AT527329A1 - Verfahren zur Messwertkorrektur sowie Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines Messgases - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messwertkorrektur sowie eine Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei in einem Messgerät (26) mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases gemessen wird, welches zu zumindest einem ersten Nebengas und einem zweiten Nebengas im Abgasprobenstrom Querempfindlichkeiten aufweist, über einen Sensor (42) eine Konzentration des ersten Nebengases im Abgasprobenstrom gemessen, eine Konzentration des zweiten Nebengases bestimmt, eine erste Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der gemessenen Konzentration des ersten Nebengases vorgenommen und eine zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der Konzentration des zweiten Nebengases vorgenommen wird. Dabei wird bei Vorliegen einer Abhängigkeit der Konzentration der Nebengase im Abgasstrom die Konzentration des zweiten Nebengases aus der ermittelten Konzentration des ersten Nebengases in Abhängigkeit des verwendeten Kraftstoffs berechnet, und die zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases wird in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der berechneten Konzentration des zweiten Nebengases vorgenommen.
Description
Verfahren zur Messwertkorrektur sowie Vorrichtung zur
Konzentrationsmessung eines Messgases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine, wobei in einem Messgerät mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases gemessen wird, welches zu zumindest einem ersten Nebengas und einem zweiten Nebengas im Abgasprobenstrom Querempfindlichkeiten aufweist, über einen Sensor eine Konzentration des ersten Nebengases im Abgasprobenstrom gemessen wird, eine Konzentration des zweiten Nebengases bestimmt wird, eine erste Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der gemessenen Konzentration des ersten Nebengases vorgenommen wird und eine zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der Konzentration des zweiten Nebengases vorgenommen wird, sowie eine Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem _Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases im Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Messgerät, über welches mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases messbar ist, und einem Sensor, über welchen mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration eines ersten Nebengases messbar ist, zu welchem das Messgas eine Querempfindlichkeit
aufweist.
Gasanalysatoren, die auf Basis der Infrarotabsorptionsspektroskopie Konzentrationen von einzelnen Gasen in Gasgemischen bestimmen, sind bekannt. Diese arbeiten in verschiedenen Frequenzbereichen. Neben den seit Jahren bekannten nichtdispersiven Infrarotspektrometern (NDIR) oder dem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer (FTIR) sind in den letzten Jahren zur Abgasanalyse vermehrt auch Quantenkaskadenlaser oder
abstimmbare Diodenlaser eingeführt worden, welche eine bessere spektrale Auflösung zum Abtasten einer spezifischen Absorptionslinie aufweisen.
Unabhängig vom verwendeten Verfahren zur Infrarotspektroskopie entstehen jedoch bei der Abgasanalyse Fehler durch Querempfindlichkeiten
zu anderen im Gasgemisch vorhandenen Gasen.
Entsprechend wird in der US 2003/0080295 A1 zur Messung einer Ammoniakkonzentration vorgeschlagen, die Fehler durch vorhandene Querempfindlichkeiten zu Kohlendioxid und Wasserdampf dadurch auszuschließen, dass eine einzige Strahlungsquelle verwendet wird, die in der Lage ist, einen Ammoniakübergang in einem Absorptionsband also bei einer Wellenlänge des verwendeten Lasers bei im Wesentlichen nahe 2 um spektral abzufragen. Bei dieser Messung soll der Ammoniakübergang im Wesentlichen von der störenden Absorption durch Kohlendioxid und Wasserdampf isoliert sein. Ein solches Verfahren führt jedoch zu einem sehr hohen apparativen Aufwand. Eine vollständige Isolation der Frequenzbänder wird nicht erreicht.
Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mit denen die Messgenauigkeit zur Konzentration eines Messgases auch bei Querempfindlichkeiten zu andere Gasen verbessert wird und der apparative Aufwand möglichst gering gehalten werden kann. Zusätzlich sollen durch diese Messung bei minimierter Messverzögerung zuverlässige Messwerte
erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach
einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem
Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine wird in einem Messgerät mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases gemessen. Dieses Messgas weist zu zumindest einem ersten Nebengas und einem zweiten Nebengas im Abgasprobenstrom Querempfindlichkeiten auf, was bedeutet, dass die ermittelten Messwerte bei Anwesenheit dieser Nebengase eine entweder einen zu großen oder
einen zu kleinen Messwert anzeigen.
