DE69917594T2

DE69917594T2 - Modularer echtzeit- abgas-durchflussmesser für fahrende fahrzeuge und berichtsystem für emissionen

Info

Publication number: DE69917594T2
Application number: DE69917594T
Authority: DE
Inventors: Alphonse Leo BRETON
Original assignee: US Environmental Protection Agency
Current assignee: US Environmental Protection Agency
Priority date: 1998-01-05
Filing date: 1999-01-05
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: TR200001900T2; RU2224233C2; CA2316158A1; CN1287614A; EP1046025B1; JP4294863B2; ATE268007T1; DE69917594D1; CA2316158C; MXPA00006616A; JP2002516981A; JP4505033B2; AU746060B2; CN1945254A; EP1046025A1; AU2025099A; US6382014B1; US6148656A; CN100570314C; CN1285898C

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung ist ein tragbares Abgasemissions-Messsystem für Fahrzeuge und insbesondere ein mobiles Echtzeit-Fahrzeugemissions-Meldesystem, das kontinuierlich den Anteil der gasförmigen Emissionen (HC, CO, CO₂, NO und O₂) in Gramm/gefahrenen Meilen sowie den Kraftstoffverbrauch, Motor- und Fahrzeug-Betriebsparameter, das Motor-Luft/Kraftstoffverhältnis und die Straßensteigung, alle bei einer vom Benutzer auswählbaren Aktualisierungsgeschwindigkeit, misst, anzeigt und aufzeichnet. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Durchflussmodul zur Verwendung im System.
Der Stand der Technik
Der von der United States Environmental Protection Agency (EPA – US-Umweltschutzbehörde) eingeführte numerische Abgasemissionsstandard lässt sich mittels Verwendung des Federal Test Procedure (FTP – Bundes-Testverfahren) auf die getesteten Fahrzeuge anwenden. Das FTP wird in einem Labor auf einem Dynamometer unter geregelten Umgebungsbedingungen durchgeführt, worauf das Fahrzeug mit einer spezifischen Ablauf-Geschwindigkeit und Zeit "gefahren" wird, während die Emissionen gemessen werden. Derselbe Geschwindigkeit-Zeit-Ablauf wird beim Testen aller Fahrzeuge und leichter Nutzfahrzeuge verwendet und stellt idealerweise ein typisches im Verkehr befindlich-Fahren dar. Während des Tests legt der Dynamometer eine Dauer- und eine Trägheits-Last am Fahrzeug an, die die tatsächliche Straßenlast und Dynamiklast nachahmt, der man für dieselben Fahrzeuggeschwindigkeiten auf der Straße begegnet. Ein Constant Volume Sampler (Probeentnehmer gleicher Menge) (CVS) wird verwendet, um das Abgas derart mit Luft zu verdünnen, dass die Durchfluss-Geschwin digkeit des verdünnten Gases konstant gehalten wird, wenn sich die Abgas-Durchfluss-Geschwindigkeit des Fahrzeugs ändert, und um eine proportionale Probe des verdünnten Abgases während jeder der drei Testphasen zu erhalten. Auf diese Weise ist die Konzentration der Probe eines jeden Schadstoffs im Wesentlichen proportional zu den Massen-Emissionen dieses Schadstoffs. Typisch für solche Systeme ist das in US-4.727.746 offenbarte, das in Kombination einen herkömmlichen stationären Dynamometer-Prüfstand und ein CVS einschließt, betrieben mit der Beimischung verdünnter Luft an das Abgas.
Im Fall von Fahrzeugen mit-Hochleistungsmotoren, wie beispielsweise Sattelschlepper und Stadtbusse, wird der dazugehörige EPA-Emissionsstandard für Motoren der Fahrzeuge verwendet, welche auf einem Motor-Dynamometer auf die Emission hin getestet werden, während sie im EPA-"Durchgangstest" betrieben werden. Das Emissionen-Proben-System und das CVS ähneln dem oben für die Personenkraftwagen beschriebenen. Jedoch wird der zu prüfende Motor am Motor-Dynamometer angebracht, der ein vorgeschriebenes Drehmoment und eine vorgeschriebene Motordrehzahl hat. Der Motor muss, falls montiert, vor dem Testen aus dem dazugehörigen Fahrzeug entnommen werden. Manchmal müssen dem Fahrzeug-basierende elektronische Sensoren, die Eingaben an das Brennstoffversorgungssystem des Motors darstellen, wie beispielsweise ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor, während des Emissionstests abgetrennt werden oder simulierte Werte haben. Dies kann zu Emissionsmessungen führen, die sich von tatsächlichen Werten unterscheiden.
Ein Hersteller muss für den Erhalt eines Konformitätszertifikats, das den Verkauf einer speziellen Fahrzeugfamilie oder Motorenfamilie erlaubt, die Übereinstimmung mit anwendbaren EPA-Emissionsstandards nachweisen. Ein Hauptteil für den Nachweis für PKWs und Leichtnutzfahrzeuge ist das Bestehen des FTP und/oder für Hochleistungsfahrzeuge das Bestehen des Durchgangstests. Ein anderes, meist entgegengesetztes Ziel für den Hersteller ist es, der Maximierung der Fahrzeugleistung oder des Kraftstoffverbrauchs nachzukommen. Da sich die beiden Ziele für gewöhnlich gegenseitig widersprechen, und da der FTP- und der Durchgangstest so gut definiert und wiederholbar sind, wird das Erfüllen der Zertifikat-Emissionstandards häufig ein Verfahren zum "Optimieren" der vom elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem des Fahrzeugs verwendeten Kalibrierungswerte, bis die numerischen Emissionsstandards mit gerade genug Spielraum erfüllt werden, damit das FTP "überstanden" wird und die Niveaus für das "Überstehen" über die Nutzzeit des Fahrzeugs beibehalten werden.
Wenn die Kalibrierung für eine besondere Fahrzeugfamilie "optimiert" wird, um das FTP zu überstehen, spiegeln die Testergebnisse nicht notwendigerweise die Fahrzeugemissionen wider, die aus dem Fahren desselbon Fahrzeugs auf der Straße selbst mit denselben Umgebungsbedingungen und demselben Fahrzeuggeschwindigkeitsfahrplan hervorgehen. Die Emissionen hängen nicht nur von den Geschwindigkeiten, der Anzahl der Meilen und den gefahrenen Steigungen, sondern auch vom jeweiligen Fahrer, vom Kennen der gefahrenen Strecke, von den Verkehrsbedingungen, usw. ab.
Es ist für einen verantwortungsvollen Fahrzeughersteller wichtig, die tatsächliche Straßen-Emissionsleistung eines Fahrzeugs unter verschiedenen konkurierenden Kalibrierungen und Konstruktionen zu kennen, so dass er die Gelegenheit hat, Umwelt-Erwägungen zu einem der Parameter zu machen, mit denen er eine endgültige Konstruktion oder Kalibrierung auswählt. Es ist für Behörden, die Emissionen regulieren, ebenfalls wichtig, die Emissionsleistung der Fahrzeuge von jedem Hersteller auf der Straße zu überwachen. Mit den heutigen hochentwickelten elektronischen Motorsteuerungen sind Straßentestdaten erforderlich, um die Effektivität des FTP und des Durchgangstests für die Unterstützung der Aufrechterhaltung reiner Luft sowie für Auswertungen der Emissions-Inventuren zu bestimmen. Nur durch das Kennen der tatsächlichen Straßenemissionen der Fahrzeuge kann eine wirkungsvolle Säuberung entwickelt werden, die diese Emissionen reguliert.
Um die Emissionsleistung der Fahrzeuge auf der Straße zu überwachen, wird ein Benutzer-freundliches, tragbares und leicht überführbares Straßen-Emissionsmesssystem benötigt. Idealerweise würde die Installation eines solchen Systems keine Modifikation des zu prüfenden Fahrzeugs benötigen. Weiterhin müssen die Emissionsmessungen eines jeden Systems gut mit der Labor-FTP-Prüfung übereinstimmen, wenn beide Systeme gleichzeitig betrieben werden.
