WO2012052461A1 - Verfahren zur bestimmung des massenflusses von gasen, insbesondere des abgases von brennkraftmaschinen - Google Patents

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WO2012052461A1
WO2012052461A1 PCT/EP2011/068227 EP2011068227W WO2012052461A1 WO 2012052461 A1 WO2012052461 A1 WO 2012052461A1 EP 2011068227 W EP2011068227 W EP 2011068227W WO 2012052461 A1 WO2012052461 A1 WO 2012052461A1
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WO
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mass flow
measurement
intermediate value
determined
exhaust gas
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PCT/EP2011/068227
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Erich Schiefer
Katarzyna Kudlaty
Michael Cernusca
Klaus-Christoph Harms
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Avl List Gmbh
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    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7088—Measuring the time taken to traverse a fixed distance using electrically charged particles as tracers

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the mass flow of gases, in particular of the exhaust gas of internal combustion engines.
  • the object of the present invention was therefore to specify a variant of a method for determining the mass flow of gases, which results in a higher accuracy and better quality of the values for the mass flow.
  • the method is characterized in that at least two independent, parallel and based on different physical principles methods each at least one intermediate value for the mass flow is determined, and that the final value for the mass flow based on the intermediate values by a plausibility calculation or a simplified averaging is determined.
  • At least one intermediate value is determined by direct measurement.
  • an intermediate value for the mass flow is determined by measurement by means of the dynamic pressure principle.
  • a further alternative provides that an intermediate value for the mass flow is determined by measurement by means of ultrasound.
  • An intermediate value for the mass flow can also be determined by measurement by means of a corona discharge-induced ion current.
  • an intermediate value for the mass flow is determined by measuring the transit times and the changes in the transit times of pulses which are coded by means of pulse lengths and pulse widths and superimposed on the mass flow.
  • An alternative embodiment is characterized in that pulsed addition of a tracer gas to the exhaust gas causes pulses of gas packets.
  • an intermediate value for the mass flow can be determined by measurement by means of heat conduction sensors.
  • Yet another embodiment provides that at least one intermediate value for the mass flow is calculated from at least two measured values of different sizes than those of the mass flow.
  • This last exemplary embodiment is characterized in an advantageous variant in that an intermediate value for the mass flow is calculated from the measurement of the amount of air consumed by an internal combustion engine and the consumed fuel quantity.
  • an intermediate value for the mass flow can be calculated from the measurement of the force consumed by an internal combustion engine. amount of fuel and the measurement of a value from the group of lambda, the equivalence ratio and the air / fuel ratio is calculated.
  • a further alternative is that an intermediate value for the mass flow from the measurement of the intake of air by an internal combustion engine and the measurement of a value from the group of lambda, the equivalence ratio and the
  • Air / fuel ratio is calculated.
  • the measured values of the respectively used measured variable can themselves come directly or indirectly from measurement data of the engine electronics, the data used being that of the measured values themselves, or data which are proportional to the signals to be used for calculating the exhaust gas mass flow.
  • the method characterized at the outset can also be characterized according to the invention by determining an intermediate value for the mass flow from the measurement of the dilution of a tracer gas by the exhaust gas flow.
  • a transit time measurement is additionally carried out with pulsating addition of the tracer gas.
  • the method is characterized in that at least one intermediate value is determined by direct measurement and at least one further intermediate value is calculated by calculation from at least two measured values of different sizes than the mass flow.
  • FIG. 1 and 2 show diagrams each with a comparison of two different methods for determining the exhaust gas mass flow, wherein in the lower part of the diagram, the intermediate values based on the different measurement methods and in the upper part of the diagram, the percentage deviation between these values is given and
  • FIG. 3 shows a diagram with a comparison of two further different methods for determining the exhaust gas mass flow.
  • the basis for the present invention is the knowledge that a reliable and correct determination of the exhaust gas mass flow - in particular for dynamic and time-resolved measurements - a simultaneous or parallel measurement on the same exhaust gas volume, possibly after a division into similar subvolumes, by means of a combination of at least two Systems which measure and / or calculate exhaust gas mass flow with species based on at least two different physical measuring principles are made possible.
