AT515726B1 - Vorrichtung zum ortsaufgelösten erfassen und/oder extrahieren von zumindest einer gaskomponente in einem strömenden gas - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum ortsaufgelösten Erfassen und/oder Extrahieren von zumindest einer Gaskomponente in einem strömenden Gas, mit zumindest einer Sonde (6), die zumindest eine Eintrittsöffnung (9) für eine Gasentnahme aufweist. Um eine ortsaufgelöste Messung oder Entnahme von Komponenten in einem strömenden Gasgemisch mit möglichst geringer Beeinflussung der Gasströmung (7) zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zumindest eine Sonde (6) in einem Führungskanal (5), der in einem das strömende Gas umgebenden Flanschteil (2) angeordnet ist, in Richtung entlang ihrer Sondenlängsachse (6a) verschiebbar gelagert ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum ortsaufgelösten Erfassen und/oder Extrahieren von zumindest einer Gaskomponente in einem strömenden Gas, mit zumindest einer Sonde, die zumindest eine Eintrittsöffnung für eine Gasentnahme aufweist, wobei zumindest eine Sonde in einem Führungskanal, der in einem das strömende Gas umgebenden Flanschteil angeordnet ist, in Richtung entlang ihrer Sondenlängsachse verschiebbar gelagert ist, wobei die im Führungskanal gelagerte Sonde quer zu einer Hauptströmungsrichtung des Gases verschiebbar ist.

[0002] Um eine Messung der Abgaskomponenten bei einer Brennkraftmaschine durchführen zu können ist es häufig notwendig, den Auslasskegel des Katalysators zu entfernen und mittels eines Verstellmechanismus eine zweidimensionale Rasterung vorzunehmen. Dabei ändern sich aber die Druck- und Strömungsverhältnisse am Katalysator was zu einer Beeinflussung der lokalen Abgaszusammensetzung führen kann.

[0003] Die Druckschriften WO 2014/066214 A1, US 5,440,217 A1 und US 2011/0 113 899 A1 offenbaren Messsonden für das Messen in einem Strom von Gas bzw. Flüssigkeit, wobei die Messsonden zur ortsunabhängigen Messung beweglich, verstellbar bzw. verschiebbar angeordnet sind.

[0004] Die DE 10 2010 046 851 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen von Komponenten eines strömenden Gasgemisches, insbesondere des Stickoxidgehaltes in einem Abgasstrom, umfassend einen Sensor, der in einem Hohlkörper angeordnet ist, wobei der Hohlkörper im Abgasstrom angeordnet ist und wenigstens eine Eintrittsöffnung zum Zuführen zumindest eines Teils des Gasstroms in seinen Innenraum sowie wenigstens eine Austrittsöffnung zum Abführen des eingetretenen Gasstroms aus seinem Innenraum aufweist, wobei beim Hindurchströmen durch den Innenraum der Gasstrom den Sensor passiert.

[0005] Die US 4,113,434 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Sammeln von mehreren Gasphasen. Dabei werden in einen in einzelne rotationssymmetrisch angeordnete Teilkammern unterteilten Hohlraum mehrere Gasphasen eingeleitet. In den Hohlraum mündet eine um ihre Achse drehbare Sonde ein, wobei die Eintrittsöffnung der gebogenen Sonde außerhalb der Drehachse im Bereich einer Teilkammer angeordnet ist. Durch Drehen der Sonde kann die Eintrittsöffnung verschiedenen Teilräumen zugewandt werden und somit Gasproben der verschiedenen Gasphasen entnommen werden.

[0006] Die WO 98/10266 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Entnehmen von Kohlenstaubpartikel aus einem Förderrohr, wobei die Vorrichtung ein Sammelrohr und mehrere unterschiedlich lange Entnahmerohre aufweist, wobei die Entnahmerohre drehbar am Ende des Sammelrohres gelagert sind. Sammelrohr und Entnahmerohre können radial in das Förderrohr ein- und ausgefahren werden.

[0007] Nachteilig ist, dass die meisten bekannten Vorrichtungen keine ortsaufgelöste Messung zulassen und/oder die Gasströmung stark beeinflussen.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine ortsaufgelöste Messung und/oder Entnahme von Komponenten in einem strömenden Gasgemisch mit möglichst geringer Beeinflussung der Gasströmung zu ermöglichen.