Bord-Fahrzeug-Gasemission-Überwachungssysteme werden in US 5.099.680 , an Fournier et al. erteilt, US 5.105.651 , an Gutmann erteilt, und US 5.709.082 , an Harris et al. erteilt, offenbart. Jedoch misst keines dieser Bordsysteme aus dem Stand der Technik die tatsächliche Abgasdurchflussgeschwindigkeit oder sorgt für ein Instrument-Modul, der leicht zwischen Fahrzeugen überführt werden kann.
US 5.099.680 offenbart ein Bordsystem für die Analyse einer Mehrzahl an Abgaskomponenten (Spalte 3, Zeilen 45–47) und ist mit dem Motorcomputer verbunden (Spalte 3, Zeilen 15–18). Dieses System aus dem Stand der Technik beabsichtigt die Berechnung der Fahrzeugemissionen in Gramm je Meile, offensichtlich auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Motorhubraums, wie in Spalte 4, Zeilen 3–20, beschrieben.
US 5.105.651 offenbart ein Bordsystem in der Ausführungsform der 2. Der Kohlenstoffmonoxid- und Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases werden überwacht (Spalte 4, Zeilen 28–30), und die Abgas-Analysedaten werden, wie in der Spalte 6, Zeile 42, bis Spalte 7, Zeile 23, beschrieben, korreliert.
US 5.639.957 bemerkt den 30–50%igen Emissions-Berechnungsfehler der gasförmigen Schadstoffe infolge des Unterschieds zwischen den theoretischen und tatsächlichen Werten für den Abgasstrom. Diese Dokument aus dem Stand der Technik schlägt eine verbesserte Berechnung zur Bestimmung des theoretischen Abgasstroms vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mobiles Bord-Emissions-Testsystem bereitzustellen, das zwischen verschiedenen Fahrzeugen überführbar ist und das eine Echtzeit-Bestimmung der Massen-Durchflussgeschwindigkeiten verschiedener gasförmiger Schadstoffe auf der Grundlage der tatsächlichen Abgasdurchflussgeschwindigkeit bereitstellt und das keine Modifikationen am zu prüfenden Fahrzeug erforderlich macht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches Emissionstestsystem bereitzustellen, in dem die Sensoren, die erforderlich sind um mit dem Abgas in Kontakt zu kommen, alle in einem Modul eingeschlossen sind, das abnehmbar an einem Fahrzeug angebracht und ohne weiteres von einem Fahrzeug zum anderen überführt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches System mit der Fähigkeit zur Bestimmung der Fahrzeug-Betriebsparameter und der Echtzeit-Korrelation dieser Fahrzeug-Betriebsparameter mit Schadstoff-Massen-Durchflussgeschwindigkeiten bereitzustellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein solches System einschließlich eines Empfänger für ein globalen Positionierungssystem bereitzustellen, um den Fahrzeugstandort kontinuierlich zu überwachen und die Schadstoff-Massen-Durchflussgeschwindigkeiten mit dem Fahrzeug-Fahrzyklus oder dem Fahrplan zu korrelieren.
Um die vorherigen Aufgaben zu erfüllen, stellt die vorliegende Erfindung ein mobiles Bord-Fahrzeug-Testsystem bereit, das ein Modul einschließt, das aufgebaut ist, um abnehmbar an einem zu prüfenden Fahrzeug angebracht zu werden, und das ein Stützungsmittel einschließt, um das Modul abnehmbar an einem Rumpfabschnitt des Fahrzeugs zu befestigen. Ein Verbindungsmittel, das vorzugsweise eine Elastomerkappe einschließt, erlaubt die abnehmbare Verbindung des Moduls mit dem Auspuffrohr des Fahrzeugs, wodurch die Durchflussgeschwindigkeit des Abgases des Fahrzeugs durch das integral im Modul angebrachte Durchfluss-Sensor-Element erfasst werden kann. Im Modul eingeschlossen ist auch ein Probenentnahmeröhrchen, das sich in nächster Nähe zum Durchfluss-Sensor-Element befindet, um kontinuierlich das Abgas zu entnehmen und das entnommene Abgas an ein stromabwärts befindliches Gasprüfgerät zu leiten. Das stromabwärts befindliche Gasprüfgerät erfasst die Konzentrationen jedes einzelnen von mehreren gasförmigen Schadstoffen innerhalb des Abgases, das durch das stromabwärts befindliche Probenentnahmeröhrchen ent nommen wurde; d. h. ein Probenentnahmeröhrchen, das sich stromabwärts von einer Abgas-nach-Behandlung-Vorrichtung, z. B. einem Katalysator, befindet. Ein Computer dient als Berechnungsmittel zum Berechnen der Massen-Durchflussgeschwindigkeiten für jeden der gasförmigen Schadstoffe auf der Grundlage der erfassten Konzentrationen und der erfassten Durchflussgeschwindigkeit des Abgases.
Sonden zum Erfassen der Temperaturen und des absoluten Drucks des Abgases können ebenfalls im Modul eingeschlossen sein. Es ist vorteilhaft, diese Sonden so dicht wie möglich am Durchfluss-Sensor-Element zu setzen, so dass alle Lesewerte derselben Abgasprobe zum selben Zeitpunkt entsprechen.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung das Instrument-Modul bereit, das im oben beschriebenen System verwendet wird. Das Instrument-Modul enthält unbeweglich darin angebracht ein Element zum Bestimmen der Durchflussgeschwindigkeit des Abgases (hiernach "Durchfluss-Sensor-Element") und das Probenentnahmeröhrchen zur kontinuierlichen Entnahme des Abgases und Leiten des entnommenen Abgases an ein Gasprüfgerät. Wie oben angemerkt, kann das Modul unbeweglich darin angebracht auch Sonden zur Bestimmung der Temperatur und des absoluten Drucks des Abgases enthalten. Das Modul sollte die Längen von geraden Röhren an gegenüberliegenden Seiten der Sonden einschließen, um die erforderlichen stromaufwärtigen und stromabwärtigen Durchflusswege für das genaue Erfassen bereitzustellen. Ein weiteres optionales Merkmal ist die Bereitstellung eines Durchfluss-Richtmittels, z. B. einer Mehrzahl an im Modul angebrachten parallelen Flügeln stromaufwärts von den zuvor erwähnten Gerätesonden. Zu Zwecken der Erfassung von Schwebstoffteilchen (PM) würde das Modul auch ein zweites offenes Gasprobenentnahmeröhrchen beinhalten, um einem PM-Prüfgerät eine Gasprobe zuzuführen.
Die optionale Erfassungseinheit für Schwebstoffpartikeln (PM) ist für die Verwendung mit einem Diesel-angetriebenen Fahrzeug besonders geeignet. Die PM-Erfassungseinheit schließt mindestens ein Filterelement zum Entfernung der Schwebstoffpartikeln aus einer Abgasprobe ein, wobei das Element für das Wiegen vor und nach einer vorbestimmten Zeit, in der es die Abgasprobe empfängt und Schwebstoffpartikeln daraus sammelt, weggenommen werden kann. In einer Ausführungsform, die den PM-Detektor einschließt, wird ein zweites offenes Gasprobenentnahmeröhrchen im zuvor erwähnten Modul befestigt, um unabhängig und getrennt von der dem Gasprüfgerät bereitgestellten Probe dem PM-Detektor eine Probe bereitzustellen.
Optional beinhaltet das System ein zweites 5-Gas-Prüfgerät, das die Durchführung von Tests für die Wirksamkeit des Katalysators erlaubt. Die Gasprobe für das primäre Prüfgerät ist vom Fahrzeug/Motorauspuffsystem stromabwärts vom Katalysator oder von einer anderen Nachbehandlungsvorrichtung. Die Gasprobe an das sekundäre Gasprüfgerät- ist vom Fahrzeug/Motorauspuffsystem stromaufwärts vom Katalysator. Durch das Vergleichen der Gaskonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts vom Katalysator kann die Katalysator-Effizienz in Echtzeit bestimmt werden. Ein Kraftfahrzeug-Lesegerät kann verwendet werden, um die Eingaben, wie vom Bordcomputer des Fahrzeugs erfasst, zu überwachen. Beispiele für die für gewöhnlich erfassten Parameter schließen die Motordrehzahl (RPM), den Einlasskrümmerdruck (MAP), die Drosselklappenstellung (TPS), Sauerstoff-Sensorspannung, usw. ein. Der Benutzer wählt aus, welchen der Parameter er überwacht. Die Werte der ausgewählten Parameter werden dann auf demselben Bildschirm wie die Gasemissionsdaten angezeigt und auf derselben Datendatei gesichert (s. 10). Die Parameterwerte in Verbindung mit den Gasemissionsdaten helfen dabei zu bestimmen, unter welchen Bedingungen hohe Abgasemissionen (d. h. Schadstoffe) erzeugt werden und führen zu einem Verständnis der Bedingungen der Ursache für die hohen Emissionen.
