AT524839A4

AT524839A4 - Verfahren zur Bestimmung von Emissionen

Info

Publication number: AT524839A4
Application number: ATA50300/2021A
Authority: AT
Inventors: Seewald Dipl -Ing Georg (Fh)
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-15
Also published as: AT524839B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine (28) mit einem ersten Gasanalysegerät (42) zur Messung der Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28), einem zweiten Gasanalysegerät (44) zur Messung der Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes der Einlassluft an der Verbrennungskraftmaschine (28), und einer Vorrichtung (58), über die ein Abgasmassenstrom am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) bestimmt wird, wobei erfindungsgemäß ein Kraftstoffmassenstrom bestimmt, ein Einlassluftmassenstrom durch Subtraktion des Kraftstoffmassenstroms vom Abgasmassenstrom berechnet und eine in einem definierten Zeitraum von der Verbrennungskraftmaschine (28) emittierte Masse einer Komponente durch Subtraktion der berechneten Masse der Komponente am Einlass (30) und am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) berechnet wird, wobei die Masse der Komponente am Einlass (30) aus dem Einlassluftmassenstrom und der gemessenen Konzentration der Komponente am Einlass (30) berechnet und die Masse der Komponente am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) aus dem Abgasmassenstrom und der gemessenen Konzentration der Komponente am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung von Emissionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten Gasanalysegerät, mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Auslass der Verbrennungskraftmaschine gemessen wird, mit einem zweiten Gasanalysegerät, mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes der Einlassluft an der Verbrennungskraftmaschine gemessen wird und mit einer Vorrichtung, über die ein Abgasmassenstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine bestimmt wird, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Emissionen eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem ersten Gasanalysegerät, mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Abgasauslass des Fahrzeugs gemessen wird, mit einem zweiten Gasanalysegerät, mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes der Einlassluft am Fahrzeug gemessen wird, und mit einer Vorrichtung, über die ein Abgasmassenstrom am Abgasauslass des

Fahrzeugs bestimmt wird.

Zur Bestimmung der Emissionen von Fahrzeugen oder Verbrennungsmotoren werden Abgasmessanlagen und Verfahren genutzt, die in verschiedenen gesetzlichen Regelungen beschrieben werden. Zu den bekannten gesetzlichen Regelungen gehören beispielsweise die ECERichtlinie R 83 für den europäischen Raum oder der „Code of federal regulations“/Gesetz Nr.40 für den US-amerikanischen Raum. In diesen Regularien wird neben den Emissionsgrenzwerten auch die Art der Probenahme durch Anlagen mit variabler Verdünnung zur Messung der

Emissionen größtenteils geregelt.

Häufig werden einer Constant Volume Sampling (CVS) Abgasanalyseanlagen genutzt, bei denen Abgas aus einer Abgasquelle in

einen Abgaskanal eingeleitet wird, der in einen Mischkanal mündet, in den

Kohlenmonoxid-, Kohlenwasserstoff- sowie der Stickoxid-Anteil gemessen.

Zusätzlich sind Messgeräte bekannt, welche eine Analyse des Abgases unmittelbar stromabwärts des Endrohres des Verbrennungsmotors messen, also in einem Bereich, in dem das Abgas noch nicht verdünnt vorliegt. Eine solche Messung ist insbesondere bei geringen Emissionen erforderlich, wie sie insbesondere bei Hybridfahrzeugen entstehen, in denen in Phasen des

elektrischen Antriebs keine Schadstoffe entstehen.

Die in den Abgasbeuteln gesammelten Proben sind entsprechend verdünnte Abgasproben, so dass eine Umrechnung auf den tatsächlich ausgestoßenen Abgasmassenstrom erforderlich ist, da eine korrekte direkte Messung des reinen Abgasmassenstroms derzeit nur mit erhöhtem Aufwand durchführbar ist, Um den Abgasmassenstrom zu bestimmen, wird dieser

daher aus einem zu messenden Verdünnungsluftmassenstrom und dem

kalibrieren.

Beide Massenstrommesser sind je nach Gesetzgebung und Kundenanforderungen mit einer hohen Genauigkeit zu kalibrieren. Problematisch ist jedoch, dass der Abgasmassenstrom aus den beiden großen Volumenströmen des ersten und zweiten Massenstrommessers durch Differenzbildung zu bestimmen ist. Dies hat zur Folge, dass bei einer Abweichung der Messwerte der beiden Massenstrommesser in entgegengesetzte Richtungen je nach relativer Größe des Abgasstroms zum Gesamtstrom sehr große Messfehler im hohen zweistelligen oder sogar niedrigen dreistelligen Prozentbereich bezüglich des Abgasstroms entstehen

können.

