Auf dem Gebiet der Abgasmessung existieren seit langer Zeit ausgereifte, stan- dardisierte und zertifizierte Verfahren, die Aufgrund der aufwendigen Ausstattung auf stationären Prüfständen durchgeführt werden müssen.

Es wurde auch die Möglichkeit der kontinuierlichen Messung der Abgasmassen- emissionen eines Fahrzeuges während der realen Fahrt auf der Strasse ins Auge gefasst, welche viele neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Beispiele dafür sind in Schürmann, D., Staab, J. : Messung von Automobilabgasen bei Straßen- fahrten. MTZ 48 (1987) 1, S. 35-39 ; Staab, J., Pflüger, H., Schröter, D., Schür- mann, D. : Ein kompaktes Abgasmeßsystem zum Einbau in Personenkraftwagen für Messungen bei Straßenfahrten. Automobil-Industrie Nr. 1/88 (1988), S. 39- 47 und Staab J., Hofmann K. W., Pflüger H., Schröter D., Schürmann D. : Mess- verfahren zur Abgasmessung bei Straßenfahrten. VDI-Berichte Nr. 741 (1989), S. 121-134 geoffenbart. Die bekannten Vorrichtungen sind nur mit großem Auf- wand in ein Fahrzeug einzubauen, wobei für die Erfassung der Messdaten und Anbringung der notwendigen Sensoren bzw. Messgeräte umfangreiche Adap- tierungen am Fahrzeug vorgenommen werden müssen.

So ist beispielsweise aus der JP 20088711 A2 ein Verfahren zur Messung der NOx-Konzentration im Abgas eines sich im Verkehr befindlichen Fahrzeugs be- kannt, bei welchem der NOx-Sensor direkt in den Abgasstrang des Fahrzeugs eingebaut werden muss. Weiters sind im Fahrzeug Sensoren zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Motordrehzahl eingebaut, um die gemessene NOx-Konzentration in Abhängigkeit dieser Größen darzustellen. Zur Gewinnung der Messdaten ist somit ein relativ großer Adaptierungsaufwand am Fahrzeug notwendig.

Weiters beschreibt die US 6,604, 033 B1 ein drahtloses Diagnosesystem für Fahr- zeugabgase, bei welchem die in einem OBD-System vorliegenden Daten über Datenfunk an einen Host-Computer außerhalb des Fahrzeuges übermittelt wer- den, welcher das Abgasverhalten des Fahrzeuges analysiert. So wird beispiels- weise von einer Verringerung der 02-Speicherkapazität (OSC) des Katalysators- gemessen durch in Strömungsrichtung vor und nach dem Katalysator angeord- nete Sensoren-auf relative hohe Anteile an Kohlenwasserstoffen im Abgas ge- schlossen. Eine quantitative Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente ist mit diesem Verfahren allerdings nicht möglich.

Eine ähnliche Messanordnung zur Abschätzung der Auspuffemission eines Fahr- zeuges beschreibt die US 5,916, 294 A, wobei das Abgas der Brennkraftmaschine über einen Katalysator geführt wird und Messungen der brennbaren Gaskompo- nenten sowohl vor dem Katalysator als auch nach dem Katalysator durchgeführt werden.

Die US 6,263, 268 B1 beschäftigt sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung für die Telemetrie von Messdaten eines Fahrzeuges, welche ganz allgemein mit- tels"Diagnostic Means"erfasst werden. Dabei können auch Signale einer OBD- Einheit verwendet werden, wobei allerdings kein Maßnahmen geoffenbart sind, um damit die Massenemission zumindest einer Abgaskomponente zu bestimmen.

Schließlich ist es aus der WO 02/14828 A2 bekannt, bei einer Abgasunter- suchung an Kraftfahrzeugen (kurze Konzentrationsmessung im Leerlauf) einen weitgehend automatischen Ablauf dieser Abgasuntersuchung mit bordeigenem Motorsteuerungs-und Diagnosesystem zu ermöglichen. Dabei werden in einem Abgastester Steuerkommandos erzeugt, und über die Diagnoseschnittstelle (OBD) an das Motorsteuerungs-und Diagnosesystem übertragen, welches in Ab- hängigkeit von den Steuerkommandos für die Abgasuntersuchung vorgeschrie- bene Betriebszustände des Kraftfahrzeuges einstellt Die Daten dienen somit zur Steuerung des Motors während der Abgasuntersuchung.

