EP1007945A2 - Vorrichtung zur analyse des abgases von kraftfahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zur analyse des abgases von kraftfahrzeugen

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EP1007945A2
EP1007945A2 EP98952506A EP98952506A EP1007945A2 EP 1007945 A2 EP1007945 A2 EP 1007945A2 EP 98952506 A EP98952506 A EP 98952506A EP 98952506 A EP98952506 A EP 98952506A EP 1007945 A2 EP1007945 A2 EP 1007945A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
motor vehicles
motor vehicle
analyzing
measuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98952506A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Garms
Michael Palocz-Andresen
Stefan Schroll
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Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Original Assignee
Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Priority claimed from DE19743954A external-priority patent/DE19743954C2/de
Priority claimed from DE19821136A external-priority patent/DE19821136C2/de
Priority claimed from DE19831457A external-priority patent/DE19831457C2/de
Application filed by Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH filed Critical Wissenschaftliche Werkstatt fur Umweltmesstechnik GmbH
Publication of EP1007945A2 publication Critical patent/EP1007945A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/10—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame
    • G01M15/102—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases
    • G01M15/108—Testing internal-combustion engines by monitoring exhaust gases or combustion flame by monitoring exhaust gases using optical methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis

Definitions

  • OBD on-board diagnosis
  • a signal lamp on the dashboard is shaded and an error code is saved.
  • the malfunction found should be localized, described as precisely as possible and the information stored so that it can be read out by the repair workshop via a standardized interface for rapid identification and repair of the fault.
  • Registrations IV and 121 deal in the narrower sense with neighboring subject areas and are therefore dealt with in more detail.
  • the IM patent describes an infrared measuring device which monitors the operating state of the catalytic converter in such a way that it looks sideways into the catalytic converter and through a
  • Opening determines the gas atmosphere in the catalytic converter.
  • 121 shows a measuring device which can be clocked quickly and which enables a temporal resolution of 0.1-0.2 s by shading several infrared cells in series. Both sources give no information for the continuous measurement of pollutant emissions behind the catalytic converter in the exhaust system.
  • Future vehicles will have an integrated OBM system for exhaust gas analysis. Certain portions of the exhaust gas are analyzed. An error in the combustion system can be concluded by comparing current concentration curves with stored target characteristics. A warning is triggered when a history saved for the respective car type and found as .good * is persisted, repeated and clearly exceeded. -Long-lasting "means for a longer time,” repeated “means that the exceeding does not occur once, but several times, and” unambiguous "means that the concentration is the given one
  • the measurement of the exhaust gases is made difficult by the fluctuating conditions in the motor vehicle.
  • a measuring system must adhere to the general tolerance limits and requirements applicable to a motor vehicle, and on the other hand, the exhaust gas properties pressure, humidity, temperature and flow are subject to strong fluctuations which influence the concentration measurement.
  • microsystem components are required both for the exhaust gas treatment and for the measurement of the exhaust gas components.
  • a device for analyzing the exhaust gas from motor vehicles is known from DE 19605 053 A1. With this device, however, as with the measuring devices described in the other publications, problems arise in the required application. Because of the vibrations occurring in a motor vehicle, the measuring system must be built very stably and, moreover, must be insensitive to soot, dust and aerosol deposits. Nevertheless, a high resolution must be achieved, since the concentrations of the components of the exhaust gas to be measured, such as carbon monoxide (CO), hydrocarbons (HC) and nitrogen oxides (NO), are very low, especially in catalytic converter-equipped Otto engine motor vehicles.
  • CO carbon monoxide
  • HC hydrocarbons
  • NO nitrogen oxides
  • the infrared gas absorption method is used as the method of exhaust gas analysis.
  • the invention proceeds from that The basic idea is that a large optical path length is required to achieve the necessary resolution.
  • the cuvette can then be accommodated in a motor vehicle if it is integrated into the construction of the motor vehicle.
  • Fig. 2 shows the basic installation of the OBM system in a motor vehicle and the most important components of the combustion system.
  • the engine (2) as an internal combustion engine produces exhaust gas
  • the catalytic converter (3) converts pollutants into less toxic substances.
  • Exhaust gas treatment (5), the analysis device (6), the exhaust system (7) and the data line (8) for connecting the display unit (9) to the analysis device (6) form the OBM system in the motor vehicle.
  • the exhaust gas is removed from the exhaust of the motor vehicle behind the catalytic converter, since this is the only way to make a statement about the condition of the entire combustion system and the catalytic converter.
  • the exhaust gas treatment is shown as a gas flow diagram in Fig. 3.
  • the exhaust gas is cleaned of soot and particles using an exchangeable exhaust gas filter (11).
  • a solenoid valve (12) is used to switch between exhaust gas and calibration gas (see chap. 7).
  • the measuring gas pump (13) conveys the gas to be measured through the pressure reducer (14) and a flow meter (15) into the analysis device (6).
  • the exhaust gas analysis is based on the principle of infrared gas absorption in the analysis device (cuvette).
  • This consists of an infrared source (transparent bulb), the radiation of which strikes a measuring head through a measuring section (cuvette).