Aus diesem Grund wird in der WO 2019/191798 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung eines Massenstrommessers in einer CVS-Anlage offenbart, bei dem die beiden Massenstrommesser aufeinander abgestimmt werden, um einen Drift in entgegengesetzte Richtungen zu vermeiden. Die Kalibrierung erfolgt, indem ein Kalibrierfaktor für den zweiten Massenstrommesser durch Vergleich einer ersten Kohlenstoffdioxidmasse, die über eine gemessene Kohlenstoffdioxidkonzentration im ersten Abgas-Luft-Gemisch über ein erstes Gasanalysegerät bestimmt wird, mit einer zweiten Kohlenstoffdioxidmasse, die in Abhängigkeit der gemessenen Kohlenstoffdioxidkonzentration des Abgasstromes, welche über ein zweites

Gasanalysegerät gemessen wird und den Massenströmen der beiden

Massenstrommesser im Verdünnungsluftkanal und im Mischkanal bestimmt

wird. Durch dieses Verfahren werden Abweichungen zwischen den beiden

Massenstrommessern minimiert, ohne hierfür zusätzliche Geräte zu

benötigen, so dass eine sehr genaue Bestimmung des Abgasmassenstroms

möglich wird.

Da in Zukunft eine weitere Verschärfung der Gesetzgebung zu Abgasgrenzwerten zu erwarten ist, die wahrscheinlich in der Größenordnung der Immissionsgesetzgebung liegt, ist es erforderlich, einen Vergleich der angesaugten Gase mit den emittierten Gasen vornehmen zu können, um beurteilen zu können, welche Emissionen tatsächlich dem Fahrzeug beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine zuzuordnen sind. Dabei sollte für die Ansaugluft auch nicht die Zusammensetzung der Verdünnungsluft vorausgesetzt werden, da sich insbesondere bei Rollenprüfständen in Hallen, die Ansaugluft deutlich von der üblicherweise

über das Dach angesaugte und gefilterte Verdünnungsluft unterscheidet.

Entsprechend besteht das Problem, für zukünftige Szenarien mit sehr geringen Schadstoffmengen, die im Fahrzeug entstehen, dennoch korrekte

Messergebnisse zu ermitteln.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auch mit einer bekannten CVS-Anlage eine Analyse der Abgaszusammensetzung ermöglicht wird und zusätzlich ermittelt werden kann, welche Schadstoffe bereits angesaugt wurden und welche tatsächlich erst im Fahrzeug beziehungsweise in der Verbrennungskraftmaschine

produziert wurden.

Diese Aufgabe wird für die Messung an einer Verbrennungskraftmaschine durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst und für ein Fahrzeug durch die

Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erstes Gasanalysegerät

verwendet, mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes

bestimmt wird, da andernfalls große Fehler durch Undichtigkeiten am

entstehen.

Bei der Bestimmung der Emissionen eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine, werden im Wesentlichen die gleichen Geräte verwendet, allerdings misst ein erstes Gasanalysegerät die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Abgasauslass des Fahrzeugs und nicht an der Verbrennungskraftmaschine. Auch wird nur ein Einlassluftmassenstrom am Fahrzeug durch Subtraktion des Kraftstoffmassenstroms von einem Motorabgasmassenstrom berechnet, da sich im Abgassystem des Fahrzeugs Wasser absetzen kann, welches beim Verbrennungsprozess entsteht, jedoch nicht ausgeschieden wird, so dass sich der berechnete Abgasmassenstrom am Abgasauslass des Fahrzeugs vom entstandenen Abgasmassenstrom an der Verbrennungskraftmaschine unterscheidet. Der Motorabgasmassenstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine wird bestimmt, indem ein Kohlenstoffdioxidanteil eines trockenen Abgasmassenstroms am Abgasauslass des Fahrzeugs bestimmt wird, und aus dem Verhältnis des Wassers zum Kohlendioxid bei der idealen Verbrennung auf einen Wassermassenstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine geschlossen wird, der zur Berechnung des Motorabgasmassenstroms und im Folgenden zur Berechnung des Einlassluftmassenstroms verwendet wird. Dies kann erfolgen, indem der Wassermassenstrom im feuchten Abgas bestimmt wird und die Differenz dieses Wassermassenstroms vom Wassermassenstrom, der über die ideale Verbrennung ermittelt wurde, auf den feuchten Abgasmassenstrom aufaddiert wird. Eine in einem definierten Zeitraum von der Verbrennungskraftmaschine emittierte Masse einer Komponente wird dann durch Subtraktion der berechneten Masse der Komponente am Einlass und am Abgasauslass des Fahrzeugs berechnet, wobei die Masse der Komponente am Einlass aus dem

Einlassluftmassenstrom und der gemessenen Konzentration der

Wasser werden somit zuverlässig vermieden.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Ermitteln des Abgasmassenstroms am Auslass der Verbrennungskraftmaschine oder am Abgasauslass des Fahrzeugs eine Constant Volume Sampling (CVS) Abgasanalyseanlage, mit der ein Mischgasmassenstrom in einem AMischkanal, in den die Verdünnungsluft und der Abgasmassenstrom aus der Verbrennungskraftmaschine strömt, mittels eines ersten Massenstrommessers bestimmt wird, ein Verdünnungsluftmassenstrom in einem Verdünnungsluftkanal mittels eines zweiten Massenstrommessers

gemessen wird, und eine Kohlenstoffdioxidkonzentration (Cmixco,) des

Abgas-Luftgemisches im Mischkanal kontinuierlich und/oder diskontinuierlich über Probebeutel für einen definierten Messzyklus in einem dritten Gasanalysegerät gemessen wird. Ein Kalibrierfaktor (Fxaı) für den ersten Massenstrommesser wird durch Vergleich einer ersten

