CZ21385U1 - Mobilní zařízení pro odběr spalin z dopravních prostředků - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řeSení se týká mobilního vzorkovacího zařízení spadajícího do oboru měření emisí škodlivin, konkrétně do oblasti měření koncentrací Škodlivin proudících v potrubí v podobě hete5 rogenních směsí typu aerosol.

Dosavadní stav techniky

Jedná se o směsi vzdušiny a pevných ěi kapalných částiěek. V těchto případech se k měření používá vzorkovací zařízení s tzv. izokinetickým odběrem vzorku aerosolu. Takovýto princip vzorkování je popsán např. v technické normě ISO 9096 na měření koncentrace prachu ve vzdušině ío nebo v normě EN 1911 pro měření koncentrace chloridů v aerosolu. Jmenované normy řeší vzorkování pro stacionární zdroje emisí typu kotlů, spaloven a pod.

Vzorkovací zařízení odebírá vzorek aerosolu z potrubí tím způsobem, že trubková sonda zahnutá do tvaru L se kruhovým ústím natočí kolmo ke směru proudění vzdušiny. Do sondy se nasává dílčí vzorek znečištěné vzdušiny. Objem odsátého vzorku je měřen. Specialitou izokinetického vzorkování je to, že odsávání vzduSiny je vedeno právě takovou intenzitou, že v ústí sondy se dosahuje stejné rychlosti vzdušiny jako má vzdušina v okolí ústí sondy a tím odsávání nenarušuje proudění aerosolu v okolí ústí sondy. Do sondy pak vstupuje po nezměněných trajektoriích reprezentativní vzorek aerosolu a ten pak prochází dalšími částmi vzorkovacího zařízení, kde se jednotlivé Škodliviny obsažené v aerosolu jímají do různých typů zachycovačů. Po skončení vzorkování se zachycovače vyjmou a v laboratoři se v nich příslušnými analytickými metodami qistí hmotnost zachycených škodlivin. Podíl hmotnosti škodliviny a objemu odsátého vzorku vzdušiny je hledaná koncentrace Škodliviny ve vzdušině.

Ve zmiňované normě EN 1911 se chloridy v tuhých či kapalných částicích zachycují na filtrech a plynné chloridy se shromaždují v absorpčním roztoku. Obecně lze tento způsob zachycování použít i na další škodliviny a podle jejich charakteru lze jejich plynnou složku jímat i jiným způsobem. Např. sorpcí na aktivní uhlí.

Současné konstrukce vzorkovacího zařízení s izokinetickým odběrem vzorku aerosolu uskutečňovaným podle obecně používaného způsobu popsaném např. EN 1911-1 vykazují v podmínkách rychle se měnícího průtoku aerosolu poměrně velké odchylky od ideálního izokinetického vzor30 kování. Při aplikaci tohoto způsobu vzorkování do ještě složitějších podmínek proudění se nedostatky zvýrazňují. Příkladem může být například vzorkování aerosolu ve výfucích spalovacích motorů automobilů při reálných podmínkách provozu. Zde se průtok spalin mění podle aktuální spotřeby paliva ve velmi Širokém rozsahu a splnění izokinetické podmínky pro odsávání vzorku spalin se nedaří splňovat dostatečně rychle v každém okamžiku jízdy automobilu.

Ze spisu DD 0152997 je známa lambda sonda k měření obsahu kyslíku ve výfukových plynech ze spalovacích motorů.

Ze spisu AT 006 511 U2 je znám senzor pro uložení do proudu výfukových plynů vybavený elektronikou na vstupu a na výstupu. Tento senzor má lepší tepelnou odolnost a spolehlivost při zachování přesného měření. Nicméně týká se stacionárních zařízení.

Ze spisu DE 10 2007 029 945 Al je znám způsob ke zlepšení měření lambda sondou, které umožňuje měření na jednotlivých válcích motoru. I to se týká stacionárních zařízení.

Spis DE 3414542 C2 popisuje zařízení k měření podílu Částic sazí ve výfukových plynech naftových motorů. I ten se však provádí ve stacionárních zařízeních.