  • the cuvette can consist of a straight, highly reflective tube or of several tubes with mirror heads that reflect the radiation.
  • Two pyroelectric sensors are housed in the measuring head, which are equipped with different optical filters and generate a measuring gas dependent and a reference signal. The formation of the quotient of these signals reduces the interference (Te p., Pressure, pollution, aging) on the measurement signal.
  • the use of the pyroelectric principle requires a clocked radiation source. An electrical cycle on the radiation source avoids vulnerable mechanical components (choppers).
  • the robustness of the measuring system is increased by the fact that the cuvette (measuring section) is made of stainless steel Soiling the device or parts of it fail, it is advantageous that the device is modular and individual components, such as the filter, can be
  • a disadvantage of retrofitting OBD is the large number of sensors, for which there is no space and no connections in the electronics. Therefore, the installation of an on-board measuring system is cheaper.
  • FIG. 1 Such a modular OBM retrofit system is shown in FIG.
  • the exhaust gas is extracted using a sampling probe (16) that is attached to the exhaust end.
  • the gas is cleaned in an exhaust gas treatment unit (17), dried and pumped further into the analysis device (6).
  • the display unit (9) on the dashboard then displays information about the condition and operation of the OBM system.
  • the placement of the retrofit kit in the motor vehicle is shown in Fig.5.
  • the sampling probe (16) is attached to the exhaust end.
  • the analysis device (6) and the gas preparation (17) can be accommodated in the trunk.
  • the display unit (9) can be hung on the ventilation grille or otherwise attached to the dashboard.
  • the cold start measuring system Since the cold start measuring system has only a low energy requirement, it can be put into operation before the cold start phase.
  • the controller can e.g. by means of a seat bending sensor or a sensor on the ignition lock, through which the HC adsorption trap (10) can also be switched into the exhaust gas path.
  • the solenoid valve (12) in the exhaust gas treatment system (5, 17) is automatically switched over after a predetermined time or on the basis of measured external influences, so that outside air gets into the analysis device (6), and the outside air contains the concentrations of CO, HC and NO so low that it can be regarded as zero gas with sufficient accuracy.
  • the nuile line is corrected by a mathematical comparison. This means that in addition to the Nuiline, the sensitivities in general also return to their correct value and the system thus displays reproducible values again.
  • Fig. 7 shows the effect of this zero line correction. You can see the Nuilin (18) shifted by temperature drift and the correct measurement curve (19) after calibration.
  • the method for zero line calibration described in point 7 has the advantage that constant sensitivity adjustment can be dispensed with, since this method also results in the correct corrections for the sensitivity point (and thus all others). Nevertheless, the sensitivity can also be checked using the following procedure:
  • the C0 2 content of the atmosphere has an average value of 350 ppm worldwide (in clean air, outside of cities). This fact can be used for
  • Exhaust gas analysis device (6) is now supplied with unpolluted outside air, after the above-described zero point adjustment has been carried out, the system must display the mean COr concentration. It can then be assumed with sufficient certainty that the sensitivity point is also correct for the other measuring channels.
  • Fig. 8 shows the carbon dioxide concentration in the outside air during a test run. After the zero point was adjusted by synthetic air (20), the journey took place through a small one
  • a measurement value is normally determined by forming the quotient from the signal for the pollutant component (measurement signal) and the reference signal.
  • the signal curves of the measurement signal and the reference signal are very similar. You can therefore modify the quotient method in such a way that you define a certain tolerance range around the signal curve and set the quotient to "one" within this range. This gives you a range for the zero concentration, and only if this tolerance range is left is one Concentration is displayed according to the values of the real quotient determined. Note: Corresponding the concentration "zero” with the quotient "one" is not absolutely necessary, but generally achieves the best measurement result.
  • the real measurement signals that is to say those generated by the exhaust gas, can be distinguished from the more slowly fluctuating, temperature-related fluctuations.
  • the first derivative only captures real step functions that arise, for example, when accelerating in a motor vehicle.
  • FIG. 9 shows a specific course of the measured values.
  • the first derivative (25) was formed from the original measurement signal of the pollutant component HC (24). It can clearly be seen that the measurement signal fluctuations (26) in the derivative (25) caused by temperature influences go to zero.
  • Another method of correction is to adjust the signal levels using an electronically adjustable gain control.
  • the measurement signal of the reference channel of the infrared detector should always have the original size. However, this signal fluctuates considerably in the motor vehicle due to temperature influences and aging.
  • Fig. 1 Contaminant concentration curve in the event of a misfire
  • Fig. 2 Basic installation of the OBM system in the motor vehicle
  • Fig. 3 Gas plan of the exhaust gas treatment
  • Fig. 4 Basic structure of the retrofit kit
  • Fig. 5 Housing the retrofit kit in the trunk
  • Micro-scale device for continuous measurement of pollutant discharge from motor vehicles

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Description

Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen
1 Einleitung
Die Abgase von Personen- und Nutzfahrzeugen verursachen vielfältige Umweltbelastungen. Durch die Einführung von Grenzwertvorschriften für die Begrenzung der Abgasemissioneπ wurden und werden die Hersteller von Kraftfahrzeugen gezwungen, die Emissionen des einzelnen Fahrzeugs, z.B. durch Werterentwicklung von Motor und Abgassystem, zu reduzieren.