Kohlenstoffdioxidmasse (Mmixco,) mit einer zweiten Kohlenstoffdioxidmasse (Mexnco,) bestimmt. Die erste Kohlenstoffdioxidmasse (Mmixco,) wird über die gemessene Kohlenstoffdioxidkonzentration (Cmixco,) im dritten

Gasanalysegerät bestimmt, während die zweite Kohlenstoffdioxidmasse

(Mexnco,) in Abhängigkeit der gemessenen Kohlenstoffdioxidkonzentration (Cexnco,) des Mischgasmassenstroms mittels des ersten Gasanalysegerätes

und den Massenströmen (Myix: Mau) der beiden Massenstrommesser

bestimmt wird. Anschließend wird ein Abgasmassenstrom durch

Subtraktion des mittels des Kalibrierfaktors gewichteten

Verdünnungsluftmassenstroms vom AMischgasmassenstrom bestimmt.

Dieses Verfahren ermöglicht einen Abgleich der beiden

Massenstrommesser, wodurch ein sich aufaddierender Messfehler bei der

Berechnung des Abgasmassenstroms vermieden wird.

In einem hierzu weiterführenden Verfahren zur Bestimmung des Kalibrierfaktors (Fxaı) wird eine am dritten Gasanalysegerät ermittelte erste

Kohlenstoffdioxidmasse (Mmixco,) gleichgesetzt mit einer zweiten Kohlenstoffdioxidmasse (Mexnco,)r die errechnet wird, indem die Kohlenstoffdioxidkonzentrationen (Coxnco,) des ersten Gasanalysegerätes

multipliziert mit der Differenz aus den Massenströmen (Muyix: Mau) des ersten Massenstrommessers und des mit einem Kalibrierfaktor (Fra) multiplizierten zweiten Massenstrommessers über die Zeit (t) integriert

wird. Die entsprechende Formel hierzu lautet:

t Mmix co, — | (Muyix Sn Fral X Main) X Cexhco, dt

Das Integral entspricht dabei dem Abgasmassenstrom, berechnet aus der Differenz des Gesamtmassenstroms und dem korrigierten Verdünnungsluftstrom multipliziert mit der Konzentration an CO», welche direkt am Abgasrohr kontinuierlich gemessen wird, welches anschließend über die Messzeit integriert wird und der Masse an CO» entsprechen muss, die am Ende des Mischrohres gemessen wird. So wird der Kalibrierfaktor in Abhängigkeit der Kohlenstoffdioxidkonzentrationen bestimmt, so dass Messwertfehler zwischen den beiden Massenstrommessern durch Gleichsetzung dieser errechneten CO2-Masse am Abgasrohr mit der CO»2Masse am Ende des Mischrohres minimiert werden, wobei die Masse am Ende des Mischrohres abhängig ist von dem Mittels des ersten

Massenstrommessers gemessenen Abgasstroms. Unabhängig von der

Anzahl der vorhandenen Messergebnisse werden gute Ergebnisse für den

Kalibrierfaktor erzielt, wenn der Kalibrierfaktor für den zweiten

Massenstrommesser durch Iteration bestimmt wird.

Vorzugsweise wird der Kraftstoffmassenstrom mittels eines Kraftstoffmassenstrommessers gemessen. Bei genauer Messung des eingespritzten Kraftstoffmassenstroms kann so auf einfache Weise auf den

Ansaugluftstrom durch Subtraktion geschlossen werden.

Alternativ wird der Kraftstoffmassenstrom vorteilhafterweise mittels einer Kohlenstoffbilanz bestimmt, indem alle Kohlenstoffverbindungsmassen mittels des ersten Gasanalysegerätes bestimmt werden, daraus die eingebrachte Kohlenstoffmasse des Kraftstoffs berechnet wird, woraufhin aus der Kohlenstoffmasse und der bekannten chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs auf einen Kraftstoffmassenstrom geschlossen wird. Die Kohlenstoffmasse lässt sich über die jeweiligen Konzentrationen der verzichtet werden kann. Eine weitere alternative vorteilhafte Möglichkeit zur Bestimmung des Kraftstoffmassenstroms ist es, den Kohlenstoffdioxidstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen und durch Annahme einer idealen Verbrennung aus dem Kohlenstoffdioxidstrom auf den eingebrachten Kraftstoffmassenstrom zu schließen. Auch diese Art der Kraftstoffmassenstrombestimmung ist kostengünstig durchführbar. In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Bestimmung der Emissionen eines Fahrzeugs wird aus dem berechneten Wasseranteil am Auslass der Verbrennungskraftmaschine und dem Kohlenstoffdioxidstrom am Abgasauslass des Fahrzeugs ein eingebrachter Kraftstoffmassenstrom