Solchermaßen ist die vorliegende Erfindung ein Computerbasiertes Emissions-Messsystem, das aufgebaut ist, um an einem sich bewegenden Fahrzeug verwendet zu werden. Es misst die Echtzeit-Massen-Emissionen (Gramm) mehrerer Gase, z. B. Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Sauerstoff (O₂) und Stickstoffoxid (NO). Sie tut dies mittels Verwendung eines 5-Gasprüfgeräts, um die Konzentrationen einer jeden der Emissionen zu messen, eines modularen Abgas-Durchflussmessers, um die auf die Standardbedingungen korrigierte Abgas mengen-Durchflussgeschwindigkeit zu messen (durch die Messung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks), und durch das Kennen der Dichte einer jeden Emission.
Die Fahrzeuggeschwindigkeit und die gefahrene Entfernung werden ebenfalls mittels Verwendung des globalen Positionierungssystem (GPS) und/oder mittels der Überwachung des vom Bordcomputer des Fahrzeugs erfassten Geschwindigkeitssignals erfasst. Durch das Kennen der vom Fahrzeug gefahrenen Strecke und der Echtzeit-Massen-Emissionen berechnet das System der vorliegenden Erfindung auch die Emissionen in der Masse je gefahrene Strecke (Gramm pro Meile) und verwendet ein Kohlenstoffbilanz-Verfahren, um sowohl die Kraftstoffverbrauch (Meilen pro Gallone) als auch das Luft/Kraftstoffverhältnis zu bestimmen, mit dem der Motor betrieben wird. Die Ergebnisse der Massenmessungen, Gaskonzentrationen, der Abgasdurchflussgeschwindigkeit, des Luft/Kraftstoffverhältnisses, der Kraftstoffverbrauch, usw. werden alle in Echtzeit am Computer angezeigt und aktualisiert und auch in einer Datendatei des Computers gespeichert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht des Gesamtemissionen-Meldesystems der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht des modularen Durchflussmessers der Ausführungsform aus der 1;
3 ist eine schematische Ansicht eines Abschnitts des modularen Durchflussmessers der 2;
4 ist eine schematische Ansicht eines mudularen Durchflussmessers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zusätzlich eine Schwebstoffpartikel-Erfassungseinheit (PM-Detektor) einschließt und für die Verwendung mit einem Diesel-angetriebenen Fahrzeug aufgebaut ist;
5 ist eine Querschnittansicht der Sonde des PM-Detektors aus der 4;
6 ist ein elektrisches Diagramm des in beiden Ausführungsformen 1 und 2 verwendeten Wandler-Gehäuses;
7 zeigt ein modulares Durchflussmesser aus der 2, der an einem PKW angebracht ist;
8 ist ein Flussdiagramm des bevorzugten Hauptbetriebsprogramms für das Emissionsmeldesystem der vorliegenden Erfindung;
9 ist ein Flussdiagramm einer Hilfsroutine für die kontinuierliche Mess-Schleife des Betriebsprogramms (Schritt S4 – 8); und
10 ist eine Darstellung eines Anzeigebildschirms, der eine graphische Benutzer-Schnittstelle bereitstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt das Gesamtsystem, das ein Durchflussmesser- und Gasprobenentnahme-Modul 10, das für die Anbringung an einem Abgasrohr 4 eines Fahrzeugs ausgebildet ist, und ein Gasprüfgerät 30 zum Messen der Schadstoffkonzentrationen einschließt. 1 zeigt das Fahrzeugabgassystem, das das Abgasrohr 4, einen Schalldämpfer 6 und einen Katalysator 7 einschließt. Ausgaben vom Durchflussmesser- und Gasprobenentnahme-Modul 10 und vom Gasprüfgerät 30 werden von einem Emissionscomputer 40 empfangen. Der Emissionscomputer 40 empfängt auch Signale von einer Tastatur 41 oder eines anderen Benutzer-Eingabemittels. Weiterhin ist ein Lesegerät 70 mit dem OBD oder einem anderen Anschluss 21 des Motorcomputers 20 verbunden, verfügt über eine serielle Ausgabe, interpretiert den Datenstrom vom Motorcomputer 20 und gibt Signale an den Emissionscomputer 40 aus.
Optional umfasst das System weiterhin einen unabhängigen Luft/Kraftstoffverhältnismesser 26, der einen Lambda-Sensor 27 im Abgasstrom verwendet, und/oder einen Empfänger 60 für ein globales Positionierungssystem.
Jede der vorherigen Komponenten wird detaillierter in der folgenden Erörterung beschrieben.
Durchflussmesser-Modul 10
Der Aufbau des modularen Abgasdurchflussmessers 10 wird in der 2 gezeigt. Die modulare Konstruktion erlaubt eine einfache Überführung zwischen verschiedenen Fahrzeugen. Ein gerader Rohrabschnitt 11 dient als Unterbringung für einen Durchflussrichter 8 (eine Mehrzahl an parallelen Flügeln), ein Durch fluss-Sensor-Element 13, einen Druckdetektor 14, ein Thermoelement 15 und ein Abgas-Probenentnahmeröhrchen 12 geschlossenen Endes, alle in einem einzigen Aufbau, der leicht von einem Fahrzeug zum anderen überführt werden kann. Der gerade Rohrabschnitt 11 dient auch dazu, die erforderlichen geraden Rohrstränge stromaufwärts und stromabwärts vom Durchfluss-Sensor-Element 13 bereitzustellen, wie unten beschrieben.
Das bevorzugte Durchfluss-Sensor-Element 13 wird vom Dieterich Standard of Boulder, Colorado, einer Tochtergesellschaft von Dover Industries hergestellt, unter dem Handelsnamen ANNUBAR DIAMOND II auf dem Markt, und ist der Art, die mit Differenz arbeitet. Das Durchfluss-Sensor-Element 13 schließt eine Sonde 131 ein, die senkrecht zur Achse des geraden Rohrabschnitts 11 im Abgasstrom angebracht wird. Das um die Sonde 131 herum strömende Abgas bewirkt einen Differenzdruck, der sich zwischen der stromaufwärts und stromabwärts befindlichen Seite der Sonde 131 entwickelt. Die Größe des Differenzdrucks zeigt die Abgasdurchflussgeschwindigkeit durch den geraden Rohrabschnitt 11 an.
