Abgases von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen, insbesondere des Abgases von Brennkraftmaschinen.

Neuerdings gewinnt die mobile Abgasmassenemissionsmessung zunehmend an Bedeutung, und es werden unterschiedliche Methoden zur kalkulatorischen oder messtechnischen Bestimmung der Abgasmassenemission verwendet wofür insbesondere die Kenntnis des Abgasmassenflusses erforderlich ist. Dieser kann aus anderen Messwerten berechnet oder auch direkt gemessen werden. Die Abgasmassenemission, also die Massenemission einer bestimmten Gaskomponente des Abgases, ergibt sich beispielsweise vereinfacht durch: Abgasmassenemission (in g/s) = Gaskonzentration (Vol%) * Gasdichte des Messgases (g/m ³ ) * Abgasmassenfluss (g/s) / Abgasdichte(g/m ³ ).

Bei realen Testfahrten gibt es infolge verschiedenster Einflüsse auf die Messsignale eine statistische Wahrscheinlichkeit von ca. 5 bis 10 %, dass in Teilen des gefahrenen Zyklus fehlerhafte Messwerte enthalten sind. Diese werden aber infolge der hohen Dynamik der Messsignale typischerweise nicht als fehlerhaft erkannt, bzw. sind oft bis meist nicht einfach als fehlerhaft erkennbar. Bei Messungen im Bereich niedriger Last und insbesondere im Leerlauf, oder bei Fahrzeugen mit niederen Hubvolumina oder niedriger Zylinderanzahl ist diese Fehlerwahrscheinlichkeit höher, kann aber dadurch zumindest teils leichter als Messwertabweichung erkannt werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher eine Variante eines Verfahrens zur Bestimmung des Massenflusses von Gasen anzugeben, welche eine höhere Genauigkeit und bessere Qualität der Werte für den Massenfluss ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest zwei unabhängige, parallel durchgeführte und auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhende Methoden jeweils zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss bestimmt wird, und dass der endgültige Wert für den Massenfluss auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung oder eine vereinfachte Mittelwertbildung ermittelt wird. Durch die zumindest zwei parallelen Messungen und/oder Kalkulationen des Ab- gasmassenflusses mittels unabhängiger Messprinzipien, oder alternativ auch durch die Kalkulation eines signifikanten Leitwertes wie der C02 Massenemission mittels zweier unterschiedlicher Methoden, können die Schwächen der verwendeten Messprinzipen überwunden werden und damit statistisch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Messfehlern wesentlich minimiert werden. Insbesondere kann aber dadurch vermieden werden, dass allfällige Messfehler unerkannt bleiben.

Durch die Verwendung von beispielsweise zwei Methoden, welche jede einzelne für sich in bestimmten Bereichen Schwächen aufweist, und diese Schwächen durch die Verwendung verschiedener Messprinzipien sich aber typischerweise nicht überlappen und daher praktisch nicht oder nur sehr selten gleichzeitig auftreten, kann die Fehlerwahrscheinlichkeit massiv minimiert werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung bestimmt wird.

Weiters kann vorgesehen sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels des Staudruckprinzips bestimmt wird.

Eine weitere Alternative sieht vor, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Ultraschall bestimmt wird.

Ein Zwischenwert für den Massenfluss kann auch durch Messung mittels eines durch Koronaentladung hervorgerufenen Ionenstroms bestimmt werden.

Eine andere Alternative besteht darin, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung der Laufzeiten und der Änderungen der Laufzeiten von mittels Pulslängen und Pulsbreiten kodierten und dem Massenstrom überlagerten Pulsen bestimmt wird.

Für diese letzte Alternative sind vorteilhafte Ausführungsformen dadurch gegeben, dass durch Funkenpulse und deren elektrische Entladungen und der dadurch generierten Elektronen und Ionen im Abgas elektrische Ladungspulse hervorgerufen werden.

Eine alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass durch pulsierendes Zugeben eines Tracergases zum Abgas Pulse von Gaspaketen hervorgerufen werden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Zwischenwert für den Massenfluss durch Messung mittels Wärmeleitungssensoren bestimmt werden.

