用于确定内燃机中NOx和/或CO2的特定和/或绝对排放值的方法及测量装置

摘要

在用于确定内燃机（3）中NOx和/或CO2的特定和/或绝对排放值（19）的测量装置中，本发明提出检测至少一个气缸（2）的气缸压力（1）的时间曲线（5）并由此无需直接测定曲轴（7）的旋转角即可推导出气缸压力曲线（10），该气缸压力曲线（10）绘出气缸压力（1）与内燃机（3）的曲轴（7）的旋转角度之间的关系。本发明还提出，由该气缸压力曲线（10）或所有测量的气缸压力曲线（10）结合CO2和/或O2的浓度测定确定输出功率（11）及排气质量流量（12），该输出功率（11）及排气质量流量（12）与所测得的内燃机（3）的排气（15）中的浓度NOx（17）相结合，从而形成内燃机（3）的NOx及CO2的特定和/或绝对排放值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定内燃机中NO_x和/或CO₂的特定和/或绝对排 放值的方法。

本发明还涉及一种用于确定内燃机中NO_x和/或CO₂的特定和/或绝对 排放值的测量装置。

在本文中，绝对排放值给定每时间单位的排放质量（如千克每小时）， 而特定排放值给定与功率相关的每单位时间的排放质量（如克每千瓦时）。

背景技术

人们已知，通过测量这种数值来监控内燃机符合法定标准或可以比较 内燃机的排放量。

为了能够获得上述结果，需已知或已确定排气质量流。可选地，还可 由功率及燃料消耗量算出这种结果。然而，在实践中很难直接测量这种变 量。通常仅在特定的实验台才能完成这类测量，而在内燃机安装后的正常 运行中并不能完成此类测量。需就地或实地测量或监测内燃机的情况下， 如在船上监测船舶柴油发动机，这点尤为不利。实践表明，已知类型的功 率测量（特别是质量流量的测量）需大量设备，这会导致相当多的测量误 差。这些设备还比较昂贵且处理通常较为耗时。已知方法的另一缺陷在于， 为了安装测量设备，须分别使内燃机停止工作。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种可选且简单可行的获得内燃机中NO_x和/ 或CO₂的相对或绝对排放值的方法。

为实现该目的，根据本发明在前述类型的方法的设置中，测量内燃机 的至少一个气缸中的气缸压力的时间曲线并由此取得气缸压力关于曲轴旋 转角度的气缸压力曲线，特别地，该气缸压力曲线是曲轴旋转角度的函数， 随后由气缸压力曲线一方面取得内燃机的输出功率，另一方面取得排气质 量流量，所得的排气质量流量与所测量的内燃机（特别是气缸）的排气中 的NO_x浓度相结合并与已确定的输出功率相结合，以形成NO_x和/或CO₂的特定和/或绝对排放值。本发明相较于已知方法的优势在于，毋须直接测 量曲轴的旋转角度。确切而言，由气缸压力的时间曲线推导出相关的旋转 角度，而无需同步测量旋转角度及气缸压力，这种同步测量中时常会出现 测量误差。由此，由气缸压力的时间曲线推导出气缸压力曲线，而无需测 量曲轴的旋转角度。其优势还在于，毋须由于旋转角度的测量而接近曲轴。 由此可在内燃机的安装位置且持续运行中对其进行测量，而无需改装。可 共同测量所有气缸的排气中NO_x浓度或者分别测量各气缸的排气中NO_x浓 度。

在本发明一实施方案的设置中，分别对内燃机的各气缸测出气缸压力 的时间曲线并由此取得气缸压力关于曲轴旋转角度的气缸压力曲线，特别 地，该气缸压力曲线是曲轴旋转角度的函数。其优势在于，可避免估测未 测量气缸的气缸压力的时间曲线。其优势还在于，对所有气缸的测量结果 均较为准确，从而可高度精确地确定排放值。

在本发明一实施方案的设置中，可由指示功率确定输出功率，其中采 用内燃机预定的机械效率水平。在此，指示功率表示内燃机在假定燃烧气 体的膨胀功完全无摩擦地转化成曲轴的往复运动情况下的理论功率。机械 效率水平尤其补偿在实际内燃机中发生的摩擦损失。

例如在一种设置中，在实验台预先测量机械效率水平或者利用机械效 率水平的相关系数。优选地，这可通过工作测试或实验台上的试验来完成。 如此测得的机械效率水平可随后存储于存储装置中且备用于根据本发明的 方法。

