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Die Erfindung betrifft ein Gasregelsystem, bestehend aus zumindest zwei Gasregel- modulen mit je einer Gruppe von ersten Eingängen, einer Gruppe von zweiten Eingängen, einer Gruppe von Ausgängen, und pneumatischen Schaltelementen.
Eine bevorzugte Anwendung derartiger Gasregelmodule sind Anlagen zur pneumati- sche Gasaufbereitung, vorzugsweise in Verbindung mit einer Analyseanlage zur Analyse von
Abgasen einer Brennkraftmaschine, aber auch in der Immissions- oder Medizintechnik.
Die Verbrennung von HC-Verbindungen (Brennstoffen) in der Brennkraftmaschine gemeinsam mit den Luftkomponenten führt einerseits zu Verbrennungsprodukten wie CO,
HxCy, NOx und Russ als in den aktuell gültigen Gesetzen festgelegte, limitierte Komponenten für Motoren und Fahrzeuge und andererseits zu N2, H2O CO2 und O2 als nichtlimitierte Kom- ponenten. Dazu kommen noch Spurenelemente und Verunreinigungen des Kraftstoffes wie beispielsweise Schwefel usw. Die immer strengeren gesetzlichen Umitierungen der Abgas- grenzwerte erfordern immer präzisere Messtechnik. Auch die Weiterentwicklung der Motor- und Antriebstechnik schreitet - u. a. getrieben durch die immer schärferen Abgaslimits - in Technologiebereiche vor, in denen Verbrennungseffekte auftreten, welche bisweilen in Fahr- zeugen vereinzelt nur im Forschungsbereich oder in extremen Applikationen vorgekommen sind. Durch z.B.
Einschichtung des Kraftstoffes, spezielle Einspritztechniken, Abgasnachbe- handlungssysteme usw. kommt es zu einem komplexen Prozess im Brennraum - aber auch in den nachgeschalteten Elementen der Prozesskette - der Abgasnachbehandlung.
Ein grosses Problem ist die Einhaltung der Messgüte besonders im Bereich Entwick- lung und Optimierung von Motoren. Dynamische Effekte wie beispielsweise durch ständige Veränderung des Gashebelstellers oder plötzliche Änderungen mit grosser Amplitude - z.B.
"Dip-In-Vorgänge" - führen gemeinsam mit neuen Motorkonzepten wie Common-Rail- Technik oder Turboladern zu hochdynamischen Vorgängen in der Abgasdynamik. Druckpul- sationen mit 10 bar Spitzenwerten und darüber führen bei modernen Motortypen zu signifi- kanten Fehlinterpretationen und Fehlfunktionen innerhalb bestehender Analysekonzepte.
Dabei sollen auch in immer kürzerer Zeit möglichst viele verschiedene Abgaskomponenten gemessen werden. Derzeit in Verwendung stehende Gasregelsysteme für die pneumatische Aufbereitung bei diesen Messungen sind oftmals zu langsam, ungenau, wenig robust, nicht langzeitstabil und wartungsintensiv. Im Zusammenhang mit den erhöhten Anforderungen sind übliche Verfahren unbefriedigend.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Systeme zur Gasaufbereitung, insbesonders für Messeinrichtungen zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, derart zu verbessern, dass die Leistung der
Messanlage für mehrere Analysatoren, sowie die Regelgüte der pneumatischen Arbeitspunk- te drastisch und auch im Langzeitbetrieb verbessert werden und die dynamischen Einflüsse auf die Messtechnik vermieden bzw. wesentlich verringert werden können. Weiters sollen
Massnahmen getroffen werden welche es erlauben, die Messqualität online zu überprüfen und mögliche Fehleinflüsse zu kompensieren oder aufzuzeigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass von zumindest ei- nem Eingang der ersten Gruppe von Eingängen eine Passage unmittelbar zu zwei Ausgängen führt, wobei einer dieser Ausgänge zu zumindest einem weiteren Gasregelmodul führt. Damit kann ein zu analysierendes Gas, beispielsweise Abgas einer Verbrennungskraftmaschine über gleichartige, einfach und rasch kaskadierbare Module zu mehreren Verbrauchern, hier bei- spielsweise mehreren Analysatoren für Gaskomponenten eines Abgases, geleitet werden.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Gasregelsystem da- durch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ausgang normal auf zumindest einen der übrigen Ausgänge, vorzugsweise normal auf alle übrigen Ausgänge orientiert ist. Durch diese einfa- che geometrische Anordnung können die kaskadierten Gasregelmodule sehr nahe aneinan- der angeordnet werden, so dass das zu regelnde Gas nur kurze Wege durchlaufen muss und die gesamte Anordnung sehr kompakt aufgebaut ist, wodurch auch die Kapselung und ge- meinsame Thermostatisierung wesentlich einfacher durchführbar ist. Die enge Baudichte wird vorzugsweise mit Hilfe eines Stecknippelsystems ausgeführt. Die Stecknippel dienen einerseits der Verbindung der Einheiten untereinander. Durch die gewünschte Formung der Stecknippel, können diese als Steckfitting, Klemmverbindung oder Schraubverbindung ausge- führt werden.