Den letztgenannten Dokumenten ist gemeinsam, dass darin kein Verfahren oder Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission einer Abgaskomponente ge- offenbart ist und dass der Begriff"Abgasmessung"bestenfalls in Zusammenhang mit der Messung der Abgaskonzentration verwendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Bestim- mung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches Fahrzeug zu entwickeln, welches einen unverdünnten Teilstrom des Abgases analysiert und strecken-bzw. zeitbezogene Massenemissionen in Echt- zeit mit guter Zeitauflösung ermittelt. Die Vorrichtung soll unproblematisch in möglichst jedem Fahrzeug eingesetzt werden können und die Nachteile bisheri- ger Verfahren und Vorrichtungen beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Konzentration zumindest einer Abgaskomponente im Abgasstrom oder Abgasteilstrom der Brennkraftmaschine gemessen und ein Konzentrationssignal der Abgaskompo- nente gewonnen wird, sowie das aus dem Konzentrationssignal und einem An- saugluftmassen-Signal und/oder Kraftstoffverbrauchs-Signal, welches von einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle des Fahrzeuges bereitgestellt wird, die zeitliche Massenemission der Abgaskomponente ermittelt wird.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Massenemission zumin- dest einer Abgaskomponente für ein im Verkehr befindliches, von einer Brenn- kraftmaschine angetriebenes Fahrzeug mit einer Mess-und Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Konzentration zumindest einer Abgaskomponente, zeichnet sich dadurch aus, dass die Mess-und Auswerteeinheit eine Steckverbindung oder <BR> <BR> eine drahtlose Datenverbindung (z. B. W-Lan, Bluetooth, IR-Verbindung, etc. ) zu einer On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle des Fahrzeuges aufweist, welche zur Übertragung der in der OBD-Schnittstelle bereitstehenden Zustands-und Messsignale des Fahrzeugs und der Brennkraftmaschine dient.

Die im Fahrzeug jederzeit vorliegenden OBD-Daten werden somit nicht nur für Diagnosezwecke genützt, sondern auch für die Lieferung von Messdaten, die mit Messdaten der On-Board Abgasmessanlage rechnerisch verknüpft werden. Durch die Verknüpfung verschiedener Messdaten (Abgasemissionsdaten, Betriebsdaten <BR> <BR> des Motors, Geschwindigkeit etc. ) können wichtige Informationen im Rahmen des Entwicklungsprozesses und im laufenden Betrieb von Fahrzeugen und Ab- gasreinigungssystem gewonnen werden. Insbesondere zeichnet sich dieses Mess- verfahren dadurch aus, dass es zum Zertifizierungstestverfahren von Verbren- nungskraftmaschinen kompatibel ist und Messergebnisse in der gleichen Dimen- sion liefert.

Die erfindungsgemäße Abgasmassenemissionsmessung während des Betriebes eines Fahrzeugs stellt eine wichtige Ergänzung zur herkömmlichen stationären Prüfstandsmesstechnik dar. Die Auswahl des Messverfahrens und der System- komponenten erfolgte unter den Randbedingungen minimale Kosten, minimale Abmessungen und Gewicht, Verzicht auf Betriebsgase, gute Messgenauigkeit und Zeitauflösung sowie Applikation in beliebigen Fahrzeugkategorien. Bevorzugt wird eine oder mehrere Abgaskomponenten aus der Gruppe C02, CO, HC, NO, NO2 und/oder NOx (Gesamtmasse aller Stickoxide) gemessen.

Weiters ist es möglich, zusätzlich die Abgastrübung zu messen und den Messwert beispielsweise zur Bestimmung der Massenemission der Rußpartikel zu verwen- den.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird aus dem Massen- emissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeuggeschwindigkeits- Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemis- sion der Abgaskomponente in Abhängigkeit der Fahrstrecke ermittelt. Das Er- gebnis kann beispielsweise direkt in der Form g/km COz dargestellt werden.