  • the weaknesses of the measuring principles used in parallel can be compensated against each other, thus statistically the probability of the occurrence of Measuring errors is significantly minimized or any measurement errors can be better detected.
  • the probability that a combination system with internal plausibility calculation will fail is only 2% (20%). of 10%), which gives an improvement of a factor of 5 (or 10 with respect to measuring system 2). Even assuming that not all plausibility combinations will be effective, a significant improvement in system accuracy is expected.
  • Combinations of measurements and calculations which allow a significant improvement in the meaningfulness, are, for example, the direct measurement of mass flow according to the effective or dynamic pressure principle (for example, on a cross-sectional constriction or by means of a dynamic pressure probe and using the Bernoulli equation for the - generally unsteady - Exhaust gas flow) in combination with a calculation of the mass flow from the lambda value (which can be measured with a lambda probe or possibly also calculated from the measured exhaust gas components) and the measured amount of fuel consumed and / or the measured amount of air.
  • the lambda value which can be measured with a lambda probe or possibly also calculated from the measured exhaust gas components
  • the intermediate values are very close over a large portion of the measuring duration, which consists of a direct differential pressure measurement of the exhaust gas mass flow and a calculation from the intake air quantity and Fuel mass to be determined.
  • the final value output as a measured value for the mass flow is then determined on the basis of the intermediate values by means of a plausibility calculation, or alternatively in the case of inaccuracies which are not completely clarifiable, for example also formed by a simplified averaging, thus in each case a higher accuracy and better quality of the values for to achieve the mass flow than with measurements using only one measurement method.
  • a direct measurement of the exhaust gas mass flow with ultrasound (for example, based on the transit times of ultrasonic signals in the direction and opposite direction of the exhaust gas flow and using the gas equation to determine the mass density of the sound velocity and the static pressure,) and the calculation of the lambda value and the amount of fuel and / or air quantity results in an advantageous combination.
  • pulses of electrical charges caused, for example, by a corona discharge on pulsed spray electrodes or by pulse-shaped electrical sparks and their discharges, or pulses of certain gases (gas packets), caused by pulsating adding a tracer gas to the exhaust gas
  • electrical charges electro charges or ions in the flowing exhaust gas
  • pulses of certain gases gas packets
  • a particularly interesting combination comprises the transit time measurement by pulsed addition of the tracer gas together with the occurring dilution rate of this tracer gas after or through the mixing with the exhaust gas itself.
  • the list of methods combinable with each other or with the aforementioned principles further includes the direct measurement by means of heated to high temperature heat conduction sensors, eg. As the hot-wire measurement or similar measuring principles, based on the effect that flowing gas depending on the gas velocity more or less dissipates heat, and the measurement of the dilution of a tracer gas through the exhaust gas stream.
  • the above direct measuring methods are advantageously combined with methods of calculating the exhaust gas mass flow, which can also be combined with one another.
  • a calculation of measured air quantity and fuel quantity a calculation of fuel quantity and the lambda value or - instead of this lambda value - the equivalence ratio or the air / fuel ratio, as well as a calculation of the intake air quantity and lambda.
  • Fig. 2 shows a comparison of the time course of intermediate values for the exhaust gas mass flow, but now come from a calculation of measured air quantity and fuel quantity or from a calculation of the intake air and lambda.
  • the top curve again shows the percentage difference of the intermediate values, which are processed by plausibility calculation or, for example, by a simplified averaging to a measured value for the exhaust gas mass flow.
  • a comparison between the calculation of measured air quantity and fuel quantity and a calculation of fuel quantity and the lambda value is shown in FIG. 3.
  • the first method is a combination of a direct measurement of the exhaust gas mass flow by means of a dynamic pressure probe with the calculation of the exhaust gas mass flow by means of two values of the group air quantity and / or fuel quantity and / or lambda, which itself can be obtained from a measurement or calculation (Fig. 4). These measures are related by the following relationship:
  • Lambda (intake air mass / fuel mass) / (stoichiometric A / F)
  • Stoichiometric A / F is the ratio of the amount of air to the amount of fuel in stoichiometric combustion.
