-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren zum Ermitteln einer Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine.
-
Stand der Technik
-
Bei Kraftfahrzeugen sind derzeit periodische Abgasuntersuchungen vorgesehen, bei denen die Bestimmung der Partikelkonzentration des Abgases verlangt wird. Eine kostengünstige und schnelle Methode, eine solche Bestimmung der Partikelkonzentration durchzuführen stellen optische oder elektrische Messeinrichtungen dar. Optische Verfahren sind sehr robust und werden als Opazimeter schon vergleichsweise lange in Werkstätten eingesetzt. Elektrische Messeinrichtungen werden üblicherweise als Elektrofilter ausgeführt. Die bekannten Opazimeter reagieren nicht ausreichend sensitiv auf kleine Partikelgrößen und sind daher in ihrer Auflösung begrenzt. Elektrofilter sind zwar sensitiv auf kleine Partikelgrößen, aber aufwendig in der Ausführung und entsprechend teuer.
-
Aus der
US 2009/0079981 A1 ist eine auf einen Laser beruhende Vorrichtung und ein auf einem Laser beruhendes Verfahren zum Messen von Agglomeratkonzentrationen und mittleren Agglomeratgrößen bekannt. Ein Agglomerat beschreibt eine Zusammenballung von einzelnen Partikeln. Eine dort beschriebene Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, eine Fokussierungslinse zur Bündelung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls, einen ersten Lichtsensor, der in einer ersten Winkelposition zu dem Lichtstrahl angeordnet ist, und einen zweiten Lichtsensor, der in einer zweiten Winkelposition zur ersten Richtung des Lichtstrahls angeordnet ist. Die mittlere Agglomeratgröße und -konzentration werden bestimmt, indem die durch den ersten und den zweiten Sensor gemessenen Lichtintensitäten ins Verhältnis zueinander gesetzt werden.
-
Die im Stand der Technik beschriebene Vorrichtungen und das Verfahren sind aufwändig. Geringe Partikelkonzentrationen und kleine Partikel in dem Abgas können damit nur schlecht nachgewiesen werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine kostengünstige und einfache Anordnung zur präziseren Bestimmung der Partikelkonzentration sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
-
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine, gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, sowie durch ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Die üblicherweise eingesetzten optisch oder elektrisch arbeitenden Messgeräte zur Ermittlung der Partikelkonzentration sind, gemäß einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis des Erfinders, sensitiv auf die Partikelgröße der im Gas enthaltenden Partikel.
-
Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Sensitivität von optischen und elektrischen Messgeräten hinsichtlich der Partikelgröße zu nutzen, um einen Korrekturfaktor für die gemessene Partikelkonzentration zu bestimmen. Dadurch kann die Messgenauigkeit verbessert werden und es können darüber hinaus noch zusätzliche Messinformationen gewonnen werden. Beispielsweise kann auf die Anzahl der Partikel im Gas geschlossen werden.
-
Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine, eine Anordnung vorgeschlagen, welche eine Messeinheit beinhaltet, die dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu liefern, welches von der Partikelkonzentration des Gases in wenigstens einem Messvolumen abhängt. Des Weiteren umfasst die Anordnung eine Verdünnungseinheit, durch welche die Partikelkonzentration in dem Messvolumen bei mindestens zwei voneinander verschiedenen Verdünnungsfaktoren einstellbar ist, indem beispielsweise dem Partikel mitführenden Gas ein Verdünnungsgas zugeführt wird, welches idealerweise partikelfrei ist. Zudem enthält die Anordnung eine Signalauswertungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, aus den mindestens zwei bei unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren erhaltenen Ausgangssignalen der Messeinheit einen die Partikelgröße berücksichtigenden Korrekturfaktor für das Ausgangssignal der Messeinheit, zu bestimmen.
-
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass der Korrekturfaktor zur Berechnung der Partikelkonzentration des Gases herangezogen werden kann. Auf diese Weise wird eine genaue Bestimmung der Partikelkonzentration möglich.
