angetriebenen Fahrzeug.
Auf dem Gebiet der Abgasmessung existieren seit langer Zeit ausgereifte, standardisierte und zertifizierte Verfahren, die Aufgrund der aufwendigen Ausstattung auf stationären Prüfständen durchgeführt werden müssen.
Es wurde auch die Möglichkeit der kontinuierlichen Messung der Abgasmassenemissionen eines Fahrzeuges während der realen Fahrt auf der Strasse ins Auge gefasst, welche viele neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Beispiele dafür sind in Schürmann, D., Staab, J. : Messung von Automobilabgasen bei Straßenfahrten. MTZ 48 (1987) 1, S. 35-39; Staab, J., Pflüger, H., Schröter, D., Schürmann, D. : Ein kompaktes Abgasmeßsystem zum Einbau in Personenkraftwagen für Messungen bei Straßenfahrten. Automobil-Industrie Nr. 1/88 (1988), S. 39- 47 und Staab J., Hofmann K.W., Pflüger H., Schröter D., Schürmann D.: Messverfahren zur Abgasmessung bei Straßenfahrten. VDI - Berichte Nr. 741 (1989), S. 121-134 geoffenbart. Die bekannten Vorrichtungen sind nur mit großem Aufwand in ein Fahrzeug einzubauen, wobei für die Erfassung der Messdaten und Anbringung der notwendigen Sensoren bzw. Messgeräte umfangreiche Adaptierungen am Fahrzeug vorgenommen werden müssen.
So ist beispielsweise aus der JP 20088711 A2 ein Verfahren zur Messung der NOχ-Konzentration im Abgas eines sich im Verkehr befindlichen Fahrzeugs bekannt, bei welchem der NOx-Sensor direkt in den Abgasstrang des Fahrzeugs eingebaut werden muss. Weiters sind im Fahrzeug Sensoren zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Motordrehzahl eingebaut, um die gemessene NOx-Konzentration in Abhängigkeit dieser Größen darzustellen. Zur Gewinnung der Messdaten ist somit ein relativ großer Adaptierungsaufwand am Fahrzeug notwendig.
Weiters beschreibt die US 6,604,033 Bl ein drahtloses Diagnosesystem für Fahrzeugabgase, bei welchem die in einem OBD-System vorliegenden Daten über Datenfunk an einen Host-Computer außerhalb des Fahrzeuges übermittelt werden, welcher das Abgasverhalten des Fahrzeuges analysiert. So wird beispielsweise von einer Verringerung der O2-Speicherkapazität (OSC) des Katalysators - gemessen durch in Strömungsrichtung vor und nach dem Katalysator angeord- nete Sensoren - auf relative hohe Anteile an Kohlenwasserstoffen im Abgas geschlossen. Eine quantitative Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente ist mit diesem Verfahren allerdings nicht möglich.
Eine ähnliche Messanordnung zur Abschätzung der Auspuffemission eines Fahrzeuges beschreibt die US 5,916,294 A, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine über einen Katalysator geführt wird und Messungen der brennbaren Gaskomponenten sowohl vor dem Katalysator als auch nach dem Katalysator durchgeführt werden.
Die US 6,263,268 Bl beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung für die Telemetrie von Messdaten eines Fahrzeuges, welche ganz allgemein mittels "Diagnostic Means" erfasst werden. Dabei können auch Signale einer OBD- Einheit verwendet werden, wobei allerdings kein Maßnahmen geoffenbart sind, um damit die Massenemission zumindest einer Abgaskomponente zu bestimmen.
Schließlich ist es aus der WO 02/14828 A2 bekannt, bei einer Abgasuntersuchung an Kraftfahrzeugen (kurze Konzentrationsmessung im Leerlauf) einen weitgehend automatischen Ablauf dieser Abgasuntersuchung mit bordeigenem Motorsteuerungs- und Diagnosesystem zu ermöglichen. Dabei werden in einem Abgastester Steuerkommandos erzeugt, und über die Diagnoseschnittstelle (OBD) an das Motorsteuerungs- und Diagnosesystem übertragen, welches in Abhängigkeit von den Steuerkommandos für die Abgasuntersuchung vorgeschriebene Betriebszustände des Kraftfahrzeuges einstellt Die Daten dienen somit zur Steuerung des Motors während der Abgasuntersuchung.