  • the masses can be easily measured or calculated from the air quantity or fuel consumption.
  • the fuel mass results from the fuel consumption (kg / sec) * measuring time interval in seconds.
  • the value for the "constant" K may vary more or less easily when using catalysts.
  • the lambda formula above is shown here only as an example of one of the possible calculations of the lambda value from the mass balance of the exhaust components. she is in above case, a mass balance formula primarily for the oxygen content, combined with the carbon content of the exhaust gas. Equivalent mass balance formalisms can also be applied to other exhaust components (such as carbon, nitrogen, argon, hydrogen ...) involved in combustion, but it should be noted that not all formalisms are equally well suited for use.
  • Lambda and / or the air mass and / or the fuel mass can also come from the OBD interface or the on-board electronics of the vehicle to be examined, or from other values such as the exhaust gas composition.
  • a very interesting further combination according to the invention is the use of a direct mass flow measurement by means of ultrasound, either on the one hand together with the lambda and / or fuel quantity and / or the air quantity, as previously described, or together with a dynamic pressure measuring method.
  • the very dynamic measurement by means of the ultrasound measurement method which provides high temporal resolution, together with the possible and / or present dynamic temperature measurement by means of ultrasound, and on the other hand the possibility of control by reference to temporally slower mean gas flows.
  • the required temporal data adjustments can be more precisely detected for the exhaust gas mass flow calculation.
  • the time bases of the measurement data to be mathematically linked with one another - that is, the exhaust gas concentrations and the exhaust gas mass flows - must be adapted as exactly as possible to each other.
  • a tracer method in which a tracer substance is added to the exhaust gas stream.
  • This tracer substance can be, for example, a tracer gas that is as inert as possible and that is easy to measure. But even by means of electrical methods generated electrons or ions from the exhaust gas itself can be used as a tracer.
  • the transit time variations between the location of the "generation” and the one or more places of measurement of the substance can be measured, on the other hand
  • the dilution or thinning of the tracer substances by mixing with the exhaust gas can also be detected directly, so that the exhaust gas mass flow can be determined directly from this dilution ratio with knowledge of the added amount of tracer substance.
  • both methods of tracer addition have the potential of very high time resolution (some 100 hearts for the addition of tracer gases, up to a few kHz for the electrical methods).
  • the measurement of the different locations can additionally also be used to correctly measure and time the change in the dynamics, including the true return flows due to resonance pulsations.
  • This additional possibility of measuring the changes in the temporal allocation of the flow conditions thus further allows an improvement of the temporal allocation of exhaust gas concentration and exhaust gas mass flow and thus an improvement of the synchronous multiplication, ie the multiplication of causally associated time-resolved measured values, for the calculation of the exhaust gas mass emissions.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, wird durch zumindest zwei unabhängige, parallel durchgeführte und auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Methoden jeweils zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss bestimmt. Der endgültige Wert für den Massenfluss wird dann auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung oder eine vereinfachte Mittelwertbildung ermittelt. Damit kann eine höhere Genauigkeit und bessere Qualität der Werte für den Massenfluss erzielt werden.

Description

Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen, insbesondere des
Abgases von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen.
Neuerdings gewinnt die mobile Abgasmassenemissionsmessung zunehmend an Bedeutung, und es werden unterschiedliche Methoden zur kalkulatorischen oder messtechnischen Bestimmung der Abgasmassenemission verwendet wofür insbesondere die Kenntnis des Abgasmassenflusses erforderlich ist. Dieser kann aus anderen Messwerten berechnet oder auch direkt gemessen werden. Die Abgasmassenemission, also die Massenemission einer bestimmten Gaskomponente des Abgases, ergibt sich beispielsweise vereinfacht durch: Abgasmassenemission (in g/s) = Gaskonzentration (Vol%) * Gasdichte des Messgases (g/m3) * Abgasmassenfluss (g/s) / Abgasdichte(g/m3).