Eine weitere alternative vorteilhafte Möglichkeit zur Bestimmung des Kraftstoffmassenstroms ist es, den Kohlenstoffdioxidstrom am Auslass der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen und durch Annahme einer idealen Verbrennung aus dem Kohlenstoffdioxidstrom auf den eingebrachten Kraftstoffmassenstrom zu schließen. Auch diese Art der

Kraftstoffmassenstrombestimmung ist kostengünstig durchführbar.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Bestimmung der Emissionen eines Fahrzeugs wird aus dem berechneten Wasseranteil am Auslass der Verbrennungskraftmaschine und dem Kohlenstoffdioxidstrom

am Abgasauslass des Fahrzeugs ein eingebrachter Kraftstoffmassenstrom

berechnet. Da ohnehin eine Messung und Annahme einer idealen

Verbrennung zur Bestimmung des Wasserstroms notwendig ist, wird in

diesem Fall ohne größeren Rechenaufwand auch ein Kraftstoffmassenstrom

auf einfache Weise bestimmt.

Es wird somit ein Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine sowie eines Fahrzeugs mit einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt, mit dem es möglich wird, die in der Verbrennungskraftmaschine entstehenden Schadstoffmassen und nicht nur die von der Verbrennungskraftmaschine emittierten Massen exakt zu bestimmen, da die vorhandenen Immissionen des Fahrzeugs oder der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt werden. So kann auch für zukünftige Gesetzgebungen mit CVS-Anlagen die sehr geringen Schadstoffmengen, die im Fahrzeug entstehen, mit hoher

Genauigkeit bestimmt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist,

näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Abgasanalyseanlage mit

einem Fahrzeug; und

Fig. 2 ein Diagramm mit Ergebnissen des erfindungsgemäßen

Verfahrens.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Abgasanalyseanlage zur Durchführung des

Verfahrens.

Die in der Fig. 1 dargestellte Abgasanalyseanlage ist eine CVSAbgasanalyseanlage und besteht aus einem Luftfilter 10, über den ein Luftstrom in einen Verdünnungsluftkanal 12 gesaugt werden kann. Dieser

Verdünnungsluftkanal 12 mündet in einen Mischkanal 14, in den zusätzlich

Ultraschall-Laufzeitdifferentialverfahren nutzen.

Im Fahrzeug 18 befindet sich eine Verbrennungskraftmaschine 28, die einen Einlass 30 und einen Auslass 32 aufweist und die über eine Einspritzvorrichtung 34 mit Kraftstoff zur Verbrennung versorgt wird. Vom Auslass 32 der Verbrennungskraftmaschine 28 führt ein Abgasstrang 36 zu einem Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18, der mit dem Abgaskanal 16 verbunden ist. Im Bereich des Abgasauslasses 38 zweigt vom Abgaskanal 16 ein Probenahmekanal 40 ab, der zu einem ersten Gasanalysegerät 42 führt, mittels dessen die Konzentrationen verschiedener Inhaltsstoffe des Abgasstroms, wie beispielsweise THC, NO/NO; /NOx, CO, CO», O2, CHa, N2O, NHz3 und SO; direkt und kontinuierlich analysiert werden können. Hierzu können im ersten Gasanalysegerät 42 zumindest eines oder mehrere der folgenden Vorrichtungen angeordnet sein: Quantenkaskadenlaser, Flammenionisationsdetektoren, Chemilumineszenzdetektoren, paramagnetische Sauerstoffgasanalysatoren, und, insbesondere zur

Kohlendioxidkonzentrationsmessung, Infrarotdetektoren (FTIR, NDIR) zur

Analyse des Mischgases. Des Weiteren wird am Einlass 30 der

Verbrennungskraftmaschine 28 beziehungsweise des Fahrzeugs 18 eine

Probe genommen, die über ein zweites Gasanalysegerät 44 analysiert

werden kann. Hier können gleiche Messgeräte verwendet werden, wie am

ersten Gasanalysegerät 42.

Ein Abgasmassenstrom aus dem Abgaskanal 16 und die Verdünnungsluft aus dem Verdünnungsluftkanal 12 werden an einer Mündung 46 des Abgaskanals 16 gemischt, wobei zur Verbesserung der Mischung mit der Verdünnungsluft nicht dargestellte Blenden oder besondere Einströmrohre verwendet werden können. Der Bereich stromabwärts der Mündung 46 bildet entsprechend einen Mischbereich 48, der als Anfang des Mischkanals 14 dient.