Eine Verschlechterung des Abgasverhaltens über die Lebensdauer des Fahrzeuges, die sich hauptsächlich durch eine graduelle Emissionserhöhung durch Alterung, z.T. aber auch durch fehlerhafte Komponenten im Antriebs- und Abgasminderungssystem, ergibt, kann der Grund sein, daß diese Grenzwertvorschriften nicht eingehalten werden.
Üblicherweise wird durch regelmäßige Abgasuntersuchungen versucht, einen dem Ursprungszustand vergleichbaren Emissionsstand zu gewährleisten. Nachteilig daran ist, das ein Defekt erst zur nächsten Abgasuntersuchung erkannt wird und bis dahin hohe Emissionen ausgestoßen werden.
In den ersten Sekunden des Kraftfahrzeugbetriebes, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, ist die Schadstoffminderung des Abgases durch den Katalysator noch sehr niedrig. Da der Motor in der Kaltstartphase etwa 70% seiner gesamten Emissionen produziert, wäre jedoch eine optimale Schadstoffminderung gerade in dieser Phase, die eine derzeitige Abgasuntersuchung überhaupt nicht erfassen kann, wünschenswert.
2 Stand der Technik
Ein neuer Ansatz für die Verringerung des Schadstoffausstoßes ist die „On-Board- Diagnose" (OBD). Darunter versteht man ein System zur Emissionskontrolle durch Überwachung der Funktionstüchtigkeit der einzelnen, abgasrelevanten Bauteile eines Personen- oder Nutzfahrzeuges durch Sensoren. In den USA gibt es schon iänger eine erste Form der OBD für Pkw (OBD I-Gesetz), das ab dem Modelljahr 1995 schrittweise durch das weitergehende OBD Il-Gesetz abgelöst wird. Während die OBD I nur die Kontrolle der Funktionstüchtigkeit der Komponenten, die mit der elektronischen Motorsteuerung in Verbindung stehen, vorsieht, verlangt die OBD II die Überwachung aller emissionsreievanten Bauteile. Ausdrücklich gefordert wird die Überwachung von Katalysator, Lambda-Sonde, Kraftstoffsystem, Sekundärluftsystem, Abgasrückführung, Tankentlüftung und die Erkennung von Verbrennungsaussetzem. Bei Feststeilung des Ausfalls bzw. der Fehlfunktion einer Komponente wird eine Signallampe am Armaturenbrett eingeschattet und ein Fehlercode gespeichert. Die festgestellte Fehlfunktion soll möglichst genau lokalisiert, beschrieben und die Information gespeichert werden, so daß sie von der Reparaturwerkstatt über eine normierte Schnittstelle für eine schnelle Identifikation und Reparatur des Fehlers ausgelesen werden kann.
Einen weitergehenden Ansatz stellt die Anwendung eines „OrvBoard-Measurement" (OBM) vor. Systeme zur direkten Analyse der Emission von Kraftfahrzeugen sind in vielfältiger Weise bekannt. Nur exemplarisch wird auf die deutschen Offenlegungsschriften 32 32416, 33 39 073, 36 08 122, 37 16 350, 39 32 838, 40 05 803, 41 24 116, 42 35 225, 43 07 190, die DE 43 19 282 C1, die US-Patentschriften 4 803 052 und 5 281 817, sowie auf die weiteren Anmeldungen GB 2264 170 A, EP 0 196 993 A2 und WO 94/09266 verwiesen. Auf diese Druckschriften wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht im einzelnen beschriebenen Details ausdrücklich Bezug genommen.
Die Anmeldungen IV und 121 befassen sich im engeren Sinne mit benachbarten Themengebieten und werden aus diesem Grunde ausführlicher behandelt. So beschreibt das Patent IM eine infrarote Meßvorrichtung, die den Betriebszustand des Katalysators in der Form überwacht, daß sie seitlich in den Katalysator hineinschaut und durch eine
Öffnung die im Katalysator herrschende Gasatmosphäre bestimmt. In 121 wird eine schnell zu taktende Meßvorrichtung dargestellt, die durch Hintereinanderschatten mehrerer infraroter Küvetten eine zeitliche Auflösung von 0,1-0,2 s ermöglicht. Beide Quellen geben keine Hinweise für die kontinuierliche Messung des Schadstoffausstoßes hinter dem Katalysator im Auspuffsystem.
