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DE4317867A1 - Method and device for the measurement of internal combustion engine exhaust gas components - Google Patents

Method and device for the measurement of internal combustion engine exhaust gas components

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DE4317867A1
DE4317867A1 DE19934317867 DE4317867A DE4317867A1 DE 4317867 A1 DE4317867 A1 DE 4317867A1 DE 19934317867 DE19934317867 DE 19934317867 DE 4317867 A DE4317867 A DE 4317867A DE 4317867 A1 DE4317867 A1 DE 4317867A1
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DE
Germany
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exhaust gas
line
raw
tracer
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DE19934317867
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German (de)
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Torsten Bornemann
Engelbert Stoebe
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Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Publication date
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Abstract

For this purpose, an exhaust gas measuring installation is used which is provided for the measurement of diluted exhaust gases, specifically for continuous measurement. However, there is a requirement to carry out measurements on a motor test stand in which undiluted raw exhaust gas arises. The device proposed and a method which can be carried out on the same is suitable for this purpose. By this means, the range of use of gas analysers, which were originally only designed for the measurement of diluted exhaust gas, can be extended in a very simple way to quasi-undiluted exhaust gas. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Brennkraftmaschinen-Ab­ gaskomponenten auf einer Abgasmeßanlage, die für die Messung verdünnter Abgase vorgesehen ist, und zwar für eine kontinuierliche Messung.The invention relates to a device and a Method for measuring internal combustion engine gas components on an exhaust gas measuring system, for the measurement of diluted exhaust gases is provided, and for a continuous measurement.

Es ist bereits bekannt, eine Messung von verdünntem Rohabgas mit bestimmtem Verdünnungsverhältnis durchzuführen, wobei der gesamte Abgasstrom der Brennkraftmaschine verdünnt wird und das Verdün­ nungsverhältnis dadurch festgestellt wird, daß z. B. eine Abgaskomponente des unverdünnten Rohabgases gemessen wird und ins Verhältnis zur der im ver­ dünnten Abgas gemessenen gleichen Abgaskomponente gesetzt wird.It is already known to take a measurement of diluted Raw exhaust gas with a specific dilution ratio perform, the entire exhaust gas flow of the Internal combustion engine is diluted and the dilution is determined by the fact that z. B. an exhaust gas component of the undiluted raw exhaust gas is measured and in relation to that in ver thin exhaust gas measured same exhaust component is set.

Diese Messung wird bereits an Rollenprüfständen (Dynamometer) durchgeführt, es besteht jedoch auch Bedarf für Messungen an einem Motorprüfstand, bei dem in der Regel nur unverdünntes Rohabgas anfällt, das vom Gasanalysator jedoch nicht gemessen werden kann.This measurement is already being carried out on roller test benches (Dynamometer) performed, but it also exists Need for measurements on an engine test bench, at which generally only produces undiluted raw exhaust gas, that cannot be measured by the gas analyzer can.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten aufzufinden, mit denen ohne größeren Aufwand der Gasanalysator auch für Motorprüfstände eingesetzt werden kann.Proceeding from this, the invention is therefore the Task based on finding possibilities with the gas analyzer without any major effort can be used for engine test benches.

Diese Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des An­ spruchs 1 angegebenen Vorrichtungsmerkmale und die im Anspruch 3 angegebenen Verfahrensschritte gelöst worden, wobei Anspruch 2 bzw. Anspruch 4 und An­ spruch 5 vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrich­ tung bzw. des Verfahrens angibt. This task is characterized by claim 1 specified device features and Process steps specified in claim 3 solved been, wherein claim 2 or claim 4 and An Say 5 advantageous developments of the Vorrich tion or the process indicates.  