-
Eine einfache Möglichkeit für das Verdünnungsgas stellt beispielsweise gefilterte Umgebungsluft dar. Es wäre ebenfalls denkbar, einen Teil des Partikel mitführenden Gases selbst abzuzweigen, zu filtern und als Verdünnungsgas dem Partikel mitführenden Gas erneut beizumischen.
-
Bei den im Gas enthaltenen Partikeln kann es sich beispielsweise um Rußpartikel handeln, welche etwa in einem Abgasstrahl einer Brennkraftmaschine auftreten können.
-
Die Partikelkonzentration beschreibt in der Regel eine Massenkonzentration der im Gas enthaltenen Partikel.
-
Gegenüber konventionellen Vorrichtungen zur Bestimmung der Partikelkonzentration wird bei der vorliegenden Erfindung die Partikelgröße berücksichtigt und das Ausgangssignal der Messeinheit in Abhängigkeit der ermittelten Partikelgröße korrigiert, was zu einem genaueren Messergebnis führt. Des Weiteren liefert die erfindungsgemäße Anordnung, neben der Partikelkonzentration des Partikel mitführenden Gases, eine Information über die mittlere Partikelgröße. Der Korrekturfaktor lässt einen Rückschluss auf die mittlere Partikelgröße zu, welche als ein Mittelwert der Größe der sich im Partikel mitführenden Gas befindlichen Partikel angesehen werden kann und zum Beispiel als mittlerer Durchmesser der Partikel des Gases ausgedrückt werden kann. Zudem ist bei der vorliegenden Erfindung keine zusätzliche Hardware notwendig, um die Bestimmung der Partikelkonzentration zu optimieren. Die Erfindung bietet eine schnelle und genaue Bestimmung der Partikelkonzentration, wobei lediglich zwei unterschiedliche Messungen der Partikelkonzentration durchgeführt werden müssen und der Benutzer der Erfindung zur Korrektur des Messsignals keinen weiteren Arbeitsschritt durchführen muss.
-
Soweit die mittlere Partikelgröße und die Partikelkonzentration ermittelt werden, können diese Werte zur Bestimmung der Partikelanzahl in dem Partikel mitführenden Gas genutzt werden.
-
Die Messeinheit kann in der erfindungsgemäßen Anordnung beispielsweise aus einer optischen Messeinheit oder aus einer elektronischen Messeinheit bestehen.
-
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung beinhaltet eine optische Messeinheit zum Ermitteln der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine. Dabei kann diese optische Messeinheit mindestens eine Lichtquelleneinheit aufweisen, welche das Messvolumen bestrahlt und mindestens eine Empfängereinheit enthalten, welche das von der Lichtquelleneinheit ausgestrahlte Licht, das an den im Gas enthaltenen Partikeln gestreut wird, erfasst. Eine solche Messeinheit stellt üblicherweise eine Streulichtmesseinheit dar und umfasst zum Beispiel eine Gasführungseinheit, welche das Partikel mitführende Gas umschließt, eine Lichtquelleneinheit, die so angeordnet ist, dass sie quer zur Strömungsrichtung (z. B. im Wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung) des Gases, auf ein Messvolumen gerichtet ist und das durch das Messvolumen strömende Gas bestrahlt, und mindestens einen Empfänger, der so in einem Winkel zur Lichtquelleneinheit angeordnet ist, dass an den im Gas enthaltenen Partikeln gestreute Anteile des abgestrahlten Lichts im Bereich des betrachteten Messvolumens auf ihn treffen. Aus den vom Empfänger erfassten Intensitäten der an den im Gas des Messvolumens enthaltenden Partikeln gestreuten Lichtanteile ist die Partikelkonzentration des Gases ermittelbar, indem beispielsweise das Verhältnis der von der Lichtquelleneinheit ausgesandten Intensität des Lichtes mit der von der Empfängereinheit detektierten Lichtintensität bestimmt wird.
-
Zum Erfassen der Lichtextinktion ist der Empfänger in einer Transmissionsanordnung so angeordnet, dass dieser die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtanteile, die nicht an im Gas enthaltenen Partikeln gestreut wurden, detektiert und ebenfalls beispielsweise aus dem Verhältnis der von der Lichtquelleneinheit ausgesandten Lichtintensität und der von der Empfängereinheit detektierten Lichtintensität die Partikelkonzentration der im Gas enthaltenen Partikel ermittelt.