Aus den Literaturquetten ist zu entnehmen, daß momentan kein Meßsystem in der Lage ist, die tatsächliche Emission in der Kaitstartphase und im Betrieb ständig zu erfassen, um alle Abweichungen aufzuzeichnen und Fehler zu signalisieren. 3 Beschreibung des Patentgegenstandes
Zukünftige Fahrzeuge werden zur Abgasanaiyse ein integriertes OBM-System besitzen. Dabei werden bestimmte Anteile des Abgases analysiert. Durch Vergleich von momentanen Konzentrationsveriäufen mit gespeicherten Soll-Kennlinien kann auf einen Fehler im Verbrennungssystem geschlossen werden. Eine Warnung wird dann ausgelöst, wenn ein für den jeweiligen Autotyp gespeicherter und als .gut* gefundener Verlauf lang anhaltend, wiederholt und eindeutig überschritten wird. -Langanhaltend" bedeutet eine größere Zeit lang, .wiederholt" bedeutet, daß die Überschreitung nicht einmal, sondern mehrmals auftritt, und .eindeutig" bedeutet, daß die Konzentration die vorgegebene
Fensterbreite des Toleranzbandes verlassen hat. Diese Kriterien dienen der Absicherung der Analyse und sorgen dafür, daß keine Falschmeldung abgegeben wird.
Fig.1 zeigt exemplarisch, wie die Schadstoffkonzentration durch Fehler im Verbrennungssystem, hier Zündaussetzer (1 ), beeinflußt wird.
Die Messung der Abgase wird durch die schwankenden Bedingungen im Kraftfahrzeug erschwert. Zum einen muß ein Meßsystem die allgemeinen, für ein Kraftfahrzeug gültigen Toleranzgrenzen und Anforderungen einhalten und andererseits sind gerade die Abgaseigenschaften Druck, Feuchte, Temperatur und Durchfluß starken Schwankungen unterworfen, die die Konzentrationsmessung beeinflussen. Bei der Lösung dieser Aufgabe benötigt man besonders robuste, mikrosystemtechnische Bauteile sowohl für die Abgasaufbereitung als auch für die Messung der Abgaskomponenten.
Eine Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen ist aus der DE 19605 053 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung treten jedoch, wie auch bei den in den weiteren Druckschriften beschriebenen Meßgeräten, in der geforderten Anwendung Probleme auf. Wegen der in einem Kraftfahrzeug auftretenden Erschütterungen muß das Meßsystem sehr stabil gebaut und darüber hinaus unempfindlich gegenüber Ruß-, Staub- und Aerosoiablagerungen sein. Dennoch muß eine hohe Auflösung erreicht werden, da die Konzentrationen der zu messenden Bestandteile des Abgases, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NO), gerade bei katalysatorbestückten Otto- Motor-Kraftfahrzeugen, sehr niedrig sind.
Bei der voriiegenden Erfindung eines OBM-Systems wird als Methode der Abgasanaiyse das Verfahren der infraroten Gasabsorption verwendet. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß zur Erzieiung der notwendigen Auflösung eine große optische Weglänge erforderlich ist. Die Küvette kann in einem Kraftfahrzeug dann untergebracht werden, wenn sie in die Konstruktion des Kraftfahrzeuges integriert wird.
4 Technischer Aufbau des Me&systems
Den prinzipiellen Einbau des OBM-Systems in ein Kraftfahrzeug sowie die wichtigsten Komponenten des Verbrennungssystems zeigt Fig.2. Der Motor (2) als Verbrennungskraftmaschine produziert Abgas, im Katalysator (3) erfolgt die Umwandlung von Schadstoffen in minder giftige Substanzen. Die Entnahmestelle (4), die
Abgasaufbereitung (5), die Anaiysevorrichtung (6), die Auspuffanlage (7) sowie die Datenleitung (8) zur Verbindung der Anzeigeeinheit (9) mit der Anaiysevorrichtung (6) bilden das OBM-System im Kraftfahrzeug.
Die Entnahme des Abgases aus dem Auspuff des Kraftfahrzeuges erfolgt hinter dem Katalysator, da nur so eine Aussage über den Zustand des gesamten Verbrennungssystems und des Katalysators gemacht werden kann.
Die Abgasaufbereitung ist als Gaslaufplan in Fig.3 dargestellt. Das Abgas wird mit einem auswechselbaren Abgasfilter (11) von Ruß und Partikeln gesäubert. Ein Magnetventil (12) dient der Umschaltung zwischen Abgas und Kalibriergas (s. Kap.7). Die Meßgaspumpe (13) befördert das zu messende Gas durch den Druckminderer (14) und einen Durchflußmesser (15) in die Anaiysevorrichtung (6).
Die Abgasanaiyse erfolgt nach dem Prinzip der infraroten Gasabsorption in der Analysevorrichtung (Küvette). Diese besteht aus einer Infrarotquelle (transparenter Kolben), deren Strahlung durch eine Meßstrecke (Küvette) auf einen Meßkopf trifft. Die Küvette kann dabei aus einem geraden, hochreflektierenden Rohr oder aus mehreren Rohren mit Spiegeiköpfen, die die Strahlung reflektieren, bestehen. Im Meßkopf sind zwei pyroelektrische Meßfühler untergebracht, die mit verschiedenen optischen Filtern bestückt sind und ein meßgasabhängiges und ein Referenz-Signal erzeugen. Die Bildung des Quotienten dieser Signale verringert die Störeinflüsse (Te p., Druck, Verschmutzung, Alterung) auf das Meßsignal. Die Verwendung des pyroelektrischen Prinzips erfordert eine getaktete Strahiungsquelie. Ein elektrischer Takt auf die Strahlungsquelle vermeidet anfällige mechanische Komponenten (Chopper). Die Robustheit des Meßsystems wird dadurch erhöht, daß die Küvette (Meßstrecke) aus Edelstahl besteht Sollte die Vorrichtung verschmutzen oder Teile davon ausfallen, ist es von Vorteil, daß die Vorrichtung modular aufgebaut ist und einzelne Komponenten, z.B. der Filter, einfach ausgetauscht werden können.