Ein nochmals anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass zumindest ein Zwischenwert für den Massenfluss aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als jener des Massenflusses kalkuliert wird.

Dieses letzte Ausführungsbeispiel ist in einer vorteilhaften Variante dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Luftmenge und der verbrauchten Kraftstoffmenge kalkuliert wird.

Alternativ zur obigen Variante kann auch vorgesehen sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine verbrauchten Kraft- stoffmenge und dem Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird.

Eine weitere Alternative besteht darin, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmenge und der Messung eines Wertes aus der Gruppe von Lambda, dem Äquivalenzverhältnis und dem

Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis kalkuliert wird. Die Messwerte der jeweils verwendeten Messgröße können dabei selbst direkt oder indirekt aus Messdaten der Motorelektronik stammen, wobei die verwendeten Daten die der Messwerte selbst sind, oder Daten, welche den zur Kalkulation des Abgasmassenflusses zu verwendenden Signalen proportional sind.

Das eingangs charakterisierte Verfahren kann gemäß der Erfindung weiters auch dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Zwischenwert für den Massenfluss aus der Messung der Verdünnung eines Tracergases durch den Abgasstrom ermittelt wird.

Vorzugsweise wird dabei zusätzlich eine Laufzeitmessung bei pulsierender Zugabe des Tracergases durchgeführt.

Gemäß einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Zwischenwert durch direkte Messung ermittelt und zumindest ein weiterer Zwischenwert durch Kalkulation aus zumindest zwei Messwerten anderer Größen als des Massenflusses kalkuliert wird.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die Fig. 1 und 2 zeigen dabei Diagramme mit jeweils einem Vergleich zweier unterschiedlicher Verfahren zur Ermittlung des Abgasmassenstroms, wobei im unteren Teil des Diagramms die Zwischenwerte auf Basis der unterschiedlichen Messmethoden und im oberen Teil des Diagramms die prozentuale Abweichung zwischen diesen Zwischen werten angegeben ist, und die Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit einem Vergleich zweier weiterer unterschiedlicher Verfahren zur Ermittlung des Abgasmassenstroms.

Die Basis für die vorliegende Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine verlässliche und korrekte Bestimmung des Abgasmassenstroms - insbesondere für dynamische und zeitaufgelöste Messungen - eine gleichzeitige bzw. parallele Messung am gleichen Abgasvolumen, allenfalls nach einer Aufteilung in gleichartige Teilvolumina, mittels einer Kombination von zumindest zwei Systemen, welche den Abgasmassenfluß mit auf zumindest zwei auf unterschiedlichen physikalischen Messprinzipen beruhenden Arten messen und/oder kalkulieren, ermöglicht wird. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Messung und/oder Kalkulation des Abgasmassenflusses können die Schwächen der parallel verwendeten Messprinzipen gegeneinander ausgeglichen werden, womit statistisch die Wahrscheinlichkeit des Auftreten von Messfehlern wesentlich minimiert wird bzw. allfällige Messfehler besser erkannt werden können.

Wenn etwa das Messsystem 1 eine Wahrscheinlichkeit von 10% für Fehler aufweist, und das davon weitgehend unabhängig arbeitende Messsystem 2 eine Wahrscheinlichkeit von 20%, dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kombinationssystem mit interner Plausibilitätsrechnung einen Fehler aufweist, nur mehr 2% (20% von 10%), was eine Verbesserung um einen Faktor 5 (oder 10 bezogen auf Messsystem 2) ergibt. Selbst wenn man annimmt, dass nicht alle Plausibilitätskombinationen zielführend sein werden, ist eine wesentliche Verbesserung der Systemgenauigkeit zu erwarten.