Durchfluss-Sensor-Element
Wie detaillierter in der 3 gezeigt, hat die Sonde 131 des ANNUBAR-Durchfluss-Sensor-Elements 13 einen Hochdruck(stromaufwärts)-Längskanal 131c und einen Niederdruck(stromabwärts)-Längskanal 131d. Die Sonde 131 hat einen diamantförmigen Querschnitt und ist innerhalb des geraden Rohrabschnitts 11 ausgerichtet, um eine stromaufwärts liegende Kante 131a und eine stromabwärts liegende Kante 131b zu zeigen. Die stromaufwärts liegende Kante 131a hat eine Vielzahl an Öffnungen 131e, die in der Länge davon beabstandet sind und eine Fluidverbindung zwischen dem Abgasstrom und dem Hochdruckkanal 131c bereitstellen. Ähnlich hat die stromabwärts liegende Kante 131b eine Vielzahl an Öffnungen 131f, die in der Länge davon beabstandet sind und eine Fluidverbindung zwischen dem Abgas und dem Niederdruckkanal 131d bereitstellen. Die Beabstandung der Öffnungen 131e und 131f ist an den Enden der Sonde 131 kürzer als an ihrer Mitte. Die Kanäle 131c und 131d verbinden wiederum den Stromaufwärts-Druck und den Stromabwärts-Druck mit den Kammern 132A und 132B im Kopf 132 des ANNUBAR-Durchfluss-Sensor-Elements 13 und von dort aus durch die Leitungen 134, 135 mit einem innerhalb der elektronischen Einheit 50 untergebrachten einzelnen Differenzdruckwandler 501. Der Druckwandler 501 ist ein PX164-010D5V, 0–10" H₂O-Differenzwandler. Bei 133 wird ein "Weld-O-let" gezeigt, das im Wesentlichen einen mit einem Gewinde versehenen Stahlnippel oder -ansatz darstellt, der an den Rohrabschnitt 11 geschweißt wird, um die Sonde 131 schraubbar zu empfangen und zu stützen. Die Sonde befindet sich sowohl stromabwärts von einer geraden Rohrlänge "A" als auch stromaufwärts von einer zweiten geraden Rohrlänge "B", beide lang genug, um den geraden Durchfluss am Sondenstandort zu gewährleisten. Zum Beispiel ist für einen Rohrabschnitt 11, der einen Durchmesser (O.D.) von 3½" oder 5" hat, "A" vorzugsweise mindestens 34" und "B" vorzugsweise mindestens 30". Rohre oder Schläuche, die einen O.D. von weniger als 3½" haben, hätten kleinere Mindestabmessungen "A" und "B". Zum Beispiel hätte ein 2" O.D.-Rohr eine Mindest-"A"-Länge von 17" und eine Mindest-"B"-Länge von 12".
Druck- und Temperaturerfassung
3 zeigt auch die Details des Druckdetektors 14, der eine ringförmige Hülle 141 und eine Mehrzahl an 1/16" Löchern 142 einschließt, die durch die Wand des Rohrabschnitts 11 gebohrt und gleichmäßig in einem Kreis um den Umfang des Rohrabschnitts 11 herum beabstandet sind, um eine Abgasfluidverbindung mit dem Inneren der Hülle 141 bereitzustellen. Der Abgasdruck wird über eine Leitung 142 an einen zweiten Druckwandler 502 geführt, der innerhalb der elektronischen Einheit 50 untergebracht ist. Der Druckwandler 502 ist ein PX142-015A5V mit einem absoluten Überdruck in psia (Abs.) im Bereich von 0–15.
Die Temperatur des Abgases wird durch ein Thermoelement 15 des J-Typs erfasst, das eine Sonde 151 hat, die sich in den Abgasstrom innerhalb des Rohrabschnitts 11 erstreckt. Das Thermoelement 15 gibt ein nicht lineares Spannungssignal aus, das von einem TAC-386-JF-Wandler 503 innerhalb der elektronischen Einheit 50 in eine lineare Spannung umgewandelt wird. Das Thermoelement des J-Typs wurde ausgewählt, da es eine große Spannungs-(Signal)-Änderung je Grad der Temperaturänderung innerhalb des erwarteten Temperaturbereichs des Abgases bietet.
6 zeigt die elektronische Einheit 50, die den Druckwandler 502 (PX142-015A5V 0–15 PSIA Abs), den Differenzdruckwandler 501 (PX164-010D5V 0–10" H₂O diff.), den Spannungswandler 503 (TAC-386-JF), den Spannungsregler 505 (LM317T) und die LED 507 (RS276-963) einschließt.
Gasprüfgerät
Das Gasprüfgerät 30 ist ein Modell MT-3505 unter dem Handelsnamen Sun/Snap-on. Es analysiert und zeigt die Konzentrationen von HC, CO, CO₂, O₂ und NO der Abgasprobe sowie die Motor-RPM, die vom Prüfgerät-Thermoelement erfasste Temperatur und das Luft/Kraftstoffverhältnis auf der Grundlage der gemessenen Gasbestandteile an. Die an der graphischen Benutzer-Schnittstelle (GUI) (10) gezeigten Gaskonzentrationen werden immer dieselben sein wie die auf der wirklichen Gasprüfgerät-Anzeige gezeigten. Da es zwischen dem Erscheinen der Emissionsprobe an der Probensonde und der Konzentrationsmessung durch das Gasprüfgerät eine Probentransport-Zeitverzögerung gibt, hat das virtuelle Gasprüfgerät eine Benutzereingabe für die Zeitverzögerung in Sekunden. Die Zeitverzögerung wird, wie in der 10 gezeigt, angelegt.
Die Konzentration Xi eines jeden gasförmigen Schadstoffs i wird mittels Verwendung des tragbaren SUN/Snap-on MT-3505-Emissionsprüfgeräts 30 mit einer von SUN/Snap-On hergestellten eingebauten Probenpumpe kontinuierlich gemessen. Das Gasprüfgerät verwendet das nicht-dispersive Infrarot-(NDIR)-Verfahren für die Analyse von HC (n-hexan), CO und CO₂. Das Gasprüfgerät 30 stellt auch eine elektrochemische NO-Analyse bereit, und ein Sauerstoffsensor wird für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration einer Gasprobe verwendet.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Funktionen des MT-3505-Gasprüfgeräts 30 berechnet es auch das Luft/Kraftstoffverhältnis des Kraftstoffgemischs für den Motor des Fahrzeugs auf der Grundlage einer Kohlenstoffbilanz der Abgaskomponenten. Das MT- 3505-Gasprüfgerät stellt auch eine Thermoelementeingabe des k-Typs bereit. Das Thermoelement des K-Typs wird zum Messen der Gasprobentemperatur bei der Eingabe des Gasprüfgeräts zu Bestimmungszwecken eines Wasserdampf-Korrekturfaktors verwendet, um den aus der Probe am langen Probenschlauch entlang kondensierten Wasserdampf auszugleichen.
Das MT-3505-Gasprüfgerät 30 ist besonders als Teil eines größeren Emissionsprüfsystems nützlich, da es aufgebaut werden kann, um die gemessenen Konzentrationen kontinuierlich in einem seriellen RS-232-Datenstrom auszugeben.
Optional kann ein zweites -Gasprüfgerät 32, das mit dem Gerät 30 identisch ist, verwendet werden, wobei sich sein Probenentnahmeröhrchen zum Zweck der Bereitstellung von Prüfungen zur Effizienz des Katalysators stromaufwärts vom Katalysator befindet.
Wie in der 2 gezeigt, ist die mit der Probenleitung des Gasprüfgeräts 30 verbundene Probe 12 eine rostfreie Stahlröhre (3/8" OD) mit einem abgedichteten distalen Ende und 6 3/32" Löchern, die um seinen Umfang herum gebohrt werden, wobei alle Löcher innerhalb von 1" zur Spitze liegen. Die Probe 12 dringt durch die Wand des Stahlrohrkrümmers 16 und ist mit dem geraden Rohrabschnitt 11 konzentrisch.
Lesegerät
Das Lesegerät 70 ist ein Monitor 4000 Enhanced unter dem Handelsnamen OTC, einem Zweig von SPX Corporation. Es dient als Mittel zur Bestimmung verschiedener Fahrzeug- und Motorbetriebsparameter einschließlich der Fahrzeuggeschwindigkeiten, Motordrehzahl und in einigen Fällen des Motorausgabedrehmoments, usw.
Das unten beschriebene bevorzugte Betriebsprogramm erlaubt dem Benutzer, auszusuchen, welche ECM-Datenstromelemente er mit dem dazugehörigen OTC-Lesegerät zu überwachen wünscht. Wie in der 10 gezeigt, bewirkt das zum gewünschten Gegenstand gehörige Prüf-Gehäuse, dass dieser Gegenstand ausgewählt, angezeigt, aufgezeichnet und für weitere Berechnungen verfügbar gemacht wird. Jedes Fahrzeug hat seine eigene dazugehörige Liste auswählbarer Elemente. Im unten beschriebenen Programm ersetzen die "Text-zu-Nummern"-Arrays die numerischen Werte für die Booleschen Textwerte, entfernen Einheiten aus den in der Datei zu speichernden Daten, usw. Das Eliminieren der nicht-numerischen Zeichen vor dem Sichern der Daten in einer Datei sorgt dafür, dass die Daten in einem elektronischen Arbeitsblatt ohne weiteres verwendbar sind, wenn der Test beendet ist. Eine Liste aller Konvertierungen und gelöschter Zeichen wird in jeder erzeugten Datendatei aufgezeichnet, so dass der Benutzer der Daten wissen wird, welche die Konventionen waren. Der Benutzer hat auch die Wahl zum Hinzufügen zusätzlicher zu konvertierender Boolescher Textwerte oder zu entfernender Einheiten.