[0009] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Führungskanal in zumindest einem im Flanschteil oder dem Lagerelement angeordneten Kugelgelenk und/oder in zumindest einem im Flanschteil oder dem Lagerelement angeordneten Elastomerelement ausgeführt ist, so dass die im Führungskanal verschiebbar angeordnete Sonde in drei Raumrichtungen verstellbar ist. Dies ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität.

[0010] Im Fall des Kugelgelenks verläuft beispielsweise der Führungskanal in einem kugelähnlichen Gelenkskopf, der in einer Kugelpfanne aufgenommen ist, die im Flanschteil oder dem Lagerelement ausgeführt ist. Dadurch ist es möglich, die Entnahmeöffnung der Sonde in weiteren Raumrichtungen - also in Richtung der Sondenachse und in zwei Dimensionen quer zur Sondenachse - zu verändern. Ein ein Elastomerelement aufweisendes Lagerelement hat den Vorteil, dass auf einfache Weise einerseits eine hohe Flexibilität und andererseits eine zuverlässige Abdichtung gegen Gasdurchtritt erreicht werden kann. Dazu ist ein temperaturstabiles Elastomer zu verwenden, beispielsweise kann das Elastomerelement auch mit Teflon beschichtet oder als Teflonring ausgeführt sein.

[0011] Durch Einschieben oder Herausziehen der Sonde in den bzw. aus dem Messflansch kann die zumindest eine Eintrittsöffnung in das strömende Gas gebracht werden und es können unterschiedliche Entnahmepositionen in der Gasströmung angefahren werden. Günstigerweise sind mehrere, vorzugsweise zumindest drei axial verschiebbare Sonden im Flanschteil angeordnet, um eine besonders hohe Messauflösung zu erzielen. Mittels dem Flanschteil, beispielsweise mit einer Öffnung mit kreisrundem, ovalem oder mehreckigem Querschnitt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in bestehende Systeme, zum Beispiel Abgassysteme von Verbrennungskraftmaschinen, einbringbar, ohne dass an diesem System große Änderungen notwendig sind. Der Flanschteil wird dabei in bekannterWeise durch Anschrauben, Annieten oder ähnliche Verbindungsmethoden im Abgassystem angeordnet.

[0012] Die zumindest eine im Führungskanal gelagerte Sonde ist bevorzugt normal zu einer Hauptströmungsrichtung des Gases verschiebbar. Dadurch lässt sich eine günstige Ortsauflösung der Messungen erzielen. Im Fall eines runden oder ovalen Flanschteilquerschnitts kann zumindest eine Sonde radial in den Flanschteil einmünden. Im Vergleich zu bekannten Verfahren mit ortsveränderlicher Sonde hat die erfindungsgemäße Anordnung damit den Vorteil, dass nicht nur kreisförmige, sondern auch ovale, elliptische, viereckige Querschnitte oder dergleichen mit guter Auflösung vermessen werden können.

[0013] Um eine ortsaufgelöste Messung auf möglichst einfache Weise durchzuführen ist es vorteilhaft, wenn die Sonden zumindest teilweise unabhängig voneinander verschiebbar sind und/oder zumindest zwei Sonden unabhängig voneinander verschiebbar ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine einfache Verstellung der Sonden.

[0014] Die Messung über mehrere Sonden findet bevorzugt in zumindest einer definierten Entnahmeebene quer zur Hauptströmungsrichtung statt. Um die Messung in einer definierten Entnahmeebene durchzuführen, ist es vorteilhaft, wenn die Sondenlängsachsen von zumindest zwei Sonden parallel zueinander angeordnet sind und eine Entnahmeebene aufspannen, welche vorzugsweise normal zur Hauptströmungsrichtung des Gases ausgebildet ist.

[0015] In einer einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Führungskanal entsprechend der Ausführung des verwendeten Sondenquerschnitts beispielsweise kreisrund (möglich aber auch z.B. oval, vieleckig, ...) ausgebildet ist. Die Entnahmeöffnung der im Führungskanal verschiebbar gelagerten Sonde lässt sich somit nur in einer Raumrichtung durch axiales Verschieben der Sonde bewegen. Eine Veränderung der Entnahmeöffnung in zwei Dimensionen - also in axialer Richtung der Sondenlängsachse und in einer Richtung quer zur Sondenlängsachse - kann erreicht werden, wenn der Querschnitt von zumindest einem Führungskanal als Langloch ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Längsachse des Langlochs in einer Richtung normal zur Sondenlängsachse der in dem Führungskanal angeordneten Sonde verläuft. Die Sonde kann somit - bezogen auf die Längsachse der Sonde - sowohl in axialer Richtung, als auch quer zur Längsachse im Langloch bewegt werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Langloch durch geeignet Abdichtungen gegen Gasdurchtritt abgedichtet ist.