Bei realen Testfahrten gibt es infolge verschiedenster Einflüsse auf die Messsignale eine statistische Wahrscheinlichkeit von ca. 5 bis 10 %, dass in Teilen des gefahrenen Zyklus fehlerhafte Messwerte enthalten sind. Diese werden aber infolge der hohen Dynamik der Messsignale typischerweise nicht als fehlerhaft erkannt, bzw. sind oft bis meist nicht einfach als fehlerhaft erkennbar. Bei Messungen im Bereich niedriger Last und insbesondere im Leerlauf, oder bei Fahrzeugen mit niederen Hubvolumina oder niedriger Zylinderanzahl ist diese Fehlerwahrscheinlichkeit höher, kann aber dadurch zumindest teils leichter als Messwertabweichung erkannt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher eine Variante eines Verfahrens zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen anzugeben, welche eine höhere Genauigkeit und bessere Qualität der Werte für den Massenfluss ergibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest zwei unabhängige, parallel durchgeführte und auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Methoden jeweils zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss bestimmt wird, und dass der endgültige Wert für den Massenfluss auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung oder eine vereinfachte Mittelwertbildung ermittelt wird. Durch die zumindest zwei parallelen Messungen und/oder Kalkulationen des Ab- gasmassenflusses mittels unabhängiger Messprinzipien, oder alternativ auch durch die Kalkulation eines signifikanten Leitwertes wie der C02 Massenemission mittels zweier unterschiedlicher Methoden, können die Schwächen der verwendeten Messprinzipen überwunden werden und damit statistisch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Messfehlern wesentlich minimiert werden. Insbesondere kann aber dadurch vermieden werden, dass allfällige Messfehler unerkannt bleiben.
Durch die Verwendung von beispielsweise zwei Methoden, welche jede einzelne für sich in bestimmten Bereichen Schwächen aufweist, und diese Schwächen durch die Verwendung verschiedener Messprinzipien sich aber typischerweise nicht überlappen und daher praktisch nicht oder nur sehr selten gleichzeitig auftreten, kann die Fehlerwahrscheinlichkeit massiv minimiert werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung bestimmt wird.
Weiters kann vorgesehen sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels des Staudruckprinzips bestimmt wird.
Eine weitere Alternative sieht vor, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Ultraschall bestimmt wird.
Ein Zwischenwert für den Massenfluss kann auch durch Messung mittels eines durch Koronaentladung hervorgerufenen Ionenstroms bestimmt werden.
Eine andere Alternative besteht darin, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung der Laufzeiten und der Änderungen der Laufzeiten von mittels Pulslängen und Pulsbreiten kodierten und dem Massenstrom überlagerten Pulsen bestimmt wird.
Für diese letzte Alternative sind vorteilhafte Ausführungsformen dadurch gegeben, dass durch Funkenpulse und deren elektrische Entladungen und der dadurch generierten Elektronen und Ionen im Abgas elektrische Ladungspulse hervorgerufen werden.
Eine alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass durch pulsierendes Zugeben eines Tracergases zum Abgas Pulse von Gaspaketen hervorgerufen werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Wärmeleitungssensoren bestimmt werden.
Ein nochmals anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als jener des Massenflusses kalkuliert wird.
Dieses letzte Ausführungsbeispiel ist in einer vorteilhaften Variante dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Luftmenge und der verbrauchten Kraftstoffmenge kalkuliert wird.
Alternativ zur obigen Variante kann auch vorgesehen sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Kraft- stoffmenge und dem Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird.
Eine weitere Alternative besteht darin, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge und der Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem
Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird. Die Messwerte der jeweils verwendeten Messgröße können dabei selbst direkt oder indirekt aus Messdaten der Motorelektronik stammen, wobei die verwendeten Daten die der Messwerte selbst sind, oder Daten, welche den zur Kalkulation des Abgasmassenflusses zu verwendenden Signalen proportional sind.
Das eingangs charakterisierte Verfahren kann gemäß der Erfindung weiters auch dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der Verdünnung eines Tracergases durch den Abgasstrom ermittelt wird.
Vorzugsweise wird dabei zusätzlich eine Laufzeitmessung bei pulsierender Zugabe des Tracergases durchgeführt.
Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung ermittelt und zumindest ein weiterer Zwischenwert durch Kalkulation aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als des Massenflusses kalkuliert wird.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Fig. 1 und 2 zeigen dabei Diagramme mit jeweils einem Vergleich zweier unterschiedlicher Verfahren zur Ermittlung des Abgasmassenstroms, wobei im unteren Teil des Diagramms die Zwischenwerte auf Basis der unterschiedlichen Messmethoden und im oberen Teil des Diagramms die prozentuale Abweichung zwischen diesen Zwischen werten angegeben ist, und die Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit einem Vergleich zweier weiterer unterschiedlicher Verfahren zur Ermittlung des Abgasmassenstroms.
Die Basis für die vorliegende Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine verlässliche und korrekte Bestimmung des Abgasmassenstroms - insbesondere für dynamische und zeitaufgelöste Messungen - eine gleichzeitige bzw. parallele Messung am gleichen Abgasvolumen, allenfalls nach einer Aufteilung in gleichartige Teilvolumina, mittels einer Kombination von zumindest zwei Systemen, welche den Abgasmassenfluß mit auf zumindest zwei auf unterschiedlichen physikalischen Messprinzipen beruhenden Arten messen und/oder kalkulieren, ermöglicht wird. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Messung und/oder Kalkulation des Abgasmassenflusses können die Schwächen der parallel verwendeten Messprinzipen gegeneinander ausgeglichen werden, womit statistisch die Wahrscheinlichkeit des Auftreten von Messfehlern wesentlich minimiert wird bzw. allfällige Messfehler besser erkannt werden können.
Wenn etwa das Messsystem 1 eine Wahrscheinlichkeit von 10% für Fehler aufweist, und das davon weitgehend unabhängig arbeitende Messsystem 2 eine Wahrscheinlichkeit von 20%, dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kombinationssystem mit interner Plausibilitätsrechnung einen Fehler aufweist, nur mehr 2% (20% von 10%), was eine Verbesserung um einen Faktor 5 (oder 10 bezogen auf Messsystem 2) ergibt. Selbst wenn man annimmt, dass nicht alle Plausibilitätskombinationen zielführend sein werden, ist eine wesentliche Verbesserung der Systemgenauigkeit zu erwarten.
Kombinationen von Messungen und Kalkulationen, welche eine wesentliche Verbesserung der Aussagekraft ermöglichen, sind beispielsweise die direkte Messung des Massenflusses nach dem Wirk- oder Staudruckprinzip (zum Beispiel an einer Querschnittsverengung oder mittels einer Staudrucksonde und unter Anwendung der Bernoulli-Gleichung für die - im Allgemeinen instationäre - Abgasströmung) in Kombination mit einer Kalkulation des Massenflusses aus dem Lambda-Wert (der mit einer Lambda-Sonde gemessen oder gegebenenfalls auch aus den gemessenen Abgaskomponenten kalkuliert werden kann) und der gemessenen Menge an verbrauchtem Kraftstoff und/oder auch der gemessenen Luftmenge. Wie in Fig. 1 aus der obersten Kurve zu erkennen ist, die die Differenz der Zwischenwerte in Prozenten angibt, sind über einen großen Anteil der Messdauer die Zwischenwerte sehr eng beisammen, die aus einer direkten Differenzdruckmessung des Abgasmassenstroms und einer Kalkulation aus der Ansaugluftmenge und der Kraftstoffmasse ermittelt werden. Der endgültige, als Messwert für den Massenfluss ausgegebene Wert wird dann auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung ermittelt, oder alternativ bei nicht vollkommen klärbaren Ungenauigkeiten beispielsweise auch durch eine vereinfachte Mittelwertbildung gebildet, um somit in jedem Fall eine höhere Genauigkeit und bessere Qualität der Werte für den Massenfluss zu erzielen als mit Messungen mittels lediglich einer Messmethode.