Mit Hilfe dieser Stecknippel werden die einzelnen Blocke zusammengefügt.
Durch diese Anordnung ist keine aufwendige Querverschlauchung notwendig, was die Ferti- gungskosten wesentlich vereinfacht. Durch den kleinen Formfaktor kann die Einheit bei be- stehenden Anlagen auch nachgerüstet werden. Auf Grund der kompakten Modulbauweise ergibt sich gegenüber herkömmlichen Bauformen eine drastische Kostenreduktion für die Fertigung und die Montage der einzelnen Gasregelmodule.
Zum kompakten Aufbau und dennoch optimalen Zugänglichkeit aller vorhanden Kom- ponenten aller Gasregelmodule des Systems trägt auch das weitere Merkmal der Erfindung
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bei, dass nämlich die Eingänge in einer Linie und vorzugsweise mit dem normal auf alle übri- gen Ausgänge orientierten Ausgang fluchtend angeordnet sind.
Ein einfacher Aufbau auf eine ebene Grundplatte ist durch eine vorteilhafte Ausfüh- rungsform möglich, bei welcher die Gasregelmodule parallel zueinander orientiert und auf einer gemeinsamen, vorzugsweise thermostatisierbaren Trägerstruktur allenfalls lösbar an- gebracht sind.
Vorteilhafterweise ist zumindest einem Eingang der ersten Gruppe von Eingängen ein zusätzliches Gasregelmodul vorgeschaltet, welches die Druck- bzw. Durchflussregelung eines der Gase für das gesamte System aller verbundenen Gasregelmodule durchführt.
Zu einer möglichst kompakten Bauweise der einzelnen Module und des gesamten Sy- stems durch möglichst nahe aneinander angeordnete einzelne Gasregelmodule trägt auch das Merkmal bei, dass die Eingänge und Ausgänge im wesentlichen parallel zur Ebene der parallelen Gasregelmodule liegen.
In weiterer Verbesserung des geometrischen Aufbaus für kompakten Aufbau der Mo- dule und des Gesamtsystems ist vorgesehen, dass eine Gruppe von Eingängen jeweils über Anschlussstücke gespeist wird, die senkrecht über die Ebene der parallelen Gasregelmodule hochragen.
Um den Durchfluss für weitere Gase individuell einstellen zu können, ist das Gasregel- system derart ausgestaltet, dass in zumindest einem Gasregelmodul von einem ersten Ein- gang eine Passage mit Absperrventil unmittelbar zu einem ersten Ausgang führt, während zwischen jedem weiteren Eingang und dem ersten Ausgang eine Durchflussregeleinrichtung vorgesehen ist. Weitere Massnahmen dazu sind der Einsatz kleinerer Komponenten, optimier- te Geometrie und optimierte Anordnung der Komponenten. Beispielsweise ist die Speisung der geringste Kalibriergaskonzentration unmittelbar auf dem Basismanifold untergebracht - dadurch ergeben sich für geringste Kalibriergaskonzentrationen optimale Messverhältnisse.
Die Ansprechzeiten (T-90 Zeiten) liegen mit Hilfe dieser Technik unter 100 ms. Ausspülzei- ten, welche durch die T-99 Zeit bewertet wird, liegt unter 300 ms. Die Zeiten können durch elektronische Durchflusssteuerung mit Hilfe der Softwaresteuerung verbessert werden. Durch kleinere Durchmesser ist die Vermischung der Gaskomponenten geringer, was die Ansprech- geschwindigkeit wesentlich erhöht und damit die Messgüte drastisch verbessert.
Mit Hilfe entsprechender Sensoren und schnellen Mikroprozessoren wird die stabile Durchflussregelung realisiert. Die Optimierung der gesamten Regelkette - Ventil, Sensor,
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Pneumatik und Steuerelement ist notwendig, um eine stabile und schnelle Regelung des
Gasflusses zu realisieren. Präzisionsdrucktransmitter in kleinster Bauweise und geringstem
Totvolumen sind notwendig, um schnelle und langzeitstabile Regelgüte zu gewährleisten. Als
Steuerelement werden Mikroprozessoren eingesetzt, die bei Fahrzeugen auch für die zeitkri- tische Funktion von ABS-Systems eingesetzt werden. Diese Familie der Mirkoprozessoren ermöglicht eine entsprechende Performance, um das Regelsystem präzise und stabil zu reali- sieren.