Berechnung der Massen-Emissionen
Das Durchflussmesser-Modul 10 erlaubt die Massen-Emissionen von jedem zu berechnenden regulierten Schadstoff auf einer pro Sekunde- und pro Meile-Grundlage. Die Messung in Gramm/Meile (gm/mi) erlaubt den direkten Vergleich mit den Bundes-Zertifizierungs-Testergebnissen, die mittels Verwendung der FTP- und der EPA-Emissionsstandards erhalten werden.
Die Emissionen eines Schadstoffs, z. B. der Schadstoff i. zum Zeitpunkt t können durch die folgende Formel berechnet werden. Pi(t) = plXi(t)Qs(t)·3600/v(t) (1)worin P_i(t) die/der zum Zeitpunkt t erzeugte Emission oder Schadstoff i in gm/mi, p_i die Dichte des Schadstoffs i unter Standardbedingungen, X_i(t) die gemessene Konzentration des Schadstoffs i, Q_s(t) die Volumen-Fließgeschwindigkeit des Abgases bei Standardbedingungen zum Zeitpunkt t(t) und v(t) die Fahrzeuggeschwindigkeit auf der Straße in Meilen pro Stunde zum Zeitpunkt t ist. Alle Veränderlichen sind zeitabhängig.
Q_s in Gleichung (1) wird in Übereinstimmung mit der vom ANNUBAR-Hersteller zugeführten Durchflussleistung berechnet, die geschrieben werden kann als
worin h_w der Differenzdruck ist, der im Durchflussmesserelement entwickelt wird, P_f ist der absolute Druck des strömenden Gases, und C' = FNAKD2FRAYAFMFAAF1 (3)worin die Faktoren definiert sind als:
F_NA – Einheiten-Konversionsfaktor, eine Konstante.
K – Basisdurchflusskoeffizient abhängig vom ANNUBAR-Typ, eine durch F_RA modifizierte Konstante.
D – Innerer Durchmesser des Rohrs bei einer Grundtemperatur, eine durch F_AA modifizierte Konstante.
F_RA – Reynolds-Zahlfaktor, eine Konstante für das hierin verwendete ANNUBAR DIAMOND II-Durchfluss-Sensor-Element.
Y_A – Ausdehnungsfaktor, um die Dichteänderung des Gasdurchflusses um das Messerelement herum zu berichtigen, wenn sich die Gasgeschwindigkeit ändert. Dieser Faktor variiert von 0,9955 bis 1,0000 (oder 0,5%) im Gesamtbereich der erwarteten Durchflussbedingungen und kann entsprechend ignoriert werden.
F_M – Druckmesserfaktor, der mit Flüssigkeits-gefüllten Druckmessern verwendet wird, hierin nicht anlegbar.
F_AA – Wärmeausdehnungsfaktor zum Berichtigen der Durchflussbereich-Änderungen des Rohrs am Messerelement infolge von Temperaturauswirkungen. Für ein Stahl-Auspuffrohr variiert dieser Faktor zwischen 1, 000 @ 68F und 1, 009 @ 675F, die erwartete Höchstdurchflusstemperatur.
F₁ – Messgerät-Standortfaktor, der seine Bedeutung für die Wirkung der Änderungen in der Schwerkraftkonstante bei verschiedenen Breiten und Höhen hat. Dieser Faktor ändert sich zwischen 0,9982 (0 Breite @ 10.00 Fuss) und 1,0013 (90 Breite, Meeresspiegel). Solchermaßen ist die maximale Änderung zwischen zwei Punkten auf der Erde 0,3% und wird daher ignoriert.
Anstatt der Berechnung der Durchflussgeschwindigkeit als Produkt aller oben beschriebenen Faktoren kann das gesamte Durchflussmesser-Modul, wie in Übereinstimmung mit der Formel (4) angebracht, wie folgt kalibriert werden. Die Kalibrierung in Übereinstimmung mit der Gleichung (4) sorgt für eine bessere _ Genauigkeit, vereinfacht die Durchfluss-Berechnung unter unter schiedlichen Durchflussbedingungen und ist unabhängig von der Fahrzeuginstallation. Spezifisch wird die Durchfluss-Berechnung vereinfacht zu
worin C die vom Durchflussmesser-Kalibrierung unten zu bestimmende Konstante, T die Temperatur des fließenden Gases in Grad Kelvin, wie vom Thermoelement 15 erfasst, P_f der absolute Druck des fließenden Gases, wie vom Druckdetektor 14 erfasst, und F_AA wie oben angegeben ist, und h_w der Differenzdruck vom Durchflusselement 131, wie vom Differenzdruckwandler 134 erfasst, ist, der eine Analogspannung ausgibt, die zu h_w proportional ist. Dieses Signal wird durch den Analog/Digital-Wandler 16 mit Parallelschnittstelle in eine digitale Form konvertiert, danach vom Computer 40 mittels seiner Parallelschnittstelle gelesen und dann durch das unten beschriebene Betriebsprogramm auf physikalische Druckeinheiten skaliert.
Wie oben angemerkt, wird die Abgastemperatur T durch das im Modul-Abgas-Durchflussmesser 10 angebrachte Thermoelement 15 des J-Typs erfasst. Die Thermoelement-Spannung wird an der kalten Verbindungsstelle kompensiert, linearisiert und durch den Thermoelement-auf-Millivolt-Wandler verstärkt. Die Ausgabespannung wird dann an den A/D-Wandler 16 mit Parallelschnittstelle eingegeben und anschließend vom Computer 40 mittels seiner Parallelschnittstelle gelesen.
Die analogen Eingabe-Spannungen, die mittels Verwendung des A/D-Wandlers gelesen werden, werden alle durch das Betriebsprogramm skaliert, um Lesewerte in physikalischen Temperatur (°F)- und Druck (Zoll H₂O und Zoll Hg)-Einheiten zu geben. Die erforderlichen Skalierungswerte werden mittels Kalibrierungen der Wandler bestimmt und mittels der GUI, wie am in der 10 gezeigten "Analog Diff. Eingaben"-Abschnitt zu sehen, an das Betriebsprogramm eingegeben.
Durchflussmesser-Kalibrierung
Jedes Durchflussmesser-Modul wird mittels Verwendung von Luft unabhängig kalibriert, indem er mit einem bekannten Durchflussmesser-Standard und einer Vakuum-Quelle wie beispielsweise einem Gebläse in Serie gesetzt wird. Die elektrischen Verbindungen des Durchflussmesser-Moduls werden wie in einer gewöhnlichen Testinstallation vorgenommen, so dass der Differenzdruck des Durchfluss-Sensors und der absolute Druck und die Temperatur des Gases an den Computer eingegeben werden. Gleichzeitig und unter Steuerung der Kalibrierungssoftware, die für diesen Zweck entwickelt ist, werden die für die Bestimmung des Stroms des Durchfluss-Standards erforderlichen Druckwerte und die Temperatur gleichzeitig vom System-Computer gelesen. Die Kalibrierungssoftware bestimmt den Durchfluss des Durchfluss-Standards für jede Strömungsgeschwindigkeit, die durch die Einstellung eines Drosselklappen-Ventils gewählt wird. Die Konstante C' in Gleichung 2 kann dann für jede Durchfluss-Einstellung innerhalb des für das gegebene Durchflussmesser-Modul erwarteten Bereichs an Durchflüssen bestimmt werden. Ein Mittelwert der einzelnen Werte im erwarteten Durchfluss-Bereich wird verwendet. C'-Werte unterscheiden sich im erwarteten Bereich nur um sehr kleine Beträge. Der entstehende C'-Kalibrierungswert ist für den kalibrierten Durchflussmesser und das an das Betriebsprogramm eingegebene Daten-Element immer dann eindeutig, wenn der dazugehörige Durchflussmesser für eine anschließende Emissionsprüfung verwendet wird.