Kombinationen von Messungen und Kalkulationen, welche eine wesentliche Verbesserung der Aussagekraft ermöglichen, sind beispielsweise die direkte Messung des Massenflusses nach dem Wirk- oder Staudruckprinzip (zum Beispiel an einer Querschnittsverengung oder mittels einer Staudrucksonde und unter Anwendung der Bernoulli-Gleichung für die - im Allgemeinen instationäre - Abgasströmung) in Kombination mit einer Kalkulation des Massenflusses aus dem Lambda-Wert (der mit einer Lambda-Sonde gemessen oder gegebenenfalls auch aus den gemessenen Abgaskomponenten kalkuliert werden kann) und der gemessenen Menge an verbrauchtem Kraftstoff und/oder auch der gemessenen Luftmenge. Wie in Fig. 1 aus der obersten Kurve zu erkennen ist, die die Differenz der Zwischenwerte in Prozenten angibt, sind über einen großen Anteil der Messdauer die Zwischenwerte sehr eng beisammen, die aus einer direkten Differenzdruckmessung des Abgasmassenstroms und einer Kalkulation aus der Ansaugluftmenge und der Kraftstoffmasse ermittelt werden. Der endgültige, als Messwert für den Massenfluss ausgegebene Wert wird dann auf Basis der Zwischenwerte durch eine Plausibilitätsrechnung ermittelt, oder alternativ bei nicht vollkommen klärbaren Ungenauigkeiten beispielsweise auch durch eine vereinfachte Mittelwertbildung gebildet, um somit in jedem Fall eine höhere Genauigkeit und bessere Qualität der Werte für den Massenfluss zu erzielen als mit Messungen mittels lediglich einer Messmethode.

Auch eine direkte Messung des Abgasmassenflusses mit Ultraschall, (beispielsweise auf Basis der Laufzeiten von Ultraschallsignalen in Richtung und Gegenrichtung der Abgasströmung und unter Anwendung der Gasgleichung zur Bestimmung der Massendichte aus der Schallgeschwindigkeit und dem statischen Druck,) und die Kalkulation aus dem Lambda- Wert und der Kraftstoffmenge und/oder Luftmenge ergibt eine vorteilhafte Kombination.

Als vorteilhaft erwiesen haben sich mehrere untereinander kombinierbare Messprinzipien, beispielsweise die direkte Messung im Abgas mittels des Wirkdruckprinzips, die direkte Messung mittels Ultraschall (alternativ mit Laufzeitmessung oder Dopplereffekt), die direkte Messung mittels eines durch Koronaentladung hervorgerufenen Ionenstroms (entweder mittels Laufzeitmessung und/oder mittels Ionenstrom-Ladungsmengenmessung, wobei diese beiden Prinzipien auch kombiniert einsetzbar sind), oder auch die direkte Messung der Laufzeiten und der Änderungen der Laufzeiten von mittels Pulslängen und Pulsbreiten kodierten und dem Massenstrom überlagerten Pulsen. Beispielsweise können für letztere Methode Pulse elektrischer Ladungen (Elektronen bzw. Ionen im strömenden Abgas), hervorgerufen beispielsweise durch eine Koronaentladung an pulsierend betriebenen Sprühelektroden oder durch pulsförmig generierte elektrische Funken und deren Entladungen, oder auch Pulse bestimmter Gase (Gaspakete), hervorgerufen durch pulsierendes Zugeben eines Tracergases zum Abgas, verwendet werden.

Eine besonders interessante Kombination umfasst die Laufzeitmessung durch pulsierende Zugabe des Tracergases zusammen mit der auftretenden Verdünnungsrate dieses Tracergases nach bzw. durch die Vermischung mit dem Abgas selbst.

Die Liste der untereinander oder mit den zuvor genannten Prinzipien kombinierbaren Methoden umfasst weiters die direkte Messung mittels auf Hochtemperatur aufgeheizten Wärmeleitungssensoren, z. B. die Hitzdrahtmessung oder ähnliche Messprinzipien, beruhend auf dem Effekt, dass strömendes Gas abhängig von der Gasgeschwindigkeit mehr oder weniger Wärme ableitet, sowie die Messung der Verdünnung eines Tracergases durch den Ab- gasstrom.