Durch diese Vorteile kann das Modul auch für die schnelle und ultraschnelle Mess- technik eingesetzt werden, worunter eine Messdynamik mit Anstiegszeiten von maximal 1 ms verstanden wird.
Mit Hilfe von Simulationstechniken konnte gezeigt werden, dass für eine bestimmte
Gaskomponente bestimmter Konzentration in einem definierten Trägergas mit gegebener
Kohäsion und Zähigkeit die Flussdynamik in bestimmten Werkstoffen (z.B.: Edelstahl) opti- miert werden kann. Mit empirischen Verfahren und rechnerischer Unterstützung wurden die optimale Wandbeschaffenheit und optimalen geometrische Verhältnisse ermittelt. Nachdem
Adsorbtionseffekte stark parameterempfindlich sind, wurden die Ergebnisse im Versuch veri- fiziert.
Dabei ist für kompakten Aufbau und rasche Ansprechzeiten des Gasregelsystems vor- gesehen, dass alle Eingänge in einen gemeinsamen Kanal zum ersten Ausgang münden, von welchem vorzugsweise auch jeder weitere Ausgang abzweigt.
Wenn gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung der Kanal auf der der Durch- flussregeleinrichtung entgegengesetzten Seite eine definierte Undichtheit aufweist, kann die Messgüte insofern verbessert werden, weil die Spülung der einzelnen Module verbessert und somit die Verschleppung von Gasen zwischen den Modulen innerhalb des erfindungsgemä- #en Gasregelsystems verhindert bzw. zumindest wesentlich verringert werden kann.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand der beigefügten Zeich- nungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Gasregelsystems aus mehre- ren gleichartigen Gasregelmodulen, und Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Gasregelmoduls des erfindungsgemässen Gasregelsystems der Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Gasregelsystem, bestehend aus sechs vorzugsweise gleich aufgebau- ten Gasregelmodulen Gl bis G6, dem über einen Anschluss 1 ein Prüfgas zugeführt wird, bei- spielsweise das zu analysierende Abgas eines Verbrennungsmotors. Dieses Gas gelangt über
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eine Passage im ersten Gasregelmodul Gl und ein darin angeordnetes Absperrventil 2, wel- ches aber für die Durchflussregelung keinerlei Funktion ausübt, sowie eine Blende mit festem
Querschnitt zu einem ersten Ausgang 3, der zum Verbraucher für das Gas, hier einen Analy- sator für das Abgas, führt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung in einer Analyseeinrich- tung, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine auf deren Inhaltsstoffe und Komponenten.
Das erfindungsgemässe
Gasregelsystem aus dem Modulen Gl bis G6 ist hier die zentrale Pneumatik-Schalt- und Re- gel-Einheit dieser Abgasmessanlage. Die Module Gl bis G6 bzw. das aus ihnen zusammenge- setzte System ersetzt und konzentriert alle lokal verwendeten Ventilgruppen. Mit Hilfe dieser zentralen Pneumatik wird die gesamte pneumatische und elektrische Infrastruktur der Analy- seanlage zentralisiert.
Grundsätzlich können mit einem erfindungsgemässen Modul aber auch
Flüssigkeiten dosiert werden: - -
Dabei kann auch in zumindest einem kühlen Messzweig stromaufwärts der Analysen- einheit und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten der Analyseneinheit und/oder ausgangsseitig zumindest einer Analyseneinheit eines der Messzweige eine Filtereinrichtung vorgesehen sein, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial, vorzugsweise ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate, enthält.
Das erste Gasregelmodul Gl des erfindungsgemässen Systems weist von der Passage für das zu analysierende Gas eine Abzweigung zu einem weiteren Ausgang auf, der über eine Verbindungsleitung 4 zu einem zweiten Analysator führen könnte, hier aber zu einem weiteren, vorzugsweise gleichartig aufgebauten Gasregelmodul G2 führt.
In einen zentralen Kanal 8 (siehe Fig. 2) des ersten Gasregelmoduls Gl führen weite- re Eingänge 6, für beispielsweise ein Null-Gas, und Eingänge 7, für Kalibriergase verschiede- ner Konzentration bzw. die Aufschaltung weiterer Gase. Bei Bedarf können die Module durch axiales kaskadieren noch erweitert werden. Auch in den Passagen für diese Gase sind Ab- sperrventile 8 und 9 vorgesehen. Einige dieser weiteren Eingänge, beispielsweise der Ein- gang 6 für das Nullgas, können vorteilhafterweise über eines der Absperrventile 8 mit weite- ren Ausgängen in Verbindung stehen, die über zusätzliche Verbindungsleitungen 11 zum nächstliegenden weiteren Gasregelmodul G2 führen.