[0016] In einer Variante der Erfindung ist zumindest eine Sonde mittels einer - vorzugsweise zumindest einen Stellmotor aufweisenden - Verstelleinrichtung verschiebbar.

[0017] In einer weiteren Variante der Erfindung ist zumindest eine Sonde zusätzlich in einer Richtung normal zu ihrer Sondenlängsachse verschiebbar und/oder um zumindest eine im Führungskanal angeordnete und normal zur Sondenlängsachse verlaufenden Sondendrehachse verdrehbar. Die Sondendrehachse kann dabei parallel, normal oder auch geneigt zu einer

Hauptströmungsrichtung des Gases verlaufen, wobei auch mehrere Drehachsen umgesetzt sein können.

[0018] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen.

[0019] Es zeigen [0020] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht in einer Stellung der Sonden, [0021] Fig. 2 diese Vorrichtung in einer Schrägansicht in einer anderen Stellung der Sonden, [0022] Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, [0023] Fig. 4 die Vorrichtung aus den Fig. 1 und Fig. 2 in einer Draufsicht in einer weiteren

Stellung der Sonden, [0024] Fig. 5 diese Vorrichtung in einer Draufsicht in einerweiteren Stellung der Sonden, [0025] Fig. 6 die Vorrichtung in einem Schnitt gemäß der Linie VI - VI in Fig. 5, [0026] Fig. 7 die Vorrichtung in einem Schnitt gemäß der Linie VII - VII in Fig. 5, [0027] Fig. 8 die Vorrichtung in einer anderen Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 7, [0028] Fig. 9 die Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsvariante in einem Schnitt analog zu Fig. 7 und [0029] Fig. 10 einen die Vorrichtung enthaltenden Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.

[0030] Die Vorrichtung 1 zum Erfassen und/oder Extrahieren von Komponenten in einem strömenden Gas weist einen Flanschteil 2 mit einem Gehäuse 3 und einem Lagerelement 4 auf, wobei das Lagerelement 4 fest mit dem Gehäuse 3 des Flanschteils 2 verbunden, beispielsweise verschraubt oder angeschweißt ist. Die Vorrichtung 1 ist kann mittels dem Flanschteil 2 beispielsweise in bestehende Abgassysteme eingebaut werden, beispielsweise in einen Abgasstrang 10 (siehe Fig. 10). Die Montage ist einfach möglich, es sind kaum Eingriffe an bestehenden Systemen notwendig und die Strömungsverhältnisse im Abgassystem werden nicht verändert.

[0031] In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispielen weist das Lagerelement 4 Lagerungen mit drei Führungskanäle 5 zur Aufnahme von jeweils einer Sonde 6 zur Abgasentnahme auf. Die Sonden 6 weisen eine oder mehrere Entnahmeöffnungen 9 auf, über die Gaskomponenten aus einem Gasstrom entnommen werden. Zusätzlich zu den bzw. anstatt der Entnahmeöffnungen 9 können auch Messköpfe vorgesehen sein, die direkte Messungen am Gasstrom vornehmen. In den Figuren dargestellte Entnahmeöffnungen 9 können also ohne Einschränkung der erfinderischen Funktion jeweils durch derartige Messköpfe ersetzt werden. Jede Sonde 6 ist im zugeordneten Führungskanal 5 verschiebbar gelagert und über eine in Fig. 10 schematisch dargestellte entsprechende Verstelleinrichtung 14, zum Beispiel einen Stellmotor bekannter Art, zumindest in Richtung entlang der Sondenachse 6a und quer zur Hauptströmungsachse 7a einer Gasströmung - zum Beispiel eines Abgassystems - verschiebbar. Die Vorrichtung 1 ist mit einem Mess- bzw. Auswertegerät 13 bekannter Art verbindbar, dem die entnommenen Gase bzw. Gaskomponenten zugeführt werden.

[0032] Die Hauptströmungsrichtung der Gasströmung ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet. Zumindest zwei parallele Sonden 6 spannen eine Entnahmeebene 8 auf, welche im Wesentlichen normal zur Hauptströmung 7 ausgebildet ist. Die Sonden 6 können entweder unabhängig (siehe Fig. 4) oder gleichzeitig (siehe Fig. 1 und Fig. 2) innerhalb der Entnahmeebene 8 in das Innere des Flanschteils 2 hineingeschoben oder herausgezogen werden. Es kann sowohl eine einzelne Sonde 6, als auch eine Vielzahl von Sonden 6 verwendet werden.