5 Nachrüstbausatz zur Abgasanaiyse in älteren Kraftfahrzeugen
Bei älteren Kraftfahrzeugen, in denen noch kein OBD- oder OBM-System vom Hersteller direkt ins Kraftfahrzeug eingebaut ist, kann die Funktionstüchtigkeit von Motor und Abgasnachbehandlung nicht außerhalb der Abgasuntersuchung nicht überprüft werden. Deshalb sollte eine Möglichkeit zum Nachrüsten vorhanden sein.
Nachteilig beim Nachrüsten von OBD sind die vielen Meßwertaufnehmer, für die kein Platz und keine Anschlüsse in der Elektronik vorgesehen sind. Deshalb ist der Einbau eines On-Board-Meßsystems günstiger.
In Figur 4 ist ein solches modulares OBM-Nachrüstsystem abgebildet. Die Abgasentnahme erfolgt mit einer Entnahmesonde (16), die am Auspuffende befestigt wird. Das Gas wird in einer Abgasaufbereitung (17) gereinigt, getrocknet und weiter in die Anaiysevorrichtung (6) gepumpt. Die Aπzeigeeiπheit (9) am Armaturenbrett zeigt dann Informationen über den Zustand und Betrieb des OBM-Systems an.
Die Unterbringung des Nachrüstbausatzes im Kraftfahrzeug wird in Fig.5 dargestellt. Dabei wird die Entnahmesonde (16) am Auspuffende befestigt. Die Anaiysevorrichtung (6) und die Gasaufbereitung (17) können im Kofferraum untergebracht werden. Die Anzeigeeinheit (9) kann ans Lüftungsgitter gehängt oder anderweitig am Armaturenbrett befestigt werden.
6 Kattstartmessung und Adsorptionsfalle
In der Kaltstartphase werden 70 % der gesamten Emissionen des Motors abgegeben, s. Fig.6. Mit dem On-Board-Meßsystem werden auch diese Emissionen gemessen. Anhand dieser Werte kann eine HC-Adsorptionsfalte (10, s. F'ιg.2) zum Auffangen der Kaltstartemissionen in den Abgasweg geschaltet werden. Durch die Abgasmessung erhält man die Möglichkeit, die Adsorptionsfalle zu den optimalen Zeitpunkten in den Abgasweg zu schalten bzw. die Desorption einzuleiten. Die Desorption der zurückgehaltenen Kohtenwasserstoffteilchen erfolgt dann, wenn der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei der eine zufriedenstellende Konvertierung gesichert ist.
Da das Kaltstart-Meßsystem nur einen geringen Energiebedarf hat, kann es bereits vor der Kaltstartphase in Betrieb genommen werden. Die Steuerung kann z.B. durch einen Sitzbeiegungssensor oder einen Sensor am Zündschloß erfolgen, durch den auch die HC-Adsorptionsfalle (10) in den Abgasweg geschaltet werden kann.
7 Nullinienkalibrierung
Das Meßprinzip der infraroten Gasabsαrption ist hinlänglich bekannt. Die Probleme, die dieses Meßprinzip unter wechselnden Umwettbedingungen hat, wurden bereits in Punkt 3 beschrieben. Die Korrektur der Messung durch verschiedene Verfahren wird nachfolgend beschrieben.
