-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
von Kohlenwasserstoff-Emissionen
gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 bzw. 8.
-
Um
den stetig wachsenden Anforderungen an eine Verminderung des Schadstoffausstoßes an die Umgebung
gerecht zu werden, ist es bei Einspritzventilen oder anderen Komponenten
und Systemen von Ottomotoren üblich,
vor der Inbetriebnahme dieser Komponenten eine Dichtigkeitsprüfung vorzunehmen,
bei der durch Leckagen oder Permeation bedingte Kohlenwasserstoff-Emissionen
dieser Komponenten und Systeme mit sogenannten SHED(Sealed Housing
Evaporation Determination)-Messgeräten gemessen werden. Die verwendeten
Messgeräte
umfassen eine hermetisch abgeschlossene, mit einem gasförmigen Trägermedium, z.B.
Stickstoff oder Luft bzw. einem anderen Gas oder Gasgemisch gefüllte Prüfkammer,
in welche die jeweiligen Prüflinge,
z.B. die mit Kraftstoff befüllten
Einspritzventile, eingebracht werden. Durch eventuelle Leckagen
oder Permeation aus den Prüflingen
austretende Kraftstoffmoleküle
mischen sich in der Prüfkammer
mit dem gasförmigen
Trägermedium
und führen
dort zu einem massenproportionalen Anstieg der Kohlenwasserstoff-Konzentration,
der von einem mit der Prüfkammer
verbundenen Flammenionisationsdetektor (FID) gemessen wird. Die
vom Detektor gemessene Kohlenwasserstoff-Konzentration lässt sich
bei bekanntem Prüfraumvolumen
in die gewünschte
Kohlenwasserstoff-Emissionsmasse umrechnen.
-
Die
Prüfkammern
können
ein geschlossenes System bilden, was jedoch den Nachteil hat, dass
Volumenänderungen
des Trägermediums
in der Prüfkammer
infolge von Druck- bzw. Temperaturänderungen nicht ausgeglichen
werden können,
so dass nur Messungen bei konstanter Temperatur durchgeführt werden
können.
Außerdem
können
Leckagemessungen durch das sich ändernde
Druckgefälle
zwischen den Prüflingen und
der Umgebung ungenau werden. Darüber
hinaus kann es infolge von Änderungen
des Umgebungsdrucks zu Beschädigungen
der Prüfkammer
kommen. Um dies zu vermeiden, werden druckfeste Prüfkammern
eingesetzt, die jedoch neben den zuvor beschriebenen Nachteilen
geschlossener System auch noch höhere
Kosten verursachen.
-
Offene
Systeme wiederum haben den Nachteil, dass infolge einer Abkühlung oder
eines steigenden Umgebungsdrucks aus der Umgebung Kohlenwasserstoffe
in die Prüfkammer
eingetragen werden können, was
zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Kohlenwasserstoffemissionen
der Prüflinge
führen
kann.
-
Üblicherweise
werden daher Messgeräte
eingesetzt, deren Prüfkammern
ein variables Kammervolumen aufweisen. Dazu ist entweder innerhalb
oder außerhalb
der Prüfkammer
ein mit dieser kommunizierender Volumenausgleichsbehälter in
Form eines Beutels mit flexiblen Wänden vorgesehen, oder die Prüfkammer
ist mit einem beweglichen Hubdach ausgestattet, um während der
Prüfung
einen konstanten Druck (in der Regel Atmosphärendruck) in der Prüfkammer
zu gewährleisten.
Beide Ausführungen
verursachen jedoch verhältnismäßig hohe
Kosten und können
darüber
hinaus auch das Messergebnis durch Kohlenwasserstoff-Verluste verfälschen,
die bei Prüfkammern
mit Ausgleichsbehälter
durch Kondensation, Adsorption oder Lösung von Kohlenwasserstoff
in dem als Emissionssenke wirkenden Ausgleichsbehälter und
bei Prüfkammern
mit Hubdach durch Leckagen an den Dichtungen des Hubdachs hervorgerufen
werden können.