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile er­ reicht: Es wird nur eine kleine Abgasmenge ver­ dünnt, damit ist eine platzsparende Ausführung er­ reicht. Die Erfindung ermöglicht eine kontinuierli­ che Abgasmessung. Es erfolgt eine automatische Kom­ pensation des sich durch äußere Einflüsse, z. B. Druckänderungen im Abgasrohr, Verschmutzung von Leitungen usw. ändernden Rohabgasstromes durch lau­ fende Erfassung des Verdünnungsverhältnisses über die Tracergasmessungen.With the invention he has the following advantages Enough: Only a small amount of exhaust gas is used thin, so it is a space-saving version enough. The invention enables a continuous che exhaust measurement. There is an automatic comm pensation due to external influences, e.g. B. Pressure changes in the exhaust pipe, contamination of Lines etc. changing raw exhaust gas flow through tepid determination of the dilution ratio the tracer gas measurements.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Messung von Brennkraftmaschinen-Abgaskomponenten in Verbin­ dung mit einem Multikomponenten-Gasanalysator 1 schematisch dargestellt.In the drawing, a device for measuring internal combustion engine exhaust components in conjunction with a multi-component gas analyzer 1 is shown schematically.

Diese weist eine erste Leitung 2 auf, die an eine Verdünnungsgasquelle (N2 oder Luft) angeschlossen ist und ein Druckregelventil 3 sowie eine überkri­ tisch betriebene Düse 4 in Reihe geschaltet auf­ weist, und eine zweite, parallelgeschaltete Lei­ tung 5 auf, die mit einer Tracergasquelle verbunden ist und ebenfalls ein Druckregelventil 3 sowie eine überkritisch betriebene Düse 4 aufweist. Alternativ hierzu kann in beiden Leitungen 2, 5 jedoch auch jede andere Vorrichtung zur Erzeugung eines kon­ stanten Massenstromes eingesetzt werden. Beide Lei­ tungen 2, 5 münden mit einer dritten Leitung 6 zu­ sammen, die mit dem Abgasrohr 7 der Brenn­ kraftmaschine verbunden ist und in Strömungsrich­ tung hintereinander ein Schaltventil 8 sowie eine einstellbare Düse 9 aufweist. Die dritte Leitung 6 ist beheizt, z. B. auf 190°C, um ein Kondensieren von Bestandteilen des Rohabgases zu verhindern. Eine vierte Leitung 10 verbindet den Mündungs­ abschnitt aller übrigen Leitungen 2, 5, 6 mit dem bekannten Multikomponenten-Gasanalysator 1 und ei­ ner nachfolgenden Gaspumpe 11, deren Förderung so gesteuert wird, daß sich ein vorgegebener konstan­ ter Druck in der vierten Leitung einstellt, z. B. 750 mbar.This has a first line 2 , which is connected to a dilution gas source (N2 or air) and has a pressure control valve 3 and a nozzle 4 operated in a supercritical manner, and a second line 5 connected in parallel with a tracer gas source is connected and also has a pressure control valve 3 and a supercritically operated nozzle 4 . Alternatively, any other device for generating a constant mass flow can be used in both lines 2 , 5 . Both lines 2 , 5 lead to a third line 6 , which is connected to the exhaust pipe 7 of the internal combustion engine and has a switching valve 8 and an adjustable nozzle 9 one behind the other in the flow direction. The third line 6 is heated, for. B. to 190 ° C to prevent condensation of components of the raw exhaust gas. A fourth line 10 connects the mouth section of all other lines 2 , 5 , 6 with the known multicomponent gas analyzer 1 and egg ner subsequent gas pump 11 , the conveyance of which is controlled so that a predetermined constant pressure in the fourth line is set, for . B. 750 mbar.

Mit dieser Vorrichtung kann das folgende erfinderi­ sche Verfahren durchgeführt werden:With this device, the following inventive procedures are carried out:

Schritt 1: Schließen des Ventils 8 in der dritten Leitung 6 und Einstellen des vorgegebenen Druckes in der vierten Leitung 10, z. B. 750 mbar, Einstel­ len eines Verdünnungsgasstromes, z. B. 22,5 l/min sowie eines vorgegebenen Tracergasstromes, z. B. 10-15 ml/min, über die Druckregelventile 3.Step 1: Close the valve 8 in the third line 6 and adjust the predetermined pressure in the fourth line 10 , e.g. B. 750 mbar, len setting a dilution gas stream, z. B. 22.5 l / min and a predetermined tracer gas flow, for. B. 10-15 ml / min, via the pressure control valves 3 .