Den letztgenannten Dokumenten ist gemeinsam, dass darin kein Verfahren oder Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission einer Abgaskomponente ge- offenbart ist und dass der Begriff "Abgasmessung" bestenfalls in Zusammenhang mit der Messung der Abgaskonzentration verwendet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches Fahrzeug zu entwickeln, welches einen unverdünnten Teilstrom des Abgases analysiert und strecken- bzw. zeitbezogene Massenemissionen in Echtzeit mit guter Zeitauflösung ermittelt. Die Vorrichtung soll unproblematisch in möglichst jedem Fahrzeug eingesetzt werden können und die Nachteile bisheriger Verfahren und Vorrichtungen beseitigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Konzentration zumindest einer Abgaskomponente im Abgasstrom oder Abgasteilstrom der Brennkraftmaschine gemessen und ein Konzentrationssignal der Abgaskomponente gewonnen wird, sowie das aus dem Konzentrationssignal und einem An- saugluftmassen-Signal und/oder Kraftstoffverbrauchs-Signal, welches von einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle des Fahrzeuges bereitgestellt wird, die zeitliche Massenemission der Abgaskomponente ermittelt wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches, von einer Brennkraftmaschine angetriebenes Fahrzeug mit einer Mess- und Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Konzentration zumindest einer Abgaskomponente, zeichnet sich dadurch aus, dass die Mess- und Auswerteeinheit eine Steckverbindung oder eine drahtlose Datenverbindung (z.B. W-Lan, Bluetooth, IR-Verbindung, etc.) zu einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle des Fahrzeuges aufweist, welche zur Übertragung der in der OBD-Schnittstelle bereitstehenden Zustands- und Messsignale des Fahrzeugs und der Brennkraftmaschine dient.
Die im Fahrzeug jederzeit vorliegenden OBD-Daten werden somit nicht nur für Diagnosezwecke genützt, sondern auch für die Lieferung von Messdaten, die mit Messdaten der On-Board Abgasmessanlage rechnerisch verknüpft werden. Durch die Verknüpfung verschiedener Messdaten (Abgasemissionsdaten, Betriebsdaten des Motors, Geschwindigkeit etc.) können wichtige Informationen im Rahmen des Entwicklungsprozesses und im laufenden Betrieb von Fahrzeugen und Abgasreinigungssystem gewonnen werden. Insbesondere zeichnet sich dieses Messverfahren dadurch aus, dass es zum Zertifizierungstestverfahren von Verbrennungskraftmaschinen kompatibel ist und Messergebnisse in der gleichen Dimension liefert.
Die erfindungsgemäße Abgasmassenemissionsmessung während des Betriebes eines Fahrzeugs stellt eine wichtige Ergänzung zur herkömmlichen stationären Prüfstandsmesstechnik dar. Die Auswahl des Messverfahrens und der Systemkomponenten erfolgte unter den Randbedingungen minimale Kosten, minimale Abmessungen und Gewicht, Verzicht auf Betriebsgase, gute Messgenauigkeit und Zeitauflösung sowie Applikation in beliebigen Fahrzeugkategorien. Bevorzugt wird eine oder mehrere Abgaskomponenten aus der Gruppe CO2, CO, HC, NO, NO2 und/oder NOx (Gesamtmasse aller Stickoxide) gemessen .
Weiters ist es möglich, zusätzlich die Abgastrübung zu messen und den Messwert beispielsweise zur Bestimmung der Massenemission der Rußpartikel zu verwenden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird aus dem Massenemissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeuggeschwindigkeits- Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemission der Abgaskomponente in Abhängigkeit der Fahrstrecke ermittelt. Das Ergebnis kann beispielsweise direkt in der Form g/km CO2 dargestellt werden. Weiters ist es möglich, aus dem Massenemissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeuglast-Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemission der Abgaskomponente in Abhängigkeit von der Fahrzeuglast zu ermitteln. Das Ergebnis kann dann beispielsweise direkt in der Form g/kWh CO2 dargestellt werden.
Erfindungsgemäß werden die Signale der OBD-Schnittstelle mit den gemessenen Konzentrationssignalen der Abgaskomponenten zeitlich korreliert. Damit wird berücksichtigt, dass die zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene Abgaskonzentration dem zeitlich entsprechenden Signal der Ansaugluftmasse zugeordnet wird.
Zur Aufbereitung und Interpretation der Messergebnisse können erfindungsgemäß zusätzliche Signale der OBD-Schnittstelle, beispielsweise ein Kühlertemperatur-, Öltemperatur-, Motorlast- oder Gangwahlsignal, herangezogen werden.