Auch eine direkte Messung des Abgasmassenflusses mit Ultraschall, (beispielsweise auf Basis der Laufzeiten von Ultraschallsignalen in Richtung und Gegenrichtung der Abgasströmung und unter Anwendung der Gasgleichung zur Bestimmung der Massendichte aus der Schallgeschwindigkeit und dem statischen Druck,) und die Kalkulation aus dem Lambda- Wert und der Kraftstoffmenge und/oder Luftmenge ergibt eine vorteilhafte Kombination.
Als vorteilhaft erwiesen haben sich mehrere untereinander kombinierbare Messprinzipien, beispielsweise die direkte Messung im Abgas mittels des Wirkdruckprinzips, die direkte Messung mittels Ultraschall (alternativ mit Laufzeitmessung oder Dopplereffekt), die direkte Messung mittels eines durch Koronaentladung hervorgerufenen Ionenstroms (entweder mittels Laufzeitmessung und/oder mittels Ionenstrom-Ladungsmengenmessung, wobei diese beiden Prinzipien auch kombiniert einsetzbar sind), oder auch die direkte Messung der Laufzeiten und der Änderungen der Laufzeiten von mittels Pulslängen und Pulsbreiten kodierten und dem Massenstrom überlagerten Pulsen. Beispielsweise können für letztere Methode Pulse elektrischer Ladungen (Elektronen bzw. Ionen im strömenden Abgas), hervorgerufen beispielsweise durch eine Koronaentladung an pulsierend betriebenen Sprühelektroden oder durch pulsförmig generierte elektrische Funken und deren Entladungen, oder auch Pulse bestimmter Gase (Gaspakete), hervorgerufen durch pulsierendes Zugeben eines Tracergases zum Abgas, verwendet werden.
Eine besonders interessante Kombination umfasst die Laufzeitmessung durch pulsierende Zugabe des Tracergases zusammen mit der auftretenden Verdünnungsrate dieses Tracergases nach bzw. durch die Vermischung mit dem Abgas selbst.
Die Liste der untereinander oder mit den zuvor genannten Prinzipien kombinierbaren Methoden umfasst weiters die direkte Messung mittels auf Hochtemperatur aufgeheizten Wärmeleitungssensoren, z. B. die Hitzdrahtmessung oder ähnliche Messprinzipien, beruhend auf dem Effekt, dass strömendes Gas abhängig von der Gasgeschwindigkeit mehr oder weniger Wärme ableitet, sowie die Messung der Verdünnung eines Tracergases durch den Ab- gasstrom.
Die obigen direkten Messverfahren werden vorteilhafterweise kombiniert mit Methoden der Kalkulation des Abgasmassenstroms, welche aber auch untereinander kombinierbar sind. So könnte eine Kalkulation aus gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge erfolgen, eine Kalkulation aus Kraftstoffmenge und dem Lambda-Wert oder - anstatt dieses Lambda- Wertes - dem Äquivalenzverhältnis oder dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis, sowie eine Kalkulation aus der Ansaugluftmenge und Lambda. In gleicher Weise wie die Fig. 1 zeigt die Fig. 2 einen Vergleich des zeitlichen Verlaufs von Zwischenwerten für den Abgasmassenstrom, die nun aber aus einer Kalkulation von gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge bzw. aus einer Kalkulation der Ansaugluftmenge und Lambda stammen. Die oberste Kurve zeigt wieder die prozentuale Differenz der Zwischenwerte, die mittels Plausibilitätsrechnung oder beispielsweise auch durch eine vereinfachte Mittelwertbildung zu einem Messwert für den Abgasmassenstrom verarbeitet werden. Einen Vergleich zwischen der Kalkulation aus gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge und einer Kalkulation aus Kraftstoffmenge und dem Lambda-Wert zeigt die Fig. 3. In Fig. 3 ist feststellbar, dass in den Bereichen, wo bei der Verzögerung des Fahrzeuges kein Kraftstoff verbraucht wird, auch kein gültiger Wert für den Abgasmassenfluss aus dem Lambda-Wert und der Kraftstoffmenge/Fuel Mass kalkulierbar ist (die Werte dafür sind in der Fig3 = 0 dargestellt)
Nachfolgend sollen beispielhaft einige weitere, besonders vorteilhafte Methoden bzw. Kombinationen betrachtet werden.