Schritt 2: Messen der Konzentration des im Verdün­ nungsgas enthaltenen Tracergases.Step 2: measure the concentration of the diluted tracer gas.

Schritt 3: Öffnen des Ventils 8 der dritten Leitung 6 und Einstellen eines vorgegebenen Rohabgasstromes mittels der einstellbaren Düse 9, z. B. 2,5 l/min, so daß sich ein aus Verdünnungsgas-, Tracergas- und Rohgasstrom bestehender Meßgasstrom einstellt, der den Gasanalysator 1 durchströmt.Step 3: Open the valve 8 of the third line 6 and adjust a predetermined raw exhaust gas flow by means of the adjustable nozzle 9 , e.g. B. 2.5 l / min, so that a sample gas stream consisting of diluent gas, tracer gas stream and raw gas stream is set which flows through the gas analyzer 1 .

Schritt 4: Messen des Tracergasanteils des Meßgas­ stromes und Bestimmen des Verdünnungsverhältnisses zwischen Rohabgas und Verdünnungsgas aus dem Ver­ hältnis der gemessenen Tracergasanteile in Schritt 2 und Schritt 4 nach der FormelStep 4: Measure the tracer gas content of the sample gas current and determining the dilution ratio between raw exhaust gas and diluent gas from the Ver Ratio of the measured tracer gas fractions in step 2 and step 4 according to the formula

Schritt 5: Messen der übrigen relevanten Abgaskom­ ponentenanteile im Meßgasstrom und Bestimmen der Rohgasanteile durch die FormelStep 5: Measure the other relevant exhaust gas com components in the sample gas flow and determining the Raw gas proportions through the formula

co (x) = DF·c1 (x)co (x) = DFc1 (x)

worin bedeuten:
co (x) : Konzentration der Komponente x im Rohabgas
c1 (x) : Konzentration der Komponente x im Meßgas
co (T) : Konzentration des Tracergases im Rohabgas
c1 (T) : Konzentration des Tracergases im Rohabgas
DF: Verdünnungsverhältnis.in which mean:
co (x): concentration of component x in the raw exhaust gas
c1 (x): concentration of component x in the sample gas
co (T): concentration of the tracer gas in the raw exhaust gas
c1 (T): concentration of the tracer gas in the raw exhaust gas
DF: dilution ratio.

Zur Kompensation von Druckverlusten in der vierten Leitung kann es vorteilhaft sein, daß in die dritte Leitung 6 zwischen Schaltventil 8 und einstellbarer Düse 9 eine Rückführleitung 12 (gestrichelt darge­ stellt) einmündet, die andererseits mit dem Auslaß 13 der Gaspumpe 11 verbunden ist und ein Schaltven­ til 14 aufweist, womit im Arbeitsschritt 1 die Ein­ stellung des vorgegebenen Druckes unter Rückführung von Verdünnungsgas erfolgt, das mengenmäßig dem im Arbeitsschritt 3 einstellten Rohabgasstrom ent­ spricht.To compensate for pressure losses in the fourth line, it may be advantageous that in the third line 6 between the switching valve 8 and adjustable nozzle 9 a return line 12 (dashed lines represents Darge) opens, which is connected to the outlet 13 of the gas pump 11 and a Schaltven til 14 , with which in step 1 the setting of the predetermined pressure takes place with recirculation of diluent gas, which corresponds to the quantity of the raw exhaust gas flow set in step 3.