在另一设置中，还可根据存储的相关系数估算机械效率水平。这种相 关系数可在本身已知的程度上将摩擦影响考虑在内。

例如，在通过瞬时测量气缸压力确定功率的方法中，已知摩擦损失的 考量以及（实际）输出功率的估算。对此，在已知的方法中，迄今仍在曲 轴上设置旋转角度传感器来确定气缸的瞬时工作位置。然而，这要求改装 现有的内燃机并且在测量前需较深地进入其中，由此不理想地中断机器的 运行。

在本发明一实施方案的设置中，根据气缸的上换向点或死点取得需用 于确定指示功率或输出功率的旋转角度。例如，这可通过估算气缸压力曲 线来完成。对此，例如可定义参比压力，该参比压力表征上换向点或死点。 其优势在于，气缸的换向点可对曲轴的瞬时旋转角度得出相对较精确的结 论。

人们已知由气缸压力曲线确定上转向点，并且可利于用于本发明以代 替曲轴角度的测量。

实践证明，很难直接测量排气质量流量，尤其难以测量安装在工作位 置待测的内燃机中的排气质量流量，其原因在于，通常只能通过繁复的工 作才可能进入排气管并且在已知的测量方法中出现测量误差的可能性极 高。在本发明一实施方案的设置中，为取得排气质量流量，利用计算机程 序估算气缸压力曲线，其中计算机程序包含发动机模型。其优势在于，可 毋须再测量流量或流速。

在本发明一实施方案的设置中，为取得排气质量流量而测量排气中的 CO₂浓度。例如，这可通过计算碳平衡来实现。其优势在于，通过从排气中 采集样本即可相对较容易地测得CO₂浓度。

在另一设置中，为取得排气质量流量而测量排气中的O₂浓度。优选地， 这可通过计算氧平衡来完成。其优势还在于，可简单地进行浓度的测量。

有利地，可利用发动机模型确定排气质量流量。在此设置中，发动机 模型模拟内燃机的开式热力循环并由此模拟内燃机中的气体交换。由此， 本发明提供一种便于操作且易于实施的确定排气质量流量的方法。

在其他设置中，利用发动机模型模拟内燃机的进气系统及排放系统， 从而确定进气系统及排放系统和/或至少一个气缸中（特别是所有气缸中） 的压力及温度的时间曲线。其优势在于，利用已知的热力学方程可算出排 气质量流量。

由此，在一种设置中，为确定排气质量流量而处理气缸压力曲线，其 中模拟内燃机的气体交换过程的发动机模型会将能量和质量守恒定律考虑 在内。较佳地，发动机模型模拟进气系统、燃烧式及排放系统之间的质量 交换。

例如，在一种设置中，在发动机模型中将通过气缸的未燃进气的质量 流量考虑在内。其优势在于，可进一步改善在确定或计算排气质量流量过 程中的准确度。

在另一设置中，可从气缸压力曲线推导出燃烧率并由该燃烧率推导出 燃料消耗量。

在此，为确定燃料消耗量，可进行释热率分析。在有关的专业文献中， 已知这种释热率分析可用于各种不同目的。在该实施方案的设置中，通过 分析气缸压力曲线而进行释热率分析。其优势在于，尽可能无需再输入附 加变量。

在专业文献中，对于释热率分析通常需考虑净释热率、热损耗以及总 释热率。有利地，本发明中亦可采用这一方案。

在一种设置中，可对每一气缸依次进行气缸压力时间曲线的测量。其 优势在于，实施该方法所需的装置费用可降至最低。在另一设置中，可对 气缸同时进行气缸压力时间曲线的测量。其优势在于，实施该方法所需的 装置费用可降至最低。

在本发明一实施方案的设置中，内燃机是柴油发动机。例如，内燃机 可以是船舶柴油发动机或固定式柴油发动机。由此，尽管在在相对较大的 内燃机中难以获得测量排放值所需的变量测定或仅能通过大规模改装才可 获得这种变量测定，所述方法却可特别用于在其中监测阈值。

例如在一种设置中，通过气缸的指示活栓测量或选取气缸压力的时间 曲线。其优势在于，指示活栓使入口可用于测量，特别在船舶柴油发动机 或固定式柴油发动机中符合标准地包含这种入口。使用指示活栓即可在内 燃机上实施根据本发明的方法，无需改装内燃机或特意停止内燃机的运行。

为根据本发明测量气缸压力的时间曲线，在一种设置中可在预定的时 间点测量气缸压力。特别有利地，这种时间点有规律地相互时间间隔。例 如，时间点可均匀地在时间上相互间隔或者存储某种规则，利用该规则可 根据测量变量或其变化确定间隔，即时间间隔作为测量变量或其变化的函 数。因此，测量气缸压力的时间点可以最佳方式与待测的时间曲线相配合。