Häufigstes Problem ist die Verschiebung des Nullpunktes, das heißt, daß bei der Messung von unbelastetem Gas der ermittelte Meßwert nicht Null ist. Lösung dieses Problems ist eine häufige Kalibrierung des Systems mit Umgebungsluft nach folgender Methode:
Das Magnetventil (12) in der Abgasaufbereitung (5,17) wird nach einer vorher bestimmten Zeit oder Aufgrund gemessener äußerer Einflüsse automatisch umgeschaltet, so daß Außenluft in die Anaiysevorrichtung (6) gelangt, in der Außenluft sind die Konzentrationen an CO, HC und NO so gering, daß man sie mit genügender Genauigkeit als Nullgas betrachten kann. Durch einen mathematischen Abgleich wird die Nuilinie korrigiert. Dadurch ergibt sich, daß neben der Nuilinie im allgemeinen auch die Empfindlichkeiten wieder ihren richtigen Wert erreichen und somit das System wieder reproduzierbare Werte anzeigt. Fig. 7 zeigt die Wirkung dieser Nullinienkorrektur. Man sieht die durch Temperaturdrift verschobene Nuilinie (18) sowie die nach der Kalibrierung wieder korrekte Meßkurve (19). Dieser Vorgang mit einer Unterbrechung der Aufzeichnung der Emission hat keinen nennenswerten Einfluß auf die Aussagefähigkeit der Messung, die sowieso nicht die absolute Kontinuität der Beobachtungen, sondern die Erkennung von Fehlem im Abgassystem zum Ziel hat. 8 Einstellung der Empfindlichkeit der Me&stgnale mit Hilfe der C02- Konzentration der Au&enluft
Das unter Punkt 7 beschriebene Verfahren zur Nullinienkalibrierung hat den Vorteil, daß eine ständige Empfindlichkeitsjustierung entfallen kann, da sich bei diesem Verfahren die richtigen Korrekturen auch für den Empfindlichkeitspunkt (und damit alle anderen) ergeben. Trotzdem ist auch eine Kontrolle der Empfindlichkeit nach folgendem Verfahren möglich: Der C02 -Gehalt der Atmosphäre hat weltweit einen mittleren Wert von 350 ppm (in sauberer Luft, außerhalb von Städten). Diesen Tatbestand kann man für die
Empfindlichkeitskontrolle nutzen, da diese Konzentration gut zu den Meßbereichen der sonst zu erfassenden Bestandteile im Abgasstrom paßt. CO, HC vor allem aber NO haben zwar schwächere Absorptionsbanden als C02, dafür aber höhere Spitzenwerte in der Konzentration. Nach der Lambert-Beerschen Gleichung kann deshalb die gleiche Küvettenlänge, praktisch die gleiche Küvette, benutzt werden. Wenn der
Abgasanaiysevorrichtung (6) nun unbelastete Außenluft zugeführt wird, muß, nachdem die oben beschriebene Nuilpunkteinstellung durchgeführt wurde, das System die mittlere COr-Konzentration anzeigen. Man kann dann mit genügender Sicherheit davon ausgehen, daß auch für die anderen Meßkanäle der Empfindlichkeitspunkt stimmt.
Nachteilig an der oben beschriebenen Methode ist, daß die örtliche CO2 -Konzentration durch äußere Einflüsse stark schwankt. Besonders in Ballungszentren ist, bedingt durch den Straßenverkehr, die Cθ2-Koπzentration sehr hoch. Fig.8 zeigt die Kohlendioxidkonzentration in der Außeniuft während einer Meßfahrt. Nach der Justierung des Nullpunktes durch synthetische Luft (20) erfolgte die Fahrt durch eine kleine
Gemeinde (21) mit einer relativ gleichmäßigen COr-Konzentration. Die Fahrt durch eine größere Stadt (22) mit Kreuzungen und Ampeln zeigt hohe, stark schwankende CO2- Konzentrationen. Die Messung in einem ruhigen Innenhof (23) schließlich kommt der natürlichen COr-Konzentration nahe.
9 Einstellung der Empfindlichkeit durch die Cθ2-Konzentration im Abgas
Als möglicher Ausweg aus der unter Punkt 8 beschriebenen Schwierigkeit, die sich aus der Schwankung der natürlichen COr Konzentration ergibt, empfiehlt sich die Beobachtung der COr-Konzentration im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges. Dieser Wert ist durch den Verbrennungsvorgang relativ stabil, so daß diese Konzentration als Vergleichswert zur Einstellung der Empfindlichkeit der einzelnen Meßkanäle benutzt werden kann. Durch die hohe Konzentration von CO2 (12 Vol%) im Abgas muß allerdings die Anordnung des Cθ2-Strahlenganges in der Meßküvette anders erfolgen als für die anderen Schadgase. Grundsätzlich muß der optische Weg für die COr-Messung wesentlich kürzer sein als für die Schadgase CO, NO und HC.
10 Korrektur der durch Temperaturschwankungen bedingten Verschiebungen der Nuilinie von Me&signaien durch ein softwaretechnisches Filter
Normalerweise erfolgt die Ermittlung eines Meßwertes durch die Bildung des Quotienten aus dem Signal für die Schadstoffkomponente (Meßsignal) und dem Referenzsignal.
Die Signalverläufe von Meßsignal und Referenzsignal weisen eine große Ähnlichkeit auf. Deshalb kann man das Quotientenverfahren insofern modifizieren, daß man einen gewissen Toleranzbereich um den Signalverlauf festlegt und innerhalb dieses Bereichs den Quotienten zu „eins" setzt. Damit erhält man einen Bereich für die Null-Konzentration, und nur wenn dieser Toleranzbereich verlassen wird, wird eine Konzentration entsprechend den Werten des dann bestimmten echten Quotienten angezeigt. Hinweis: Das Korrespondieren der Konzentration „Null" mit dem Quotienten „Eins" ist nicht zwingend notwendig, erzielt im allgemeinen aber das beste Meßergebnis.