Stromabwärts dieses Mischbereichs 48, also nachdem eine möglichst gleichmäßige Durchmischung der Verdünnungsluft und des Abgases erfolgt ist, und stromaufwärts der Venturidüse 20 ragt oder ragen in den Mischkanal 14 eine oder mehrere Probenahmesonden 50, über die ein zu analysierender Mischstrom des Abgas-Luft-Gemischs entnommen werden kann. Der Mischstrom wird in einen Schrank 52 geleitet, in dem Probebeutel 54 angeordnet sind, die mit diesem Abgas-Luft-Gemisch befüllt werden. Die Probebeutel 54 sind mit einem dritten Gasanalysegerät 56 verbunden. Mittels der Messwerte des ersten Massenstrommessers 24 und der mittels des dritten Gasanalysegerätes 56 bestimmten Konzentration eines bestimmten Inhaltsstoffes im Mischgasstrom kann durch Integration über ein bestimmtes Zeitintervall eine Masse des analysierten Inhaltsstoffs

im Mischgasstrom in bekannter Weise berechnet werden. Um die Emissionen des Fahrzeugs 18 exakt bestimmen zu können, ist es

notwendig, für alle relevanten Inhaltsstoffe eine Gesamtbilanz über das

Fahrzeug 18 durchzuführen. Hierzu ist es notwendig, den

können.

Da derzeit weder exakt arbeitende Abgasmassenstromsensoren bekannt sind noch am Fahrzeug ein genauer Einlassluftmassenstrom berechnet werden kann, da die Ansaug- und Filteranlage nicht vollständig dicht ist, ist es zunächst erforderlich, den Abgasmassenstrom durch Berechnung zu bestimmen. Eine Möglichkeit zur Berechnung des Abgasmassenstroms ist es, eine Differenz des Mischgasmassenstroms und des Verdünnungsluftstroms zu bilden, so dass die CVS-Anlage als Vorrichtung 58 zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms am Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18 dient. Problematisch ist jedoch, dass es sich um zwei relativ große Massenströme handelt, aus denen ein kleiner Abgasmassenstrom berechnet werden soll, denn in einem solchen Fall treten große Fehler bei der Berechnung auf, da der Abgasmassenstrom bei Abweichungen der beiden Massenstrommesser 24, 26 in unterschiedliche

Richtungen sehr fehlerbehaftet berechnet wird.

Aus diesem Grund ist es notwendig, den zweiten Massenstrommesser 26 zum ersten Massenstrommesser 24 zu kalibrieren, um diese sich

multiplizierenden Messfehler zu vermeiden.

Hierzu wird erfindungsgemäß der zweite Massenstrommesser 26, der den Luftstrom misst, zum ersten Massenstrommesser 24, der den Luft-AbgasMischstrom misst, kalibriert, indem die Kohlenstoffdioxidmasse, die sich aus dem Massenstrom des dritten Gasanalysegeräts 56 ergibt, gleichgesetzt wird mit der Kohlenstoffdioxidmasse im Abgasstrom, die sich aus den

Messwerten des ersten Gasanalysegerätes 42 ergibt.

Die Formel hierzu lautet:

Mpix co, = Mexhco, für eine definierte Messphase.

Dabei ergibt sich Mmixco, direkt aus den Messwerten des dritten

Gasanalysegerätes 56 sowie des ersten Massenstrommessers 24 im Mischkanal 14 zu:

Et. Mmixco, 7 LS Mpix X Cmixco, dt, wobei mx der Massenstrom des Abgas-Luftgemisches gemessen am ersten

Massenstrommesser 24 ist und Cmixco, die am dritten Gasanalysegerät 56

ermittelte Kohlenstoffdioxidkonzentration ist. Die zu bestimmende Kohlenstoffdioxidmasse im Abgaskanal 16 ergibt sich

aUS:

Mcoz dt Mexh ’

Mexh co, = SS Oyix — Frat X Mai) X Cexnco, X wobei Myix — Frat X Mai = Mexn ı also der Gasmassenstrom im Abgaskanal 16 ist, der sich errechnet aus der Differenz des Gasmassenstroms Myix im Mischkanal 14 und dem Verdünnungsluftmassenstrom mau im Verdünnungsluftkanal 12 multipliziert mit einem Kalibrierfaktor Frxai, der bei

exakt gleich messenden Massenstrommessern 24, 26 entsprechend 1 wäre.

Cexhco, ist die am ersten Gasanalysegerät 42 gemessene

Kohlenstoffdioxidkonzentration im Abgaskanal 16. Mcoz und Mexx sind die

molaren Massen des Kohlenstoffdioxids und des Abgasstroms.

Im Folgenden wird einerseits ein Faktor Karyzwet genutzt, über den von einem trockenen Zustand auf den vorhandenen bzw. gemäß den Regularien definierten feuchten Zustand des Abgasstroms umgerechnet wird und andererseits der Faktor ucoz genutzt, der den Quotienten der Dichte des Kohlenstoffdioxids zur Dichte des Abgases bildet, so dass

Dichteunterschiede ebenfalls berücksichtigt werden.

Die zu l6sende Formel lautet dann:

ty . Mmix co, — LS (Muyix Sn Fral X Main) X Cexhco, X Karyzwet X uco„ dt.