-
Die Streulichtmesseinheit kann in vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, dass sie es erlaubt die Intensität der an den Partikeln des Gases gestreuten Lichtanteile, unter einem oder mehreren verschiedenen Winkeln zu detektieren.
-
Eine weitere Ausführungsform beinhaltet eine elektrische Messeinheit zur Bestimmung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgasstrahls aus einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, die eine Elektrofiltermesseinheit aufweist mit einer Ladeeinheit, die dazu ausgebildet ist, elektrische Ladungen zu erzeugen und die Partikel des Gases mit den Ladungen zu beaufschlagen, und mit einer Elektrofilteranordnung, welche dazu ausgebildet ist, mit elektrischer Ladung behaftete Partikel anzulagern und einen von den angelagerten elektrischen Ladungen erzeugten elektrischen Strom zu erfassen. In einer beispielhaften Anordnung kann die elektronische Messeinheit eine Sprühelektrode und eine Niederschlagselektrode beinhalten, die so angeordnet sind, dass das Partikel mitführende Gas an den beiden Elektroden vorbei strömt, wobei die Sprühelektrode mit Hochspannung betrieben wird, sodass eine Koronaentladung entsteht, durch welche Gasionen gebildet werden, welche sich an die im Gas enthaltenen Partikel anlagern und diese elektrisch aufladen. Die Niederschlagselektrode kann beispielsweise ein Gitter umfassen, welches stromabwärts der Sprühelektrode angeordnet ist. Die Partikel werden in dem durchströmten Raum zwischen Sprüh- und Niederschlagselektrode, mit der Gasströmungsrichtung, zur Niederschlagselektrode transportiert und dort angelagert. Die Anlagerung der Partikel an die Niederschlagselektrode ergibt sich beispielsweise aus den physikalischen Prinzipien der Diffusion, Ballistik, Thermophorese und, je nach elektrischem Potential der Niederschlagselektrode, aus der Lorenzkraft im elektrischen Feld. Der aus der Anlagerung der Partikel an die Niederschlagselektrode resultierende Strom wird detektiert und daraus kann auf die Partikelkonzentration des Abgases geschlossen werden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Signalauswertungseinheit derart ausgebildet, dass diese anhand von bei mindestens zwei unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren erhaltenen Messsignalen aus einem Referenzkennfeld den von der Partikelgröße abhängigen Korrekturfaktor bzw. die Partikelgröße und anhand der ermittelten Partikelgröße dann den Korrekturfaktor bestimmt. Das Referenzkennfeld gibt für eine Anzahl von jeweils vorgegebenen mittleren Partikelgrößen des Gases das Ausgangssignal der Messeinheit in Abhängigkeit vom Verdünnungsfaktor wieder. Ein optionales zweites Referenzkennfeld gibt zusätzlich den für eine jeweilige Partikelgröße heranzuziehenden Korrekturfaktor an.
-
Das in der Signalauswertungseinheit hinterlegte Referenzkennfeld beinhaltet das Ausgangssignal der Messeinheit und den zur Messung in der Verdünnungseinheit eingestellten Verdünnungsfaktor des Partikel mitführenden Gases und kann zum Beispiel in Form eines Diagramms, mit dem Ausgangssignal der Messeinheit auf einer Achse und dem Verdünnungsfaktor auf der anderen Achse, oder in Form einer Tabelle in der Signalauswertungseinheit hinterlegt sein. Eine Möglichkeit zur Ermittlung des Korrekturfaktors bzw. der Partikelgröße mit Hilfe des Referenzkennfeldes besteht darin, die Partikelkonzentration durch die Messeinheit bei mindestens zwei unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren zu bestimmen, die jeweils erhaltenen Ausgangssignale in das Referenzkennfeld einzutragen und durch eine Gerade, die eine resultierende Steigung besitzt, zu verbinden. Der erhaltenen Steigung lässt sich, zum Beispiel anhand des Referenzkennfeldes, ein bekannter Korrekturfaktor bzw. eine bestimmte Partikelgröße des Gases zuordnen. Die Steigung kann aus dem Verhältnis der Differenz zweier Ausgangssignale zur Differenz der dazugehörigen Verdünnungsfaktoren berechnet werden. Das Bestimmen eines Referenzkennfeldes für die Messeinheit ist später folgend in einem Ausführungsbeispiel genauer erläutert.