为实现所述目的，根据本发明在前述类型测量装置的设置中，至少一 个用于测量气缸压力时间曲线的压力传感器可连接至内燃机的至少一个气 缸、优选多个气缸或全部气缸；压力传感器的信号输出端可连接至数据处 理单元；数据处理单元设置用以由气缸压力的时间曲线取得气缸压力曲线， 该气缸压力曲线表示气缸压力与曲轴旋转角度的关系；数据处理单元设置 用以由气缸压力曲线确定内燃机的输出功率且由气缸压力曲线确定排气质 量流量；用于测量内燃机（特别是至少一个气缸）的排气中NO_x浓度的排 气NO_x测量单元可连接至内燃机；排气NO_x测量单元的信号输出端连接至 数据处理单元；数据处理单元设置用以由所得的排气质量流量与所测的NO_x浓度算出NO_x和/或CO₂的特定和/或绝对排放值。其优势在于，提供一种便 于操作的测量装置，利用该测量装置可实施根据本发明的方法，而无需干 预内燃机的工作进度。优选地，数据处理单元设置用以由输出功率、排气 质量流量及NO_x浓度算出特定和/或绝对排放值。

在本发明一实施方案的设置中，用于测量气缸压力时间曲线的压力传 感器可连接至内燃机的每一气缸，某一或每一压力传感器的信号输出端可 连至数据处理单元。其优势在于，可分别测定内燃机的气缸。由此可提供 精确的测量数据。

在一种设置中，数据处理单元设置用以由气缸压力曲线确定气缸的上 换向点。其优势在于，无需再进行基准测定来确定曲轴的角位置。反而， 气缸压力的确定以及上转向点的特征在于，气缸压力达到或超出这一参比 压力相应地，下换向点的特征在于达到或未超出（另一）参比压力。特别 有利地，不会从外界碰触曲轴。

在一种设置中，至少一种有关内燃机机械效率水平的信息（特别是相 关系数）存储于存储器中。由此，可确定具有指示功率的内燃机的输出功 率。

在本发明一实施方案的设置中，数据处理单元具有测时器，用于测量 气缸压力时间曲线。

在本发明一实施方案的设置中，内燃机连接至排气CO₂测量装置，利 用该装置可确定排气中的CO₂浓度。例如，这可用于确定排气质量流量和/ 或燃料消耗量，并可用于该目的。

在一可选设置中，内燃机连接至排气O₂测量装置，利用该装置可确定 排气中的O₂浓度。例如，这可用于确定排气质量流量和/或燃料消耗量，并 可用于该目的。其优势还在于，可相对较容易地进行排气中的浓度测定。

在一种设置中，在数据处理单元中实现内燃机的发动机模型，利用该 模型可由气缸压力曲线计算排气质量流量。由此，可省除在内燃机上用于 确定排气质量流量的附加测量点。

在一种设置中，发动机模型绘出内燃机的碳平衡和/或氧平衡。其优势 在于，可由本身已知的热力学关系和/或化学关系计算排气质量流量。

在另一设置中，在数据处理单元中构造释热率分析装置，该装置设置 用于由气缸压力曲线计算燃料消耗量。其优势在于，可省除附加的用于直 接测量燃料消耗量的测量装置。

特别有利地，内燃机是柴油发动机，特别是船舶柴油发动机或固定式 柴油发动机。其优势在于，由此可通过简单方式在内燃机运行时的工作位 置上检验适用于柴油发动机的法律要求。

在一种设置中，压力传感器可连接至气缸的指示活栓。其优势在于， 任何情况下已有的测量入口均可用于连接测量装置。

在本发明一实施方案的设置中，排气NO_x测量单元可布置于内燃机的 排气装置之内或之上。其优势在于，排气装置形成易于从外部接近的测量 点，无需在额外从结构上改装内燃机。在可选的设置中，排气CO₂测量单 元可布置于内燃机的排气装置之内或之上。在另一设置中，排气O₂测量单 元可布置于内燃机的排气装置之内或之上。在特别有利的实施方案中，这 些特征以相互结合的方式存在。

在排气NO_x测量单元集成于便携式测量装置中的情况下，提供一种特 别便于操作的测量装置。在可选的另一设置中，排气CO₂测量单元集成于 便携式测量装置中。在可选的另一设置中，排气O₂测量单元集成于便携式 测量装置中。