Die obigen direkten Messverfahren werden vorteilhafterweise kombiniert mit Methoden der Kalkulation des Abgasmassenstroms, welche aber auch untereinander kombinierbar sind. So könnte eine Kalkulation aus gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge erfolgen, eine Kalkulation aus Kraftstoffmenge und dem Lambda-Wert oder - anstatt dieses Lambda- Wertes - dem Äquivalenzverhältnis oder dem Luft/Kraftstoff-Mengenverhältnis, sowie eine Kalkulation aus der Ansaugluftmenge und Lambda. In gleicher Weise wie die Fig. 1 zeigt die Fig. 2 einen Vergleich des zeitlichen Verlaufs von Zwischenwerten für den Abgasmassenstrom, die nun aber aus einer Kalkulation von gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge bzw. aus einer Kalkulation der Ansaugluftmenge und Lambda stammen. Die oberste Kurve zeigt wieder die prozentuale Differenz der Zwischenwerte, die mittels Plausibilitätsrechnung oder beispielsweise auch durch eine vereinfachte Mittelwertbildung zu einem Messwert für den Abgasmassenstrom verarbeitet werden. Einen Vergleich zwischen der Kalkulation aus gemessener Luftmenge und Kraftstoffmenge und einer Kalkulation aus Kraftstoffmenge und dem Lambda-Wert zeigt die Fig. 3. In Fig. 3 ist feststellbar, dass in den Bereichen, wo bei der Verzögerung des Fahrzeuges kein Kraftstoff verbraucht wird, auch kein gültiger Wert für den Abgasmassenfluss aus dem Lambda-Wert und der Kraftstoffmenge/Fuel Mass kalkulierbar ist (die Werte dafür sind in der Fig3 = 0 dargestellt)

Nachfolgend sollen beispielhaft einige weitere, besonders vorteilhafte Methoden bzw. Kombinationen betrachtet werden.

Die erste Methode ist eine Kombination einer direkten Messung des Abgasmassenstromes mittels einer Staudrucksonde mit der Kalkulation des Abgasmassenflusses mittels zweier Werte der Gruppe Luftmenge und/oder Kraftstoffmenge und/ oder von Lambda, welche selbst wieder aus einer Messung oder auch Kalkulation erhaltenen werden können (Fig. 4). Diese Messgrößen sind durch den folgenden Zusammenhang miteinander verbunden:

Abgasmasse = Ansaugluftmasse + Kraftstoffmasse und

Lambda = (Ansaugluftmasse / Kraftstoffmasse) / (A/F stöchiometrisch)

Äquivalenzverhältnis = 1/ Lambda

Mit A/F stöchiometrisch ist das Verhältnis der Luftmenge zur Kraftstoffmenge bei stö- chiometrischer Verbrennung bezeichnet.

Die Massen lassen sich einfach aus dem Luftmengen- oder Kraftstoffverbrauch messen oder kalkulieren. Z. B. ergibt sich die Kraftstoffmasse aus dem Kraftstoffverbrauch (kg/sec) * Messzeitintervall in Sekunden.

Zugleich gilt für Lambda aber auch (beispielsweise) die vereinfachte Formel nach Brett Schneider:

Lambda =

Γ C02+CO/2+02+NO/2+[Hcv/4 * (K/{K+CO/C02» - Ocv/2] * (C02+CO) Ί

L (Ccv+Hcv/4 - Ocv/2) * (C02 + CO + HC) J

Mit C02, CO, NO, 02 sind alle Komponenten des Abgases in % Vol oder auch in ppm gemeint, wobei HC als FID-äquivalenter Kohlenwasserstoffwert als d äquivalent anzunehmen ist; Hcv, Ocv, Ccv sind die Verhältnisse des Wasserstoffes H, des Sauerstoffes O und des Kohlenstoffes C relativ zum Kohlenstoffgehalt des verwendeten Kraftstoffes in mol/mol ; weiters ist Ccv = 1, K = 3.5 (Wassergaskonstante). Der Wert für die„Konstante" K kann bei Verwendung von Katalysatoren mehr oder weniger leicht variieren.

Die obige Lambda Formel ist hier nur als ein Beispiel für eine der möglichen Kalkulationen des Lambda Wertes aus der Massenbilanz der Abgasbestandteile dargestellt. Sie ist in obigem Falle eine Massenbilanzformel primär für den Sauerstoffgehalt, kombiniert mit dem Kohlenstoffgehalt des Abgases. Äquivalente Massenbilanzformalismen lassen sich auch für andere in die Verbrennung involvierten oder auch nicht involvierten Abgasbestandteile (wie Kohlenstoff, Stickstoff, Argon, Wasserstoff ...) aufstellen, wobei aber zu beachten ist, dass nicht alle Formalismen gleich gut für die Verwendung geeignet sind.