Bei den zuerst genannten Geräten
mit einer Prüfkammer
mit Ausgleichsbehälter
können
zudem auch Verunreinigungen des letzteren aus vorangehenden Messungen
zur Verfälschung
der Messergebnisse führen.
Insgesamt resultiert hieraus eine größere Messunsicherheit und damit
eine geringere Empfindlichkeit des Prüfsystems.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit den im Anspruch 1 bzw. 8 genannten Merkmalen bieten demgegenüber den
Vorteil, dass wegen der durch die Gasschleuse zur Umgebung hin offenen
Prüfkammer
keine Volumenausgleichsmaßnahmen
erforderlich sind, so dass sich Kohlenwasserstoffemissionen in die
Prüfkammer
mit hoher Ge nauigkeit und Empfindlichkeit ermitteln lassen, wenn der
Massenstrom der Kohlenwasserstoffe in und aus der Prüfkammer
bekannt ist.
-
Grundsätzlich ist
es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zwar möglich,
diesen Massenstrom durch Messung der ein- und ausströmenden Menge
an Trägermedium
und durch Messung der Kohlenwasserstoff(HC)-Konzentration im Trägermedium
zu ermitteln. Jedoch ist es sehr aufwendig, kleine Strömungsmengen
mit der erforderlichen Genauigkeit zu messen, weshalb gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine rechnerische Ermittlung
des ein- und ausströmenden
HC-Massenstroms anhand einer speziell angepassten Massenbilanz vorgenommen
wird, weil die HC-Konzentration des austretenden Trägemediums bekannt
ist und mittels der Schleuse in bestimmten Betriebszuständen das
Einströmen
von Trägermedium
mit bekannter HC-Konzentration ermöglicht wird. Für die Berechnung
werden als Eingangsgrößen weiter
das Prüfkammervolumen
sowie der Druck, die Temperatur und die HC-Konzentration in der
Prüfkammer
benötigt,
welche Größen vorzugsweise
in sehr kurzen Zeitabständen
gemessen werden, so dass die Linearisierung zwischen zwei Messpunkten
einen vernachlässigbar
geringen Fehler verursacht.
-
Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass Trägermedium
mit bekannter HC-Konzentration
aus einer separaten Quelle in die Schleuse zugeführt wird, so dass die HC-Konzentration in
der Schleuse bekannt ist und sich die aus der Schleuse in die Prüfkammer
einströmende
HC-Masse mit Hilfe der zuvor genannten Eingangsgrößen für kurze
Messzeiten berechnen lässt.
Vorzugsweise ist das in die Prüfkammer
einströmende
Trägermedium
frei von Kohlenwasserstoffen, wodurch die Berechnung vereinfacht
wird.
-
Um
zu vermeiden, dass Kohlenwasserstoffe aus der Umgebung durch die
Gasschleuse in die Prüfkammer
einströmen
und dort das Messergebnis verfälschen
können,
wird gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung zu jedem Zeitpunkt
mehr Trägermedium
in die Schleuse zugeführt
als aus der Schleuse in die Prüfkammer
einströmen
kann, wodurch die Schleuse immer mit Trägermedium gespült und ein Zustrom
von Kohlenwasserstoffen aus der Umgebung vermieden wird.
-
Um
einen dynamischen Druckaufbau zwischen der Gasschleuse und der Umgebung
und ein daraus resultierendes Druckgefälle zu vermeiden, ist die Gasschleuse
vorzugsweise durch einen Auslass mit der Umgebung verbunden, dessen
Strömungswiderstand
kleiner als der Strö mungswiderstand
eines zwischen der Schleuse und der Prüfkammer angeordneten Verbindungskanals
ist. Vorzugsweise weist der Auslass einen Strömungsquerschnitt auf, der um
ein Vielfaches größer als
der Strömungsquerschnitt
des Verbindungskanals ist.
-
Weiter
ist der Strömungswiderstand
des Verbindungskanals zwischen der Schleuse und der Prüfkammer
zweckmäßig so gewählt, dass
in einem stationären
Zustand nur eine vernachlässigbare
Menge Trägermedium
durch den Verbindungskanal strömt.