-
Der Verdünnungsfaktor beschreibt das Verhältnis, in welchem das Gas zum Ausgangsgasstrom, beispielsweise einem Abgasstrom aus einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, verdünnt wird. Der Verdünnungsfaktor kann dabei einen Wert von 0 bis 1 annehmen, wobei ein Verdünnungsfaktor von 1 dem unverdünnten Abgas entspricht. Denkbar wäre es ebenfalls verschiedene Verdünnungsfaktoren durch Beimischen eines Gases mit bekannter, größerer Partikelkonzentration zu erreichen, wobei der Verdünnungsfaktor in diesem Fall Werte >1 annehmen kann. Das Einstellen von zwei unterschiedlichen Partikelkonzentrationen kann zum Beispiel auf die Art erfolgen, dass zunächst die Partikelkonzentration des unverdünnten, Partikel mitführenden Gases ermittelt und anschließend die Partikelkonzentration erneut bei einem eingestellten Verdünnungsfaktor im Gas bestimmt wird. Der jeweilige Verdünnungsfaktor, bei dem die Partikelkonzentration bestimmt wird, sollte möglichst genau bekannt sein. Um eine gewählte Einstellung eines Verdünnungsfaktors überprüfen zu können, ist es daher vorteilhaft, wenn zusätzlich eine Sensoreinrichtung vorhanden ist, die es gestattet, einen eingestellten Verdünnungsfaktor experimentell zu erfassen. Soweit dem Partikel mitführenden Gas ein Verdünnungsgas beigemischt wird, kann eine solche Sensoreinrichtung einen oder mehrere Massenflusssensoren umfassen, die den Massenfluss des Partikel mitführenden Gases sowie des Verdünnungsgases erfassen, so dass der Verdünnungsfaktor aus dem Verhältnis dieser Massenflüsse ermittelt werden kann. Eine alternative Möglichkeit zur Einstellung unterschiedlicher Verdünnungsfaktoren besteht darin, das Partikel mitführende Gas zu entspannen, so dass die Partikelkonzentration bei jeweils unterschiedlicher Gasdichte erfasst wird. Dann ist es vorteilhaft, den jeweils stromaufwärts und stromabwärts der Entspannung herrschenden Gasdruck zu erfassen, um auf die verschiedenen Verdünnungsfaktoren schließen zu können.
-
Die Signalauswertungseinheit kann beispielsweise in Form eines Computers oder Datenspeichers realisiert sein, in dem das Referenzkennfeld und gegebenenfalls das zusätzliche, zweite Referenzkennfeld zur Ermittlung der Partikelkonzentration aus den Ausgangssignalen der Messeinheit abgelegt ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Messeinheit derart aufgebaut, dass diese mindestens zwei Messvolumina aufweist, in welchen die Partikelkonzentration des Partikel mitführenden Gases zu einem jeweils unterschiedlichen Verdünnungsfaktor einstellbar ist. Dabei kann die Partikelkonzentration des Gases zunächst in der Messeinheit ermittelt, anschließend das Gas (z. B. durch das Beimischen von gefilterter Umgebungsluft) verdünnt und erneut die Partikelkonzentration des Gases durch die Messeinheit bestimmt werden.
-
Eine weitere mögliche Ausführungsform besteht darin, mindestens zwei Messvolumina der Messeinheit entweder in Reihe oder parallel zueinander anzuordnen.
