CZ21990U1 - Zařízení k měření koncentrace částic ve výfukových plynech - Google Patents

Description

Zařízení k měření koncentrace částic ve výfukových plynech

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro měření koncentrací částic ve výfukových plynech spalovacích motorů.

Dosavadní stav techniky

Spalovací motory jsou z rupúiska jejicii využili v automobilech zřejmě nejrozšírenéjšim hnacím prostředkem. Vzhledem k množství paliva, které je v nich spalováno, představují potenciálně nesmírnou zátěž pro životní prostředí. Spalovacím pochodům je proto věnován trvalý zájem konstruktérů, jehož cílem je minimalizace škodlivin, které motor produkuje. Souběžně s tím je věno10 vána pozornost zjišťování stavu výfukových plynů, které jsou negativním důsledkem provozu motorů.

Ze spektra emitovaných látek znečišťujících ovzduší, jsou za nejvíce rizikové považovány pevné částice, zvláště velmi malé částice o velikostech jednotek až stovek nanometrů.

Ještě v nedávné době postačovaly ke zjišťování jejich koncentrace například gravimetrické meto15 dy, jejichž výsledkem byla celková hmotnost částic získaných ze vzorku o určitém objemu odebraného výfukového plynu.

S vývojem spalovacích pochodů v zážehových i vznětových motorech se ovšem množství emitovaných pevných částic snižuje a známé metody měření těchto emisí dosahují svých funkčních limitů, neboť nejsou dostatečně přesné, aby jimi mohlo být malé hmotnostní množství pevných částic zachyceno a definováno. Nebezpečí emisí relativně velkého počtu malých pevných částic vyžaduje, aby bylo k dispozici zařízení schopné je registrovat a vyhodnocovat výsledky jak na zkušebnách, tak i v provozu.

Zařízení známá v současném stavu techniky využívající gravimetrickou metodu jsou schopná malá hmotnostní množství malých Částic měřit jen velmi obtížně. Téměř vůbec nelze jejich kvan25 titativní přítomnost zjišťovat měřením kouřivosti pomocí posuzování neprůhlednosti vrstvy výfukových plynů zejména u moderních nízkoemisních motorů vyznačujících se malou kouřivosti. Spolehlivá ekonomická měření jsou přitom nezbytná nejen pro vývoj motorů, ale i pro ověřování jejich emisních vlastností v provozu z hlediska ochrany ovzduší.

Cílem technického řešení je odstranit nedostatek dosavadního stavu techniky a poskytnout zaří30 zení, kterým by bylo možné rozšířit možnosti zjišťování koncentrací pevných částic ve výfukových plynech produkovaných moderními současnými nízkoemisními spalovacími motory.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo zařízením pro měření koncentrací částic ve výfukových plynech spalovacích motorů, jehož podstatou je to, že obsahuje ionizační komoru umístěnou buď přímo ve výfukovém potrubí, nebo umístěnou mimo výfukové potrubí, přičemž je s ním technicky propojena, zdroj elektrického napětí pro napájení ionizační komory a prostředek pro vyhodnocování signálu ionizační komory.

Použitím známé ionizační komory a jejím přizpůsobením motoru je tak vytvořeno zařízení umožňující relativně hospodárným způsobem měřit koncentraci pevných částic ve výfukových ply40 nech moderních nízkoemisních spalovacích motorů.

Zařízení ke zjišťování množství pevných částic ve výfukových plynech obsahuje dále zařízení pro měření částic metodou pohlcení světla a/nebo zařízení pro měření částic metodou rozptylu světla a/nebo zařízením pro odběr vzorku pro gravimetrické měření, která jsou spřažena s prostředkem pro vyhodnocování jimi generovaných signálů.

-1CZ 21990 Ul

Součástí zařízení je rovněž zařízení pro zjišťování toku výfukových plynů, které je spřaženo s prostředkem pro vyhodnocování jím generovaných signálů. Zařízení dále obsahuje dávkovači zařízení k odměřování množství trasovacího plynu přiváděného do výfukového potrubí a zařízení pro zjišťování koncentrací trasovacího plynu, které je umístěno v blízkosti připojení ionizační komory, která jsou spřažena s prostředkem pro vyhodnocování jimi generovaných signálů. Zjištěním koncentrace trasovacího plynu a na základě jeho známého dodávaného množství a naměřené koncentrace lze vyhodnotit okamžitý tok výfukových plynů, a vypočíst celkové okamžité emise částic.