-
Die
Messung der HC-Konzentration im Trägermedium in der Prüfkammer
erfolgt zweckmäßig mittels eines
Flammenionisationsdetektors.
-
Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
-
1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung von Kohlenwasserstoffemissionen von Prüflingen;
-
2: eine schematische Darstellung eines
mathematischen Modells der Prüfkammer
mit Gasschleuse.
-
Die
in 1 der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 2 dient
zur Messung von Kohlenwasserstoffemissionen von Prüflingen
PR in Form von Einspritzventilen von Ottomotoren, die vor ihrer
Inbetriebnahme auf Dichtigkeit geprüft werden müssen und von denen in 2 nur einer schematisch dargestellt ist.
-
Die
Messvorrichtung 2 besteht im Wesentlichen aus einer geschlossenen,
mit einem Trägergas,
zum Beispiel Stickstoff, befüllbaren
Prüfkammer 4,
einem an die Prüfkammer 4 angeschlossenen
Flammenionisationsdetektor 6 zur Messung der Kohlenwasserstoff(HC)-Konzentration
in der Prüfkammer 4,
sowie einer über einen
offenen Verbindungskanal 8 mit der Prüfkammer 4 kommunizierenden
und aus einer Quelle 10 mit dem Trägergas gespeisten Gasschleuse 12,
die über
einen Auslass 14 mit der Umgebung 16 verbunden
ist.
-
Zur
Messung der Kohlenwasserstoffemissionen der zu prüfenden Einspritzventile
PR werden diese mit Kraftstoff befüllt und so in die mit dem Trägergas befüllte Prüfkammer 4 eingebracht,
dass infolge von Leckagen oder Permeation aus den Einspritzventilen
PR entweichender Kraftstoff in die Prüfkammer 4 gelangt und
sich dort mit dem Trägergas
vermischt, was zu einem mittels des Detektors 6 erfassbaren
massenproportionalen Anstieg der HC-Konzentration führt. Zur
Erfassung dieses Anstiegs werden kontinuierlich sehr geringe Mengen
des Trägergases
und der darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe aus der Prüfkammer 4 zum
Detektor 6 abgeführt.
-
Um
zu vermeiden, dass Kohlenwasserstoffe aus der Umgebung 16 durch
die Gasschleuse 12 in die Prüfkammer 4 einströmen und
dort das Messergebnis verfälschen
können,
wird der Gasschleuse 12 aus der Quelle 10 Trägergas mit
einer bekannten HC-Konzentration zugeführt, das bei steigendem Umgebungsdruck oder
sinkender Temperatur der Prüfkammer 4 aus
der Gasschleuse 12 in die Prüfkammer 4 einströmen kann. Eine
sichere Funktion der Gasschleuse 12 in dieser Hinsicht
wird dabei durch die drei folgenden wesentlichen Konstruktionsmerkmale
sichergestellt:
- 1) Das Angebot an Trägergas in
der Schleuse 12 ist stets höher als die Menge, die in die
Prüfkammer 4 einströmt. Dadurch
wird die Schleuse 12 kontinuierlich gereinigt, und der
Zustrom von HC aus der Umgebung 16 in die Schleuse 12 vermieden.
- 2) Der Auslass 14 aus der Gasschleuse 12 in
die Umgebung 16 weist einen sehr großen Strömungsquerschnitt und damit
einen sehr geringen Strömungswiderstand
auf wodurch ein dynamischer Druckaufbau und ein daraus resultierendes
Druckgefälle
zwischen der Umgebung 16 und der Schleuse 12 vermieden werden
kann.
- 3) Die Strömungswiderstände des
Verbindungskanals 8 zwischen der Prüfkammer 4 und der
Gasschleuse 12 sowie des Auslasses 14 zwischen
der Gasschleuse 12 und der Umgebung 16 sind so
gewählt,
dass im stationären
Zustand nur eine vernachlässigbar
geringe Menge Trägergas
aus der Schleuse 12 in die Prüfkammer 4 einströmt.
