DE19743954C2 - Kaltstartmeßsytem zur Messung der Kaltstartemission - Google Patents

Description

Das hier beschriebene Kaltstartmeßsystem zur Schadstoffmessung im Kraftfahrzeug während der Kaltstartphase geht auf den in DE 197 36 864.6 "Vorrichtung zur Analyse des Abgases von Kraftfahrzeugen" beschriebenen Gegenstand zurück.

1. Problemdarstellung

In den ersten Sekunden des Kraftfahrzeugbetriebes, wenn der Katalysator seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, ist die Schadstoffminderung des Abgases durch den Katalysator, die sogenannte Konvertierungsrate, noch sehr niedrig. Da der Motor in der Kaltstartphase etwa 70% seiner gesamten Emissionen produziert, wäre jedoch eine optimale Schadstoffminderung gerade in dieser Phase wünschenswert. Ganz besonders muß das Konvertierungsverhalten für die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC) verbessert werden.

Im Hinblick auf die strengen US-Grenzwerte werden Maßnahmen notwendig, um eine hohe Konvertierungsrate auch beim Kaltstart zu gewährleisten. Die von der US-Regierung favorisierten Schlagwörter für die einzelnen Stufen zur Einführung abgasarmer Fahrzeuge sind Transitional-Low-Emission Vehicles TLEV, Low-Emission Vehicles LEV und Ultra-Low- Emission Vehicles ULEV.

Eine Möglichkeit zur Schadstoffreduzierung ist die Integration einer elektrischen Heizung im Katalysator, die während der Start- und Warmlaufphase den Katalysator beheizt. Bei Metallträger-Katalysatoren wird der Metallkörper als elektrischer Widerstand zum Heizen verwendet. Auch bei einem Katalysator mit Keramikträger ist die Beheizung durch Vorschalten eines elektrischen Heizkörpers möglich.

Bei einer anderen Technik wird Kraftstoff in den Katalysator gespritzt und verbrannt. Bei dieser Methode erreichen der Katalysator und die Lambda-Sonde nach wenigen Sekunden die Betriebstemperatur.

Eine bessere Möglichkeit ist die Adsorption von HC während der ersten Sekunden nach dem Start (HC-Falle). Die Desorption erfolgt dann, wenn der Katalysator eine Temperatur erreicht hat, bei der eine zufriedenstellende Konvertierung gesichert ist Untersuchungen zeigen, daß mit diesem Verfahren eine Verringerung der HC-Emission von bis zu 50% möglich ist.

2. Stand der Technik

In DE 41 21 520 A1 wird eine berührungslos arbeitende Schaltungsordnung zum Vorwärmen von Zündeinrichtungen beschrieben. Dieses Gerät funktioniert über einen Infrarotsensor mit Bewegungsmelder und tastet die Anwesenheit einer Person auf dem Fahrersitz ab. In der vorliegenden Anmeldung ist die Zusammenführung verschiedener Abläufe das entscheidende Merkmal. Die frühzeitige Erkennung durch einen Sitzbelegungsensor, das folgende, elektrische Vorheizen des Katalysators bzw. das Einspritzen von Kraftstoff in den Katalysator und die Einschaltung der HC-Falle. Um diese Vorgänge optimal zu verbinden und flexibel auf die verschiedene Betriebsbedingungen zu reagieren, ist ein Kaltstart Meßsystem entwickelt worden.

In DE 196 05 053 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung im Mikromeßstab zur kontinuierlichen Messung des Schadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen dargestellt. In dieser Quelle wird allgemein über die Vorteile eines kontinuierlichen Meßverfahren in Kraftfahrzeugen gesprochen. Die spezielle Schadstoffmessung im Kraftfahrzeug während der Kaltstartphase wird nicht erwähnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Meßsystem zu beschreiben, das in der Lage ist, die tatsächliche Emission in der Kaltstartphase zu erfassen, um einen optimalen Betrieb zu ermöglichen und evtl. Fehler in der Technik zu signalisieren, und die Emissions- Minderungsanlage zu steuern.