-
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine, mit Hilfe einer Messeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal zu liefern, welches von der Partikelkonzentration des Gases abhängt, aufweisend die folgenden Schritte:
Einstellen zweier voneinander verschiedener Verdünnungsfaktoren; Erfassen des Ausgangssignals, das von der Partikelkonzentration des Gases abhängt, für jeden der eingestellten Verdünnungsfaktoren und bei ansonsten gleich bleibenden Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise dem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine; Bestimmen eines die Partikelgröße berücksichtigenden Korrekturfaktors für die Ausgangssignale aus den bei unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren erfassten Ausgangssignalen; und Korrigieren wenigstens eines der erfassten Ausgangssignale mit Hilfe des bestimmten Korrekturfaktors. Falls gewünscht kann hierbei zusätzlich die mittlere Partikelgröße der im Gas mitgeführten Partikel ermittelt werden.
-
Optional ist es ebenfalls möglich, die Partikelanzahl der im Gas enthaltenen Partikel, mit Hilfe der ermittelten Partikelgröße und Partikelkonzentration, zu bestimmen
-
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Einstellen der Partikelkonzentration des Gases dadurch erreicht, dass dem Gas ein Referenzgas, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, beigemischt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Dichte des Gases zu verändern, indem das Gas, beispielsweise durch eine Vergrößerung des Strömungsvolumens oder eine Pumpe, entspannt wird.
-
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung;
-
2 eine Prinzipskizze eines Referenzdiagramms zur Ermittlung der Partikelgröße bzw. des Korrekturfaktors;
-
3 eine Prinzipskizze eines Referenzdiagramms zur Ermittlung des Korrekturfaktors;
-
4 eine alternative Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung;
-
5 eine weitere alternative Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung; und
-
6 eine weitere alternative Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration eines Abgases, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung.
-
Die schematisch in 1 dargestellte Anordnung zur Ermittlung der Partikelkonzentration umfasst eine Messeinheit 10, mit zwei Messvorrichtungen, die jeweils einem Messvolumen 11a, 11b zugeordnet sind und ein Messsignal liefern, das von der Partikelkonzentration des Partikel mitführenden Gases in dem jeweiligen Messvolumen abhängt. Beide Messvolumina 11a und 11b werden von einem Abgasstrahl 100 durchströmt. Ferner beinhaltet die Anordnung mindestens eine Verdünnungseinheit 12, die derart aufgebaut ist, dass verschiedene Verdünnungsfaktoren (VF) in den durch die Messvolumina 11a und 11b strömenden Abgasteilströmen einstellbar sind. Die verschiedenen Verdünnungsfaktoren (VF) können eingestellt werden, indem beispielsweise Umgebungsluft über eine Düse oder eine Pumpe direkt in das jeweilige Messvolumen 11a, 11b geleitet wird oder Umgebungsluft stromaufwärts des jeweiligen Messvolumens 11a, 11b zu dem Abgasstrahl 100 geleitet wird. Zweckmäßigerweise passiert die Umgebungsluft zum Beispiel einen Filter, um eine möglichst geringe Partikelgröße und -konzentration in der dem jeweiligen Messvolumen zugeführten Luft zu erhalten. Des Weiteren umfasst die Anordnung eine Signalauswertungseinheit 14, welche von der Messeinheit 10 gelieferte Ausgangssignale (MAS) auswertet und daraus einen Korrekturfaktor (KF) für die Ausgangssignale der Messeinheit 10, zur korrekten Bestimmung der Partikelkonzentration, ermittelt. Optional kann die Anordnung ebenfalls mindestens eine Sensoreinheit 15 beinhalten, welche die Massenflüsse des Partikel mitführenden Gases sowie des beigemischten Verdünnungsgases 102 detektiert, um den jeweils eingestellten Verdünnungsfaktor (VF) experimentell zu bestimmen.