Weiters ist es möglich, aus dem Massenemissionssignal der Abgaskomponente und einem Fahrzeuglast-Signal, welches von der OBD-Schnittstelle bereitgestellt wird, die Massenemission der Abgaskomponente in Abhängigkeit von der Fahr- zeuglast zu ermitteln. Das Ergebnis kann dann beispielsweise direkt in der Form g/kWh CO2 dargestellt werden.

Erfindungsgemäß werden die Signale der OBD-Schnittstelle mit den gemessenen Konzentrationssignalen der Abgaskomponenten zeitlich korreliert. Damit wird be- rücksichtigt, dass die zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene Abgaskonzen- tration dem zeitlich entsprechenden Signal der Ansaugluftmasse zugeordnet wird.

Zur Aufbereitung und Interpretation der Messergebnisse können erfindungsge- mäß zusätzliche Signale der OBD-Schnittstelle, beispielsweise ein Kühlertem- peratur-, Öltemperatur-, Motorlast-oder Gangwahlsignal, herangezogen werden.

Schließlich können die gemessen Konzentrationswerte der Abgaskomponenten auf einfache Weise mit Hilfe des Kraftstoffverbrauchs-Signals aus der OBD- Schnittstelle, beispielsweise über die daraus abgeleitete Kohlenstoffbilanz kali- briert werden, wobei beispielsweise die CO2 Massenemission bei Geschwindigkeit 0 (Leerlaufdrehzahl) und bei zwei vorgegebenen Geschwindigkeiten sowohl ge- messen als auch aus dem Kraftstoffverbrauchs-Signal berechnet wird.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Darstellungen und Diagrammen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur On-Board Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente für ein im Ver- kehr befindliches Fahrzeug ; Fig. 2 einen Vergleich der Messwerte für CO2, CO, (HC) 3 und NO im MVEG Zyklus einer Constant Volume Sampling (CVS)-Anlage und der er- findungsgemäßen On-Board Anlage ; Fig. 3 einen Vergleich der Messwerte für CO2, CO, (HC) 3 und NO im FTP Zyklus einer CVS-Anlage und der erfindungsgemäßen On-Board Anlage ; Fig. 4 die zeitaufgelöste CO2-Massenemission im FTP Zyklus ; Fig. 5 den Geschwindigkeitsverlauf in km/h eines Versuchsfahrzeugs auf einem realen Innenstadtkurs ; Fig. 6 den zeitlichen Verlauf der C02-Massenemission des Versuchsfahr- zeugs auf dem Innenstadtkurs gemäß Fig. 5 ; sowie Fig. 7 den zeitlichen Verlauf der NO-Massenemission eines Stadtbusses auf einem realen Innenstadtkurs.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 1 zur On-Board Bestimmung der Massenemission zumindest einer Abgaskomponente besteht im Wesentlichen aus einer Messeinheit 2 und einer Auswerteeinheit 3, welche über eine Schnitt- stelle 4 verbunden sind. Als Auswerteinheit 3 kann ein herkömmlicher PC, vor- zugsweise ein handliches Notebook, verwendet werden, welches mit der an das jeweilige Fahrzeug 5 angepassten Software 6 ausgestattet und im Innenraum 7 des Fahrzeugs angeordnet ist. Die beispielsweise im Kofferraum mitführbare Messeinheit 2, welche Sensoren zur Bestimmung einer oder mehrerer Abgas- komponenten wie C02-, CO-, HC-, NO, NO2 oder NOx als Summensignal und/oder eine Einrichtung zur Messung der Abgastrübung aufweist, wird über eine Abgas- zuleitung 8 mit dem Abgasstrang des Fahrzeugs 5 verbunden, um der Messein- heit 2 einen Abgasteilstrom zuzuführen. Über den Abgasausgang 9 verlassen die Abgase die Messeinheit 2. Die Auswerteeinheit 2 ist über eine Steckverbindung 10 mit der On-Board-Diagnose (OBD) Schnittstelle 11 des Fahrzeugs verbunden, in welcher Zustands-und Messsignale des Fahrzeugs 1 und der Brennkraftma- schine 12 vorliegen.