Schließlich können die gemessen Konzentrationswerte der Abgaskomponenten auf einfache Weise mit Hilfe des Kraftstoffverbrauchs-Signals aus der OBD- Schnittstelle, beispielsweise über die daraus abgeleitete Kohlenstoffbilanz kalibriert werden, wobei beispielsweise die CO2 Massenemission bei Geschwindigkeit 0 (Leerlaufdrehzahl) und bei zwei vorgegebenen Geschwindigkeiten sowohl gemessen als auch aus dem Kraftstoffverbrauchs-Signal berechnet wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Darstellungen und Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur On-Board Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches Fahrzeug;
Fig. 2 einen Vergleich der Messwerte für CO2, CO, (HC)3 und NO im MVEG Zyklus einer Constant Volume Sampling (CVS)-Anlage und der erfindungsgemäßen On-Board Anlage;
Fig. 3 einen Vergleich der Messwerte für CO2, CO, (HC)3 und NO im FTP Zyklus einer CVS-Anlage und der erfindungsgemäßen On-Board Anlage;
Fig. 4 die zeitaufgelöste CO2-Massenemission im FTP Zyklus;
Fig. 5 den Geschwindigkeitsverlauf in km/h eines Versuchsfahrzeugs auf einem realen Innenstadtkurs; Fig. 6 den zeitlichen Verlauf der CO2-Massenemission des Versuchsfahrzeugs auf dem Innenstadtkurs gemäß Fig. 5; sowie
Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der NO-Massenemission eines Stadtbusses auf einem realen Innenstadtkurs.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 zur On-Board Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente besteht im Wesentlichen aus einer Messeinheit 2 und einer Auswerteeinheit 3, welche über eine Schnittstelle 4 verbunden sind. Als Auswerteinheit 3 kann ein herkömmlicher PC, vorzugsweise ein handliches Notebook, verwendet werden, welches mit der an das jeweilige Fahrzeug 5 angepassten Software 6 ausgestattet und im Innenraum 7 des Fahrzeugs angeordnet ist. Die beispielsweise im Kofferraum mitführbare Messeinheit 2, welche Sensoren zur Bestimmung einer oder mehrerer Abgaskomponenten wie CO2-, CO-, HC-, NO, NO2 oder NOx als Summensignal und/oder eine Einrichtung zur Messung der Abgastrübung aufweist, wird über eine Abgaszuleitung 8 mit dem Abgasstrang des Fahrzeugs 5 verbunden, um der Messeinheit 2 einen Abgasteilstrom zuzuführen. Über den Abgasausgang 9 verlassen die Abgase die Messeinheit 2. Die Auswerteeinheit 2 ist über eine Steckverbindung 10 mit der On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle 11 des Fahrzeugs verbunden, in welcher Zustands- und Messsignale des Fahrzeugs 1 und der Brennkraftmaschine 12 vorliegen.
So kann beispielsweise durch Messung der Konzentrationen der unverdünnten Schadstoffkomponenten im Abgas und Verknüpfung mit dem Ansaugluftmassen- Signal und dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal der OBD-Schnittstelle über ein Rechenmodell für den Abgasmassenstrom zum Zeitpunkt der Gasanalyse, die streckenbezogene Massenemission in [g/km] der gemessenen Komponenten errechnet werden. Der Kraftstoffverbrauch in [g/s] bzw. [l/100km] kann entweder an der OBD-Schnittstelle erfasst, oder wie bei einem Abgaszertifizierungstest (z.B. ECE-Test) über eine Kohlenstoffbilanz berechnet werden.
Folgende zeitabhängigen Signale liegen u.a. an der OBD-Schnittstelle 11 bereit:
- Luftmassenstrom [kg/s] - Kraftstoffverbrauch in Volumen/Zeiteinheit oder Masse/Zeiteinheit - Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h] - Fahrzeuglast - Kühlertemperatur - Öltemperatur - Gangwahl Eine oder mehrere der folgenden Konzentrationssignale werden von der Messeinheit 2 geliefert: - Kohlendioxid CO2 [Vol-%] - Kohlenmonoxid CO [Vol-%] - Kohlenwasserstoff C6Hι4 [ppm] - Stickstoffmonoxid NO [ppm] - Stickstoffdioxid NO2 - Sauerstoff O2 [Vol-%] - Rußpartikel oder Abgastrübung
Dem Abgasstrom im Auspuffsystem wird ein Teilstrom entnommen, aufbereitet und die Gas- bzw. Partikelkonzentrationen gemessen.