Zusätzlich wird über einen Sensor eine Konzentration des ersten Nebengases im Abgasprobenstrom gemessen. Des Weiteren wird eine Konzentration des zweiten Nebengases bestimmt, so dass eine erste Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der gemessenen Konzentration des ersten Nebengases vorgenommen wird und eine zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der Konzentration
des zweiten Nebengases vorgenommen wird.
Bei der Messung des zweiten Nebengases entsteht ein erhöhter apparativer Aufwand. Des Weiteren ist es fraglich, ob alle zur Messung verwendeten Sensoren eine ausreichende Schnelligkeit bei der Analyse aufweisen. Um nun diesem Problem zu entgehen, wird vor der Durchführung der Messung eine Abhängigkeit der Konzentration des zweiten Nebengases vom ersten Nebengas für verschiedene Kraftstoffe und Verbrennungsprozesse ermittelt. Es entstehen beim Verbrennungsprozess Nebengase, von denen
bekannt ist, dass eine solche Abhängigkeit vorhanden ist, jedoch fällt diese Abhängigkeit üblicherweise für verschiedene Kraftstoffe und damit Verbrennungsprozesse unterschiedlich aus.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Abhängigkeit für jeden verwendeten Kraftstoff lediglich einmalig ermittelt werden muss, während bei einer späteren Messung diese Abhängigkeiten hinterlegt sind. Für den Fall, dass eine solche Abhängigkeit vorab festgestellt worden ist, wird bei der Messung des Messgases zur Korrektur des Messergebnisses lediglich die Konzentration des ersten Nebengases gemessen und die Konzentration des zweiten Nebengases aus der ermittelten Konzentration des ersten Nebengases in Abhängigkeit des verwendeten Kraftstoffs berechnet, was beinahe ohne Zeitverlust möglich ist.
Entsprechend wird dann im Folgenden die erste Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der gemessenen Konzentration des ersten Nebengases vorgenommen die zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der berechneten Konzentration des
zweiten Nebengases vorgenommen.
So kann bei einer vorhandenen Querempfindlichkeit eines Messgases zu zwei Nebengasen lediglich die Konzentration des einen Nebengases gemessen werden. Hierfür ist vorzugsweise das Nebengas auszuwählen, zu dem ein Sensor verfügbar ist, dessen Verzögerungszeiten möglichst gering sind, beziehungsweise den Verzögerungszeiten des Messgerätes zur Konzentrationsbestimmung des Messgases entsprechen. Auf diese Weise kann der Messwert eines Messgerätes, dessen Messergebnisse durch den Einfluss zweier Gase auf das Messgas beeinflusst werden, mit nur einem zusätzlichen Messgerät korrigiert werden. Dies verringert den apparativen Aufwand und somit die entstehenden Kosten. Zusätzlich kann eine
zeitgenaue Messung beinahe ohne Verzögerung durchgeführt werden, welche zu hochgenauen Messergebnissen führt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine, mit der ein solches Verfahren durchgeführt werden kann, weist ein Messgerät, über welches mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases messbar ist, und einen Sensor auf, über welchen Mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration eines ersten Nebengases messbar ist, zu welchem das Messgas eine Querempfindlichkeit aufweist. Die Vorrichtung weist zusätzlich erfindungsgemäß eine Korrektureinheit auf, in der zumindest ein Kennfeld oder eine Gleichung hinterlegt ist, in dem oder in der für den in der Verbrennungskraftmaschine verwendeten Kraftstoff eine Abhängigkeit des ersten Nebengases zu einem zweiten Nebengas dargestellt ist, wobei das zweite Nebengas ebenfalls eine Querempfindlichkeit zum Messgas aufweist. In der Korrektureinheit ist so die über das Messgerät bestimmte Konzentration des Messgases mittels eines ersten Korrekturfaktors in Abhängigkeit der über den Sensor gemessenen Konzentration des ersten Nebengases korrigierbar und mittels eines zweiten Korrekturfaktors in Abhängigkeit der in der Korrektureinheit berechneten Konzentration des ersten MNebengases Kkorrigierbar. Entsprechend kann Mittels dieser Vorrichtung auf einen Sensor zur Bestimmung der Konzentration des zweiten Nebengases verzichtet werden. Des Weiteren kann die Wahl des Nebengases, dessen Wert gemessen wird, von der minimal erreichbaren Verzögerungszeit abhängig gemacht werden, so dass eine Korrektur des Messergebnisses beinahe in Echtzeit erfolgen
kann.