Vorteilhafterweise sind das Leitungssystem und das Verfahren als Betriebsprogramm und Software in dem Gasanalysator 1 integriert.The line system and the method are advantageously integrated in the gas analyzer 1 as an operating program and software.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Eigenschaft insbesondere moderner Mehrkomponenten-Gasanalysato­ ren (z. B. nach dem FTIR- oder Massenspektrometer­ prinzip) aus, ohne nennenswerten Mehraufwand auch Komponenten quantitativ bestimmen zu können, die nicht im Rohabgas vorhanden sind. Erfüllen diese Komponenten noch Randbedingungen (insbesondere Reaktionsträgheit mit dem Abgas), so besteht die Möglichkeit, das zur Verdünnung benutzte Gas mit einer zeitlich konstanten Menge einer solchen Kom­ ponente zu dotieren (Tracergas-Prinzip) und aus den gemessenen Konzentrationen dieser Komponente mit und ohne Rohabgasstrom das Verdünnungsverhältnis zu bestimmen.The present invention takes advantage of the property especially modern multi-component gas analysis ren (e.g. according to the FTIR or mass spectrometer principle), without any significant additional effort To be able to quantify components that are not present in the raw exhaust gas. Meet this Components still boundary conditions (in particular Inertia with the exhaust gas) Possibility of using the gas used for dilution a constant amount of such a comm doping component (tracer gas principle) and from the measured concentrations of this component with and without a raw exhaust gas flow the dilution ratio increases determine.

Bei Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung und des Verfahrens wird der Einsatzbereich von Gasana­ lysatoren, die ursprünglich nur für die Messung von verdünntem Abgas ausgelegt sind, in sehr einfacher Weise auf quasi unverdünntes Abgas erweitert. Eine Änderung am Gasanalysator selbst entfällt, und der Aufwand ist erheblich vermindert, denn es wird nur ein geringer Teilstrom des Abgases verdünnt.When using the proposed device and The procedure becomes the area of application of Gasana lysators, originally only for the measurement of diluted exhaust are designed in very simple  Expanded to quasi-undiluted exhaust gas. A There is no change to the gas analyzer itself, and the Effort is significantly reduced because it will only a small part of the exhaust gas is diluted.