Daraus können u.a. folgende Größen berechnet werden: - Abgasmassenstrom - Abgasmassenemissionen in [g/s], [g/km] und/oder [g/kWh] der gemessenen Komponenten - Kumulierte Abgasmassenemissionen [g] der gemessenen Komponenten - Kraftstoffverbrauch in [g/s] und [l/100km] mittels C-Bilanz - Partikelmassenstrom
Alle Komponenten für die Messgasaufbereitung, Messgasförderung, Schadstoffmessung und die Stromversorgung können kompakt im Gehäuse der Messeinheit 2 untergebracht sein. Als Abgasmessgerät eignet sich z.B. eine NDIR-Messbank, die zeitgleich die Komponenten CO2, CO, (HC)6 und NO mittels optopneuma- tischen Doppelschichtdetektoren erfasst. Die Gaswege und Totvolumen sind optimiert, um ein möglichst schnelles Ansprechverhalten zu gewährleisten und um damit die Änderung des Konzentrationsprofils eines Kontrollvolumens möglichst klein zu halten. Die Übertragungsfunktion aller Messkanäle ist nahezu gleich.
Die Stromversorgung 13 des Systems im Fahrzeug 1 übernimmt z.B. ein Sinus- Wechselrichter, welcher an das Bordnetz angeschlossen sein kann. Das System kann auch direkt an das 12V, 24V oder 42V-Bordnetz angeschlossen sein. Die Messdaten werden auf ein Notebook in Fahrernähe übertragen, in Echtzeit bearbeitet und gespeichert. Der Notebook-Rechner steuert zusätzlich auch die Messgasaufbereitung, wie Messgaspumpe, Magnetventile für den Nullabgleich, etc. Für die Messdatenerfassung, Massenberechnung und die Steuerung des Systems ist eine eigene Software vorgesehen, die für den jeweiligen Einsatzfall para- metriert werden kann. Optional kann auch ein in Fig. 1 nicht dargestellter GPS- Empfänger zur Fahrstreckenidentifikation eingebunden werden.
Das erfindungsgemäße Messverfahren wurde mit den Ergebnissen am Fahr- zeugrollenprüfstand verglichen, wobei Konstantfahrten, unterschiedliche Abgasmesszyklen (z.B. MVEG-Zyklen, FTP-Zyklen) und verschiedene andere spezielle Zyklen gefahren wurden und die Emissionen sowohl mit den jeweiligen CVS-An- lagen, die für die Typenprüfung verwendet werden und dem neuen On-Board- Messsystem gemessen wurden. Ergebnisse der Vergleiche am Pkw-Rollenprüf- stand sind in den Grafiken der Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. Die kumulierten Massenemissionen bei zwei typischen Pkw-Fahrzyklen (MVEG und FTP) für einen VW- Golf 1.8 (Benzinmotor und 3-Wege-Katalysator) zeigen eine sehr zufriedenstellende Übereinstimmung der Messwerte.
Besonders erfreulich sind die Ergebnisse im dynamischen FTP-Test, der die gute Zeitauflösung des Messsystems bestätigt. Die Summenergebnisse in Fig. 3 sind als Integralwert des Massenstromverlaufs aus Fig. 4 berechnet worden.
Für eine Messungen im realen Straßenverkehr wurde eine Innenstadtstrecke gewählt. Das Verkehrsaufkommen war zum Zeitpunkt der Messfahrt sehr gering. Das Fahrzeug war zur Hälfte beladen. Zusätzlich wurde ein GPS Empfänger mitgeführt, um die aktuelle Fahrzeugposition zu erfassen. Die interne Uhr des Computers wurde dabei der Zeit des von den Satelliten gesendeten Zeitsignals angeglichen um Position und Emission synchronisieren zu können. Der Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeuges ist in Fig. 5 dargestellt.
Fig. 6 zeigt die CO2 Massenemission während der Straßenfahrt gemäß Fig. 5. Die maximale kurzzeitige CO2-Massenemission beträgt etwas über 3000 g/km. Die hohen Dynamikanforderungen an das Messsystem sind ebenfalls gut sichtbar.
Ebenfalls gute Ergebnisse in der Genauigkeit und Zeitauflösung zeigt die Messungen im stockenden Stadtverkehr an einem Niederflurbus mit Dieselantrieb gemäß Fig. 7, bei welcher NO-Massenemission einen Maximalwert von ca. 80 g/km erreicht.
Die Darstellung der gemessenen Daten am Display der Auswerteeinheit 3 kann mit Unterstützung eines GPS-Empfängers beispielsweise als in Abhängigkeit der Abgasmenge farbveränderliche Weglinie auf einer Straßenkarte erfolgen.