Doch auch die Kalibriergase von den Eingängen 7 können, nach Durchgang durch den zentralen Kanal 8 und das Absperrventil 12, zu weiteren Ausgängen, beispielsweise dem Ausgang 12, gelangen. Über den Ausgang 13 können diese Gase beispielsweise zu einer externen Konditionierungs- bzw. Verdünnungsein- richtung (nicht dargestellt) und dann wieder über den Eingang 1 in das Gasregelmodul Gl
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rückgeführt werden. Andererseits können diese Gase von einem Gasregelmodul Gl auch über eine Verbindungsleitung 13 von einem weiteren Ausgang zum jeweils nächstliegenden
Gasregelmodul G2 des Systems geführt werden.
Durch die Speisung der Kalibriergase unmittelbar auf dem erfindungsgemässen Gasre- gelmodul ergeben sich selbst für geringste Kalibriergaskonzentrationen optimale Messver- hältnisse, welche zu sehr kurzen Ansprechzeiten und Ausspülzeiten führen. Die Geometrie ist vorteilhafterweise durch Ergebnisse von Simulationsverfahren optimiert, räumlich konzen- triert und konditioniert gestaltet und es kommen kleinere Komponenten in optimierter Geo- metrie und optimierter Anordnung der Komponenten zum Einsatz.
Zur Durchflussregelung für die weiteren Gase, also beispielsweise das Null- und jedes
Kalibriergas, ist ein Proportionalventil 16 vorgesehen, das-zwischen dem-Ausgang 13 und dem Anschluss 1 für das zu analysierende Abgas angeordnet ist. Dieses Proportionalventil 16 wird über einen Drucksensor 17, vorzugsweise einen Druck-Spannungs-Wandler gesteuert, der den Druck im zentralen Kanal 8 zwischen dem Proportionalventil 16 und dem Ausgang 3 ermittelt. Vorteilhafterweise werden Präzisionsdrucktransmitter in kleinster Bauweise und geringstem Totvolumen eingesetzt, um schnelle und langzeitstabile Regelgüte zu gewährlei- sten. Als Steuerelement werden Mikroprozessoren eingesetzt, die bei Fahrzeugen auch für die zeitkritische Funktion von ABS-Systems eingesetzt werden.
Diese Familie der Mirkopro- zessoren ermöglicht, insbesonders im Zusammenhang mit prädiktiver Regelung, eine ent- sprechende Performance, um das Regelsystem präzise und stabil zu realisieren.
Um die Gasregelmodule Gl bis G6 des Systems sehr nahe aneinander positionieren zu können, werden einige der weiteren Gas-Eingänge 7, hier beispielsweise für die Kalibrier- gase, über Verbindungsstücke 15 an den zentralen Körper 18 der Gasregelmodule angekop- pelt, welche Verbindungsstücke seitlich und parallel neben den Ventilen 10 aus der Ebene der Gasregelmodule Gl bis G6 vorzugsweise senkrecht hochragend angeordnet sind. Damit sind alle diese Eingänge 7 von der selben Seite des Systems zugänglich, und sind somit auch die Anforderungen der billigerer Herstellung, einfacheren Fertigung und wesentlich verbes- serten Zugänglichkeit und Wartbarkeit erfüllt. Einzelne schwenkbare bzw. herausziehbare Gasregelmodule können somit vermieden werden. Durch die Modulbauweise ist die Vorkon- fektion der Baugruppen möglich.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist bei jedem Gasregelmodule Gl bis G6 am dem Pro- portionalventil 16 gegenüberliegenden Ende des jeweiligen Gasregelmoduls, hinter der letz- ten Einmündung eines Anschlusselementes 15 für eines der verwendeten Gase eine Öffnung
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19 des zentralen Kanals 8 mit einer Blende 20 vorgesehen, durch welche eine definierte Un- dichtheit des Gasregelmoduls Gl bis G6 hervorgerufen ist. Der zentrale Bauteil 18 und die daran angebaute Bauteilgruppe mit Drucksensor 17 und Proportionalventil 16 ist zu erken- nen, wobei eine Passage 8a die Gase von den Anschlüssen 6 und 7 durch das Proportional- ventil 16 führt.
Mit empirischen Verfahren und rechnerischer Unterstützung werden die opti- male Wandbeschaffenheit und optimalen geometrische Verhältnisse ermittelt, die für die verwendeten Gaskomponenten bestimmter Konzentration in einem definierten Trägergas mit gegebener Kohäsion und Zähigkeit die Flussdynamik in bestimmten Werkstoffen (z.B.: Edel- stahl) optimiert.
Vorteilhafterweise sind alle verbundenen Gasregelmodule Gl bis G6 und deren Bau- teilgruppen getrennt voneinander steuerbar. Durch Konditionierung jedes Moduls kann das System pneumatisch und elektrisch stabilisiert werden, sodass besonders die Applikation von Super-Ultra-Low-Emission Anwendungen verbessert wird.