V evropské patentové přihlášce EP 94926506.0 je zmiňován systém měření chemické koncentra45 ce víceválcových spalovacích motorů. I tento systém je určen pro stacionární zařízení.

-1CZ 21385 Ul

Cílem technického řešení je představit zařízení pro odběr spalin z dopravních prostředků, které by bylo umístěno na mobilním zařízení a umožňovalo by měření v reálném provozu vozidla.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky odstraňuje do značné míry mobilní zařízení pro odběr spalin z doprav5 nich prostředků, jehož podstata spočívá v tom, že na přívěsu je uspořádána ohebná hadice pro nasazení na výfuk měřeného vozidla, která je zaústěna do měřicího nástavce, který je směrem k zádi přívěsu opatřen otvorem, přičemž v měřicím nástavci je uspořádána Prandtlova sonda a do měřicího nástavce je zaústěno potrubí na jehož počátku je uspořádána sonda pro nasávání reprezentativního vzorku spalin do potrubí hlavního proudu, na jehož konci je uspořádána vývěva opatřená otvorem pro odchod vzorku vzdušiny do ovzduší, přičemž za sondou je umístěn filtr a za ním je umístěn průtokoměr pro měření objemu hlavního proudu, přičemž za průtokoměrem je dělicí T-kus a odbočná větev je vytvořená jako potrubí pro dílčí proud vzorku, kde potrubí je zaústěno do kanystru a z kanystru je vyvedena sací trubka na jejímž konci je uspořádána druhá vývěva pro vytvoření vakua v kanystru, přičemž v kanystru je uspořádán tedlarový vak pro jímá15 ní veškerého objemu odsátého dílčího proudu, na potrubí jsou uspořádány absorbéry uložené v chladicím boxu a průtokoměr, přičemž na přívěsu je ještě uspořádána měřicí ústředna pro regulaci průtoku spojená s vývěvami a frekvenčním měničem, přičemž na přívěsu je benzínová elektrocentrála jako zdroj elektrické energie.

Ve výhodném provedení je přívěs opatřen pod podlahou betonovými deskami pro úpravu hmot20 nosti.

V jiném výhodném provedení jsou přívodní ohebná hadice, měřicí nástavec a potrubí hlavního proudu po rozdělovači T-kus včetně filtru opatřeny elektrickým topením pro zabránění kondenzace vodní páry.

V dalším výhodném provedení je celý měřicí nástavec uspořádán na stojanu.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí výkresů, na kterých obr. 1 představuje schéma izokonetického odběru polyaromatických uhlovodíků (PAH) v tuhé a plynné fúzi a obr. 2 představuje mobilní zařízení podle technického řešení v pohledu shora a zprava ve smyslu směru jízdy a obr. 3 představuje mobilní zařízení z obr. 2 v pohledu shora a zleva.

Přiklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je schéma izokonetického odběru polyaromatických uhlovodíků (PAH) v tuhé a plynné fázi. V zásadě je třeba z nástavce 3 výfukového potrubí izokineticky odebrat vývěvou £ vzorek spalin. Tento vzorek tvoří tzv. hlavní proud a musí se z něho na filtru 11 zachytit veškerý prach včetně emisí PAH v tuhé fázi. Rychlost spalin je v měřicím nástavci měřena Prandtlovou sondou

6. Z měřicího nástavce je odsáván reprezentativní vzorek spalin sondou 7 do potrubí § hlavního proudu. Objem hlavního proudu je měřen průtokoměrem 12. Pro analýzu plynných emisí PAH se z hlavního proudu odděluje pomocí vývěvy 9 tzv. dílčí proud odváděný z odbočky ve formě Tkusu J3. Vzorek spalin dílčího proudu se shromažďuje ve vaku 24, který se řízeně nafukuje díky vakuování nádoby tedy kanistru 16, ve které je vak 24 vložen. Protože ve vzorku spalin ve vaku nesmí kondenzovat vodní páry, musí se vlhkost ze spalin odstranit v předřazeném chladiči resp. chladicím boxu 17. Za ním je další průtokoměr 18.