Als Tracergas geeignet sind z. B. Tetrafluorkohlen­ stoff CF4, Schwefelhexafluorid SF6 oder Edelgase, letztere jedoch nicht im Fall eines nach dem Ver­ fahren der Infrarot-Absorption arbeitenden Gasana­ lysators.Suitable tracer gases are e.g. B. tetrafluorocarbons CF4, sulfur hexafluoride SF6 or noble gases, the latter, however, not in the case of a driving the infrared absorption working Gasana lysators.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Messung von Brennkraft­ maschinen-Abgaskomponenten in Verbindung mit einem Multikomponenten-Gasanalysator und einem Rohrlei­ tungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Leitungssystem vier zusammenmündende Leitungen (2, 5, 6, 10) aufweist, von denen die erste und zweite jeweils ein Druckregelventil (3) und eine kritisch betriebene Düse (4) aufweisen und an eine Verdün­ nungsgasquelle und eine Tracergasquelle angeschlos­ sen sind, und die dritte ein Schaltventil (8) sowie eine ein­ stellbare Düse (9) aufweist und mit dem Abgasrohr (7) der Brennkraftmaschine verbindbar ist, und die vierte mit dem bekannten Multikomponenten- Gasanalysator (1) und einer nachfolgenden Gaspumpe (11) verbunden ist.1. Device for measuring internal combustion engine exhaust gas components in connection with a multi-component gas analyzer and a Rohrlei line system, characterized in that this line system has four confluent lines ( 2 , 5 , 6 , 10 ), of which the first and second one each Pressure control valve ( 3 ) and a critically operated nozzle ( 4 ) and to a dilution gas source and a tracer gas source are ruled out, and the third has a switching valve ( 8 ) and an adjustable nozzle ( 9 ) and with the exhaust pipe ( 7 ) Internal combustion engine is connectable, and the fourth is connected to the known multi-component gas analyzer ( 1 ) and a subsequent gas pump ( 11 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die dritte Leitung (6) zwi­ schen Schaltventil (8) und einstellbarer Düse (9) eine Rückführleitung (12) einmündet, die anderer­ seits mit dem Auslaß (13) der Gaspumpe (11) verbun­ den ist und ein Schaltventil (14) aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that in the third line ( 6 ) between rule's valve ( 8 ) and adjustable nozzle ( 9 ) opens a return line ( 12 ), the other hand with the outlet ( 13 ) of the gas pump ( 11th ) is connected and has a switching valve ( 14 ). 3. Verfahren, durchführbar mit der Vor­ richtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Arbeitsschritte:3. Procedure feasible with the pre Direction according to claim 1, characterized by the following steps: Schritt 1: Schließen des Ventils (8) in der dritten Leitung (6) und Einstellen des vorgegebenen Druckes in der vierten Leitung (10), z. B. 750 mbar, Ein­ stellen eines Verdünnungsgasstromes, z. B. 22,5 l/min sowie eines vorgegebenen Tracergasstromes, z. B. 10-15 ml/min, über die Druckregelventile (3).Step 1: closing the valve ( 8 ) in the third line ( 6 ) and adjusting the predetermined pressure in the fourth line ( 10 ), e.g. B. 750 mbar, A set a dilution gas stream, for. B. 22.5 l / min and a predetermined tracer gas flow, for. B. 10-15 ml / min, via the pressure control valves ( 3 ). Schritt 2: Messen der Konzentration des im Verdün­ nungsgas enthaltenen Tracergases. Step 2: measure the concentration of the diluted tracer gas.   Schritt 3: Öffnen des Ventils (8) der dritten Lei­ tung (6) und Einstellen eines vorgegebenen Rohab­ gasstromes mittels der einstellbaren Düse (9), z. B. 2,5 l/min, so daß sich ein aus Verdünnungsgas-, Tracergas- und Rohgasstrom bestehender Meßgasstrom einstellt, der den Gasanalysator (1) durchströmt.Step 3: Open the valve ( 8 ) of the third line ( 6 ) and adjust a predetermined raw gas flow by means of the adjustable nozzle ( 9 ), e.g. B. 2.5 l / min, so that a sample gas stream consisting of diluent gas, tracer gas stream and raw gas stream is established which flows through the gas analyzer ( 1 ). Schritt 4: Messen des Tracergasanteils des Meßgas­ stromes und Bestimmen des Verdünnungsverhältnisses zwischen Rohabgas und Verdünnungsgas aus dem Ver­ hältnis der gemessenen Tracergasanteile in Schritt 2 und Schritt 4 nach der Formel Step 4: Measure the tracer gas portion of the sample gas stream and determine the dilution ratio between raw exhaust gas and dilution gas from the ratio of the measured tracer gas portions in step 2 and step 4 according to the formula Schritt 5: Messen der übrigen relevanten Abgaskom­ ponentenanteile im Meßgasstrom und Bestimmen der Rohgasanteile durch die Formel co (x) = DF·c1 (x)worin bedeuten:Step 5: Measure the other relevant exhaust gas com components in the sample gas flow and determining the Raw gas proportions through the formula co (x) = DFc1 (x) where: co (x) : Konzentration der Komponente x im Rohabgas
c1 (x) : Konzentration der Komponente x im Meßgas
co (T) : Konzentration des Tracergases im Rohabgas
c1 (T) : Konzentration des Tracergases im Rohabgas
DF: Verdünnungsverhältnis.co (x): concentration of component x in the raw exhaust gas
c1 (x): concentration of component x in the sample gas
co (T): concentration of the tracer gas in the raw exhaust gas
c1 (T): concentration of the tracer gas in the raw exhaust gas
DF: dilution ratio. 4. Verfahren nach Anspruch 3, insbesondere durchführbar mit der Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitsschritt 1 die Einstellung des vorgegebenen Druckes unter Rückfüh­ rung von Verdünnungsgas erfolgt, das mengenmäßig dem im Arbeitsschritt 3 eingestellten Rohabgasstrom entspricht, zur Kompensation von Druckverlusten in der vierten Leitung (10). 4. The method according to claim 3, in particular feasible with the device according to claim 2, characterized in that in step 1, the setting of the predetermined pressure is carried out with return of diluent gas, which corresponds in quantity to the raw exhaust gas flow set in step 3, for compensation of pressure losses in the fourth line ( 10 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 bzw. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Leitungssystem und das Verfahren als Betriebsprogramm und Software in dem Gasanaly­ sator (1) integriert sind.5. Apparatus according to claim 1 or 2 or method according to claim 3 or 4, characterized in that the line system and the method are integrated as an operating program and software in the gas analyzer ( 1 ).
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