优选地，排气NO_x测量单元、排气CO₂测量单元以及排气O₂测量单元 均集成于同一便携式测量装置中，该便携式测量装置可连接至数据处理单 元。

数据处理单元可构造为便携式计算机，例如笔记本电脑、上网本或诸 如此类计算机。

测量装置还可构造为固定式装置或永久性安装的装置，利用该装置可 连续实施根据本发明的方法，例如无间断地或周期性重复地实施根据本发 明的方法。在这种情况下，内燃机的每一气缸均可配置各自的压力传感器。 循环的时间可从几秒直至几小时或几天。

测量装置可具有控制单元，该控制单元安装在舰桥或驾驶台上。由此， 可在操作中直接进行远程监控。

测量装置可连接至位置测量系统，例如GPS测量装置，并且/或者侧来 那个装置可连接至另一交通工具（特别是船舶）测量装置，例如测速仪。 如此，排放数据可与内燃机的位置数据和/或交通工具数据（特别是船舶数 据）相结合。由此，排放数据可涉及进行排放的特定排放保护区域。

排放数据和/或与其结合的数据可通过GSM、因特网或者其他无线或有 线连接的通讯设施及通讯渠道传输至远程控制系统或远程维护系统，例如 技术办公室。

另外，测量器或传感器可设置用于增压空气温度和/或增压空气压力。 其优势在于，由于在所述方法中可额外将增压空气的温度和/或压力的波动 考虑在内，因此可改善确定功率及确定燃料消耗量的精确度。

在测量装置特别紧凑的实施方案的设置中，除了压力传感器及用于提 取排气或燃料的采样探针或采样管之外的所有部件均可集成于优选便携式 的装置中。其优势在于，仅利用一个装置（如构造成手持式装置）即可根 据本发明所述方法分析气缸压力及排气。由此仅利用一个装置即可实施所 述方法所需的测量，并使后续数据处理一体化且可在装置中进行数据处理。

下文将参照具体实施方案详细说明本发明，但本发明不仅限于该实施 方案。通过权利要求所述的一个或多个特征相互结合并且/或者与下述实施 方案所述的一个或多个特征相结合亦可得出其他实施方案。

附图说明

在附图中：

图1表示高度简化说明根据本发明所述方法的流程图；图2表示高度简化 说明根据本发明所述测量装置的原理图。

图1表示根据本发明所述方法的重要步骤依序的框图说明。

图2表示根据本发明所述测量装置的重要部件的高度简化的原理示意 图，用于解释本发明的内容。

具体实施方式

下面同时对这两个附图进行说明。

在如图1的流程图中可以看出，探测在如图2所示的内燃机3的气缸2 中发生的气缸压力1作为输入变量。

在如2中整体以标号4代表的测量装置测量该气缸压力1的时间曲线5 并将有关时间曲线5的信息馈送至数据处理单元6。

在数据处理单元6中由气缸压力的时间曲线（即与时间有关的曲线） 取得气缸压力的气缸压力曲线，该气缸压力曲线代表气缸压力对曲轴旋转 角的相关性。

为测量气缸压力1，测量装置4具有压力传感器8，该压力传感器8的 信号输出端9连接至数据处理单元6。

数据处理单元6或压力传感器8装配有测时器23（图中未示），利用该 测时器23可探测气缸压力1的时间曲线5。

数据处理单元6中的测时器23在此预先确定时钟脉冲，利用该时钟脉 冲可测定气缸压力的测量值。

为取得所述的气缸压力曲线10，数据处理单元6算出气缸压力时间曲 线5的形状，特别是最大值及最小值的位置和宽度，优选在与内燃机3的 多个工作循环相对应的时间周期内。

数据处理单元6通过与测量装置4其他部件的相互作用由该气缸压力 曲线10确定内燃机3的输出功率11，特别是当前连接至压力传感器8的气 缸2的输出功率。

此外，数据处理单元6还可通过与测量装置4其他部件的相互作用由 气缸压力曲线确定排气质量流量12，该排气质量流量12表明所测气缸2的 排气的质量流量。

测量装置4还具有排气NO_x测量单元13，该排气NO_x测量单元13可 连接至内燃机3，特别连接至即时所测气缸2的排放口接头（图中未示）或 排气装置31，并且其信号输出端14连接至数据处理单元6。

由此，利用探针16将内燃机3的排气15输送至排气NO_x测量单元13， 并且排气NO_x测量单元13测定排气15中的NO_x浓度17。

在另一计算步骤18中，数据处理单元6使输出功率11、排气质量流量 12及NO_x浓度17的可用值相结合，以形成NO_x和/或CO₂的特定和/或绝对 排放值的数值19，优选为NO_x的特定和/或绝对排放值的数值，特别优选为 NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值的数值。