Lambda und/oder die Luftmasse und/oder die Kraftstoffmasse können dabei auch aus der OBD-Schnittstelle oder der Bordelektronik des zu untersuchenden Fahrzeuges, oder auch aus anderen Werten wie der Abgaszusammensetzung, stammen.

Diese oben erläuterte Methode ist insbesondere interessant, da sie eigentlich existierende und auch verwendete Systeme miteinander verknüpft, aber deren im echten dynamische Messbetrieb immanent vorhandenen Nachteile, dass nämlich bis 10% der Werte permanent zum Teil und gelegentlich sogar mehr als 20% der Messwerte gravierend fehlerhaft sind, vermeidet und die Summenfehler damit auf einige Prozent minimiert.

Eine sehr interessante weitere erfindungsgemäße Kombination ist die Verwendung einer direkten Massenstrommessung mittels Ultraschall, entweder einerseits zusammen mit dem Lambda und/oder Kraftstoffmenge und/oder der Luftmenge, wie sie vorher beschrieben wurden, oder zusammen mit einer Staudruck-Messmethode.

Vorteilhaft in dieser Kombination ist einerseits die sehr dynamische Messung mittels der Ultraschallmessmethode, welche hohe zeitliche Auflösung gewährt, zusammen mit der hier möglichen und/odervorhandenen dynamischen Temperaturmessung mittels des Ultraschalls, andererseits auch die Kontrollmöglichkeit durch Bezug auf zeitlich langsamere mittlere Gasströme. Damit sind für die Abgasmassenstromkalkulation die erforderlichen zeitlichen Datenangleichungen präziser erfassbar.

Für die Berechnung von Abgasmassenemissionen müssen letztendlich auch die die Zeitbasen der miteinander mathematisch zu verknüpfenden Messdaten - das sind die Abgaskonzentrationen und die Abgasmassenflüsse - möglichst exakt aneinander angepasst werden.

Eine ebenfalls sehr interessante Kombination sieht die Verwendung einer Tracermethode vor, wobei dem Abgasstrom eine Tracersubstanz zugesetzt wird. Diese Tracersubstanz kann beispielsweise ein möglichst inertes und gut messbares Tracergas sein. Aber auch mittels elektrischer Methoden erzeugte Elektronen oder Ionen aus dem Abgas selbst können als Tracer verwendet werden.

Einerseits mit zeitlich variierenden und/oder durch die Impulsfolge kodierter Zugabe der inerten Tracersubstanz können die Laufzeitvariationen zwischen dem Ort der„Erzeugung" und dem oder den Orten der Messung der Substanz gemessen werden, andererseits können an denselben„Orten der Messung" auch die Verdünnung oder Ausdünnung der Tracersubstanzen durch die Vermischung mit dem Abgas auch direkt erfasst werden, so dass aus diesem Verdünnungsverhältnis der Abgasmassenstrom bei Kenntnis der zugegebenen Menge der Tracersubstanz direkt ermittelt werden kann.

Beide Methoden der Tracersubstanzzugabe haben das Potenzial sehr hoher Zeitauflösung in sich (einige 100 Herz bei der Zugabe von Tracergasen; bis einige kHz bei den elektrischen Methoden). In einer weiteren verbesserten Ausführung kann durch die Messung an verschiedenen Orten auch zusätzlich noch die Veränderung der Dynamik inklusive auch von echten RückStrömungen durch Resonanzpulsationen korrekt gemessen und zeitlich zugeordnet werden. Diese zusätzliche Möglichkeit der Messung der Änderungen der zeitlichen Zuordnung der Strömungsverhältnisse, ermöglicht damit weiters auch eine Verbesserung der zeitlichen Zuordnung von Abgaskonzentration und Abgasmassenfluss und damit eine Verbesserung der Synchron-Multiplikation, also der Multiplikation von einander kausal zugeordneten zeitaufgelösten Messwerten, zur Kalkulation der Abgasmassenemissionen.