Die erste Messwertkorrektur wird vorzugsweise durch einen zu ermittelnden Korrekturfaktor vorgenommen, der linear abhängig ist von dem Anteil des ersten Nebengases im Abgasprobenstrom und die zweite Messwertkorrektur
wird durch einen zweiten zu ermittelnden Korrekturfaktor vorgenommen, der linear abhängig ist von dem Anteil des zweiten Nebengases im Abgasprobenstrom. So kann auf einfache Weise eine Korrektur des
ermittelten Messgasanteils prozentual vorgenommen werden.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung weist das Messgerät einen ersten Messkanal auf, über den die Konzentration des Messgases gemessen wird und einen zweiten Messkanal auf, der als Sensor dient und über den die Konzentration des ersten Nebengases gemessen wird. Entsprechend können die zur Korrektur benötigen Messwerte mittels lediglich einen Messgerätes ermittelt werden. Auf zusätzliche analytische Messgeräte oder Sensoren kann somit verzichtet werden, wodurch der Aufbau vereinfacht wird und somit Kosten eingespart werden können. Dennoch liegen die Messergebnisse simultan und mit minimalen
Zeitverzögerungen vor.
Alternativ kann die Konzentration des ersten Nebengases über einen nichtdispersiven Infrarotsensor als Sensor gemessen werden. Dieser ist günstiger in der Herstellung und liefert insbesondere für kohlenstoffhaltige
Gase sehr genaue und zuverlässige Messwerte mit minimaler Verzögerung.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Messgerät zur Infrarotabsorptionsspektroskopie zur Ermittlung der Konzentration des Messgases als Laserlichtquelle einen Quantenkaskadenlaser oder einen abstimmbaren Diodenlaser auf. Bei der Absorptionsspektroskopie mit abstimmbarem Diodenlaser (TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)) ist als Methode sowohl die direkte Modulation des Lasers möglich, bei der die Wellenlänge auf dem Weg durch das Volumen kontinuierlich abgestimmt wird oder es kann die Wellenlängenmodulationsspektroskopie verwendet werden, bei der zusätzlich über das Absorptionsprofil hochfrequent moduliert wird. Quantenkaskadenlaser und TDLAS können im Mittleren und fernen
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Infrarotbereich arbeiten, und liefern hochselektive Ergebnisse insbesondere bei der Messung von Stickstoffverbindungen im ppm-Bereich.
Auch ist es vorteilhaft, wenn im Sensor als Laserlichtquelle zur Infrarotabsorptionsspektroskopie zur Ermittlung der Konzentration des ersten Nebengases ein Quantenkaskadenlaser oder ein abstimmbarer Diodenlaser verwendet wird, so dass auch das erste Nebengas hochselektiv und genau gemessen werden kann. Hierzu kann entweder ein Sensor zusätzlich zum Messgerät verwendet werden oder der Quantenkaskadenaser beziehungsweise der Diodenlaser des Messgerätes zur Bestimmung der Konzentration des Messgases dient gleichzeitig auch
zur Bestimmung der Konzentration des ersten Nebengases.
Besonders einfach lässt sich das Verfahren und die Vorrichtung nutzen, wenn das erste Nebengas zum zweiten Nebengas im Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine eine lineare oder polynomiale Abhängigkeit aufweist. So kann eine einfache Rechnung in der Korrektureinheit ausgeführt werden, um aus der ermittelten Konzentration des ersten Nebengases die Konzentration des zweiten Nebengases zu berechnen. Lineare Abhängigkeiten sind insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen ohne Abgasrückführung bekannt, während polynomiale Abhängigkeiten bei Verbrennungskraftmaschinen mit
Abgasrückführung mit guter Näherung angenommen werden können.