Um diese Formel aufzulösen und den Kalibrierfaktor Fxaı Zu bestimmen, wird

ein iteratives Verfahren angewendet, bei dem zunächst zwei

Hilfskalibrierfaktoren festgelegt werden, welche einen gleichen Abstand

vom Wert 1 haben, also beispielsweise 0,98 und 1,02 betragen. Für diese

beiden Faktoren wird ein Vergleich zwischen den sich ergebenden

Differenzen der Kohlenstoffdioxidmassen berechnet.

tr. . . Mmix co, nn % (Myix — 0,98 x Mai) X Cexhco, X Karyzwet X uco„ dt — f (0,98);

tr. . Mmix co, nn % (Myix — 1,02 x Mai) X Cexhco, X Karyzwet X uco„ dt — f(1,02).

Diese Werte lassen sich konkret für beliebige Messzeiträume t errechnen und werden mittels einer linearen Gleichung g(x) miteinander verbunden. Anschließend wird der Wert g(0) für diese Gleichung ermittelt, wie dies auch

in Figur 2 dargestellt ist.

Im Folgenden werden erneut zwei Hilfskalibrierfaktoren festgelegt, welche vom ermittelten Wert g(0), der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bei 1,005 liegt, lediglich den halben Abstand von dem aufweisen, was zu Beginn als Abweichung vom Wert 0 angenommen wurde. In diesem Fall somit einen

Abstand von 0,01. Im Folgenden lauten somit die Gleichungen:

tr. . Mmix co, nn % (Myix nn 0,995 X Mai) X Cexhco, X Karyzwet X uco„ dt — fF(0,995);

tr. . Mmix co, nn % (Myix nn 1,015 X Mai) X Cexhco, X Karyzwet X uco„ dt — f(1,015).

Diese beiden Werte werden erneut durch eine lineare Gleichung g(x) miteinander verbunden und erneut für diese Gleichung g(0) bestimmt und der so ermittelte Wert als Vorkalibrierfaktor definiert. Daraufhin wird das

Fenster erneut halbiert und zwar um den Punkt g(0).

Nach ca. fünf Iterationsschritten wird auf diese Weise ein sehr genaues

Ergebnis für den Vorkalibrierfaktor erreicht, der dann als Kalibrierfaktor Fra

in den folgenden Messphasen genutzt wird. Entsprechend kann mit der

Formel Myix — Fra X Mau = Mexn der Abgasmassenstrom über die Messwerte

des Mischgasmassenstroms und des Verdünnungsluftstroms berechnet

werden. Neben dem iterativen Verfahren zur Bestimmung des

Nichtlinearitätsfaktors kann dieser gegebenenfalls auch durch eine

Polynomialfunktion bestimmt werden.

Im Folgenden kann nun zur Bestimmung der Massen an Schadstoffen, die vom Fahrzeug produziert werden, eine Bilanz über das Fahrzeug berechnet werden. Dabei sind die eingehenden Massenströme der

Ansaugluftmassenstrom ra, und der Kraftstoffmassenstrom my„eı UNd der

austretende Massenstrom der zuvor berechnete m.xp.

Für jede Komponente gilt nun, dass die vom Fahrzeug erzeugte Masse

Mpzgomp 5 Mexhgomp 7 MiAgomp ist. Des Weiteren gilt, dass Mexhgomp — SS Onexn) X Cexhxomp X 7 dt

sowie

MiAgomp ING) X CiAxomp X em gr,

Der Einlassmassenstrom ist bei Fahrzeugapplikationen aufgrund von Undichtheiten im Ansaugsystem selten genau bestimmbar, sodass man diesen durch Berechnungen erhalten kann. Da also der Einlassluftmassenstrom nicht genau durch Messung zu bestimmen ist, ist auch hier eine Berechnung notwendig. Es folgt aus der Massenstrombilanz, dass Mexn — Mfuei = Ma St. Kann der Kraftstoffmassenstrom messtechnisch erfasst werden, ergibt sich der Ansaugluftmassenstrom aus der zuvor gezeigten Bilanzrechnung. Bei exakter Messung kann somit der Kraftstoffmassenstrom gemessen und in die Formel zur Bestimmung des

Einlassluftmassenstroms eingesetzt werden.

Zumeist wird jedoch der Kraftstoffmassenstrom nicht exakt genug

gemessen bzw. kann oder soll nicht direkt gemessen werden, so dass es

erforderlich ist, diesen anders zu bestimmen.

Entsprechend kann die Berechnung erfolgen, indem der Kraftstoffmassenstrom mittels einer Kohlenstoffbilanz bestimmt wird. Hierzu werden alle Massen der Kohlenstoffverbindungen mittels des ersten Gasanalysegerätes 42 und des berechneten Abgasmassenstroms bestimmt und daraus die eingebrachte Kohlenstoffmasse des Kraftstoffs berechnet. Aus der Kohlenstoffmasse und der bekannten chemischen Zusammensetzung des Kraftstoffs kann dann zuverlässig auf einen

Kraftstoffmassenstrom geschlossen werden.

