Ultrasonic measurements of exhaust mass flow and temperature with high time resolution. Final report; Abgasmassenstrom- und -temperaturmessung. Zeitlich hochaufloesende Ultraschallmessung des Abgasmassenstromes und der Abgastemperatur. Abschlussbericht

The exhaust flow out of the cylinders of piston engines is a complex gas-dynamic process with constantly changing flow rates, temperatures and pressures in the outlet duct. As yet, there is no technique for direct measurement of these parameters, which are important for further development of the internal combustion engine. The project therefore aimed at the development of a method for measurements of exhaust mass flow and temperature with high time resolution on the baasis of a ultrasonic technique. Test measurements showed good agreement with the values calculated from the fuel/air consumption, and the signals of the ultrasonic measuring length provides easily interpretable signals up to a speed of 6000 l/min. [German] Der Abgasstrom aus den Zylindern von Kolbenmotoren ist ein komplexer gasdynamischer Vorgang, bei dem sich Stroemungsgeschwindigkeit und Temperatur bzw. Druck im Auslasskanal dauernd veraendern. Eine anwendbare Technik zur direkten Messung dieser sehr schnellen und insbesonderen in den Ladungswechseln stark ausgepraegten Stroemungsgeschwindigkeits- und Temperaturveraenderungen gab es bisher nicht. Zahlreiche Entwicklungsarbeiten am Verbrennungsmotor werden entscheidend durch die Kenntnis dieser Messgroessen bestimmt. Ein wesentliches Anwendungsgebiet liegt in der Schadstoffreduzierung am Verbrennungsmotor. Es ist bekannt, dass z.B. beim Ottomotor mit Dreiwegekatalysator Fehlanpassungen aus wenigen Arbeitstakten im Instationaerbereich zu einer mangelhaften Konvertierung der Schadstoffe im Katalysator fuehren. Ebenso liegt ein wichtiges Potential in der Optimierung der Motorstartvorgaenge. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens zur zeitlich hochaufgeloesten Erfassung des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur. Grundlage ist die Ultraschall-Laufzeitmesstechnick, wie sie bereits an der Ansaugseite des Verbrennungsmotors eingesetzt wird. Zur Loesung dieser Zielsetzung mussten folgende Kriterien beruecksichtigt werden: - Eignung fuer Messungen nahe dem Auslass (Kruemmer) und im Auspuff bis zum Endrohr - Dauerfestigkeit unter hoher thermischer Belastung. Die wesentliche Aufgabenstellung lag daher in der Schaffung einer temperaturresistenten Ultraschallsensorik. Die im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte Sensorik und Messstrecke ist ohne Wasserkuehlung fuer Abgastemperaturen bis etwa 400 C, wassergekuehlt bis ca. 600 C einsetzbar. Auf die Erweiterung des Temperaturbereiches Richtung 1000 C wurde zugunsten der Loesung der Turbulenz- und Koerperschallproblematik verzichtet. Die mit dem Verfahren am Pruefstand zeitlich hochaufgeloest gemessenen Massenstroeme stimmten in ihren zeitlichen Mittelwerten gut mit den aus Kraftstoff/Luftverbrauch errechneten Werten ueberein. Es wurde gezeigt, dass die Ultraschallmessstrecke bis zu Drehzahlen von 6000 1/min gut auswertbare Signale liefert. (orig.)