为估算排气测量，应在时间上同步进行气缸压力测量与排气测量。对 此，还可利用测时器23。

为确定排气功率，应考虑气缸2的指示功率，所述指示功率表示内燃 机3中的理论上无损耗的理想状况。为算出实际输出功率11，计算指示功 率与内燃机3的机械效率水平，该机械效率水平表示实际内燃机3中发生 的损耗。预先在工作中或实验台上确定或测定内燃机3的这种机械效率水 平并存储于测量装置3的存储器20中备用。可选地，可通过采用广义相关 系数利用数据处理单元6由基准测定推导出机械效率水平。

由此，在所述是实施方案中，并非在内燃机3的安装状态下的工作位 置进行机械效率水平的测定，而是在安装内燃机3之前或维护内燃机3期 间在特定的试验台上通过本身已知的方法进行机械效率水平的测定。

为确定指示功率，特别在数据处理单元6中，通过算出气缸压力曲线 10以及特别其形状取得气缸2的上换向点。

可利用根据本发明的测量装置4通过不同的方式进行排气质量流量12 的确定。

对此，绘制内燃机3的发动机模型22的计算机程序21存储于数据处 理单元6中。

这种发动机模型22模拟内燃机3的开式热力循环并由此绘出内燃机3 中的气体交换。

发动机模型22还模拟内燃机3的进气系统及排放系统（由排放装置31 表示）。通过这种模拟可确定气缸2中（特别是各燃烧室中）的压力及温度 的时间曲线。

另外，发动机模型22还将通过气缸2的未燃进气的质量流量考虑在内。

测量装置4还具有排气CO₂测量单元24，该排气CO₂测量单元24可 通过本身已知的方式设置用于测定排气15中的CO₂浓度25并且连接至用 于从内燃机3的排气15中提取部分排气的探针16。

测量装置4还具有排气O₂测量单元26，利用该排气O₂测量单元26可 通过本身已知的方法测定排气15中的O₂浓度27。

排气O₂测量单元26还连接至用于提取排气15的探头16。

由此，利用探头16，测量装置4可连接至内燃机3的排放装置31，用 以实施根据本发明的方法。

图2表示排气NO_x测量单元13、排气CO₂测量单元24及排气O₂测量 单元26集成于气体分析器28中，其中测量单元13、24和26的测量信号 通过共同的信号输出端14输送至数据处理单元6。

在另一实施方案中，测量单元13、24和26还可彼此分开构造并连接 至数据处理单元6。并且，所有部件均可整体布置于一个装置中。

在计算步骤29中，数据处理单元6由CO₂浓度25及O₂浓度27的测 量结果利用同样取得的内燃机3或气缸2的燃料消耗量30计算排气质量流 量12。

可在发动机模型22的计算之外或选择进行该步骤。

对此，在计算步骤29中还计算或算出气缸2内燃烧过程中的碳平衡及 氧平衡。

在此，可在共同排放装置（图中未示）的所有气缸2中进行NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值的确定或通过某种其他方式同时或在时间上并列进 行。可选地，完成对一个气缸2的NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值的确 定后，压力传感器8及探针16可连接至内燃机3的下一气缸2，从而再对 新气缸或下一气缸重新实施如图1所示的方法。

对此，压力传感器8在任何情况下均连接至气缸2的各指示活栓，从 而测定该气缸2的气缸压力1的时间曲线5。

可由气缸压力曲线10借助释热率分析确定所述的燃料消耗量30。在另 一实施方案中，还可直接测定燃料消耗量。

如上所述，图2中的内燃机3可以是船舶柴油发动机。在本发明的另 一实施方案中，内燃机3还可构造为其他柴油发动机，例如用于发生器等 或各种交通工具的固定式柴油发动机。然后，内燃机3优选为在某一或每 一气缸2上具有指示活栓的柴油发动机，该指示活栓可用于连接压力传感 器8。

图2中所表示的测量装置4的各部件均集成于便携式测量单元中。

测量装置4还具有显示单元（图中未示），利用该显示单元可显示计算 结果，特别是NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值。

在用于确定内燃机3中的NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值19的测 量装置中，本发明提出检测至少一个气缸2的气缸压力1的时间曲线5并 由此无需直接测定曲轴7的旋转角即可推导出气缸压力曲线10，该气缸压 力曲线10绘出气缸压力1与内燃机3的曲轴7的旋转角之间的关系。本发 明还提出，由该气缸压力曲线10或所有测量的气缸压力曲线10结合CO₂和/或O₂的浓度测定确定输出功率11及排气质量流量12，该输出功率11 及排气质量流量12与所测得的内燃机3的排气15中的浓度NO_x17相结合， 以形成内燃机3的NO_x及CO₂的特定和/或绝对排放值。