In einer Ausbildung der Erfindung ist das erste Nebengas Kohlendioxid oder Sauerstoff, dessen Konzentration mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie gemessen wird. Kohlendioxid und Sauerstoff weisen zu verschiedenen Gasen eine Querempfindlichkeit auf und kann mit der Infrarotabsorptionsspektroskopie hochgenau zeitlich aufgelöst gemessen
werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das zweite Nebengas Sauerstoff oder Kohlendioxid, dessen Konzentration aus der Konzentration des ersten
Nebengases ermittelt wird. Es ist bekannt, dass bei Verbrennungsprozessen der Sauerstoffgehalt abhängig ist vom Kohlendioxidgehalt. Hier existiert für Ottomotoren, die mit Benzin, Flüssiggas oder Erdgas betrieben werden ein linearer Zusammenhang zwischen dem vorhandenen Sauerstoff und dem vorhandenen Kohlendioxid für Dieselmotoren mit Abgasrückführung ein polynomialer Zusammenhang. Dies kann genutzt werden zur Errechnung des Sauerstoffgehalts aus der Messung des Kohlendioxidgehaltes im Abgasprobenstrom oder umgekehrt. Bislang wurden zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes insbesondere elektrochemische Sensoren verwendet, welche jedoch eine relativ lange Verzögerungszeit besitzen, so dass zeitnahe Messungen nicht möglich sind. Durch die Berechnung des Sauerstoffgehaltes kann so sowohl auf den entsprechenden Sensor verzichtet werden als auch die Reaktionszeit deutlich verbessert werden.
Das Messgas ist vorzugsweise Ammoniak, welches eine Querempfindlichkeit zu Sauerstoff und Kohlendioxid aufweist, so dass das Verfahren zur Korrektur der Ammoniakkonzentration im Abgasprobenstrom vorteilhaft
genutzt werden kann.
Es wird somit ein Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem _Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine und damit eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit gestellt, durch mit denen bei geringem apparativen Aufwand sehr hohe Messgenauigkeiten mit geringsten Zeitverzögerungen kontinuierlich erzielt werden können, da Fehler durch
Querempfindlichkeiten zuverlässig und einfach eliminiert werden können.
Ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem
Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine anhand eines Beispiels, bei dem Ammoniak das Messgas bildet und Sauerstoff und Kohlendioxid die Nebengase bilden, beschrieben. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Konzentrationsmessung des Messgases Ammoniak,
Figur 2 eine Abweichung der Konzentrationsmesswerte von Ammoniak bei
Anwesenheit von Kohlendioxid,
Figur 3 eine Abweichung der Konzentrationsmesswerte von Ammoniak bei
Anwesenheit von Sauerstoff,
Figur 4 die Abhängigkeit der Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid für Dieselmotoren, die mit Dieselkraftstoff betrieben werden und
Figur 5 die Abhängigkeit der Konzentration von Sauerstoff und Kohlendioxid für Ottomotoren, die mit Erdgas, Benzin oder Flüssiggas betrieben werden.
In Figur 1 ist eine Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt, in der in bekannter Weise ein Kraftstoff-Luftgemisch verbrannt wird. Das dabei entstehende Abgas strömt über einen Abgaskanal 12 in die Umgebung. Zur Reduktion von bei der Verbrennung entstehender schädlicher Stickoxide ist im Abgaskanal 12 ein SCR-Katalysator 14 angeordnet. Im SCR-Katalysator 14 sollen die vorhandenen Stickoxide unter Zugabe von Harnstoff und daraus bei der Thermolyse gebildetem Ammoniak in Stickstoff und Wasser umgewandelt werden. Da jedoch nicht von einer vollständigen Umsetzung des Ammoniaks ausgegangen werden kann, befindet sich gasförmiges
Ammoniak im Abgasstrom.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet das Ammoniak das Messgas, dessen Konzentration in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 15 zur Konzentrationsmessung eines nach einem _Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine
bestimmt werden soll.
Die Vorrichtung 15 weist eine Abgassonde 16 auf, über die stromabwärts des SCR-Katalysators 14 kontinuierlich ein Abgasprobenstrom zur Abgasanalyse entnommen wird. Dieser gelangt über einen beheizten Einlasskanal 18, in dem der Abgasprobenstrom auf eine Temperatur von 150°C bis 191°C konditioniert wird, zu einem Elektromagnetventil 20, über welches der Einlasskanal 18 freigegeben oder unterbrochen werden kann. Bei geöffnetem Elektromagnetventil 20 gelangt der Abgasprobenstrom über einen Abgasprobenkanal 22 zu einem Filter 24, an dem im Abgasprobenstrom vorhandene Feststoffe, wie Ruß oder gegebenenfalls vorhandene Reste von Isocyansäure abgesondert werden.