2. Beschreibung des Patentgegenstandes 2.1. Eigenschaften des Kaltstart-Meßsystems

Die Messung der Kaltstartemission wird mit Hilfe eines Meßsystems vorgenommen, das nach dem Prinzip des NDIR-Photometers arbeitet. Dieses Meßsystem besteht im wesentlichen aus einem Strahler, einem Empfänger und einer optischen Küvette. Solche Meßsysteme sind weltweit bekannt.

Als eine besondere Neuigkeit ist bei der vorliegenden Vorrichtung zu betrachten, daß die optische Küvette nicht wie üblich aus einem Rohr mit einer möglichst gut reflektierenden Innenwandung besteht, sondern aus einem porösen Material. Dieses Material kann z. B. Sinterstahl oder Sinterbronze oder ein anderes gesintertes Material sein, das es ermöglicht, das zu messende Gas durch Diffusion in das Küvettenrohr zu führen, s. Fig. 1. Herkömmliche Geräte verfügen über ein "Nicht"-poröses Küvettenrohr, in das das zu messende Gas durch eine externe Pumpe geführt wird. Dadurch benötigen diese Geräte eine aufwendige und somit kostspielige Gasaufbereitung, bestehend aus einer Tropfenabscheidevorrichtung, einer Pumpe, einem Druckminderer und einem Strömungsmesser.

Die Verwendung einer porösen Küvette aus Sintermaterial ist hingegen in der Kfz-Technik besonders vorteilhaft, da bei dieser Anordnung die Schmutz-, vor allem aber die Rußpartikel, an der als Filter wirkenden Siebschicht des Sintermaterials zurückgehalten werden. Das Entfernen der Ruß- und Schmutzpartikel könnte in gewissen Zeitabständen durch Rückspülen mit Druckluft erfolgen, s. Fig. 2. Das Rückspülen könnte z. B. mit Hilfe einer, an den Tankstellen benutzten, Druckluftvorrichtung erfolgen.

2.2 Konstruktive Merkmale des Kaltstart-Meßsystems

In Fig. 1 sind die optischen Komponenten des Meßsystems dargestellt. Das poröse Küvettenrohr aus Sintermaterial (1), der Strahler (2) mit Reflektor (3) und der Detektor (4) mit einer Linse, (5) zum bündeln der infraroten Strahlung.

Die Fig. 2 soll das Rückspülen der Rußpartikel (9) mit Druckluft (8) erläutern. Die von außen kommende Druckluftleitung wird mit ihrer Anschlußkupplung (6) an den von außen am Kraftfahrzeug zugänglichen Einlaßstutzen (7) angekoppelt. Die Druckluft (8) entfernt dabei die an der Außenseite des Küvettenrohres (1) haftenden Rußpartikel (9).

2.3. Einschaltung der Vorrichtung in der Kaltstartphase

Wie vorhergehend beschrieben, gibt es verschiedene Möglichkeiten einer Schadstoffminderung während der Kaltstartphase.

Die einfachste Möglichkeit ist das Vorheizen des Katalysators vor dem Start. Erfolgt das Vorheizen des Katalysators elektrisch, so wird, bedingt durch die Masse und thermische Trägheit des Katalysators, der Akkumulator des Kraftfahrzeuges stark beansprucht. An kalten Wintertagen und bei nicht ganz neuen, bzw. nicht vollgeladenen Akkumulatoren entsteht die Situation, daß der Wagen nach dem Vorheizen nicht mehr gestartet werden kann.

Eine bessere Möglichkeit zur Schadstoffminderung ist der Einsatz von HC-Fallen. Um jedoch eine hohe Effizienz einer solchen HC-Falle zu ermöglichen, ist es unbedingt notwendig, die Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas zu messen.