Die meisten Leichtnutzfahrzeuge-Motorsteuersysteme verfügen jetzt über die Fähigkeit zur kontinuierlichen Ausgabe eines seriellen Datenstroms, der zahlreiche Motor- und Fahrzeug-Betriebsparameter wie die Drosselklappen-Stellung, die Kühlmittel-Temperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, usw. enthält. Das Format der Strömung ist proprietär. Das OTC-Monitor 4000 Enhanced-Lesegerät hat die Fähigkeit zur Eingabe eines solchen proprietären Datenstroms, zu seiner Interpretation und zur Ausgabe eines sekundären seriellen RS232-Datenstroms, der die Fahrzeug-Betriebsparameter im ASCII-Code enthält.
Die vorliegende Erfindung übernimmt die Vorteile der Fähigkeiten des Monitor 4000 Enhanced-Lesegeräts 70, indem sie die Schnittstelle des Lesegeräts mit der RS232-Schnittstelle des Computers verbindet, womit die Einstellung und der Zugriff des Lesegerät-Datenstroms 70 aus der Ferne erlaubt wird.
Für Fahrzeuge, die über einen solchen Datenstrom verfügen, kann das System aufgebaut sein, um die Fahrzeuggeschwindigkeit v zu überwachen und diese Geschwindigkeit als Grundlage für die Bestimmung der inkrementalen gefahrenen Entfernung Δd_j zu verwenden, und zwar durch das Fahrzeug über jedes sukzessive Abtast-Intervall Δt_j. Die inkrementale Entfernung kann ausgedrückt werden als Δdj = vΔtj
Für jene Fahrzeuge, die keinen zugänglichen Datenstrom haben, kann die Geschwindigkeit v vom Datenstrom des PATHFINDER^TM Trimbel-Empfängers 60 für die globale Standortbestimmung erhalten werden.
Hochleistungsfahrzeuge schließen für gewöhnlich in ihrem zugänglichen Strom ein Motordrehmoment ein. Durch das Multiplizieren des Motordrehmoments mit der Motordrehzahl und mit der Zeit kann ein Wert für die Leistung erhalten werden. Entsprechend kann eine Massen-Emissionsgeschwindigkeit für Hochleistungsfahrzeuge als Gramm je Brems-PS-Stunde ausgedrückt werden.
Luft/Kraftstoffverhältnis-Messgerät
Wie oben erwähnt, wird das Luft/Kraftstoffverhältnis kontinuierlich vom MT3505-Emissions-Gasprüfgerät 30 auf der Grundlage einer Kohlenstoffbilanz der gashaltigen Emissionskonzentrationen berechnet. Alternativ kann das Luft/Kraftstoffverhältnis durch ein unabhängiges Luft/Kraftstoff-NGK-Verhältnis-Messgerät 26 bereitgestellt werden, indem ein Lambda-Sensor benutzt wird. Die Installation des Lambda-Sensors in das Auspuffsystem sollte so dicht wie möglich zum Auspuffkrümmer sein, um die Temperatur des Sensors über seinem Betriebs-Schwellwert aufrechtzuerhalten. Die Analogspannungsausgabe des NTK-Luft/Kraftstoffverhältnis-Messgeräts 26 oder irgendeiner anderen Vorrichtung mit einer normalen Analogausgabe kann mit der A/D-Hardware für die Konvertierung in digitale Daten verbunden werden, die mittels seiner parallelen Schnittstelle des Computers gelesen werden. Diese Daten werden in Echtzeit angezeigt.
GPS-Empfänger (optional)
Die GPS (globales Positionierungssystem)-Antenne 60 mit magnetischer Montage ist von Trimble Navigation auf den Markt gebracht worden und wird in Verbindung mit einer Trimble PATHFINDER^TM-GPS-PC-Karte 115 und einer Trimble-GPS-Software verwendet, die dem oben beschriebenen Betriebsprogramm erlaubt (ROVER^TM-Software), damit zu kommunizieren, wenn sie vom Benutzer ausgewählt wird.
PM-Detektor (optional)
4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der ersten beschriebenen Ausführungsform ähnelt, jedoch für Diesel-angetriebene Fahrzeuge entwickelt ist, mit der Beimischung eines Schwebstoffpartikeln-(PM)-Detektors 80. Eine unverarbeitete Abgasprobe wird mittels Verwendung einer Vakuum-Pumpe 811 durch eine offene und erwärmte Probensonde 801 gesogen. Die unverarbeitete Probe wird mit einer genau bemessenen, veränderlichen Menge gefilterter Luft mittels Verwendung eines Massen-Durchfluss-Steuergeräts 802 in einem Mixer 806 verdünnt, bevor sie durch eine der zwei Filterbänke geht, die jeweils aus 2 Filtern 803, 804 in Serie bestehen. Luft für die Verdünnung wird durch eine Verdünnungsluftpumpe 816 an das Massen-Durchfluss-Steuergerät 802 gespeist. Der verdünnte Proben-Massen-Durchfluss wird mittels Verwendung eines zweiten Massen-Durchfluss-Steuergeräts 805 konstant gehalten. Die Menge der Verdünnungsluft wird in Echtzeit geändert, um die unverarbeitete Proben-Massen-Durchflussgeschwindigkeit proportional zur Gesamtabgas-Massen-Durchflussgeschwindigkeit zu halten, damit eine proportionale Probe gewährleistet wird. Alternativ dazu kann der verdünnte Massenstrom durch das Massen-Durchfluss-Steuergerät 805 gesteuert werden, damit er proportional zur Gesamtabgas-Massen-Durchflussgeschwindigkeit ist, während die Proportionali- tät der Verdünnungsluft durch das Massen-Durchfluss-Steuergerät 802 bewahrt wird. Schwebstoffpartikeln bleiben auf die gleiche Art am Filter wie im Bundesverfahren. Die Zunahme der Masse der Filter 803, 804 am Ende des Tests, verglichen mit ihrer anfänglichen Masse, erlaubt die Bestimmung der Schwebstoffpartikel-Emissionen des erfassten Fahrzeugs/Motors. Die unverarbeitete Proben- und die Verdünnungsprobentemperaturen werden überwacht, und wenn eine unter einen Schwellwert fällt, wird die unverarbeitete Probe mithilfe des Probensonden-Heizelements (s. Nickelchrom Draht 813 in der 5) unter der Steuerung des Temperatur-Steuergeräts 817 erwärmt. Für gewöhnlich täte man dies während des Prüfens eines "kalten" Motors oder jedesmal, wenn bestimmt wird, dass sich im Probenabnahme-System Kondensation bilden kann. Der absolute Druck und der Druckabfall in der Filterbank werden ebenfalls überwacht. Die Verdünnungsproben-Durchflussgeschwindigkeit wird so ausgewählt, dass ein vollständiger Test (abhängig davon, was der Betreiber beabsichtigt) abgeschlossen werden kann, bevor der Druckabfall einen Schwellwert übersteigt. Dies geschieht, damit gewährleistet wird, dass sich die gefilterte Probe nicht in einer Niederdruck- oder Hochgeschwindigkeitsumgebung befindet, die den Verlust des flüchtigen Bestandteils der PM-Probe bewirken könnte. Die Äquivalenz mit dem Bundesverfahren ist äußerst wichtig, da das Bundesverfahren das Werkzeug ist, das verwendet wird, um die Erfüllung der Bundesregeln zu bestimmen. Der Druckabfall in den Filtern wird in der Computer-Datendatei ebenfalls Sekunde für Sekunde aufgezeichnet. Dies erlaubt nicht nur das Kennen der PM-Massen-Emissionen während des ausgewählten Tests, sondern auch das Nach-Verfahren der Daten und die Bestimmung, zu welcher Zeit und unter welchen Motor- oder Fahrzeug-Betriebsbedingungen (durch die Verwendung der erfassten Bord-Fahrzeug-Parameterwerte, wie oben beschrieben) die PM-Emissionen ausgestoßen wurden. Dies hilft bei der Bestimmung der Ursachen für hohe PM-Emissionen, auf eine Weise, die der oben beschriebenen für die gashaltigen Emissionen ähnelt.
Ein kontaktloses Relais 810 steuert ein 3-Wege-Ventil, das das Schalten des Gasprobendurchflusses von der Sonde 801 zwischen (1) einer ersten Bank an Filtern 803 und 804 und (2) einer zweiten Bank an Filtern 803 und 804 erlaubt. Die zweite Bank an Filtern kann auch als Umgehung für gewünschte Pausen bei der Probenabnahme dienen.
Wie in der 5 zu sehen, umfasst die Sonde 812 eine Probensonde, die von in Keramik 814 eingebetteten Nickelchrom-Drähten 813 isoliert wird, um die Sonde 812 zu erwärmen, und eine andere Isolierschicht 815, um die Wärmeüberführung an die die Sonde umgebenden Gase zu reduzieren.
Die Ausführungsform aus 4 schließt weiterhin die in 1 gezeigten weiteren Systemkomponenten ein.
Rauch-Messgerät (optional)
Ein optischer Kapizitätsmesser 900 (4) kann ebenfalls in Verbindung mit dem System verwendet werden. Der Rauchmess-Kopf 900 tastet optisch die Abgasopazität ab und überträgt Analogspannungssignale für die Übertragung an den Computer 40 an den A/D-Wandler 16. Ein Instrument von Telonic Berkeley Model 300 wird vorzugsweise als Rauchmesser oder optischer Dichtemesser 900 verwendet.
Betriebsprogramm
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Programms zum Betreiben des Systems der vorliegenden Erfindung wird durch das in den 8 und 9 gezeigte Flussdiagramm dargestellt.
Das Flussdiagramm aus 8 veranschaulicht das bevorzugte Hauptbetriebsprogramm (ROVER^TM Software) für den Betrieb des Emissionsmeldesystems nach der Installation an das zu testende Fahrzeug. Der Betreiber kennzeichnet die Daten, die mithilfe der verfügbaren Auswahlmöglichkeiten der in 10 gezeigten graphischen Benutzer-Schnittstelle gesammelt werden sollen (Schritt S1). Dann, unmittelbar beim Starten des Programms (Schritt S2), öffnet sich ein Dokumentationsfenster, das dem Techniker erlaubt, Anmerkungen einzugeben, die das Fahrzeug und die durchzuführende Prüfung betreffen (Schritt S3). Die Anmerkungen werden mittels Verwendung der Computertastatur 41 eingegeben. Bei Beendigung der Vor-Test-Dokumentation schließt sich das Dokumen- tationsfenster und das Programm erwirbt kontinuierlich die ge wünschten Daten und führt die erforderlichen Berechnungen durch (Schritt S4) und zeigt die Emissionen und Fahrzeugdaten auf dem Computerbildschirm und in einer gespeicherten Computerdatei an. Das Programm fährt in diesem Betriebsmodus fort (Schleife von S4), bis es vom Betreiber gestoppt wird. Hat der Betreiber einmal das Stoppen des Programms gewählt (Schritt S5), öffnet sich erneut das Benutzer-Dokumentationsfenster auf dem Computerbildschirm, um die Eingabe von Nach-Test-Dokumentationen und -Anmerkungen zu erlauben, die das Fahrzeug und den gerade durchgeführten Test betreffen (Schritt S6).
9 veranschaulicht eine Hilfsroutine für die "kontinuierliche Messschleife" (S4) aus 8. Während jeder Iteration und bei einer eingestellten Frequenz, für gewöhnlich 1Hz, werden, wie gezeigt, unverarbeitete Daten aus jeder der Quellen S401–S405 gesammelt. Da es in Verbindung mit jeder der Quellen kleine, bekannte, charakteristische Zeitverzögerungen gibt, werden zeit-basierte Einstellungen verwendet (S406–S410). Darüber hinaus werden die vom Gasprüfgerät gemessenen Gaskonzentrationen für die Wasserdampfkondensation berichtigt, die auf dem Weg zum Gasprüfgerät am Probenschlauch stattfinden (S411). Der Abgasstrom bei Standardbedingungen wird gemäß Gleichung 4 bestimmt, indem Analogeingabespannungen verwendet werden, die auf die richtigen physikalischen Einheiten skaliert werden (S412). Aus den/dem korrigierten Gaskonzentrationen und Abgasstrom werden dann Massenberechnungen lediglich mit dem zusätzlichen Parameter der bekannten Gasdichten durchgeführt (S415). Und mit der Hinzufügung des Geschwindigkeitssignals (S413) und der Iterationszeit (S414) werden für jede Iteration die Gramm je Meile bestimmt (S415). Die Daten werden dann auf dem Computerbildschirm (S416) angezeigt und auf einer Computerdatendatei gesichert (S417).
Abgasverbindung und Modulstützung
7 zeigt das Durchflussmesser/Gas-Probenbestimmungsmodul 10, das hinten an einem PKW 100 angebracht ist. Ein Beispiel für das Verbindungsmittel zum Verbinden des Moduls 10 der vor- liegenden Erfindung am Auspuffrohr 101 des Fahrzeugs 100 wird als Kombination aus einem Stahlrohrkrümmer 17, der an das stromaufwärtige Ende des geraden Rohrabschnitts 11 geklemmt wird, und aus einer Elastomerkappe 90, die durch Schlauchklemmen 91 und 92 mit dem stromaufwärtigen Ende des Krümmers 17 und mit dem Auspuffrohr 101 verbunden wird. Die Elastomerkappe kann ein Hochtemperatur-widerstehender Silikongummischlauch der Art sein, die verwendet wird, um ein Fahrzeugauspuffrohr an einem herkömmlichen (nicht beweglichen) Prüfstand anzuschließen, der in Emissionsprüfungen verwendet wird. Eine isolierte Leitung 99 trägt den Probenschlauch vom Modul 10 zum Gasprüfgerät 30 und führt von den Druckwandlern 501, 502, dem Thermoelement 15, usw. zum A/D-Wandler 16 und dann zum Computer 40.
Das Mittel zum Stützen des Moduls der vorliegenden Erfindung ist in der 7 als ein Paar von Rohraufhängern 93, 94 zu sehen, die wiederum von Stangen 95, 96 gestützt werden, die mit der Chassis des Fahrzeugs 100 verbunden sind. Gummiriemen 97, 98 dienen zu einer weiteren Bereitstellung einer Stützung für das Modul 10. Andere Mittel können verwendet werden, um die Durchflussmesser-Module in Einklang mit der Sicherheit zu gewährleisten.