Zařízení rovněž obsahuje prostředky pro měření koncentrací jedné nebo více dalších sledovaných látek a/nebo dalších vlastností nebo parametrů částic a/nebo prostředky pro uloženi vzorků pro pozdější analýzu.

Je výhodné, když je ionizační komora alespoň svou otevřenou komorou uspořádána ve výfukovém potrubí. Otevřená komora je tak přímo vystavena toku výfukových plynů.

V jiném výhodném provedení je ionizační komora uspořádána mimo výfukové potrubí, k němuž je vstupní hrdlo její otevřené komory připojeno vzorkovacím potrubím, přičemž k výstupnímu hrdlu otevřené komory je připojen alespoň odsávací ventilátor, kterým lze zajistit požadované odebírané množství výfukových plynů z výfukového potrubí.

Mezi výstupním hrdlem otevřené komory a odsávacím ventilátorem je uspořádáno odsávací potrubí, v němž je zařazen čistič a regulátor průtoku. Čistič zabraňuje usazování pevných částic na součástech ventilátoru, regulátor průtoku umožňuje definovat průtok plynů a udržovat jej na konstantní hodnotě.

Zařízeni dále obsahuje ústrojí pro ředěni vzorku výfukových plynů vzduchem přiváděným do otevřené komory ionizační komory, přičemž alespoň vstupní otvory přiváděného vzduchu jsou uspořádány kolem vstupního hrdla výfukových plynů do otevřené komory. Výfukové plyny procházející otevřenou komorou ionizační komory jsou obklopeny proudícím čistým vzduchem zabraňujícím ulpíváni pevných emisních částic na jejím vnitřním povrchu.

Ústroji pro ředění vzorku výfukových plynů vzduchem obsahuje dále sací ventilátor, čistič a regulátor průtoku.

Úkol sacího ventilátoru a regulátoru průtoku je obdobný, jako u výše popsaného odsávacího potrubí, čistič zabraňuje nasátí vzduchu, jehož znečištění by zkreslovalo výsledky měření.

Prostředkem pro vyhodnocování signálů měřicích prostředkuje řídicí jednotka. Taje s výhodou spojena s elektronickou řídicí jednotkou motoru, řídicí jednotka motoru obsahuje zdroj elektrického napětí pro napájeni ionizační komory.

Zařízení umožňuje měřit i velmi malé koncentrace pevných částic a zjišťovat i částice velmi malých rozměrů. Vzhledem ke spřažení s elektronickou řídicí jednotkou motoru je využitelné i k měřeni přímo na provozovaném motoru, tedy například za provozu motorového vozidla.

Přehled obrázků na výkresech

Příkladná provedení zařízeni podle technického řešeni jsou schematicky znázorněna na výkresech, kde značí obr. 1 základní provedení a obr. 2 až 6 další rozšiřená provedení.

Příklady provedeni technického řešeni

Zařízení pro měření koncentrací velmi jemných částic ve výfukových plynech spalovacích motorů je v základním provedení zobrazeno na obr. 1. Vlastní diagnostické zařízení je připojeno k výfukovému potrubí 1 motoru, do něhož v některých provedeních svou částí zasahuje. Tímto diagnostickým zařízení je podle technického řešení svou podstatou sama o sobě známá ionizační komora 2, jejíž princip se používá pro identifikaci kouřových zplodin signalizujících zahoření například v uzavřených prostorách.

-2CZ 21990 Ul

Vnitřní prostor ionizační komory 2 je v podstatě rozdělen do dvou částí. Do průřezu výfukového potrubí 1 zasahuje její otevřená komora 21 opatřená vstupními a výstupními otvory 22. Otevřená komora 21, je přepážkou oddělena od uzavřené komory 23.

Ve vnitřním prostoru ionizační komory 2 je uspořádán zdroj 24 ionizačního záření umístěný na čelní stěně uzavřené komory 23 protilehlé otevřené komoře 21 a tři měřicí elektrody. Nejblíže zdroji 24 ionizačního záření je umístěna první měřicí elektroda 25, dále za ní druhá měřicí plovoucí elektroda 26 tvořící přepážku mezi otevřenou komorou 22 a uzavřenou komorou 23 a třetí měřicí elektroda 27 uspořádaná na vnitřní straně čela otevřené komory 2L

S ionizační komorou 2 je spražen prostředek 3 pro vyhodnocování signálů, kterým je řídicí jedío notka 31 samostatná, nebo spojená s elektronickou řídicí jednotkou 32 motoru. Řídicí jednotka motoru obsahuje zdroj elektrického napětí, který je využit pro napájení ionizační komory 2 a vyhodnocovací prostředky. V alternativním provedení může být řídicí jednotka 31 součástí elektronické řídicí jednotky 32 motoru.

Zdroj elektrického napětí je připojen k první měřicí elektrodě 25 a k třetí měřící elektrodě 27, vstupy vyhodnocovacích prostředků jsou spojeny s měřicími elektrodami 25, 27, a s druhou měřicí elektrodou 26.

V provedení podle obr. 2 je zařízení doplněno optickým snímačem 4, který obsahuje světelný zdroj 41 uspořádaný v podstatě radiálně ve stěně výfukového potrubí I v blízkosti ionizační komory 2. Naproti světelnému zdroji 41 je ve stěně výfukového potrubí 1 uspořádán pohlcovaČ 42 paprsku, jehož součástí může být i neznázoměný snímač měřící intenzitu dopadajícího paprsku.

V sousedství pohlcovače 42 paprsku je uspořádáno čidlo 43 detekující intenzitu rozptýleného světla vyzařovaného světelným zdrojem 4L Toto doplňující zařízení je spřaženo rovněž se vstupy samostatné řídicí jednotky 31, případně řídicí jednotky 32 motoru.

V provedení podle obr. 3 je zařízení z obr. 1 doplněno spektrometrem 5, který obsahuje zdroj 51 záření uspořádaný v podstatě radiálně ve stěně výfukového potrubí 1 v blízkosti ionizační komory 2. Naproti zdroji 51 záření je ve stěně výfukového potrubí 1 uspořádán snímač 52 měřící intenzitu dopadajícího záření. Spektrometr 5 je volitelně doplněn čidlem 53 teploty výfukových plynů a čidlem 54 tlaku výfukových plynů. Toto doplňující zařízení je spřaženo rovněž se vstupy samostatné řídicí jednotky 31, případně elektronické řídicí jednotky 32 motoru.

V provedení podle obr. 4 je zařízení z obr. 1 doplněno dávkovacím zařízením 6 trasovacího plynu, který je uspořádán před ionizační komorou 2 z hlediska směru S proudění výfukových plynů. Na rozdíl od ostatních zde znázorněných provedení respektuje u provedení podle obr. 4 vzájemné řazení dávkovacího zařízení 6 trasovacího plynu a ionizační komory 2 ve výfukovém potrubí 1 směr proudění výfukových plynů. Dávkovači zařízení 6 obsahuje zásobník 61 trasovacího ply35 nu, regulátor 62 průtoku trasovacího plynu a trysku 63 ústící do výfukového potrubí 1. Za dávkovacím zařízením 6 je zařazen spektrometr 7 ke sledování koncentrace trasovacího plynu obsahující zdroj 21 záření uspořádaný ve stěně výfukového potrubí 1 a proti němu uspořádaný snímač 72 měřící intenzitu dopadajícího záření. Spektrometr 2 je volitelně doplněn čidlem 53 teploty výfukových plynů a čidlem 54 tlaku výfukových plynů. Toto doplňující zařízení je spřaženo rov40 něž se vstupy samostatné řídící jednotky 31, případně elektronické řídicí jednotky 32 motoru.

Alternativně lze místo dávkovacího zařízení 6 použít jiné zařízení pro měření toku výfukových plynů - například zařízení na principu ochlazování vyhřívaného tělesa (termické). Další alternativy využívají většího počtu vírových polí, Dopplerova efektu, rozdílu tlaků (Pitotova trubice), nebo výpočtu z otáček motoru a teploty a tlaku v sacím potrubí.

Zařízení podle technického řešení může být doplněno libovolnou kombinací optického snímače 4 a spektrometrů 5, ]_. Rovněž může být ionizační komora 2 doplněna neznázoměnými zařízeními pro měření koncentrace jiných složek a/nebo jiných vlastností částic, případně vzorkovacími prostředky pro odebrání poměrné části výfukových plynů a její deponování pro provedení pozdější analýzy. Například infračerveným spektrometrem lze měřit koncentrace oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a při dostatečně vysokém rozlišení (například pomocí FTIR spektrometru) i některých

-3CZ 21990 Ul organických látek nebo skupin organických látek. Elektrochemickými články lze měřit koncentrace oxidů dusíku a kyslíku.

V provedení podle obr. 5 je ionizační komora 2 uspořádána odděleně od výfukového potrubí i, ke kterému je připojena vzorkovacím potrubím 11 ústícím do vstupního hrdla 12 otevřené komory 21 ionizační komory 2. K výstupnímu hrdlu 13 otevřené komory 21 je připojeno odsávací potrubí 14, ve kterém je za sebou zařazen čistič 15, regulátor 16 průtoku a odsávací ventilátor Γ7.

V provedeni podle obr. 6 je zařízeni z obr. 5 doplněno ústrojím 8 pro ředění vzorku výfukových plynů. Zdrojem je dávkovači ventilátor 81 vzduchu, za nímž je zařazen čistič 82 a regulátor 83 průtoku vzduchu. Vstupní otvory 84 ředícího vzduchu do otevřené komory 21 ionizační komory 2 jsou v příkladném provedení uspořádány kolem vstupního hrdla 12 výlukových plynů přiváděných do otevřené komory 2L Výstupní otvor 85 ředícího vzduchu z otevřené komory 21 je společný i pro výstup výfukových plynů, načež je směs ředícího vzduchu a výfukových plynů svedena do odsávacího potrubí 14, které dále pokračuje shodně s provedením podle obr. 5.

Při činnosti zařízení v provedení podle obr, 1 výfukové plyny procházející výfukovým potrubím 1 procházejí prostřednictvím otvorů 22 ionizační komorou 2. Elektrické napětí přiváděné ze zdroje elektrického napětí na první měřicí elektrodu 25 a druhou měřicí elektrodu 27 vyvolává tok iontů mezi těmito elektrodami 25 a 27 a za přítomnosti iontů v ionizovaném vzduchu vzniká malý elektrický proud. Na pevných částicích obsažených ve výfukových plynech se v otevřené komoře 21 zachycují ionty, přičemž klesá ionizační proud. Na plovoucí elektrodě 26 se mění napětí, což zaznamenává prostředek 3 pro vyhodnocování signálů. Signál zpracovaný tímto prostředkem je převeden na informaci o výši koncentrace pevných částic přítomných ve výfukových plynech.

Provedení podle obr. 2 využívá navíc signálu optického snímače 4 detekujícího intenzitu světla vyzařovaného světelným zdrojem 41 a dopadajícího na pohlcovaČ 42. Tento signál, případně signál čidla 43 přijímajícího rozptýlené světlo, je pro prostředek 3 pro vyhodnocování signálů doplňující informací k vyhodnocení kouřivosti motoru a/nebo střední velikosti Částic a/nebo hmotnostní koncentrace částic.

Snímač 52 spektrometru 5 v provedení podle obr. 3 měří intenzitu dopadajícího záření na jedné nebo více vlnových délkách a/nebo oblastech délek. Absorpce záření v závislosti na vlnové délce tak umožňuje zjišťovat koncentraci jednotlivých složek výfukových plynů.

Pomocí stanoveného množství trasovacího plynu přimíchávaného do výfukových plynů (obr. 4) lze vyhodnotit spektrometrem 5, případně s využitím snímačů 53, 54 teploty a tlaku plynů, koncentraci trasovacího plynu a na základě jeho známého dodávaného množství a naměřené koncentrace vyhodnotit okamžitý tok výfukových plynů, na základě kterého lze vypočíst celkové okamžité emise částic.

U zařízení podle obr. 5 jsou výfukové plyny přiváděny do separované ionizační komory 2 vzorkovacím potrubím U, z ionizační komory 2 jsou výfukové plyny odsávány a na čističi 15 zachycovány pro případné další vyhodnocení.

U zařízení podle obr. 6 je do separované ionizační komory 2 přiváděn ředící vzduch, který postupuje její otevřenou komorou 21 tak, že obklopuje proud výfukových plynů a izoluje je tak od zdroje ionizujícího záření 24, elektrod 25, 26, 27 a od vnitřních stěn ionizační komory 2. Při novém měření tak uvnitř ionizační komory 2 nezůstávají ulpělé částice, kterými by byla další měření zkreslena.

Souběžným měřením ionizační komorou 2 a jiným způsobem, například metodou rozptylu světelného paprsku nebo gravimetrickou metodou, lze alespoň orientačně zjistit střední velikost nebo další parametry částic, a vyhodnotit početní, hmotnostní nebo jinou koncentraci částic (například celkový povrch částic).

Výstupy ze zařízení mohou být vyhodnocovány elektronickou řídicí jednotkou 32 motoru za účelem monitorování nadměrných emisí částic v rámci palubní diagnostiky (on-board diagnostics).

-4CZ 21990 Ul

Zařízení podle technického řešení umožňuje použitím známé ionizační komory 2 a jejím přizpůsobením vytvořit zařízení, které umožňuje relativně hospodárným způsobem měřit koncentraci pevných částic ve výfukových plynech moderních spalovacích motorů. Zařízeními podle dosavadního stavu techniky není možné hospodárným způsobem takovou diagnostiku provádět. To je dáno relativně nízkými koncentracemi a malou velikostí částic, které jsou současnými motory emitovány. Zařízení podle technického řešení je přitom využitelné jak na zkušebnách spalovacích motorů, tak i ve vývojových provozech, stanicích technické kontroly, případně přímo na vozidlech v průběhu jejich provozu.

Claims (12)

1. ίο 1. Zařízení pro měření koncentrací částic ve výfukových plynech spalovacích motorů, vyznačující se tím, že obsahuje ionizační komoru (
2. 2) umístěnou buď přímo ve výfukovém potrubí (1), nebo umístěnou mimo výfukové potrubí (1), přičemž je s ním technicky propojena, zdroj elektrického napětí pro napájení ionizační komory (2) a prostředek (3) pro vyhodnocování signálů generovaných alespoň ionizační komorou (2).

   15 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje zařízení pro měření částic metodou pohlcení světla a/nebo zařízením pro měření Částic metodou rozptylu světla a/nebo zařízením pro odběr vzorku pro gravimetrické měření, která jsou spřažena s prostředkem (3) pro vyhodnocování jimi generovaných signálů.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje zařízení

   20 pro zjišťování toku výfukových plynů, které je spřaženo s prostředkem (3) pro vyhodnocování jím generovaných signálů.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že dále obsahuje dávkovači zařízení (6) k odměřování množství trasovacího plynu přiváděného do výfukového potrubí (1) a zařízení pro zjišťování koncentrací trasovacího plynu umístěné v blízkosti

   25 připojení ionizační komory (2), která jsou spřažena s prostředkem (3) pro vyhodnocování jimi generovaných signálů.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje prostředky pro měření koncentrací jedné nebo více dalších sledovaných látek a/nebo dalších vlastností nebo parametrů částic a/nebo prostředky pro uložení vzorků pro pozdější analýzu, kte30 rá jsou spřažena s prostředkem (3) pro vyhodnocování jimi generovaných signálů.
6. 6. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že ionizační komora (2) je alespoň svou otevřenou komorou (21) uspořádána ve výfukovém potrubí (1).
7. 7. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků laž5, vyznačující se tím, že ionizační komora (2) je uspořádána mimo výfukové potrubí (1), k němuž je vstupní hrdlo (12) její otevřené

   35 komory (21) připojeno vzorkovacím potrubím (11), přičemž k výstupnímu hrdlu (13) otevřené komory (21) je připojen alespoň odsávací ventilátor (17).
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že mezi výstupním hrdlem (13) otevřené komory (21) a odsávacím ventilátorem (17) je uspořádáno odsávací potrubí (14), v němž je zařazen čistič (15) a regulátor průtoku (16).

   40
9. 9. Zařízení podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že dále obsahuje ústrojí (8) pro ředění vzorku výfukových plynů vzduchem přiváděným do otevřené komory (21) ionizační

   -5 CZ 21990 Ul komory (2), přičemž alespoň vstupní otvory (84) přiváděného vzduchu jsou uspořádány kolem vstupního hrdla (12) výfukových plynů do otevřené komory (21).
10. 10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že ústrojí (8) pro ředění vzorku výfukových plynů obsahuje sací ventilátor (81), Čistič (82) a regulátor (83) průtoku.

    5
11. 11. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že prostředkem (3) pro vyhodnocování signálů je řídicí jednotka (31).
12. 12. Zařízení podle nároku 11, vyznačující se tím, že řídicí jednotka (31) je spojena s elektronickou řídicí jednotkou (32) motoru, nebo jejejí součástí, přičemž elektronická řídicí jednotka (32) motoru obsahuje zdroj elektrického napětí pro napájení ionizační komory (2).