-
Zur
Erhöhung
der Messgenauigkeit und zur Vereinfachung der unten beschriebenen
Berechnung des HC-Emissionsmassenstroms wird die HC-Konzentration
des in die Schleuse 12 zugeführten Trägergases gering gehalten und
beträgt
im Idealfall null, zum Beispiel wenn als Trägergas reiner Stickstoff verwendet
wird.
-
Da
die in 1 dargestellte Vorrichtung 2 eine über die
Schleuse 12 zur Umgebung 16 hin offene Prüfkammer 4 aufweist,
werden durch Änderung
des Umgebungsdrucks oder der Prüfkammertemperatur
hervorgerufene Volumenänderungen
des Trägergases
in der Prüfkammer 4 über den
Verbindungskanal 8 ausgeglichen, so dass der Druck in der
Prüfkammer 4 im
stationären
Zustand gleich dem Umgebungsdruck ist.
-
In
instationären
Zuständen
strömt
jedoch Trägergas
durch den Verbindungskanal 8, wobei der Massenstrom aufgrund
der niedrigen Änderungsgeschwindigkeiten
in der Regel sehr gering ist, so dass ein dynamischer Druckaufbau
infolge von Verlusten aufgrund von Rohreibung oder Turbulenzen durch
ausreichend große
Strömungsquerschnitte
vernachlässigbar
gestaltet werden kann, wie oben angegeben.
-
Aus
Sicht der Bestimmung der HC-Emissionen sind dabei insbesondere diejenigen
Zustände
kritisch, in denen zum Druckausgleich Trägergas aus der Schleuse 12 in
die Prüfkammer 4 einströmt. Wenn
das einströmende
Trägergas
frei von Kohlenwasserstoffen ist, hat es eine Verringerung der HC-Konzentration
in der Prüfkammer 4 zur
Folge, während
es zu einem Eintrag von Kohlenwasserstoffen in die Prüfkammer 4 und
damit zu einem Anstieg der HC-Konzentration führt, wenn dies nicht der Fall
ist. Ein solcher HC-Eintrag durch "Einatmen der Prüfkammer" muss daher für eine genaue Bestimmung der
HC-Emissionen der Einspritzventile PR ebenso berechnet werden, wie
ein entsprechender Austrag durch "Ausatmen der Prüfkammer", bei dem HC aus der Prüfkammer 4 durch
die Schleuse 12 in die Umgebung 16 gelangt.
-
Da
die HC-Konzentration in der Prüfkammer 4 durch
einen Zustrom von HC in die Prüfkammer 4 bzw. durch
einen Abstrom von HC aus der Prüfkammer 4 beeinflusst
wird, erfolgt die Berechnung der HC-Emissionsmasse anhand einer
speziell angepassten Massenbilanz. Zur Erstellung dieser Massenbilanz
kann die Prüfkammer 4 mit
der Gasschleuse 12, wie in 2 dargestellt,
als mathematisches Modell abgebildet werden, in das die folgenden
Parameter eingehen:
- mK
- Masse in der Prüfkammer
in kg
- ṁzu
- Massenzustrom in die
Prüfkammer
in kg/s
- ṁab
- Massenabstrom aus
der Prüfkammer
in kg/s
- ṁMes
- Massenabstrom zur
HC-Messung in kg/s
- ṁHC
- HC-Emissionsmassenstrom
in kg/s
- w
- HC-Massenkonzentration
in kg/kg im jeweiligen Massenstrom bzw. in der jeweiligen Masse
- VK
- Prüfkammervolumen in m3
- pk
- absoluter Druck in
der Prüfkammer
in N/m2
- TK
- absolute Temperatur
in der Prüfkammer
in K
-
Die
vorangehenden und weitere im folgenden verwendeten Indices haben
die Bedeutung:
- zu
- Zustrom in die Prüfkammer
- ab
- Abstrom aus der Prüfkammer
in die Schleuse
- Mes
- Abstrom aus der Prüfkammer
zur Messung
- T
- Trägergas
- HC
- Kohlenwasserstoffe
- K
- Prüfkammer
-
Für die Massenbilanz
in der Prüfkammer
4 gilt
die folgende Beziehung:
-
Für die Massenbilanz
der Kohlenwasserstoffe (HC) in der Prüfkammer
4 gilt die
folgende Beziehung:
-
Weiter
gilt:
wobei für m
HC;K ≪ m
T;K gilt m
K ≈ m
T;K bzw.