Im Folgenden wird der Abgasprobenstrom einem Messgerät 26 zur Analyse der Konzentration des Messgases, in diesem Fall des Ammoniaks, zugeführt. Dieses Messgerät 26 nutzt zur Messung der Ammoniakkonzentration die Infrarotabsorptionsspektroskopie. Als Messgerät 26 dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy), der als Lichtquelle 28 zur Erzeugung der Infrarotstrahlung einen abstimmbaren Diodenlaser nutzt. Die Strahlung des Lasers durchläuft einen Messkanal 30, an deren Ende ein Detektor 32 angeordnet ist, über den die entstehenden Absorptionsspektren zur Analyse detektiert werden, die ein Maß für die Konzentration des Messgases im Abgasprobenstrom darstellen.
Diese entstehenden Absorptionsspektren weisen jedoch Querempfindlichkeiten zu anderen im Abgasprobenstrom vorhandenen
Gasen auf. So beeinflusst die Anwesenheit von Wasserdampf, Kohlendioxid und Sauerstoff das aufgenommene Absorptionssektrum.
Es ist daher bekannt, dass diese Querempfindlichkeiten bei der Bestimmung der Konzentration berücksichtigt werden müssen, indem das Ergebnis korrigiert wird.
Im vorliegenden Fall erfolgt dies, indem stromabwärts des Messgerätes 26 ein Teilstrom des Abgasprobenstromes über einen Teilprobengaskanal 34 entnommen wird und einem Wärmetauscher 36 zugeführt wird, in dem der Teilprobengasstrom auf 45°C konditioniert wird und der Druck gemessen wird. Stromabwärts des Wärmetauschers 36 ist im Teilprobengaskanal 34 ein Temperatursensor 38 zur Überwachung der Temperatur angeordnet. Aufgrund der Abkühlung des Probengasstroms entstehende Harnstoffkristalle werden im Folgenden über einen weiteren Filter 40 abgeschieden, der im Teilprobengaskanal 34 vor einem Sensor 42 zur Ermittlung der Konzentration eines ersten Nebengases, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel Kohlendioxid ist, angeordnet ist. Der Sensor ist ein nichtdispersiver Infrarotsensor, bei dem beispielsweise eine Infrarotleuchtdiode als Lichtquelle 44 dient, welche eine als Küvette ausgeführte Probenkammer 46 durchleuchtet, in die der Teilprobenabgasstrom eingeleitet wird. Das Licht wird über mehrere optischen Infrarotfilter 48 auf den gewünschten Infrarotbereich gefiltert und gelangt zu optischen Detektoren 50, über die das Absorptionsspektrum zur Bestimmung der Kohlendioxidkonzentration ermittelt wird. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Kohlendioxidkonzentrationsmessung auch über die abstimmbare LaserAbsorptionsspektroskopie durchzuführen.
Im weiteren Verlauf des Teilprobengaskanals 34 wird zunächst über einen Drucksensor 51 der Druck gemessen, welcher gegebenenfalls in bekannter Weise zur Berichtigung der ermittelten Kohlendioxidkonzentration
herangezogen werden muss oder über eine Konditioniereinrichtung
konstant gehalten wird und hier lediglich zur Überprüfung gemessen wird.
Im weiteren Verlauf strömt der Teilprobenabgasstrom über eine Drossel 52 zu einem elektromagnetischen Schaltventil 54 und zu einer Verzweigung 56, an der zu dem Teilabgasprobenstrom auch der restliche Hauptabgasprobenstrom aus dem Messgerät 26 strömt. In diesem an der Verzweigung 56 mündenden Hauptabgasstromkanal 58 befindet sich ebenfalls eine Drossel 60 und ein elektromagnetisches Schaltventil 62 sowie ein Drucksensor 64. Die Förderung des Abgasprobenstroms im Hauptabgasstromkanal 58 und im Teilprobengaskanal 34 erfolgt über eine Messgaspumpe 66 unter Zwischenschaltung eines weiteren Filters zum Schutz der Messgaspumpe 66. Hinter der Messgaspumpe 66 kann der Abgasprobenstrom entweder abgeführt oder rezirkuliert werden.