-
Die Messeinheit 10 kann dabei aus einer elektrischen oder optischen Messeinheit bestehen und ist typischerweise derart aufgebaut, dass sie die mit den Bezugszeichen 16, 18 und 20 markierten Elemente, Lichtquelleneinheit, Streulichtsensor und/oder Lichtextinktionssensor beinhaltet. Exemplarisch ist in 1 eine optische Messeinheit dargestellt, bei welcher zur Ermittlung der Partikelkonzentration in dem Messvolumen 11b entweder die Streulichtintensität oder auch die Extinktion des Lichtes gemessen werden kann. Die Streulicht- bzw. Lichtextinktionsmessung erfolgt mit einer Lichtquelleneinheit 16, welche Lichtstrahlen orthogonal zur Stromrichtung des Abgasstrahls 100 aussendet. Bei einem Streulichtmessgerät wird dabei von mindestens einem Streulichtsensor 18, der in unterschiedlichen Streuwinkeln zur Lichtquelleneinheit angeordnet ist, die an den Partikeln gestreute Lichtintensität gemessen und daraus auf die Partikelkonzentration geschlossen, wohingegen bei der Lichtextinktionsmessung die transmittierte Lichtintensität, d. h. die Lichtintensität, die nicht an den im Gas enthaltenen Partikeln gestreut wird, von einem Lichtextinktionssensor 20 gemessen wird und ins Verhältnis zur ursprünglich von der Lichtquelleneinheit 16 ausgesandten Lichtintensität gesetzt wird.
-
Zur genaueren Bestimmung der Partikelkonzentration übermittelt die Signalauswertungseinheit 14 einen Korrekturfaktor (KF), wie im folgenden noch erläutert wird. Der Korrekturfaktor (KF) berücksichtigt, dass das Ausgangssignal (MAS) der Messeinheit 10 sensitiv auf die Partikelgröße (PG) ist.
-
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Abgas 100 in zwei Gasanteile, beispielsweise Abgasströme, aufgeteilt in denen gleichzeitig ein Ausgangssignal (MAS) von der Messeinheit 10 in den Messvolumina 11a, b detektiert wird, wobei in dem dargestellten Beispiel der Verdünnungsfaktor (VF) in dem Messvolurrmen 11b geringer ist als. in dem zweiten dargestellten Messvolumen 11a. Weitere Ausgestaltungen dieser exemplarisch dargestellten Anordnung umfassen beispielsweise ein Messgerät mit nur einer einzigen Messanordnung, welches zunächst ein Ausgangssignal in einem der Messvolumen 11a oder 11b und anschließend in dem jeweils anderen Messvolumen detektiert. Dabei sind konstant eingestellte Umgebungsbedingungen erforderlich, wie beispielsweise ein konstanter Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine, die den zu vermessenden Abgasstrahl 100 erzeugt. Des Weiteren kann die Anzahl der Messvolumina und der Aufteilungen des Abgases beliebig erhöht werden, um beispielsweise weitere Ausgangssignale in dem Gas mit unterschiedlich eingestellten Verdünnungsfaktoren (VF) zu erhalten. Zusätzlich ist es möglich die Anzahl der Messeinheiten im Messvolumen zu erhöhen, um die Messgenauigkeit zu verbessern.
-
Die Signalauswertungseinheit 14 kann in Form eines Computers oder Datenspeichers realisiert sein, in dem das Referenzkennfeld 22 beziehungsweise, falls gewünscht, die Referenzkennfelder 22, 24 zur Ermittlung der Partikelkonzentration aus den Ausgangssignalen der Messeinheit 10 abgelegt sind.
-
Der Signalauswertungseinheit 14 ist in dem dargestellten Beispiel zur Ermittlung der Partikelgröße (PG) ein Referenzkennfeld 22 zugeordnet, aus welchem in Abhängigkeit des Ausgangssignals (MAS) und der dazugehörigen Verdünnung die Partikelgröße (PG) ablesbar ist, und ein zusätzliches, zweites Referenzkennfeld 24, in welchem der Korrekturfaktor (KF) für gegebene Partikelgrößen hinterlegt ist. 2 zeigt ein Beispiel für das Referenzkennfeld und 3 zeigt ein Beispiel für das optionale, zweite Referenzkennfeld.
-
Sowohl bei dem in 2 als auch bei dem in 3 dargestellten zweiten Referenzkennfeld handelt es sich um eine schematische Darstellung.
