Assessment of technological approaches for exhaust mass flow measurement using differential pressure devices

Abstract

Abgasnormen für KFZ-Motoren werden immer strenger. Daher werden genaue Messungen der Abgaswerte und damit auch des Abgas-Massenstroms benötigt. Das Ziel dieser Arbeit war es abzuschätzen, ob es möglich ist, Abgas-Massenfluss mit Differentialdruck-Messgeräten zeitauflösend zu messen. Als Wandler wurden Blenden und Pitot-Rohre in Betracht gezogen.<br />Im Rahmen der Arbeit wurden sowohl theoretische Untersuchungen, als auch experimentelle Tests durchgeführt. Es wurden die Auswirkungen untersucht und anhand eines Beispiels dargelegt, dass viele Messgeräte Volumenfluss und nicht Massenfluss messen. Weiters wurden die notwendigen Spezifikationen für den Temperatursensor und der korrekte Aufbau des Druckmess-Systems untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass im Abgas eine Ansprechzeit des Temperaturfühlers von weniger als 3s in den meisten Fällen ausreichend ist. Im Druckmess-System sollten Verbindungsschläuche möglichst kurz gehalten werden. Des Weiteren wurden die Folgen von pulsierender Strömung auf die Messung mit Blenden und Pitot-Rohren untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Effekte, die durch die lokale Beschleunigung verursacht werden, in beiden Fällen Probleme bereiten. Für Blenden konnten mathematische Ausdrücke gefunden werden, die diese Effekte berücksichtigen sollen. Obwohl sich die verschiedenen Ausdrücke quantitativ stark unterscheiden, zeigen alle die gleiche analytische Abhängigkeit vom Massenstrom. Auf Grund dieser Übereinstimmung konnte ein vernünftiger Ansatz für experimentelle Untersuchungen gemacht werden. Einflüsse von Pulsationen auf den Durchflusskoeffizienten und die Expansionszahl konnten nicht quantifiziert werden und könnten zu Fehlern bei der Messung führen. Für Messungen mit einem Pitot-Rohr wurde ein nicht-konventioneller Messaufbau vorgeschlagen, der eine ungefähre Quantifizierung des Einflusses der lokalen Beschleunigung erlaubt. Gleichzeitig werden damit auch Probleme umgangen, die entstehen, wenn sich die Strömung wegen starker Pulsationen nicht mehr ablöst. Fehler um 1.4% könnten bei Messungen mit Pitot-Rohren durch eine Änderung des Flussprofils bedingt werden. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem Motorprüfstand und im Labor unter Zuhilfenahme eines Pulsationsgenerators durchgeführt. Als Wandler wurde eine Blende verwendet. Die stationäre Kalibrierung konnte durchgeführt werden und zeigte nur eine sehr gering Abhängigkeit vom exakten Messaufbau. Drift, unvollkommene Nullung und Verzerrungen in der Übertragungsfunktion des Druck-Messsystems bereiteten Schwierigkeiten. Letzteres Problem konnte nur durch die Anwendung eines Filters eingedämmt werden. Die Effekte der lokalen Beschleunigung konnten nicht quantifiziert werden und wurden für die folgenden Auswertungen auf fünf verschiedene, vernünftige Werte gesetzt. Große Messfehler (teils größer als 5%) wurden am Motor bei kleinen Drehzahlen unter 1900rpm beobachtet. Diese Fehler konnten nicht zufriedenstellend erklärt werden. Bei Drehzahlen über 1900rpm, hingegen, ist der Messfehler unabhängig von der lokalen Beschleunigung durchwegs kleiner als 2%. Diese kleinen Fehler zeigen, dass die verwendete Messmethode für Abgasmessungen durchaus geeignet sein könnte. Die Analyse der stärker fehlerbehafteten Messungen birgt dagegen wertvolle Verbesserungshinweise für zukünftige Messungen.

Exhaust gas regulation of automotive engines becomes increasingly strict. Hence, precise measurements not only of the pollutant concentration, but also of the mass flow rate are needed. This study's aim was to assess the feasibility of a time resolved exhaust gas mass flow rate measurement using differential pressure devices, namely orifices and Pitot tubes. In the course of the work, theoretical and experimental investigations were performed. In the theoretical study, the implications of devices measuring volume flow and not mass flow were formulated and quantified for one specific measurement device. Two basic problems concerning time resolved measurement were investigated: The required response time of the temperature measurement and the implications of connecting tubes for the pressure measurement. It was found that thermocouples with a response time smaller than 3s are sufficient in most engine applications and that connecting tubes should be kept short. Furthermore, the implications of pulsating flow on measurements using orifices and Pitot tubes were investigated. It could be shown that temporal inertia effects cause problems in both cases. For orifices, temporal inertia values in literature differ greatly, but have the same analytical dependency on the mass flow rate. This conformity allowed to make a reasonable ansatz for the experimental investigation.<br />It could, however, be shown that the contraction coefficient and the expansibility may also depend on pulsations and could possibly lead to measurement errors. For the Pitot tube, a non-conventional measurement setup was proposed, which allows an approximate quantization of the temporal inertia and also eliminates problems arising from the fact that the flow might not separate behind the Pitot tube if the pulsations are strong. Changing flow profiles due to pulsations were identified as another possible source of measurement error for Pitot tubes, but the resulting error was estimated to be smaller than 1.4%. The experimental investigations were performed on an engine in a test bed and in a laboratory setup with an orifice as flow-to-pressure transducer. The stationary calibration worked well and showed little influence on the exact measurement setup. Problems were encountered due to incomplete zeroing of the differential pressure measurement device, its drift and resonances in its transfer function. The latter problem could only be stemmed by applying a low pass filter. Unfortunately, the temporal inertia could not be quantified. To allow an evaluation of the measurement results, it was set to five different, plausible values.<br />High errors (more than 5% in a time average over several seconds) were encountered at low rotational speeds. These could not be explained satisfactorily. Above 1900rpm the errors were smaller than 2%, independently of the temporal inertia. These small errors show that the measurement technique could be be suitable for the measurement of exhaust gas. The analysis of the more erroneous results provides valuable guidelines for future work.