[0033] Im in den Fig. 1 bis Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispielen sind jeweils drei verschiebbare Sonden 6 vorgesehen, welche in der Entnahmeebene 8 verschiebbar angeordnet sind. Die mittlere der drei Sonden 6 mündet in den dargestellten Ausführungsbeispielen radial in den in dieser Ausführung einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Flanschteil 2 ein. „Radial“ bedeutet hier, dass die Sonde 6 in Richtung des bzw. durch den Mittelpunkt des kreisrunden Querschnitts des Flanschteils verschiebbar ist. An Stelle des kreisrunden Querschnittes sind aber auch ovale, elliptische, quadratische, recht- oder vieleckige Querschnitte des Flanschteils 2 möglich.

[0034] Durch die Bewegung der Sonden 6 entlang der Sondenachsen 6a können die Entnahmeöffnungen 9 der Sonden 6 und somit die Orte der Entnahme bzw. die Messorte verändert werden.

[0035] Fig. 1 zeigt die Sonden 6, deren Entnahmeöffnungen 9 jeweils an deren Stirnseite angeordnet sind, in einer maximal in den Strömungsweg eingefahrenen Stellung. In Fig. 2 und Fig. 5 sind die Sonden 6 dagegen nur minimal in den Strömungsweg eingefahren.

[0036] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Sonde 6 mehrere beispielsweise schlitzförmige Entnahmeöffnungen 9 auf, wobei die Entnahmeöffnungen 9 im Mantelbereich der Sonden 6 angeordnet sind.

[0037] Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführung weisen die Führungskanäle 5 kreisrunde Querschnitte 5a auf, die Sonden 6 sind somit nur in einer Richtung x, und zwar entlang der Sondenlängsachsen 6a, bewegbar. Selbstverständlich sind auch andere, beliebige Führungskanal- und Sondenquerschnitte möglich.

[0038] Eine Verstellung in zwei Richtungen (Dimensionen) lässt sich erreichen, wenn die Querschnitte 5a der Führungskanäle 5 durch Langlöcher 11 gebildet sind, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Die Längsachse 11a der Langlöcher 11 verläuft in einer Richtung normal zur Sondenlängsachse 6a in der Entnahmeebene 8. Dadurch können die Sonden 6 nicht nur in Richtung der Sondenlängsachsen 6a verschoben, sondern auch in Richtung der Längsachsen 11a der Langlöcher 11 verschoben und/oder um eine normal zur Sondenlängsachse 6a verlaufenden Sondenschwenkachse 6b verdreht werden.

[0039] Ein weiterer Freiheitsgrad kann erreicht werden, wenn das Lagerelement 4 zumindest ein Kugelgelenk 12 aufweist und der Führungskanal 5 in dem Kugelgelenk 12 angeordnet ist (siehe Fig. 9). Der Führungskanal 5 verläuft dabei jeweils in einem kugelähnlichen Gelenkkopf, während die aufnehmende Kugelpfanne im Flanschteil 2 oder dem Lagerelement 4 ausgeführt ist. Alternativ dazu kann das Lagerelement 4 auch zumindest ein Elastomerelement aufweisen, in welchem zumindest ein Führungskanal 5 angeordnet ist. Somit kann eine Verstellung der Eintrittsöffnung 9 der im Führungskanal 5 verschiebbar gelagerten Sonde 6 in drei Raumrichtungen erfolgen.

[0040] Je nach Anforderung können verschiedene Entnahme bzw. Messpunkte stufenlos angefahren werden und - entsprechend der Anforderung ortsaufgelöste Daten gemessen werden und/oder zu messendes Material ortsaufgelöst extrahiert werden.

[0041] Bei der Verwendung mehrerer Sonden 6 kann der Abstand zwischen den Entnahmeöffnungen 9 ebenfalls variiert werden. In diesem Fall ist neben einer synchronen Messung aller Sonden 6 auch eine individuelle Abstimmung der Sonden 6 möglich. Die Sonden 6 selbst können auch mit (nicht dargestellten) mehreren Sensorköpfen bzw. Entnahmeköpfen ausgestaltet sein, wobei die Entnahmepunkte bzw. Messpunkte jeweils getrennt verarbeitet werden müssen, um eine Ortsauflösung sicher zu stellen.