Somit kann aufgrund der vorhandenen Sensoren und Messgeräte die Konzentration des Ammoniaks und des Kohledioxids bestimmt werden.
In der Figur 2 ist die Abhängigkeit der gemessenen Ammoniakkonzentration bei Anwesenheit von Kohlendioxid zu erkennen. Mit steigendem Kohlendioxidgehalt zeigt die ermittelte Ammoniakkonzentration eine Abweichung nach unten, so dass der ohne Korrektur ermittelte Ammoniakgehalt bei Anwesenheit von Kohlendioxid geringer ist als der tatsächliche Ammoniakgehalt. Dieser Fehler steigt mit steigendem Anteil an Kohlendioxid im Abgasprobenstrom. Dieser Fehler kann über entsprechende Vorversuche ermittelt werden und entsprechend über einen Korrekturfaktor Ccorr,12 bei der Bestimmung der Ammoniakkonzentration über eine Gleichung der Form Crorr1[%] = —yı ' cı[vol%] herausgerechnet werden. Dabei ist Ccorr,1 der zu verwendende prozentuale Korrekturfaktor, yı die zu ermittelnde Abhängigkeitskonstante, die in diesem Fall negativ ist und cı der prozentuale Anteil des ersten Nebengases im Probengasstrom.
Auch wurde herausgefunden, dass, wie in Figur 3 dargestellt ist, die gemessene Ammoniakkonzentration von der Konzentration eines zweiten Nebengases, im vorliegenden Fall Sauerstoff, abhängig ist. Mit steigendem Anteil an Sauerstoff steigt demnach der prozentuale Fehler bei der Konzentrationsbestimmung von Ammoniak, und zwar derart, dass die gemessene und nicht korrigierte Ammoniakkonzentration größer ist als die reale Ammoniakkonzentration und mit steigendem Anteil an Sauerstoff dieser Fehler größer wird. Entsprechend kann über einen zweiten Korrekturfaktor Ccorr,z auch dieser Fehler über die Formel Coo-2[%] = y2' c,[vol%] herausgerechnet werden. Dabei ist Cceorr,‚z der zu verwendende prozentuale Korrekturfaktor, yz2 die zu ermittelnde Abhängigkeitskonstante, die in diesem Fall positiv ist und c2 der prozentuale Anteil des ersten Nebengases im Probengasstrom.
Da beide Fehler ein etwa lineares Verhalten zeigen, können die Korrekturfaktoren Craktor,‚a UNd (Craktor,z SOMit durch einfache lineare
Gleichungen dargestellt werden.
Erfindungsgemäß wird nun beim Vorhandensein des zweiten Nebengases Sauerstoff dessen Konzentration nicht über Sensoren gemessen, sondern zunächst geprüft, inwieweit eine Abhängigkeit der Konzentrationen des zweiten Nebengases vom ersten Nebengas und somit vom Sauerstoffgehalt zum Kohlendioxidgehalt vorhanden ist.
So ist es für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, dass, abhängig vom verwendeten Kraftstoff, eine solche Abhängigkeit aufgrund der
vorhandenen Verbrennungsprozesse vorliegt.
In der Figur 4 ist diese Abhängigkeit der Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid im Abgas dargestellt. Mit steigendem Kohlendioxidanteil sinkt der Sauerstoffanteil im Abgas und umgekehrt. Dies liegt an dem Vorgang eines Verbrennungsprozesses, bei dem Sauerstoff in Kohlendioxid umgewandelt wird du ist abhängig von der Vollständigkeit der Verbrennung
und dem vorhandenen Sauerstoffüberschuss oder Sauerstoffmangel vor der
Verbrennung.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel konnte so festgestellt werden, dass sich ein Polynom zweiten Grades in der Form C,[vol%] = z;ı * c,[vol%]* — Z, * c,[vol%] + z3 zur Beschreibung der Abhängigkeit des Sauerstoffanteils im Vergleich zum Kohlendioxidanteil für Dieselmotoren mit oder ohne Abgasrückführung ergibt, wobei hier eine Näherungsgleichung zu einer linearen Abhängigkeit bei idealer Verbrennung und einer polynomialen Abhängigkeit bei verschiedenen Abgasrückführmengen ermittelt wird.
In Figur 5 ist die entsprechende Abhängigkeit für einen Ottomotor dargestellt. Bei diesem zeigt sich eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Kohlendioxidanteil und dem Sauerstoffanteil in der Form C,[vol%] = zı"
Z2* C,[vol%] + zz.
Diese Zusammenhänge gelten sowohl für Selbstzündungsmotoren als auch für Fremdzündungsmotoren auch für den Fall plötzlicher Lastwechsel und somit zwischen vollständiger und unvollständiger Verbrennung. Die Faktoren Zı bis Zs können durch Messungen an den Verbrennungskraftmaschinen für ausgewählte Kraftstoffe ermittelt und nachgewiesen werden. Dabei ist zu beachten, dass die Faktoren bei gleichem Kraftstoff in einem Selbstzündungsmotor und einem Fremdzündungsmotor im Wesentlichen konstant sind, also nicht für jeden Motor ermittelt werden müssen, sondern lediglich einmal beispielsweise für einen Ottomotor, der mit Benzin betrieben wird. Die dabei ermittelten Werte können im Folgenden für alle Benzin getriebenen Ottomotoren verwendet werden und entsprechen im Wesentlichen den idealisierten Daten Ottomotorischer Verbrennungsprozessen, und zwar auch bei Ottomotoren, die
den Magerbetrieb unterstützen.
Dieses Wissen wird nun genutzt, um in einer Korrektureinheit 68 mittels der
ermittelten Gleichungen zur Abhängigkeit zwischen dem Kohlendioxidanteil
und dem Sauerstoffanteil aus dem gemessenen Kohlendioxidanteil den Sauerstoffanteil rein mathematisch zu berechnen. Der berechnete Sauerstoffanteil kann dann in bekannter Weise zur Berechnung des zweiten Korrekturfaktors Ccorr‚z2 verwendet werden. Somit wird in der Korrektureinheit der gemessene Messgasanteil also die Ammoniakkonzentration berichtigt, indem der tatsächliche Ammoniakgehalt berechnet wird auS Cyessgastat [PPM] = Ceorr1[%] * Ccorr,2[%]
Cmessgas,gem. [ppm] "
Mithilfe dieser Formeln und Vorversuchen zur Bestimmung der Konstanten Yı, Yı und zı bis zs kann entsprechend die Querempfindlichkeit des Messgerätes bei der Anwesenheit von Sauerstoff zusätzlich zu der Querempfindlichkeit des Messgerätes bei der Anwesenheit von Kohlendioxid ohne zusätzliche Sensoren zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes an der Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine herausgerechnet werden, so dass die Messgenauigkeit deutlich erhöht wird. Dies ist auch beinahe in Echtzeit bei kontinuierlichen Messungen möglich, da sowohl das Messgerät zur Konzentrationsmessung des Ammoniaks als auch der Kohlendioxidsensor
nur sehr geringe Verzögerungszeiten aufweisen.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Bestimmung des Kohlendioxidgehaltes beispielsweise auch ein zweiter Messkanal am Messgerät als Kohlendioxidsensor genutzt werden kann oder andere schnell reagierende Messgeräte genutzt werden können. Je nach Verwendung kann in gleicher Weise auch eine Korrektur eines anderen Gases, welches zu zwei voneinander abhängigen Nebengasen eine Querempfindlichkeit aufweist, vorgenommen werden. So könnte beispielsweise auch der Kohlendioxidgehalt aus einem gemessenen Sauerstoffgehalt berechnet
werden.
Claims (14)
1. Verfahren zur Messwertkorrektur eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem
Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine (10), wobei
- In einem Messgerät (26) mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases gemessen wird, welches zu zumindest einem ersten Nebengas und einem zweiten Nebengas im
Abgasprobenstrom Querempfindlichkeiten aufweist,
- über einen Sensor (42) eine Konzentration des ersten Nebengases
im Abgasprobenstrom gemessen wird, - eine Konzentration des zweiten Nebengases bestimmt wird,
- eine erste Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der gemessenen
Konzentration des ersten Nebengases vorgenommen wird und
- eine zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der Konzentration des
zweiten Nebengases vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Durchführung der Messung eine Abhängigkeit der Konzentration des zweiten Nebengases vom ersten Nebengas für verschiedene Kraftstoffe und Verbrennungsprozesse ermittelt wird, und falls eine solche Abhängigkeit festgestellt wird, die Konzentration des zweiten Nebengases aus der ermittelten Konzentration des ersten Nebengases in Abhängigkeit des verwendeten Kraftstoffs berechnet wird, und die zweite Korrektur der ermittelten Konzentration des Messgases in Abhängigkeit der Querempfindlichkeit der berechneten Konzentration des zweiten
Nebengases vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Messwertkorrektur durch einen zu _ermittelnden Korrekturfaktor vorgenommen wird, der linear abhängig ist von dem Anteil des ersten Nebengases im Abgasprobenstrom und die zweite Messwertkorrektur durch einen zweiten zu —_ ermittelnden Korrekturfaktor vorgenommen wird, der linear abhängig ist von dem
Anteil des zweiten Nebengases im Abgasprobenstrom.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Messgerät (26) einen ersten Messkanal (30) aufweist, über den die Konzentration des Messgases gemessen wird und einen zweiten Messkanal aufweist, der als Sensor (42) dient und über den die Konzentration des ersten Nebengases gemessen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Konzentration des ersten Nebengases über einen nichtdispersiven Infrarotsensor als Sensor (42) gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Messgerät (26) als Laserlichtquelle (28) zur Infrarotabsorptionsspektroskopie zur Ermittlung der Konzentration des Messgases einen Quantenkaskadenlaser oder einen abstimmbaren
Diodenlaser verwendet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
im Sensor (42) als Laserlichtquelle (44) zur Infrarotabsorptionsspektroskopie zur Ermittlung der Konzentration des ersten Nebengases ein Quantenkaskadenlaser oder ein abstimmbarer
Diodenlaser verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Nebengas Kohlendioxid oder Sauerstoff ist, dessen Konzentration mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie gemessen
wird,
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Nebengas Sauerstoff oder Kohlendioxid ist, dessen Konzentration aus der Konzentration des ersten Nebengases ermittelt
wird,
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
10.
dadurch gekennzeichnet, dass
das Messgas Ammoniak ist.
Vorrichtung zur _Konzentrationsmessung eines nach einem Verbrennungsprozess vorhandenen Messgases in einem
Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine mit
einem Messgerät (26), über welches mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration des Messgases
messbar ist,
einem Sensor (42), über welchen mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie eine Konzentration eines ersten Nebengases messbar ist, zu welchem das Messgas eine Querempfindlichkeit aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (15) eine Korrektureinheit (68) aufweist, in der zumindest ein Kennfeld oder eine Gleichung hinterlegt ist, durch das oder die für den in der Verbrennungskraftmaschine verwendeten Kraftstoff eine Abhängigkeit des ersten Nebengases zu einem zweiten Nebengas dargestellt ist, wobei das zweite Nebengas eine Querempfindlichkeit zum Messgas aufweist, wobei in der Korrektureinheit (68) die über das Messgerät (26) gemessene Konzentration des Messgases mittels eines ersten Korrekturfaktors Ceorr,2a in Abhängigkeit der über den Sensor (42) gemessenen Konzentration des ersten Nebengases und Mittels eines zweiten Korrekturfaktors Ceorr,z In Abhängigkeit der in der Korrektureinheit (68) berechneten Konzentration des zweiten Nebengases korrigierbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste Nebengas zum zweiten Nebengas im Abgasprobenstrom einer Verbrennungskraftmaschine (10) eine lineare oder polynomiale Abhängigkeit aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Laserlichtquelle (28) des Messgerätes (26) zur Infrarotabsorptionsspektroskopie ein Quantenkaskadenlaser oder ein abstimmbarer Diodenlaser ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (42) ein nichtdispersiver Infrarotsensor ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
das Messgerät (26) zur Ermittlung der Konzentration des Messgases einen zweiten Messkanal aufweist, der als Sensor (42) zur Bestimmung
der Konzentration des ersten Nebengases dient.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50514/2023A AT527329A1 (de) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | Verfahren zur Messwertkorrektur sowie Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines Messgases |
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| AT527329A1 true AT527329A1 (de) | 2025-01-15 |
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ID=94210011
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| ATA50514/2023A AT527329A1 (de) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | Verfahren zur Messwertkorrektur sowie Vorrichtung zur Konzentrationsmessung eines Messgases |
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|---|---|
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2023
- 2023-06-29 AT ATA50514/2023A patent/AT527329A1/de unknown
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