Claims

Ein Echtzeit-, mobiles, Bord-Fahrzeug-Emissions-Berichtsystem, das folgendes umfasst: einen Durchflussmesser (10) zur direkten Erfassung der tatsächlichen Durchflussgeschwindigkeit von Abgas bei fahrenden Fahrzeugen; ein Stützungsmittel (11, 93, 94, 95, 96) zur Stützung des Durchflussmessers (10) an Bord des Fahrzeugs; ein Gasprüfgerät (30) zur Erfassung der Konzentration jedes einzelnen von mehreren gasförmigen Schadstoffen im Abgas; und ein Berechnungsmittel (40) zur Berechnung und Meldung von Massen-Durchflussgeschwindigkeiten für die gasförmigen Schadstoffe in Echtzeit auf der Grundlage der direkt gemessenen Durchflussgeschwindigkeit des Abgases und der erfassten Konzentrationen.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem, wobei das System folgendes umfasst: ein Modul (10) zum lösbaren Einbau in ein zu testendes Fahrzeug (100) und einen Durchfluss-Sensor-Element (13) enthaltend; ein Stützungsmittel (93, 94, 95, 96) zum Anbringen des Moduls an einem Karosserieteil des Fahrzeugs; ein Verbindungsmittel (17, 90, 91, 92) zur lösbaren Verbindung des Moduls (10) an einem Auspuffrohr (101) des Fahrzeugs, wobei die tatsächliche Durchflussgeschwindigkeit des Abgases des Fahrzeugs (100) direkt vom Durchfluss-Sensor-Element (13) erfasst wird; ein stromabwärtiges Probenentnahmeröhrchen (12) zur kontinuierlichen Entnahme des Abgases des Fahrzeugs (100); ein stromabwärtiges Gasprüfgerät (30) zur Erfassung der Konzentration jedes einzelnen von mehreren gasförmigen Schadstoffen innerhalb des Abgases, das durch das stromabwärtige Pro- benentnahmeröhrchen (12) entnommen wurde; und ein Berechnungsmittel (40) zur Berechnung von Massendurchflussgeschwindigkeiten für jeden einzelnen der gasförmigen Schadstoffe auf der Grundlage der erfassten Konzentrationen und der erfassten Durchflussgeschwindigkeit des Abgases.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Verbindungsmittel eine Elastomerkappe (90) umfasst.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Probenentnahmeröhrchen (12) innerhalb des Moduls (10) befestigt ist.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, das weiter folgendes umfasst: ein stromaufwärtiges Probenentnahmeröhrchen (321) zur kontinuierlichen Entnahme des Abgases des Fahrzeugs stromaufwärts von einem Katalysator (7), wobei sich das stromabwärtige Probenentnahmeröhrchen (12) stromabwärts vom Katalysator (7) befindet; und ein stromaufwärtiges Gasprüfgerät (32) zur Erfassung von Konzentrationen jedes der Vielzahl von gasförmigen Schadstoffen, wobei das Berechnungsmittel (40) einen Wirkungsgrad für den Katalysator (7) erfasst, indem es die Konzentrationen, die vom stromaufwärtigen Gasprüfgerät (32) erfasst werden, mit den Konzentrationen vergleicht, die vom stromabwärtigen Gasprüfgerät (30) erfasst werden.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, das außerdem folgendes umfasst: ein offenes Gasprobenentnahmeröhrchen (801), das in dem Modul (10) angebracht ist, zur kontinuierlichen Entnahme des Abgases einschließlich von Suspensionspartikeln; und mindestens ein lösbar angebrachtes Filterelement (803, 804), wobei das eine Filterelement vor und nach einem bekannten Zeitraum gewogen werden kann, während dem Abgas aus dem offenen Probenentnahmeröhrchen (801) durch das eine Filterelement (803, 804) hindurch geführt wird.
Die Erfindung gemäß Anspruch 1 oder 2, worin Massendurchflussgeschwindigkeiten jeweils als Einheitsmasse von gasförmigem Schadstoff pro zurückgelegte Wegeinheit berechnet werden und wobei die Erfindung weiter ein Entfernung-Erfassungsmittel (60 oder 70) zur kontinuierlichen Erfassung der Entfernung umfasst, die vom Fahrzeug (100) zurückgelegt wird.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 7, wobei das Entfernung-Erfassungsmittel ein Lesegerät (70) ist, das Daten von einem Motorcomputer (80) an Bord des Fahrzeugs (100) empfängt und das die empfangenen Daten an das Berechnungsmittel (40) überträgt.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Berechnungsmittel (40) auf der Grundlage der Daten, die es vom Lesegerät (70) empfangen hat, die berechneten Massen-Durchflussgeschwindigkeiten mit mindestens einen Motorbetriebsparameter korreliert.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, das weiterhin folgendes umfasst: einen GPS-Empfänger (60) für den kontinuierlichen Empfang von Signalen zur Verwendung bei der Berechnung der gegenwärtigen Position des Fahrzeugs (100); und wobei das Berechnungsmittel (40) wiederholt die gegenwärtige Position des Fahrzeugs (100) auf der Grundlage der Signale vom Empfänger berechnet und die berechneten gegenwärtigen Positionen mit den berechneten Massen-Durchflussgeschwindigkeiten der Schadstoffe korreliert.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Berechnungsmittel (40) auch den Kraftstoffverbrauch in Echtzeit berechnet.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, das weiter ein Stützungsmittel (93, 94, 95, 96) zur Anbringung des Moduls (10) an einem Karosserieteil des Fahrzeugs (100) umfasst.
Ein mobiles Bord-Fahrzeug-Emissions-Testsystem gemäß Anspruch 2, wobei das Modul folgendes umfasst: ein Modulgehäuse, das einen geraden Rohrabschnitt (11) mit einem offenen Innenteil einschließt; ein Durchfluss-Sensor-Element (13), das in dem geraden Rohrabschnitt (11) angebracht ist zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Abgasdurchflusses durch den offenen Innenteil des geraden Rohrabschnitts (11); und ein Gasprobenentnahmeröhrchen (12), das sich in den offenen Innenteil in einer festen Position im Verhältnis zum Durchfluss-Sensor-Element (12) erstreckt zur Entnahme einer Probe des Abgases und zur Eingabe der Probe in das stromabwärtige Gasprüfgerät (30).
Ein Durchflussmesser-Modul (10) zur Verbindung an einem Auspuffrohr eines Fahrzeugs (100) im Fahrbetrieb, wobei das Durchflussmesser-Modul (10) folgendes umfasst: ein Modulgehäuse, das einen geraden Rohrabschnitts (11) einschließt, der einen offenen Innenteil mit einem Querschnitt des Durchmessers D hat; ein Stützungsmittel (93, 94, 95, 96) zur Anbringung des geraden Rohrabschnitts (11) an einem Karosserieteil des Fahrzeugs (100); ein Verbindungsmittel (17, 90, 91, 92) zur Verbindung eines Endes des geraden Rohrabschnitts (11) mit dem Auspuffrohr (101) zur Bereitstellung eines Abgasdurchflusses vom Auspuffrohr (101) durch den offenen Innenteil; ein Durchfluss-Sensor-Element (13), das innerhalb des geraden Rohrabschnitts (11) zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Abgasdurchflusses durch den offenen Innenteil des geraden Rohrabschnitts (11) angebracht ist; und ein Gasprobenentnahmeröhrchen (12), das sich in den offenen Innenteil in einer festen Position im Verhältnis zum Durchfluss- Sensor-Element (13) erstreckt, zur Entnahme einer Probe des Abgases und zur Eingabe der Probe in ein Gasprüfgerät (30).
Ein Durchflussmesser-Modul (10) nach Anspruch 14, wobei der Durchflußsensor (13) einen Stab (131) umfasst, der sich in den offenen Innenteil und über mindestens einen Großteil des Durchmessers D hindurch erstreckt, wobei der Stab (131) eine erste Reihe von Öffnungen (131e) hat, die einem stromaufwärtigen Ende des geraden Rohrabschnitts (11) zugekehrt sind und für den Austausch des Abgases mit einem ersten Kanal (131c) sorgen, der sich in Längsrichtung innerhalb des Stabes (131) erstreckt, und eine zweite Reihe von Öffnungen (131f), die einem stromabwärtigen Ende des geraden Rohrabschnitts (11) zugekehrt sind und für den Austausch des Abgases mit einem zweiten Kanal (131d) sorgen, der sich in Längsrichtung innerhalb des Stabes (131) erstreckt; und ein Druckwandlermittel (501) zur Erfassung einer Differenz zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Drücken jeweils innerhalb des ersten und des zweiten Kanals (131c, 131d).
Die Erfindung nach Anspruch 15, wobei das Modul weiter folgendes umfasst: einen Druckdetektor (14) zur Erfassung des Drucks des Abgasdurchflusses neben dem Durchfluss-Sensor-Element (13); einen Temperaturfühler (15) zur Erfassung der Temperatur des Abgasdurchflusses neben dem Durchflußsensor (13); und ein Berechnungsmittel (40) zur Berechnung einer Gasdurchflußgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Differenz zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Drücken und zur Korrektur der berechneten Gasdurchflußgeschwindigkeit auf der Grundlage der erfassten Temperatur und des erfassten Drucks.
Die Erfindung gemäß Anspruch 16, wobei der Druckdetektor (14) eine ringförmige Hülle (141) umfasst, die um die Außenseite des geraden Rohrabschnitts (11) herum versiegelt ist, und mehrere Löcher (142), die sich durch den geraden Rohrabschnitt (11) erstrecken und kreisförmig um einen Umfang des geraden Rohrabschnitts (11) herum angeordnet sind, wobei diese Löcher (142) für eine Fluidverbindung zwischen dem offenen Innenteil und der ringförmigen Hülle (141) sorgen, und einen Druckwandler (50), der sich in Fluidverbindung mit der ringförmigen Hülle (141) befindet.