So kann beispielsweise durch Messung der Konzentrationen der unverdünnten Schadstoffkomponenten im Abgas und Verknüpfung mit dem Ansaugluftmassen- Signal und dem Fahrzeuggeschwindigkeits-Signal der OBD-Schnittstelle über ein Rechenmodell für den Abgasmassenstrom zum Zeitpunkt der Gasanalyse, die streckenbezogene Massenemission in [g/km] der gemessenen Komponenten er- rechnet werden. Der Kraftstoffverbrauch in [g/s] bzw. [1/100km] kann entweder an der OBD-Schnittstelle erfasst, oder wie bei einem Abgaszertifizierungstest (z. B. ECE-Test) über eine Kohlenstoffbilanz berechnet werden.

Folgende zeitabhängigen Signale liegen u. a. an der OBD-Schnittstelle 11 bereit : - Luftmassenstrom [kg/s] - Kraftstoffverbrauch in Volumen/Zeiteinheit oder Masse/Zeiteinheit - Fahrzeuggeschwindigkeit [km/h] - Fahrzeuglast - Kühlertemperatur - Öltemperatur - Gangwahl Eine oder mehrere der folgenden Konzentrationssignale werden von der Messein- heit 2 geliefert : -Kohlendioxid CO2 [Vol-%] - Kohlenmonoxid CO [Vol-%] - Kohlenwasserstoff C6H14 [ppm] - Stickstoffmonoxid NO [ppm] Stickstoffdioxid NO2 -Sauerstoff O2 [Vol-%] - Rußpartikel oder Abgastrübung Dem Abgasstrom im Auspuffsystem wird ein Teilstrom entnommen, aufbereitet und die Gas-bzw. Partikelkonzentrationen gemessen.

Daraus können u. a. folgende Größen berechnet werden : - Abgasmassenstrom - Abgasmassenemissionen in [g/s], [g/km] und/oder [g/kWh] der gemesse- nen Komponenten Kumulierte Abgasmassenemissionen [g] der gemessenen Komponenten - Kraftstoffverbrauch in [g/s] und [1/100km] mittels C-Bilanz Partikelmassenstrom Alle Komponenten für die Messgasaufbereitung, Messgasförderung, Schadstoff- messung und die Stromversorgung können kompakt im Gehäuse der Messeinheit 2 untergebracht sein. Als Abgasmessgerät eignet sich z. B. eine NDIR-Messbank, die zeitgleich die Komponenten CO2, CO, (HC) 6 und NO mittels optopneuma- tischen Doppelschichtdetektoren erfasst. Die Gaswege und Totvolumen sind op- timiert, um ein möglichst schnelles Ansprechverhalten zu gewährleisten und um damit die Änderung des Konzentrationsprofils eines Kontrollvolumens möglichst klein zu halten. Die Übertragungsfunktion aller Messkanäle ist nahezu gleich.

Die Stromversorgung 13 des Systems im Fahrzeug 1 übernimmt z. B. ein Sinus- Wechselrichter, welcher an das Bordnetz angeschlossen sein kann. Das System kann auch direkt an das 12V, 24V oder 42V-Bordnetz angeschlossen sein. Die Messdaten werden auf ein Notebook in Fahrernähe übertragen, in Echtzeit bear- beitet und gespeichert. Der Notebook-Rechner steuert zusätzlich auch die Mess- gasaufbereitung, wie Messgaspumpe, Magnetventile für den Nullabgleich, etc.

Für die Messdatenerfassung, Massenberechnung und die Steuerung des Systems ist eine eigene Software vorgesehen, die für den jeweiligen Einsatzfall para- metriert werden kann. Optional kann auch ein in Fig. 1 nicht dargestellter GPS- Empfänger zur Fahrstreckenidentifikation eingebunden werden.