Die erste Methode ist eine Kombination einer direkten Messung des Abgasmassenstromes mittels einer Staudrucksonde mit der Kalkulation des Abgasmassenflusses mittels zweier Werte der Gruppe Luftmenge und/oder Kraftstoffmenge und/ oder von Lambda, welche selbst wieder aus einer Messung oder auch Kalkulation erhaltenen werden können (Fig. 4). Diese Messgrößen sind durch den folgenden Zusammenhang miteinander verbunden:
Abgasmasse = Ansaugluftmasse + Kraftstoffmasse und
Lambda = (Ansaugluftmasse / Kraftstoffmasse) / (A/F stöchiometrisch)
Äquivalenzverhältnis = 1/ Lambda
Mit A/F stöchiometrisch ist das Verhältnis der Luftmenge zur Kraftstoffmenge bei stö- chiometrischer Verbrennung bezeichnet.
Die Massen lassen sich einfach aus dem Luftmengen- oder Kraftstoffverbrauch messen oder kalkulieren. Z. B. ergibt sich die Kraftstoffmasse aus dem Kraftstoffverbrauch (kg/sec) * Messzeitintervall in Sekunden.
Zugleich gilt für Lambda aber auch (beispielsweise) die vereinfachte Formel nach Brett Schneider:
Lambda =
Γ C02+CO/2+02+NO/2+[Hcv/4 * (K/{K+CO/C02» - Ocv/2] * (C02+CO) Ί
L (Ccv+Hcv/4 - Ocv/2) * (C02 + CO + HC) J
Mit C02, CO, NO, 02 sind alle Komponenten des Abgases in % Vol oder auch in ppm gemeint, wobei HC als FID-äquivalenter Kohlenwasserstoffwert als d äquivalent anzunehmen ist; Hcv, Ocv, Ccv sind die Verhältnisse des Wasserstoffes H, des Sauerstoffes O und des Kohlenstoffes C relativ zum Kohlenstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffes in mol/mol ; weiters ist Ccv = 1, K = 3.5 (Wassergaskonstante). Der Wert für die„Konstante" K kann bei Verwendung von Katalysatoren mehr oder weniger leicht variieren.
Die obige Lambda Formel ist hier nur als ein Beispiel für eine der möglichen Kalkulationen des Lambda Wertes aus der Massenbilanz der Abgasbestandteile dargestellt. Sie ist in obigem Falle eine Massenbilanzformel primär für den Sauerstoffgehalt, kombiniert mit dem Kohlenstoffgehalt des Abgases. Äquivalente Massenbilanzformalismen lassen sich auch für andere in die Verbrennung involvierten oder auch nicht involvierten Abgasbestandteile (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff ...) aufstellen, wobei aber zu beachten ist, dass nicht alle Formalismen gleich gut für die Verwendung geeignet sind.
Lambda und/oder die Luftmasse und/oder die Kraftstoffmasse können dabei auch aus der OBD-Schnittstelle oder der Bordelektronik des zu untersuchenden Fahrzeuges, oder auch aus anderen Werten wie der Abgaszusammensetzung, stammen.
Diese oben erläuterte Methode ist insbesondere interessant, da sie eigentlich existierende und auch verwendete Systeme miteinander verknüpft, aber deren im echten dynamische Messbetrieb immanent vorhandenen Nachteile, dass nämlich bis 10% der Werte permanent zum Teil und gelegentlich sogar mehr als 20% der Messwerte gravierend fehlerhaft sind, vermeidet und die Summenfehler damit auf einige Prozent minimiert.
Eine sehr interessante weitere erfindungsgemäße Kombination ist die Verwendung einer direkten Massenstrommessung mittels Ultraschall, entweder einerseits zusammen mit dem Lambda und/oder Kraftstoffmenge und/oder der Luftmenge, wie sie vorher beschrieben wurden, oder zusammen mit einer Staudruck-Messmethode.