11 Kompensation der Temperaturdrift durch Betrachtung der Dynamik der Signa fverläufe
Da in Kraftfahrzeugen erfahrungsgemäß extrem dynamische Bedingungen (zeitlich schnelle Veränderung im System, verglichen mit der Taktzeit des Strahlers) herrschen, kann man die echten, d.h. vom Abgas erzeugten, Meßsignale gut von den langsamer schwingenden, temperaturbedingten Schwankungen unterscheiden. Zur Korrektur muß man die erste Ableitung des Konzentrationsverlaufs nach der Zeit bilden. Die erste Ableitung erfaßt nur echte Sprungfunktionen, die z.B. beim Gasgeben im Kraftfahrzeug entstehen. In Fig.9 ist ein konkreter Meßwertverlauf dargestellt Von dem Original- Meßsignal der Schadstoffkomponente HC (24) wurde die erste Ableitung (25) gebildet. Deutlich zu sehen ist, daß die durch Temperatureinflüsse hervorgerufenen Meßsignalschwankungen (26) in der Ableitung (25) gegen Null gehen. Hat man die Stellen der Sprungfunktionen aus der ersten Ableitung nach der Zeit gefunden, so kann man die Punkte mit Sprungeigenschaften eindeutig erkennen. Tritt ein solcher echter Sprung auf, d.h. hebt sich ein Meßwert eindeutig aus dem vorher definierten Toleranzband mit einer zugelassenen Breite aus der Differentialkurve hervor, so muß von diesem Punkt an die echte Konzentrationskurve zur Auswertung herangezogen werden. Beim Zurückkehren der ersten Ableitung auf den Nullpunkt wird die Nuilinie wieder ais eine unveränderte, stabile Linie aus dem softwaretechnischen Filter ausgegeben. Man hat also während der Fahrt entweder eine absolute Nuilinie, ohne Schwankungen, weil keine Sprungfunktionen aufgetreten sind und die temperaturbedingten Schwankungen vernachlässigt werden, oder beim Auftreten von echten, dynamischen Sprungfunktionen, z.B. beim Gasgeben, Gangwechseln, Bremsen, etc. werden nach der ersten Ableitung die Originalmeßsignale betrachtet, die aus dem Konzentrationsveriauf gewonnen werden.
12 Einstellung der Original-Signalgrößen in den Kanälen des IR Gasanalysators
Eine weitere Korrekturmethode besteht in der Nachstellung der Signalhöhen durch eine elektronisch einstellbare Verstärkungsregelung.
Da die Referenzbande bei der infraroten Gasabsorption so ausgelegt wird, daß bei ihrer Bande grundsätzlich keine Absorption erfolgt, müßte das Meßsignal des Referenzkanals des Infrarotdetektors immer die ursprüngliche Größe besitzen. Durch Temperatureinflüsse und Alterung schwankt aber dieses Signai im Kraftfahrzeug doch beachtlich.
Um die temperaturbedingten Schwankungen der Signale zu kompensieren, besteht die Möglichkeit, das Referenzsignal durch die systemeigene Meß-Steuer-Regel-Einrichtung ständig zu beobachten. Wenn das Referenzsignal um einen vorher definierten Wert vom ursprünglich eingestellten Wert der Erstkalibrierung abweicht, werden alle Signale durch eine elektronisch einsteilbare Verstärkungsregelung auf die ursprüngliche Signaihöhe gebracht. Fig.10 zeigt den Originatveriauf des Referenzsignals (27), den durch Alterung oder Temperaturdrift geschwächten Verlauf (28) sowie den durch die elektronisch einstellbare Verstärkung korrigierten Signalverlauf (29). Durch diese Maßnahme bleibt der volle Bereich der Signaldynamik erhatten. Verzeichnis der Figuren
Fig.1 : Schadstoffkonzentrationsverlauf bei einem Zündaussetzer
1 Zündaussetzer
Fig.2: Prinzipieller Einbau des OBM-Systems im Kraftfahrzeug
2 Motor
3 Katalysator
4 Entnahmestelle
5 Abgasaufbereitung
6 Analysevorrichtung
7 Auspuffanlage
8 Datenleitung
9 Anzeigeeinheit
10 HC-Adsorptionsfalle
Fig.3: Gasiaufplan der Abgasaufbereitung
11 Abgasfüter
12 Magnetventil
13 Meßgaspumpe
14 Druckminderer
15 Durchflußmesser
Fig.4: Prinzipieller Aufbau des Nachrüstbausatzes
16 Entnahmesonde
17 Abgasaufbereitung
Fig.5: Unterbringung des Nachrüstbausatzes im Kofferraum
Fig.6: Kattstartmessung Fig.7: Nullinienkorrektur 1 1
8 durch Temperaturdrift verschobene Nuilinie
19 korrigierte Meßkurve
Fig.8: Kohlendioxidkonzentration in der Außenluft
20 Justierung durch synthetische Luft
21 Fahrt durch kleinere Gemeinde
22 Fahrt durch größere Stadt
23 Messung im ruhigen tnnenhof
Fig.9: Ableitung als Korrekturfunktion
24 Original-Meßsignal
25 erste Ableitung
26 temperaturbedingte Meßsignaischwankung
Fig.10: Korrektur der Signalhöhen
27 Originaiveriauf des Referenzsignals
28 durch Alterung geschwächter Verlauf
29 korrigierter Signaiveriauf
Literatur , 2
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121 Offenlegungsschrift DE 196 05 053 A1 : On-Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren und
Vorrichtung im Mikromaßstab zur kontinuieriichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen

Claims

Anspruchspunkte 13
1. Vorrichtung zur Analyse der im Abgas von Kraftfahrzeugen befindlichen wichtigsten umweltrelevanten Substanzen, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickstoffmonoxid (NO) mit dem Ziel der Kontrolle der Verbrennungsvorgänge im
Motor und im Katalysator, sowie der frühzeitigen Erkennung und Korrektur der Fehler, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nach dem Verfahren der infraroten Gasabsoφtion erfolgt, wobei die aus Edelstahl bestehende Küvette eine relativ große optische Weglänge aufweist, sie mit dem Abgas des Kraftfahrzeuges beströmt und mit dem Licht einer speziellen infrarotquelle, bestehend aus einem transparenten Kolben, durchsetzt wird, ein Detektor das Licht der Strahlungsqueile nach dem Meßkanal Referenzkanal-Prinzip empfängt und daraus ein Quotient zur Meßwertermittlung gebildet wird.
2. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen nach
Hauptanspruchspunkt 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem am Unterboden des Kraftfahrzeuges, im Kofferraum, in der Karosserie oder an anderen geeigneten Stellen des Kraftfahrzeuges untergebracht werden kann.
3. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Konstruktion des Kraftfahrzeugs integrierte Meßsystem z.B. aus Entnahmestelle, Abgasaufbereitung, Analysevorrichtung, Datenleitung und Anzeigeeinheit bestehen kann, wobei die einzelnen Komponenten durch den modularen Aufbau austauschbar sind und auch nachträglich ins Kraftfahrzeug eingebaut werden können, sowie die Abgasaufbereitung so robust und stabil aufgebaut ist, z.B. aus auswechselbarem und durch Ausheizung regenerierbarem Abgasfilter, Magnetventil, Meßgaspumpe, Druckminderer und Durchflußmesser, daß die Teüe gegenüber der durch die im Kraftfahrzeug herrschenden stark schwankenden und rauhen Bedingungen verursachten Ruß-, Staub- und Aerosolablagerungen unempfindlich sind.
4. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen nach den vorangehenden Anspruchspunkten, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullpunkteinstellung des Meßgerätes für die HC- und CO-Konzentration mit sauberer Umgebungsluft durch ständige, kurzzeitige Umschattpausen erfolgt, wobei eine Empfindlichkeitseinstellung durch die Anlehnung an die natürliche COr-Konzentration in sauberer Umgebungsluft (350 ppm Normalwert) oder den COr-Anteil im Abgas möglich ist.
5. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen nach den vorangehenden
Anspruchspunkten, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdrift durch die Bildung der ersten Ableitung des Konzentrationsverlaufs, in der die Sprungfunktionen des Kraftfahrzeugbetriebes von den langsamen Drifteffekten unterschieden werden können, korrigiert wird.
6. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen nach den vorangehenden Anspruchspunkten, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalhöhe durch eine, den gleichbleibenden, ungestörten Verlauf des Referenzsignals als Grundlage nehmende, elektronisch einsteilbare Verstärkungsregelung nachgestellt wird.
7. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß für ältere Kraftfahrzeuge ein nicht zuiassungspfiichtiger Nachrüstbausatz vorgesehen ist, welcher aus einer, am Auspuffende befestigten Entnahmesonde, einer Analysevorrichtung mit Abgasaufbereitung im Kofferraum und einer Anzeigeeinheit am
Armaturenbrett besteht, und dieser Nachrüstbausatz ein, von der Behörde nach Fahrzeugtyp und Baujahr amtlich genehmigtes Kennfeld als Vergleichsgrundlage für die On-Board-Messungen enthält, wobei am Kraftfahrzeug, mit Ausnahme von speziellen Old-Timer-Kraftfahrzeugen, keine unmittelbaren meßtechnischen Bestimmungen für die Festlegung des spezifischen Kennfeldes vorgenommen werden müssen.
8. Voπichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß sie die über den eingestellten Grenzwert hinausgehende Zunahme der Schadstoffemission anzeigt und somit eine Hilfe leistet, Fehler im Verbrennungs- und im Abgasnachbehandlungssystem frühzeitig zu erkennen, weitere Folgeschäden und den unnötigen Mehrverbrauch zu vermeiden sowie Defekte von einer Fachwerkstatt rechtzeitig beheben zu lassen, bzw. das umweltbewußte Verhalten der Bürger dadurch zu verstärken, daß der Ausstoß umwettreievanter Schadstoffe angezeigt und dadurch eine selbstwiilige Geschwindigkeitsbegrenzung bewirkt wird.
9. Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät mit Hilfe eines beliebigen Sensors, wie Sitzbeiegungssensor, Zündschloßsensor, weitere Schattelemente, eingeschattet wird, so daß es den Kaltstart von Anfang an messen kann und die Adsorptionsfalle nach den jeweiligen
Betriebsbedingungen flexibel steuern kann, so daß Adsorption und Desorption zum optimalen Zeitpunkt erfolgen.
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