Pro regulaci poměrů odsávání vzorku spalin je podstatné, že průtok hlavního proudu je z důvodu průběžného zachovávání izokinetické podmínky odběru proměnlivý a je v relaci se spáleným množstvím paliva. Proměnlivý přitom musí být i průtok dílčího proudu. Pro dodržení podmínky izokinetického odběru je nutné dodržet stejnou průtokovou rychlost spalin v hlavním proudu, jako je průtoková rychlost ve výfukovém potrubí. Podmínka izokinetiky není nezbytně nutná pro

-2CZ 21385 Ul reprezentativní vzorkování plynné fáze. Pro tuto fázi je však nutné z důvodu reprezentativního odběru vzorku spalin udržovat neustále poměr průtoku ve všech dělicích uzlech odběrového potrubí na konstantní hodnotě ve značně velkém rozsahu průtokových rychlostí.

Na obr. 2 je mobilní zařízení podle technického řešení v pohledu shora a zprava ve smyslu směru jízdy. Je vidět, že přívěs I s měřicí aparaturou je tažen proměřovaným vozidlem. Spaliny jsou do přívěsu svedeny z výfuku měřeného vozidla ohebnou hadicí 2 a vstupují do měřicího nástavce 3, který je tvořen ocelovou trubkou. Spaliny z měřicího nástavce 3 vystupují do ovzduší otvorem 4. Celý měřicí nástavec 3 je nesen stojanem 5. Rychlost spalin je v měřicím nástavci měřena Prandtlovou sondou 6. Z měřicího nástavce 2 je odsáván reprezentativní vzorek spalin sondou 7 ío do potrubí £ hlavního proudu pomocí vývěvy 9. Z ní pak vystupuje vzorek vzdušiny do ovzduší otvorem 1£). Za sondou 2 je umístěn filtr 1_T V něm se zachycují tuhé částice z hlavního proudu. Objem hlavního proudu je měřen průtokoměrem 12. V dělicím T-kusu 12 je odvětven do potrubí 14 dílčí proud vzorku. Jeho odsávání zabezpečuje druhá vývěva 15 tím, že vakuuje kanystr 16. V něm se pak nafukuje tedlarový vak 24, ve kterém je jímán veškerý objem odsátého dílčího proudu. Z kanystru 16 je vyvedena sací trubka 23 na jejímž konci je uspořádána druhá vývěva 15. Vzorek spalin z tedlarového vaku 24 je později v laboratoři analyzován. Vzorek dílčího proudu prochází i absorbéry, které jsou uloženy v chladicím boxu 17. Objem dílčího proudu je měřen průtokoměrem 1£. Regulace průtoku je řízena měřicí ústřednou 19. Ta ovládá výkon vývěvy 9 pomocí frekvenčního měniče 20 a dále reguluje i druhou vývěvu 15 dílčího proudu.

Zdrojem elektrické energie je benzinová elektrocentrála 21. Hmotnost přívěsu lze měnit pomocí betonových desek 22 vkládaných pod podlahu přívěsu. Přívodní ohebná hadice 2, měřicí nástavec 3 a potrubí hlavního proudu po rozdělovači T-kus 13 včetně filtru 11 je vyhříváno elektrickým topením tak, aby v něm nedocházelo ke kondenzaci vodní páry.

Na obr. 3 je pohled zezadu na přívěs v pohledu shora a zleva a je dobře vidět ohebnou hadici 2, měřicí nástavec 3, stojan 5, filtr H, druhá vývěva 15 a některé další části z levé strany přívěsu 1K nastavení podmínek průtoku spalin pomocí regulovatelných vývěv 15 a 9 se měří rychlost spalin v potrubí Prandtlovou sondou 6. V hlavním proudu a dílčím proudu se pak měří turbínkovými průtokoměry. Přitom průtokoměr v hlavním proudu musí odolávat vysoké teplotě (cca 150 °C). Ještě se zvažuje možnost měřit průtok v dílčím proudu pomocí hmotnostního průtoko30 měru. Teplota vzorku do 50 °C by zde umožňovala použití hmotnostního průtokoměru. Jeho předností je velký měřicí rozsah.