mHC;K = wK · mK
-
Für die erste
Ableitung folgt
-
-
Aus
(1) und (2) ergibt sich bei Ersetzen von dm
HC;K/dt
durch (3)
-
Nachfolgend
werden die beiden zuvor genannten Fälle "Ausatmen der Prüfkammer" und "Einatmen der Prüfkammer" unterschieden.
-
1. "Ausatmen der Prüfkammer"
-
Aus
der Gleichung (1) ergibt sich für
den Fall "Ausatmen" aus der Prüfkammer:
wobei ṁ
ab ≥ 0
-
Wenn
der Massenzustrom ṁ
zu aus einer
zur Befüllung
der Prüfkammer
4 mit
Trägergas
dienenden Quelle (nicht dargestellt) in die Prüfkammer
4 so eingestellt
wird, dass bei Zustandsänderungen
des Trägergases
in der Prüfkammer
4 oder
bei schwankendem Umgebungsdruck stets Trägergas aus der Prüfkammer
4 abströmt, gilt
w
ab = w
K. Die oben
aufgestellte Berechnung der HC-Emissionsmasse vereinfacht sich dann
zu:
-
Wird
das zuströmende
Trägergas
mit vernachlässigbarer
HC-Konzentration angenommen (w
zu= 0) vereinfacht
sich Gl. 5 zu
-
2. "Einatmen der Prüfkammer"
-
Wenn
der Massenzustrom ṁ
zu an Trägergas aus
der zur Befüllung
der Prüfkammer
4 mit
Trägergas dienenden
Quelle nicht ausreicht, um bei Zustandsänderungen des Trägergases
in der Prüfkammer
4 oder
bei schwankendem Umgebungsdruck benötigtes Trägergas bereitzustellen, strömt aus der
Schleuse
12 Trägergas
mit bekannter HC-Konzentration in die Prüfkammer
4 ein. Dann
gilt w
ab = w
S, und
aus (Gl. 4) wird
-
Wenn
das in die Schleuse
12 zugeführte und von dort in die Prüfkammer
4 einströmende Trägergas eine
vernachlässigbare
HC-Konzentration aufweist (w
S = 0, w
zu = 0) vereinfacht sich (Gl. 6) zu
-
Ferner
berechnet sich die Masse in der Prüfkammer
4 nach dem
idealen Gasgesetz mit der zuvor getroffen Vereinfachung m
K ≈ m
T;K:
wobei
- mA
- Masse in der Prüfkammer
in kg
- VK
- Prüfkammervolumen in m3
- pK
- absoluter Druck in
der Prüfkammer
in N/m2
- TK
- absolute Temperatur
in der Prüfkammer
in K
- R
- Gaskonstante des Trägergases
in kg/kJK
-
Für beide
Fälle "Ausatmen der Prüfkammer" und "Einatmen der Prüfkammer" können unter
der bereits genannten Vorraussetzung kurzer Messzyklen in den obigen
Gleichungen 5.1 bzw. 6.1 die Differenziale durch Differenzenquotienten
ersetzt und damit die HC-Massenströme ṁHC.
berechnet werden. Ob die Berechnung für jede Messzeit gemäß der Gleichung
5.1 oder 6.1 vorzunehmen ist, ergibt sich dabei aus der für diese
Messzeit berechneten Volumenänderung
des Trägergases
in der Kammer 4 sowie aus dem gewählten Massenzustrom ṁzu.
-
Die
Bestimmung der abgegebenen Gesamtmasse mHC erfolgt
dann durch Summation der berechneten HC-Massenströme ṁHC zu der aus der Masse des Trägergases
in der Prüfkammer 4 und
der gemessenen HC-Konzentration in der Prüfkammer 4 berechneten
HC-Emissionsmasse mHC;K innerhalb der Prüfkammer 4.