[0042] Im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen können mit der beschriebenen Vorrichtung 1 aufgrund der Bewegungsmöglichkeit der Sonden 6 nicht nur kreisrunde, sondern auch ovale und eckige Strömungsquerschnitten mit einer guten Auflösung vermessen werden.

[0043] Fig. 10 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei der Flanschteil 2 in einem Abgasstrang 10 einer Brennkraftmaschine zwischen einem Katalysator 11 und einem Austrittskonus 12 angeordnet ist.

[0044] Die beschriebene Anordnung erlaubt eine besonders minimalinvasive Gasentnahme bzw. Gasmessung. Die Gasentnahme bzw. -messung wird also mit kleinstmöglichem Aufwand bzw. kleinstmöglicher Beeinflussung der Gasströmung durchgeführt. Kein Bestandteil der Vorrichtung 1 ist dauerhaft in der Strömung 7 angeordnet, daher werden die Strömungsverhältnisse der Gasströmung 7 nicht dauerhaft beeinflusst. Darüber hinaus kann eine Messung bzw. eine Gasentnahme an einem bestehenden Prüfstand vorgenommen werden, ohne dass dieser umgebaut oder nachgerüstet werden muss. Eine Öffnung des Strömungsquerschnittes und ein damit verbundenes „Hinausblasen“ in die freie Umgebung (mit allen nötigen Umbauten des Prüfstandes) ist mit der beschriebenen Vorrichtung 1 ebenfalls nicht nötig. Ein "Hinausblasen" in die freie Umgebung hätte die nachteilige Folge, dass wichtige Faktoren, wie beispielsweise der Staudruck, in der Messung nicht mitberücksichtigt werden würde.

Claims (8)

1. Patentansprüche

   1. Vorrichtung (1) zum ortsaufgelösten Erfassen und/oder Extrahieren von zumindest einer Gaskomponente in einem strömenden Gas, mit zumindest einer Sonde (6), die zumindest eine Eintrittsöffnung (9) für eine Gasentnahme aufweist, wobei zumindest eine Sonde (6) in einem Führungskanal (5), der in einem das strömende Gas umgebenden Flanschteil (2) angeordnet ist, in Richtung entlang ihrer Sondenlängsachse (6a) verschiebbar gelagert ist, wobei die im Führungskanal (5) gelagerte Sonde (6) quer zu einer Hauptströmungsrichtung (7) des Gases verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Führungskanal (5) in zumindest einem im Flanschteil (2) oder dem Lagerelement (4) angeordneten Kugelgelenk (12) und/oder in zumindest einem im Flanschteil (2) oder dem Lagerelement (4) angeordneten Elastomerelement ausgeführt ist, so dass die im Führungskanal (5) verschiebbar angeordnete Sonde (6) in drei Raumrichtungen verstellbar ist.
2. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Führungskanal (5) gelagerte Sonde (6) normal zu einer Hauptströmungsrichtung (7) des Gases verschiebbar ist.
3. 3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenlängsachsen (6a) von zumindest zwei Sonden (6) parallel zueinander angeordnet sind und eine Entnahmeebene (8) aufspannen, welche vorzugsweise normal zur Hauptströmungsrichtung (7) des Gases ausgebildet ist.
4. 4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonden (6) zumindest teilweise unabhängig voneinander verschiebbar sind und/oder dass zumindest zwei Sonden (6) gleichzeitig verschiebbar ausgebildet sind.
5. 5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt (5a) von zumindest einem Führungskanal (5) als Langloch (11) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Längsachse (11a) des Langlochs (11) in einer Richtung normal zur Sondenlängsachse (6a) der in dem Führungskanal (5) angeordneten Sonde (6) verläuft.
6. 6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Führungskanal (5) in einem mit dem Flanschteil (2) verbundenen Lagerelement (4) angeordnet ist.
7. 7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sonde (6) mittels einer - vorzugsweise zumindest einen Stellmotor aufweisenden - Verstelleinrichtung verschiebbar ist.
8. 8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Sonde (6) zusätzlich in einer Richtung normal zu ihrer Sondenlängsachse (6a) verschiebbar und/oder um zumindest eine im Führungskanal (5) angeordnete und normal zur Sondenlängsachse (6a) verlaufende Sondenschwenkachse (6b) verdrehbar ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen