DE10137106A1 - Einrichtung zur Probenahme von Abgas - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung zur Probenahme von Abgas mit einem mit einer Abgasquelle (1) verbundenen Abgasrohr (2) und einem Probenahmerohr (3), dessen stromaufwärts orientiertes Ende mit dem Abgasrohr (2) verbunden ist und zum Entnehmen einer Abgasprobe des in dem Abgasrohr (2) strömenden Abgases (G) dient, weist eine Temperaturregeleinrichtung (16, 23) auf, mittels der die Temperatur des Probenahmerohrs (3) in Abhängigkeit der Temperatur des Abgasrohrs (2) strömenden Abgases (G) nachregelbar ist. Vorteil hierbei ist, dass Abscheidungsprozesse von Abgaspartikeln an der Innenwand des Probenahmerohrs (3) bzw. Wiederablösungsprozesse vermieden werden, wodurch die Messgenauigkeit wesentlich erhöht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Probenahme von Abgas, wobei die Einrichtung zum Einsatz in einer Vorrichtung zum Messen von Abgas-Partikeln bestimmt ist, bei der das von einem Dieselmotor eines Automobils erzeugte Ab­ gas auf die Quantität darin enthaltener Partikel (beispielsweise Ruß) unter­ sucht wird.

Unter den Verfahren zum Messen von Partikeln in Auspuffgasen wird als gravi­ metrischen Filterverfahren ein Verfahren verstanden, bei dem eine Abgas-Pro­ benahmeeinrichtung bzw. ein Abgas-Analysesystem das Abgas wenigstens teil­ weise verdünnt. Beispielsweise wird ein Teil des Abgases als Abgasprobe in ei­ nen Verdünnungstunnel eingeführt, wobei die Abgasprobe im Verdünnungstun­ nel mittels Luft verdünnt und die gesamte Abgasverdünnung durch eine Mess­ stufe geführt wird, die als bzw. in einem Filter zum Filtern von Partikeln ausge­ stattet ist.

Die oben beschriebene Einrichtung zur Probenahme von Auspuffgas (im Folgen­ den als Abgaseinrichtung bezeichnet) weist gewöhnlicherweise den in Fig. 2 ge­ zeigten Aufbau auf. Bezugszeichen 1 bezeichnet einen Dieselmotor eines Auto­ mobils, der als Abgasquelle dient, Bezugszeichen 2 ein Abgasrohr, das mit der Abgasquelle in Verbindung steht. Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Abgas-Probe­ nahmerohr, das mit dem Abgasrohr 2 verbunden ist und zur Probenahme we­ nigstens eines Teils des in dem Abgasrohr 2 fließenden, vom Motor 1 erzeugten Abgases G dient, wobei dessen stromabwärts gerichtetes Ende mit einem Ver­ dünnungstunnel 4 verbunden ist, der das entnommene Probengas G verdünnt. Bezugszeichen 5 bezeichnet ein Versorgungsrohr zur Zufuhr von Verdünnungs­ luft A, das mit dem stromaufwärts gerichteten Ende des Verdünnungstunnels 4 verbunden ist.

Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Gas-Durchgangspassage, die mit dem strom­ abwärts gerichteten Ende des Verdünnungstunnels 4 verbunden ist, und in der die verdünnte Abgasprobe S strömt. Das stromabwärts gerichtete Ende der Gas-Durchgangspassage 6 verzweigt in eine erste 7 und eine zweite 8 Durch­ gangspassage, in denen jeweils Filter 9, 10 zum Ansammeln bzw. Filtern von in der Abgasprobe S enthaltenen Partikeln vorgesehen sind. Die erste Durch­ gangspassage 7 ist als Messgas-Durchgangspassage ausgelegt, die vom Abgas bei der Partikel-Analyse bzw. Probenahme durchströmt wird, während die zwei­ te Durchgangspassage 8 als Umgehungs-Durchgangspassage ausgelegt ist und vom Abgas durchströmt wird, wenn keine Partikel-Analyse erfolgt. Der erste Fil­ ter 9 ist ein Messfilter, der zweite Filter 10 ist ein Dummy-Filter.

Bezugszeichen 11 bezeichnet ein Drei-Wege-Solenoidventil, das als Durch­ gangspassagen-Schalteinrichtung dient und am stromabwärts gerichteten Ende der Abgasproben-Durchgangspassage 7 und der Umgehungs-Durchgangspassa­ ge 8 vorgesehen ist, wobei dessen stromabwärts gerichtetes Ende mit einer Gasdurchgangspassage 12 verbunden ist. In der Gasdurchgangspassage 12 sind eine Einsaugpumpe, beispielsweise eine Roots-Blower-Pumpe 13, mit der die Einsaugstärke durch Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit änderbar ist, und ein Durchflussmesser, beispielsweise ein Venturi-Drehflussratenmesser 14, der eine hohe Messgenauigkeit aufweist, in dieser Reihenfolge vorgesehen. Als Durchflussmesser 14 kann auch ein Massen-Durchflussmesser mit einem Laminar-Durchflussmesser oder einem Hitzdraht-Durchflussmesser verwendet werden.

Bei der oben beschriebenen Abgaseinrichtung durchströmt im Dauerbetriebszu­ stand, bei dem die Rotationsgeschwindigkeit und das Drehmoment des Motors 1 nahezu konstant sind, die verdünnte Abgasprobe S die Messgas-Durchgangs­ passage 7, während in anderen Betriebszuständen, bei denen die Rotationsge­ schwindigkeit und das Drehmoment des Motors 1 oder wahlweise die Rotations­ geschwindigkeit oder das Drehmoment des Motors 1 geändert werden, die Durchgangspassage so geschaltet wird, dass die verdünnte Abgasprobe S durch die Umgehungs-Durchgangspassage 8 strömt.

Die Hauptkomponenten der im Abgas G enthaltenen Partikel sind Trockenruß (im Folgenden einfach als Ruß bezeichnet), also Kohlekörner, lösliches organi­ sches Material und Sulfate (Material, das Schwefeloxid in Verbindung mit Was­ ser enthält). Gewöhnlicherweise erreicht die Temperatur des Abgases G, das vom Motor 1 abgeführt wird und in dem Abgasrohr 2 strömt, höchstens 400 bis 600°C. Bei einer so hohen Temperatur befinden sich die Komponenten der Par­ tikel wie beispielsweise Ruß, organisches Material oder Sulfate im gasförmigen Zustand. Andererseits beträgt in der Abgas-Probenahmeeinrichtung des Abgas- Analysesystems für verdünntes Gas die Länge des Abgasprobenahmerohres 3 beispielsweise um die 0,05 bis 1,5 m, der Innendurchmesser ungefähr 6 bis 10 mm, und die Durchflussrate des darin strömenden Gases 2 bis zu 20 Liter pro Minute, was eine verhältnismäßig niedrige Durchflussrate ist.

Wenn das im Abgasrohr 2 strömende Abgas G in das oben beschriebene Abgas- Probenrohr 3 strömt, kann, falls ein Temperaturunterschied zwischen der In­ nenwand des Abgas-Probennahmerohrs 3 und des Abgases G besteht, eine so­ genannte Thermo-Kraft-Setzungserscheinung auftreten, bei der sich die Parti­ kelkomponenten im Abgas G an der Innenwand des Abgas-Probenahmerohrs 3 abscheiden, oder sich bereits abgeschiedene Partikelkomponenten wieder von der Innenwand lösen und in den gasförmigen Zustand übergehen. Dies gilt ins­ besondere für oben genannte organische Partikelkomponenten. Deshalb tritt bei Abscheidung oder Wiederabölsung von Partikelkomponenten von der Innen­ wand des Abgas-Probenahmerohrs 3 eine Gewichtsabweichung der durch den Messfilter 9 gefilterten Partikel auf, womit die Messergebnisse des gravimetri­ schen Filterverfahrens bzw. vergleichbarer Filterverfahren mit einem großen Fehler behaftet sind.

Deshalb ist es bekannt, das Abgasrohr 2 unter Verwendung der Abgaswärme beim Aufwärmbetrieb des Motors 1 vor dem Test im Voraus auf eine geeignete Temperatur aufzuwärmen. Während dieser Zeit kann auch das Abgas-Probe­ nahmerohr 3 bzw. der Verdünnungstunnel 4 auf eine bestimmte Temperatur er­ wärmt werden.

Die oben erwähnte Gewichtsabweichung kann jedoch kann selbst dann, wenn das Abgas-Probenahmerohr 3 in seiner Temperatur geändert wird, nicht zufrie­ denstellend genug eingedämmt werden. Der Grund dafür ist, dass selbst bei Tests im Dauerbetriebszustand unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten und Drehmomente abwechselnd verwendet bzw. miteinander kombiniert wer­ den, was während Tests im Übergangs-Betriebszustand sogar der Normalzu­ stand ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 1, die Menge des Abgases G des Motors 1 sowie die Temperatur des Abgases G sind also nicht immer kon­ stant.

Die Erfindung ist auf dem Hintergrund der oben genannten Probleme entstan­ den. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Einrichtung zur Probenahme von Abgas anzugeben, bei der das Abscheiden von Abgaspartikeln an der Innenwand des Abgas-Probenrohrs bzw. der Übergang von abgeschiede­ nen Partikeln in den gasförmigen Zustand eingedämmt werden kann, um eine verlässliche Probenahme zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Probenahme von Abgas mit einem mit einer Abgasquelle verbundenen Abgasrohr und einem Probenahmerohr, dessen stromaufwärts orientiertes Ende mit dem Abgasrohr verbunden ist und zum Entnehmen einer Abgasprobe des in dem Abgasrohr strömenden, aus der Abgasquelle stammende Abgases dient, dadurch gelöst, dass eine Temperaturregeleinrichtung vorgesehen ist, mittels der die Tempera­ tur des Probenahmerohrs in Abhängigkeit der Temperatur des im Abgasrohr strömenden Abgases G nachregelbar ist.

Die Temperaturregeleinrichtung weist vorzugsweise auf: Einen ersten Tempera­ tursensor zur Messung der Temperatur des im Abgasrohr strömenden Abgases G, einen zweiten Temperatursensor zur Messung der Temperatur der im Probe­ nahmerohr strömenden Abgasprobe, eine am Probenahmerohr vorgesehene Heiz-/Kühlvorrichtung, mit der die Temperatur des Probenahmerohrs in Ab­ hängigkeit eines Temperatursignals auf eine bestimmte Temperatur einstellbar ist, und einen Temperaturregler zur Erzeugung des Temperatursignals in Ab­ hängigkeit von Temperaturdaten des ersten und zweiten Temperatursensors.

Die erfindungsgemäße Abgaseinrichtung ermöglicht es, die sequentielle Messung der Abgastemperatur und die Temperatur der Rohrwand des Abgas- Probenahmerohrs so zu regeln, dass die Temperatur des Abgas-Probenahme­ rohrs oder des Abgases folgt bzw. daran angeglichen wird. Somit ist es möglich, Abscheidungsprozesse bzw. Wiederablösungsprozesse von Partikeln, die durch einen Temperaturunterschied zwischen dem Abgas und der Rohrwand hervor­ gerufen werden, zu vermeiden, und somit die Probenahme bzw. die Messgenau­ igkeit des Abgas-Gewichts wesentlich zu verbessern.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Abgaseinrichtung einen Verdün­ nungstunnel zum Verdünnen der Abgasprobe auf, der mit dem stromabwärts orientierten Ende des Probenahmerohrs in Verbindung steht.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgaseinrichtung; und

Fig. 2 die bereits beschriebene Abgaseinrichtung gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 und 2 sind einander entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszei­ chen gekennzeichnet. Deshalb wird von einer Beschreibung der bereits im Rah­ men von Fig. 2 beschriebenen Bauteile abgesehen.

In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 15 einen in dem Abgasrohr 2 vorgesehenen Temperatursensor, der beispielsweise einen Thermistor aufweist. Der Tempera­ tursensor 15 misst die Temperatur des Abgases G, das vom Motor 1 als Abgas­ quelle abgeführt wird, und ist an einer Position nahe einem Probenloch 3a des Abgas-Probenahmerohrs 3 (im Folgenden als Probenahmerohr bezeichnet), ge­ nauer gesagt leicht stromaufwärts davon, vorgesehen.

Bezugszeichen 16 bezeichnet einen ersten Teil einer Temperaturregeleinrich­ tung zum Steuern bzw. Regeln der Temperatur des Probenrohrs 3, der einen Heizkörper 17, der um das Probenrohr 3 gewunden ist, eine Kühleinrichtung 18, die den Heizkörper 17 und das Probenrohr 3 durch Aufbringung auf der Au­ ßenseite des Heizkörpers 17 abdeckt und einen Temperatursensor 19 auf, der beispielsweise einen Thermistor zur Ermittlung der Temperatur der Rohrwand des Probenahmerohrs 3 aufweist. Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Kühlmittel- Einlassrohr zum Einführen eines geeigneten Kühlmittels (beispielsweise Kühl­ wasser oder Gas) C in die Kühleinrichtung 18. An dem Kühlmittel-Einlassrohr 20 ist ein Ein-/Aus-Ventil 21, beispielsweise ein Solenoidventil, vorgesehen. Be­ zugszeichen 22 bezeichnet ein Kühlmittel-Auslassrohr zum Ausführen des Kühlmittels C aus der Kühleinrichtung 18. Das Kühlmittel-Einlassrohr 20 und das Kühlmittel-Auslassrohr 22 sind jeweils mit einer Kühlmittel-Versorgungs­ quelle und einer Kühlmitteltemperatur-Steuereinrichtung verbunden, die hier nicht gezeigt sind. Die Gesamtanordnung von Heizkörper 17 und Kühleinrich­ tung 18 wird im Folgenden als Heiz/Kühlvorrichtung bezeichnet.

Bezugszeichen 23 bezeichnet einen zweiten Teil der Temperaturregeleinrichtung (im Folgenden als Temperaturregler bezeichnet), die mit Ausgangssignalen der Temperatursensoren 15 und 19 beaufschlagt wird, und die auf Basis dieser Temperatursignale die elektrische Stromzufuhr zum Heizkörper 17 und das Ein-/Aus-Ventil 20 steuert.

In der Abgaseinrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Tempera­ tur des Abgases G, das von dem Motor 1 abgeleitet wird, sequentiell durch den Temperatursensor 15 gemessen, und die Messergebnisse werden sequentiell zum Temperaturregler 23 gesendet. Der Temperaturregler 23 kann eine Ziel­ temperatur des Probenahmerohrs 3 sequentiell einstellen, indem in Abhängig­ keit der ermittelten Temperatur des Abgases G das Probenahmerohr 3 entspre­ chend erwärmt oder gekühlt wird.

Wenn beispielsweise die Temperatur des Abgases G weniger als 200°C beträgt, wird durch die Temperaturregeleinrichtung die Temperatur des Probenahme­ rohrs 3 an die Temperatur des Abgases G angeglichen. Das heißt, dass die durch den Temperatursensor 19 ermittelte Temperatur des Probenahmerohrs 3 und die Temperatur des Abgases G, die durch den Temperatursensor 15 ermit­ telt wird, miteinander verglichen werden. Wenn die Temperatur des Probenah­ merohrs 3 niedriger ist, wird durch den Heizkörper 17 das Probenahmerohr 3 erwärmt.

Umgekehrt wird, wenn die Temperatur des Probenahmerohrs 3 höher ist, das Ein-/Aus-Ventil 21 geöffnet, und das Kühlmittel der Kühleinrichtung 18 zuge­ führt, womit das Probenahmerohr 3 gekühlt wird.

Wenn die Temperatur des Abgases G beispielsweise 200°C oder mehr beträgt, wird die Zieltemperatur des Probenahmerohrs 3 festgesetzt durch Multiplikati­ on dieses Temperaturwerts mit einer Konstante und die Zieltemperatur mittels des Heizkörpers 17 oder der Kühleinrichtung 18 eingestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt.

In der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Temperaturregeleinrich­ tung die Kühleinrichtung 18 auf, mit der das Probenahmerohr 3 gezielt gekühlt werden kann. Alternativ kann jedoch die Kühleinrichtung 18 weggelassen wer­ den, und stattdessen eine Kühlung auf natürlichem Wege erfolgen.

Wie bereits beschrieben, wird in der erfindungsgemäßen Abgaseinrichtung die Temperatur des Abgases G sequentiell gemessen, und die Temperatur des Pro­ benahmerohrs 3 in Abhängigkeit der Temperatur des Abgases G nachgeregelt. Damit kann die Temperatur der Rohrwand des Probenahmerohrs 3 so einge­ stellt werden, dass sie der Temperatur des Abgases G folgt bzw. dieser ent­ spricht. Somit kann das Abscheiden, die Gasbildung sowie das Wiederablösen von Abgas-Partikeln an der Rohrwand des Probenahmerohrs 3, das durch einen eventuellen Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Abgases und der Temperatur der Rohrwand des Abgas-Probenrohrs hervorgerufen wird, ef­ fektiv eingedämmt werden, womit der Prozess der Probenahme von Abgasparti­ kel sowie die Mengen-Messgenauigkeit an Partikeln wesentlich verbessert wer­ den kann.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar im Zusammenhang mit der Abgas­ einrichtung eines Systems zum vollständigen Vermessen einer Teilverdün­ nung, bei der ein Teil des Abgases unter Verwendung eines Probenahmerohrs entnommen wird, das den Einfluss des Abgases vernachlässigen kann, wobei der entnommene Teil des Abgases in einen Verdünnungstunnel als Abgasprobe eingeführt und mit einer verhältnismäßig geringen Durchflussrate durch die Luft im Verdünnungstunnel verdünnt wird, und die Gesamtmenge des verdünn­ ten Abgases durch eine Messpassage strömt, die einen Filter zum Auffangen bzw. Herausfiltern von Abgas-Partikeln aufweist.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Probenahme von Abgas, mit:
einem mit einer Abgasquelle (1) verbundenen Abgasrohr (2), und
einem Probenahmerohr (3), dessen stromaufwärts orientiertes Ende mit dem Abgasrohr (2) verbunden ist und zum Entnehmen einer Abgasprobe des in dem Abgasrohr (2) strömenden, aus der Abgasquelle (1) stammenden Abgases (G) dient,
gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinrichtung (16, 23), mittels der die Temperatur des Probenahmerohrs (3) in Abhängigkeit von der Temperatur des im Abgasrohr (2) strömenden Abgases (G) nachregelbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tem­ peraturregeleinrichtung aufweist:
einen ersten Temperatursensor (15) zur Messung der Temperatur des im Abgasrohr (2) strömenden Abgases (G),
einen zweiten Temperatursensor (19) zur Messung der Temperatur der im Probenahmerohr (3) strömenden Abgasprobe,
einen Temperaturregler (23) zur Erzeugung eines Temperatursignals in Abhängigkeit von Temperaturdaten des ersten und des zweiten Temperatursen­ sors (15, 19), und
eine am Probenahmerohr (3) vorgesehene Heiz-/Kühlvorrichtung (17, 18), mit der die Temperatur des Probenahmerohrs (3) in Abhängigkeit des Tem­ peratursignals auf eine bestimmte Temperatur einstellbar ist.