Auch ist es möglich, den Kraftstoffmassenstrom am Auslass 32 der Verbrennungskraftmaschine 28 zu bestimmen, indem lediglich der Kohlenstoffdioxidstrom am Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18 bestimmt wird und durch Annahme einer idealen Verbrennung aus dem Kohlenstoffdioxidstrom auf den eingebrachten Kraftstoffmassenstrom

geschlossen wird.

Es ist jedoch noch zu beachten, dass bei der Bestimmung des Einlassluftmassenstroms aus dem Abgasmassenstrom und dem Kraftstoffmassenstrom, der berechnete Abgasmassenstrom, dem Abgasmassenstrom am Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18 entspricht, während die Formel men — Mfueı = Ma Nur für den Fall gilt, dass keine Masse im Bereich des Fahrzeugs 18 verbleibt und somit mit einem Abgasmassenstrom am Auslass 32 der Verbrennungskraftmaschine 28 gerechnet wird. Um den Abgasmassenstrom am Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18 in einen Motorabgasmassenstrom am Auslass 32 der Verbrennungskraftmaschine 28 umzurechnen, wird ein Kohlenstoffdioxidanteil, also eine Masse an Kohlendioxid im

Abgasmassenstrom am Abgasauslass 38 des Fahrzeugs 18 mittels des

ersten Gasanalysegerätes 42 und des bereits errechneten

tr. Abgasmassenstroms entsprechend der Formel mMexpco, = So Mexn) X Cexhco» X

Akcoz dt bestimmt. Aus diesem Ergebnis ergibt sich unter der Annahme einer

exh

idealen Verbrennung ein Wassermassenstrom, der durch die Verbrennung unter Annahme einer idealen Verbrennung entsteht. Dieser muss zu einem trockenen Abgasstrom aufaddiert werden, um einen feuchten Motorabgasmassenstrom am Auslass 32 der Verbrennungskraftmaschine 28 zu berechnen, wobei der trockene Abgasmassenstrom aus dem Abgasmassenstrom am Abgasauslass 38 vermindert um den dort vorhandenen Wasseranteil, der über das erste Gasanalysegerät 42 bestimmt werden kann, berechnet wird, während der in der Ansaugluft vorhandene Wasseranteil aufzuaddieren ist, der über das

zweite Gasanalysegerät 44 bestimmt werden kann.

Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass bei zukünftigen Schadstoffmessungen, bei denen gegebenenfalls der Anteil des Kohlenstoffdioxids am Auslass größenmäßig eher im Bereich des Anteils in der Ansaugluft zu erwarten ist, in der Bilanzierung des Kohlenstoffdioxids auch dessen Anteil in der angesaugten Luft zu ermitteln und zu berücksichtigen ist, welcher derzeit aufgrund der beträchtlichen

Größenordnungsunterschiede vernachlässigt werden kann.

Der Einlassluftmassenstrom wird dann durch Differenz des Motorabgasmassenstroms und des Kraftstoffstroms berechnet. Wenn dieser Massenstrom bekannt ist, kann entsprechend zu jeder Komponente in der beschriebenen Weise mittels der Messwerte der Gasanalysegeräte 42, 44, 56 eine dem Fahrzeug 18 zuzuordnende Emission jeder chemischen

Komponente berechnet werden.

Es sollte deutlich sein, dass die Erfindung nicht auf das beschriebene

Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere kann der

Kraftstoffmassenstrom auf verschiedene Arten bestimmt werden. Auch

kann die Berechnung selbstverständlich auch für einen Verbrennungsmotor

ohne Fahrzeug genutzt werden, wobei dann auf die Umrechnung zwischen

den Abgasmassenströmen am Motorauslass und am Abgasauslass des

Fahrzeugs verzichtet werden kann. Auch sind verschiedene Verfahren zur

Bestimmung des Abgasmassenstroms am Auslass des Fahrzeugs denkbar. Des Weiteren sollte klar sein, dass das in der Verdünnungsluft enthaltene

Kohlenstoffdioxid, wie es gesetzlich vorgeschrieben ist, bei der Berechnung

über den Verdünnungsfaktor abgezogen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine (28) mit einem ersten Gasanalysegerät (42), mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) gemessen wird, mit einem zweiten Gasanalysegerät (44), mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes der Einlassluft an der Verbrennungskraftmaschine (28) gemessen wird, und mit einer Vorrichtung (58), über die ein Abgasmassenstrom am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffmassenstrom bestimmt wird, ein Einlassluftmassenstrom durch Subtraktion des Kraftstoffmassenstroms vom Abgasmassenstrom berechnet wird, eine in einem definierten Zeitraum von der Verbrennungskraftmaschine (28) emittierte Masse einer Komponente durch Subtraktion der berechneten Masse der Komponente am Einlass (30) und am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) berechnet wird, wobei die Masse der Komponente am Einlass (30) aus dem Einlassluftmassenstrom und der gemessenen Konzentration der Komponente am Einlass (30) berechnet wird und die Masse der Komponente am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) aus dem Abgasmassenstrom und der gemessenen Konzentration der Komponente am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28)

ermittelt wird.

2. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen eines Fahrzeugs (18) mit

einer Verbrennungskraftmaschine (28),

mit einem ersten Gasanalysegerät (42), mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes des Abgases an einem Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) gemessen wird, mit einem zweiten Gasanalysegerät (44), mittels dessen die Konzentration zumindest eines Inhaltsstoffes der Einlassluft am Fahrzeug (18) gemessen wird, und mit einer Vorrichtung (58), über die ein Abgasmassenstrom am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftstoffmassenstrom bestimmt wird, ein Einlassluftmassenstrom des Fahrzeugs (18) durch Subtraktion des Kraftstoffmassenstroms von einem Motorabgasmassenstrom berechnet wird, wobei der Motorabgasmassenstrom am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) bestimmt wird, indem ein Kohlenstoffdioxidanteil eines trockenen Abgasmassenstroms am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) bestimmt wird, und aus dem Verhältnis des Wassers zum Kohlenstoffdioxid bei der idealen Verbrennung auf einen Wassermassenstrom am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) geschlossen wird, der zur Berechnung des Motorabgasmassenstroms am Auslass (28) der Verbrennungskraftmaschine (28) aus dem berechneten Abgasmassenstrom am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) verwendet wird, wobei eine in einem definierten Zeitraum von der Verbrennungskraftmaschine (28) emittierte Masse einer Komponente durch Subtraktion der berechneten Masse der Komponente am Einlass (30 Jund am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) berechnet wird, wobei die Masse der Komponente am Einlass (30) aus dem Einlassluftrmassenstrom und der gemessenen Konzentration der

Komponente am Einlass (30) berechnet wird und die Masse der

Komponente am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) aus dem

Abgasmassenstrom am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) und der

gemessenen Konzentration der Komponente am Abgasauslass (38) des

Fahrzeugs (18) berechnet wird.

3. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (58) zum Ermitteln des Abgasmassenstroms am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) oder am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) eine Constant Volume Sampling (CVS) Abgasanalyseanlage ist, mit der ein Mischgasmassenstrom in einem Mischkanal (14), in den die Verdünnungsluft und der Abgasmassenstrom aus der Verbrennungskraftmaschine (28) strömt, mittels eines ersten Massenstrommessers (24) bestimmt wird, ein Verdünnungsluftmassenstrom in einem Verdünnungsluftkanal (12) mittels eines zweiten Massenstrommessers (26) gemessen wird, eine Kohlenstoffdioxidkonzentration des Abgas-Luftgemisches im Mischkanal (14) kontinuierlich und/oder diskontinuierlich über Probebeutel (54) für einen definierten Messzyklus in einem dritten Gasanalysegerät (56) gemessen wird, wobei ein Kalibrierfaktor für den ersten Massenstrommesser (24) durch Vergleich einer ersten Kohlenstoffdioxidmasse, die über die gemessene Kohlenstoffdioxidkonzentration im dritten Gasanalysegerät (56) bestimmt wird, mit einer zweiten Kohlenstoffdioxidmasse, die in Abhängigkeit der gemessenen Kohlenstoffdioxidkonzentration des Mischgasmassenstroms mittels des ersten Gasanalysegerätes (42) und den Massenströmen der beiden Massenstrommesser (24, 26) bestimmt wird, und anschließend ein Abgasmassenstrom durch Subtraktion des

mittels des Kalibrierfaktors gewichteten

wird.

4. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Kalibrierfaktors eine am dritten Gasanalysegerät (56) ermittelte erste Kohlenstoffdioxidmasse gleichgesetzt wird mit einer zweiten Kohlenstoffdioxidmasse, die errechnet wird, indem die Kohlenstoffdioxidkonzentrationen des ersten Gasanalysegerätes (42) multipliziert mit der Differenz aus den Massenströmen des ersten Massenstrommessers (24) und des mit einem Kalibrierfaktor multiplizierten zweiten Massenstrommessers (26) über die Zeit

integriert wird.

5. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffmassenstrom mittels eines

Kraftstoffmassenstrommessers gemessen wird.

6. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffmassenstrom mittels einer Kohlenstoffbilanz bestimmt wird, indem alle Kohlenstoffverbindungsmassen mittels des ersten Gasanalysegerätes (42) bestimmt werden, daraus die eingebrachte Kohlenstoffmasse des Kraftstoffs berechnet wird, woraufhin aus der Kohlenstoffmasse und der bekannten chemischen Zusammensetzung

des Kraftstoffs auf einen Kraftstoffmassenstrom geschlossen wird.

7. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffmassenstrom bestimmt wird, indem der Kohlenstoffdioxidstrom am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) bestimmt wird und durch Annahme einer idealen Verbrennung aus dem Kohlenstoffdioxidstrom auf den

eingebrachten Kraftstoffmassenstrom geschlossen wird.

8. Verfahren zur Bestimmung der Emissionen einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem berechneten Wasseranteil am Auslass (32) der Verbrennungskraftmaschine (28) und dem Kohlenstoffdioxidstrom am Abgasauslass (38) des Fahrzeugs (18) ein _ eingebrachter

Kraftstoffmassenstrom berechnet wird.