Da das Kaltstart-Meßsystem nur einen geringen Energiebedarf hat, kann es bereits vor der Kaltstartphase in Betrieb genommen werden. Dazu scheinen z. B. ein Sitzbelegungssensor (10) oder andere Sensoren im Kraftfahrzeug geeignet zu sein, um bereits beim Einsteigen in das Kraftfahrzeug das Kaltstart Meßsystem zu aktivieren, siehe Fig. 3. Gleichzeitig könnte auch die HC-Falle eingeschaltet werden.

3. Einbau des Kaltstart-Meßsystems ins Kraftfahrzeug

Eine besonders günstige Möglichkeit für die Unterbringung des Kaltstart-Meßsystems ist ein zylinderförmiger Behälter (12) als Zwischenstück des Auspuffrohres (11), ähnlich zu einem Katalysator oder einem Schaltdämpfer. Mögliche Ausbildungsformen zeigt die Fig. 4. In diesem, an den letzten Schalldämpferkasten angeschlossenen, Zylinder befindet sich die aus dem gesinterten Rohrmaterial bestehende optische Küvette sowie die elektronische Schaltung für die Meßdatenerfassung.

Da das Kaltstart-Meßsystem als letztes Element an das Abgasbehandlungssystem des Kraftfahrzeuges angeschlossen wird, ist das zu messende Gas selbst nach längeren Fahrten, nach einer Fahrt mit höherer Geschwindigkeit oder an warmen Sommertagen bereits so kühl, daß die optische Vorrichtung ohne besondere Schutzmaßnahmen direkt im Gasweg installiert werden kann.

Verzeichnis der Figuren Fig. 1 Komponenten des Meßsystems

1

Küvettenrohr aus Sintermaterial

2

Strahler

3

Reflektor

4

Detektor

5

Linse

Fig. 2 Rückspülung mit Druckluft

6

Anschlußkupplung

7

Einlaßstutzen

8

Druckluft

9

Rußpartikel

Fig. 3 Sensoren im Kraftfahrzeug

10

Sitzbelegungssensor

Fig. 4 Einbaumöglichkeiten im Abgassystem

11

Auspuffrohr

12

Zylinderförmiger Behälter

Fig. 5 Kaltstartmessung

Claims (4)

1. Kaltstartmeßsystem zur Messung der Kaltstartemission eines Kraftfahrzeuges und zur Steuerung von den zur Minderung dieser Emission vorhandenen Geräten, dadurch gekennzeichnet, daß das System derart ausgebildet ist, daß es vor dem Starten des Kraftfahrzeuges durch das Signal eines Sitzbelegungssensors in Betrieb genommen wird und bereits in den darauffolgenden Sekunden mit dem Meßbetrieb beginnt, so daß die Kaltstartemissionserfassung von Anfang an lückenlos erfolgt.

2. Kaltstartmeßsystem auf Basis der infraroten Gasabsorption funktionierend, dadurch gekennzeichnet, daß es aus den Modulen IR-Strahler, Küvette, Detektor und einem Sitzbelegungssensor besteht, wobei die optische Küvette ein poröses Rohr ist, das hauptsächlich aus Sinterstahl oder Sinterbronze besteht und durch dessen gasdurchlässige Wandung das zu messende Abgas aus dem Kraftfahrzeug ohne pneumatische Fördermittel lediglich aufgrund der Diffusion in die Küvette gelangt.

3. Kaltstartmeßsystem nach Patentanspruch 1 oder 2 für den Einbau ins Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß das System in einer zylinderähnlichen Form als letztes Element des Abgasbehandlungssystems in dem Kraftfahrzeug untergebracht ist, wodurch eine Überhitzung der Elemente des Kaltstartmeßsystems vermeidbar ist.

4. Kaltstartmeßsystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückspülung der an den äußeren Wandungen der Küvette gehaltenen Rußpartikeln mit Hilfe von Druckluft an Tankstellen erfolgt, daß dadurch keine zusätzlichen Filter benötigt werden und daß die Porosität des Küvettenrohres entsprechend der Konzentration und der Beschaffenheit der Rußpartikel im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges auswählbar ist.