Die Verifizierung der Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit des Gerätes konnte durch die Kalibriergasmessungen bestätigt werden.
Die durchgeführten Untersuchungen und Messungen zeigen, dass die Zielsetzung, eine möglichst kompakte, einfache und trotzdem genaue Messvorrich- tung zu entwickeln, gelungen ist. Der Einbau in die Testfahrzeuge verschiedener Größe ist sehr einfach, da lediglich eine Gaszuleitung und eventuell eine Energieversorgung zur Messeinheit hergestellt werden muss. Die für die Berechnung notwendigen Signale der Ansaugluftmasse, der Fahrzeuggeschwindigkeit, etc. können auf einfache Weise an der OBD-Schnittstelle gewonnen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sowohl die Abmessungen als auch die Kosten für ein massenbezogenes On-Board Abgasmesssystem mit guter Zeitauflösung deutlich reduziert werden. Sowohl im Einsatz am Rollenprüfstand, als auch im mobilen Einsatz bewährte sich das System innerhalb seines Leis- tungsumfanges. Die Ergebnisse auf dem Rollenprüfstand mit CVS-System zeigen eine sehr gute Übereinstimmung, so dass auf eine direkte Messung des Abgasvolumenstromes verzichtet werden kann.
Die On-Board Abgasmessung bietet insbesondere für die Überprüfung von im Verkehr befindlichen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine als auch für die Entwicklungs- und Applikationsarbeit sowie für exakte Emissionsmessungen unter realen Bedingungen eine interessant Perspektive.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches, von einer Brennkraftmaschine angetriebenes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration zumindest einer Abgaskomponente im Abgasstrom oder Abgasteilstrom der Brennkraftmaschine gemessen und ein Konzentrationssignal der Abgaskomponente gewonnen wird, sowie das aus dem Konzentrationssignal und einem Ansaugluftmassen-Signal und/oder Kraftstoffverbrauchs- Signal, welches von einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle des Fahrzeuges bereitgestellt wird, die zeitliche Massenemission der Abgaskomponente ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Massenemissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeugge- schwindigkeits-Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemission der Abgaskomponente in Abhängigkeit von der Fahrstrecke ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Massenemissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeuglast- Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemission der Abgaskomponente in Abhängigkeit von der Fahrzeuglast ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Massenemission zumindest einer Abgaskomponente aus der Gruppe CO2, CO, HC, NO, NO2 und/oder NOx gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Abgastrübung gemessen und der Messwert beispielsweise zur Bestimmung der Massenemission der Rußpartikel herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Massenemission der zumindest einen Abgaskomponente in Echtzeit an Bord des Fahrzeuges erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung und Interpretation der Messergebnisse zusätzliche Signale der OBD-Schnittstelle, beispielsweise ein Kühlertemperatur-, Öltemperatur-, Motorlast- oder Gangwahlsignal, herangezogen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der OBD-Schnittstelle mit den gemessenen Konzentrationssignalen der Abgaskomponenten zeitlich korreliert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein GPS-Signal verwertet und die gewonnen Messdaten einem Orts- und/oder Höhenprofil zugeordnet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessen Konzentrationswerte der Abgaskomponenten mit Hilfe des Kraftstoffverbrauchs-Signals aus der OBD-Schnittstelle, beispielsweise über die daraus abgeleitete Kohlenstoffbilanz kalibriert werden.
11. Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches, von einer Brennkraftmaschine (12) angetriebenes Fahrzeug (1) mit einer Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) zur Bestimmung der Konzentration zumindest einer Abgaskomponente, wobei die Abgaszuleitung (8) der Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) mit dem Abgasstrang des Fahrzeuges (1) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) eine Steckverbindung (10) oder eine drahtlose Datenverbindung zu einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle (11) des Fahrzeuges (1) aufweist, welche zur Übertragung der in der OBD-Schnittstelle (11) bereitstehenden Zustands- und Messsignale des Fahrzeugs (1) und der Brennkraftmaschine (12) dient.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Auswerteeinheit (2, 3) einen GPS-Empfänger aufweist oder mit einem GPS-Empfänger in Verbindung steht.
2005 02 24 Lu/Ka
PCT/AT2005/000061 2004-03-04 2005-02-24 Vorrichtung und verfahren zur bestimmung der massenemission zumindest einer abgaskomponente bei einem im verkehr befindlichen fahrzeug WO2005085793A1 (de)

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