Das erfindungsgemäße Messverfahren wurde mit den Ergebnissen am Fahr- zeugrollenprüfstand verglichen, wobei Konstantfahrten, unterschiedliche Abgas- messzyklen (z. B. MVEG-Zyklen, FTP-Zyklen) und verschiedene andere spezielle Zyklen gefahren wurden und die Emissionen sowohl mit den jeweiligen CVS-An- lagen, die für die Typenprüfung verwendet werden und dem neuen On-Board- Messsystem gemessen wurden. Ergebnisse der Vergleiche am Pkw-Rollenprüf- stand sind in den Grafiken der Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. Die kumulierten Mas- senemissionen bei zwei typischen Pkw-Fahrzyklen (MVEG und FTP) für einen VW- Golf 1.8 (Benzinmotor und 3-Wege-Katalysator) zeigen eine sehr zufriedenstel- lende Übereinstimmung der Messwerte.

Besonders erfreulich sind die Ergebnisse im dynamischen FTP-Test, der die gute Zeitauflösung des Messsystems bestätigt. Die Summenergebnisse in Fig. 3 sind als Integralwert des Massenstromverlaufs aus Fig. 4 berechnet worden.

Für eine Messungen im realen Straßenverkehr wurde eine Innenstadtstrecke ge- wählt. Das Verkehrsaufkommen war zum Zeitpunkt der Messfahrt sehr gering.

Das Fahrzeug war zur Hälfte beladen. Zusätzlich wurde ein GPS Empfänger mit- geführt, um die aktuelle Fahrzeugposition zu erfassen. Die interne Uhr des Com- puters wurde dabei der Zeit des von den Satelliten gesendeten Zeitsignals ange- glichen um Position und Emission synchronisieren zu können. Der Geschwindig- keitsverlauf des Fahrzeuges ist in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 6 zeigt die COz Massenemission während der Straßenfahrt gemäß Fig. 5. Die maximale kurzzeitige CO2-Massenemission beträgt etwas über 3000 g/km. Die hohen Dynamikanforderungen an das Messsystem sind ebenfalls gut sichtbar.

Ebenfalls gute Ergebnisse in der Genauigkeit und Zeitauflösung zeigt die Mes- sungen im stockenden Stadtverkehr an einem Niederflurbus mit Dieselantrieb gemäß Fig. 7, bei welcher NO-Massenemission einen Maximalwert von ca. 80 g/km erreicht.

Die Darstellung der gemessenen Daten am Display der Auswerteeinheit 3 kann mit Unterstützung eines GPS-Empfängers beispielsweise als in Abhängigkeit der Abgasmenge farbveränderliche Weglinie auf einer Straßenkarte erfolgen.

Die Verifizierung der Messgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit des Gerätes konnte durch die Kalibriergasmessungen bestätigt werden.

Die durchgeführten Untersuchungen und Messungen zeigen, dass die Ziel- setzung, eine möglichst kompakte, einfache und trotzdem genaue Messvorrich- tung zu entwickeln, gelungen ist. Der Einbau in die Testfahrzeuge verschiedener Größe ist sehr einfach, da lediglich eine Gaszuleitung und eventuell eine Energie- versorgung zur Messeinheit hergestellt werden muss. Die für die Berechnung notwendigen Signale der Ansaugluftmasse, der Fahrzeuggeschwindigkeit, etc. können auf einfache Weise an der OBD-Schnittstelle gewonnen werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sowohl die Abmessungen als auch die Kosten für ein massenbezogenes On-Board Abgasmesssystem mit guter Zeitauflösung deutlich reduziert werden. Sowohl im Einsatz am Rollenprüfstand, als auch im mobilen Einsatz bewährte sich das System innerhalb seines Leis- tungsumfanges. Die Ergebnisse auf dem Rollenprüfstand mit CVS-System zeigen eine sehr gute Übereinstimmung, so dass auf eine direkte Messung des Abgas- volumenstromes verzichtet werden kann.

Die On-Board Abgasmessung bietet insbesondere für die Überprüfung von im Verkehr befindlichen Kraftfahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine als auch für die Entwicklungs-und Applikationsarbeit sowie für exakte Emissionsmes- sungen unter realen Bedingungen eine interessant Perspektive.