Vorteilhaft in dieser Kombination ist einerseits die sehr dynamische Messung mittels der Ultraschallmessmethode, welche hohe zeitliche Auflösung gewährt, zusammen mit der hier möglichen und/odervorhandenen dynamischen Temperaturmessung mittels des Ultraschalls, andererseits auch die Kontrollmöglichkeit durch Bezug auf zeitlich langsamere mittlere Gasströme. Damit sind für die Abgasmassenstromkalkulation die erforderlichen zeitlichen Datenangleichungen präziser erfassbar.
Für die Berechnung von Abgasmassenemissionen müssen letztendlich auch die die Zeitbasen der miteinander mathematisch zu verknüpfenden Messdaten - das sind die Abgaskonzentrationen und die Abgasmassenflüsse - möglichst exakt aneinander angepasst werden.
Eine ebenfalls sehr interessante Kombination sieht die Verwendung einer Tracermethode vor, wobei dem Abgasstrom eine Tracersubstanz zugesetzt wird. Diese Tracersubstanz kann beispielsweise ein möglichst inertes und gut messbares Tracergas sein. Aber auch mittels elektrischer Methoden erzeugte Elektronen oder Ionen aus dem Abgas selbst können als Tracer verwendet werden.
Einerseits mit zeitlich variierenden und/oder durch die Impulsfolge kodierter Zugabe der inerten Tracersubstanz können die Laufzeitvariationen zwischen dem Ort der„Erzeugung" und dem oder den Orten der Messung der Substanz gemessen werden, andererseits können an denselben„Orten der Messung" auch die Verdünnung oder Ausdünnung der Tracersubstanzen durch die Vermischung mit dem Abgas auch direkt erfasst werden, so dass aus diesem Verdünnungsverhältnis der Abgasmassenstrom bei Kenntnis der zugegebenen Menge der Tracersubstanz direkt ermittelt werden kann.
Beide Methoden der Tracersubstanzzugabe haben das Potenzial sehr hoher Zeitauflösung in sich (einige 100 Herz bei der Zugabe von Tracergasen; bis einige kHz bei den elektrischen Methoden). In einer weiteren verbesserten Ausführung kann durch die Messung an verschiedenen Orten auch zusätzlich noch die Veränderung der Dynamik inklusive auch von echten RückStrömungen durch Resonanzpulsationen korrekt gemessen und zeitlich zugeordnet werden. Diese zusätzliche Möglichkeit der Messung der Änderungen der zeitlichen Zuordnung der Strömungsverhältnisse, ermöglicht damit weiters auch eine Verbesserung der zeitlichen Zuordnung von Abgaskonzentration und Abgasmassenfluss und damit eine Verbesserung der Synchron-Multiplikation, also der Multiplikation von einander kausal zugeordneten zeitaufgelösten Messwerten, zur Kalkulation der Abgasmassenemissionen.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen, wobei durch zumindest zwei unabhängige, parallel durchgeführte und auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Methoden jeweils zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss bestimmt wird, und wobei der endgültige Wert für den Massenfluss auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung oder eine vereinfachte Mittelwertbildung ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels des Wirk- bzw. Staudruckprinzips bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Ultraschall bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels eines durch Koronaentladung hervorgerufenen Ionenstroms bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung der Laufzeiten und der Änderungen der Laufzeiten von mittels Pulslängen und Pulsbreiten kodierten und dem Massenstrom überlagerten Pulsen bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Funkenpulse und deren elektrische Entladungen und der dadurch generierten Elektronen und Ionen im Abgas elektrische Ladungspulse hervorgerufen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch pulsierendes Zugeben eines Tracergases zum Abgas Pulse von Gaspaketen hervorgerufen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Wärmeleitungssensoren bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als jener des Massenflusses kalkuliert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Luftmenge und der verbrauchten Kraftstoffmenge kalkuliert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Kraftstoffmenge und dem Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luft- menge und dem Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der Verdünnung eines Tracergases durch den Abgasstrom ermittelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Laufzeitmessung bei pulsierender Zugabe des Tracergases durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9 bestimmt und zumindest ein weiterer Zwischenwert durch Kalkulation aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als des Massenflusses gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15 kalkuliert wird.
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