Analytickými metodami se zjistí dílčí koncentrace PAH ve filtru jako podíl jejich obsahu v navážce prachu ku proteklému množství spalin v hlavní větvi. Podobně se určí dílčí koncentrace PAH v zachyceném kondenzátu v chladiči dílčí větve. Poslední podíl PAH je obsažen ve vzorku spalin z vaku 24. Ten se pak analyzuje v laboratoři.

Průzkum trhu v oboru měření emisí ukázal, že pro zjišťování emisí PAH v podmínkách reálného provozu motorových vozidel se aparatura v odpovídající kvalitě komerčně nedodává. Stávající aparatury jsou totiž určeny pro klasické průmyslové zdroje emisí. Jejich použití pro měření emisí PAH za motorovými vozidly by bylo hodně problematické především pro relativně malé rozměry výfukového potrubí a pro velmi proměnlivé průtoky spalin. Zásadním nedostatkem je nemožnost regulace odběru podle rychlosti proudění ve výfukovém potrubí, což zkresluje jak výsledky stanovení pevných částic, tak plynných složek výfukových plynů. Proto bylo rozhodnuto sestavit a zkonstruovat vlastní odběrovou aparaturu. Zásadní přidanou hodnotou této aparatury je regulační systém pracující v podmínkách velkého rozmezí průtoků a rušivých elektromagnetických polí.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Mobilní zařízení pro odběr spalin z dopravních prostředků, vyznačující se tím, že na přívěsu (1) je uspořádána ohebná hadice (2) pro nasazení na výfuk měřeného vozidla, která je zaústěna do měřicího nástavce (3), který je směrem k zádi přívěsu opatřen otvorem (4), při5 čemž v měřicím nástavci (3) je uspořádána Prandtlova sonda (6) a do měřicího nástavce (3) je zaústěno potrubí (8), na jehož počátku je uspořádána sonda (7) pro nasávání reprezentativního vzorku spalin do potrubí (8) hlavního proudu, na jehož konci je uspořádána vývěva (9) opatřená otvorem (10) pro odchod vzorku vzdušiny do ovzduší, přičemž za sondou (7) je umístěn filtr (11) a za ním je umístěn průtokoměr (12) pro měření objemu hlavního proudu, přičemž za průtoío koměrem (12) je dělicí T-kus (13) a odbočná větev je vytvořená jako potrubí (14) pro dílčí proud vzorku, kde potrubí (14) je zaústěno do kanystru (16) a z kanystru (16) je vyvedena sací trubka (23), na jejímž konci je uspořádána druhá vývěva (15) pro vytvoření vakua v kanystru (16), přičemž v kanystru (16) je uspořádán tedlarový vak (24) pro jímání veškerého objemu odsátého dílčího proudu, dále na potrubí (14) jsou uspořádány absorbéry uložené v chladicím boxu (17) a

15 průtokoměr (18), přičemž na přívěsu je ještě uspořádána měřicí ústředna (19) pro regulaci průtoku spojená s vývěvami (15, 9) a frekvenčním měničem (20), přičemž na přívěsu je benzínová elektrocentrála (21) jako zdroj elektrické energie.

2. Mobilní zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že přívěs je opatřen pod podlahou betonovými deskami (22) pro úpravu jeho hmotnosti.

20

3. Mobilní zařízení podle nároku 1, vyzná čuj ící se t í m, že přívodní ohebná hadice (2), měřicí nástavec (3) a potrubí hlavního proudu jsou po rozdělovači T-kus (13) včetně filtru (11) opatřeny elektrickým topením pro zabránění kondenzace vodní páry.

4. Mobilní zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že měřicí nástavec (3) je uspořádán na stojanu (5).