-
Das der Signalauswertungseinheit 14 zugeordnete, zum Beispiel in einem Speicher hinterlegte, Referenzkennfeld 22 wird durch eine Reihe von Referenzmessungen, welche unter definierten Bedingungen und mit Referenzapparaten zur Bestimmung der Massenkonzentration von Partikeln, hauptsächlich unter Laborbedingungen, durchgeführt werden, erhalten. Dazu wird zum Beispiel in einer ersten Messung mit der Messeinheit 10 die Partikelkonzentration eines Gases ermittelt, welches eine bekannte, an einem Prüfstand einstellbare, mittlere Partikelgröße mit vorgegebener Partikelgrößenverteilung besitzt. Bei dieser ersten Messung werden mindestens zwei verschiedene Verdünnungsfaktoren im Gas eingestellt. In einer zweiten Messung wird in einem Gas mit zur ersten Messung identischer Partikelgröße und Verdünnungsfaktoren ebenfalls die Partikelkonzentration ermittelt, wobei dazu ein Referenzgerät benutzt wird, welches einen näherungsweise exakten Wert über die Partikelkonzentration liefert. Die beiden genannten Messungen können grundsätzlich hintereinander erfolgen, werden aber bevorzugt parallel ausgeführt.
-
Als ein solches Referenzgerät kann beispielsweise ein photoakustischer Rußsensor PASS (Photoacoustic Soot Sensor) herangezogen werden, der auf einem photoakustischen Messprinzip basiert. Ein solches Referenzmessgerät ist in der Regel aufwendig und teuer und deshalb für Messungen in Werkstätten ungeeignet. Es werden deshalb andere ”Feld-Messgeräte” verwendet, die zwar auf die Partikelkonzentration empfindlich sind, aber noch Querempfindlichkeiten auf andere Messgrößen, z. B. die Partikelgröße aufweisen. Beispiele dafür sind optische und elektrische Messverfahren, die beispielsweise als Opazimeter oder Elektrofilter ausgeführt werden können.
-
Die auf die beschriebene Weise ermittelten Messwerte aus der Messeinheit 10 und dem Referenzmessgerät werden anschließend in ein Kennfeld eingetragen, welches die anhand der von der Messeinheit gelieferten Ausgangssignale (MAS) und die mit dem Referenzgerät ermittelten Werte der Partikelkonzentration beinhaltet. Durch die erhaltenen mindestens zwei Punkte im Kennfeld kann eine Gerade gelegt werden, die in der Regel durch den Ursprung der Achsen des Kennfeldes verläuft und welche eine bestimmte Steigung besitzt, die der Partikelgröße (PG) des Abgases zugeordnet werden kann. Außerdem lässt sich mit dem Kennfeld ein Korrekturfaktor (KF) ableiten, der aus dem Verhältnis der Partikelgröße, gemessen mit der Messeinheit, zur Partikelgröße, gemessen mit dem Referenzgerät, berechenbar ist.
-
Wiederholungen der beschriebenen Messung für unterschiedliche Partikelgrößen des Abgases liefern eine Anzahl von Geraden, die verschiedene Steigungen in dem Kennfeld besitzen, welche jeweils einer bestimmten Partikelgröße zugeordnet werden können, wobei die Eingangskonzentration der im Gas enthaltenen Partikel bei allen Messungen unverändert bleibt.
-
2 zeigt das Referenzdiagramm 22 zur Ermittlung der Partikelgröße (PG) aus mindestens zwei Ausgangssignalen (MAS) der Messeinheit 10, erhalten bei jeweils unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren (VF) des Gases. Das Referenzdiagramm 22 beinhaltet eine Anzahl von Geraden 26 mit unterschiedlichen Steigungen, erhalten aus der beschriebenen Reihe von Referenzmessungen, wobei jede Gerade einer bestimmten Partikelgröße des Gases zuzuordnen ist.
-
Zur Ermittlung der Partikelgröße werden in einem beliebigen Partikel mitführenden Gas Messwerte 28, 30, die aus mindestens zwei Messungen des Gases mit Hilfe einer beliebigen der genannten Feld-Messgeräte, bei jeweils unterschiedlichem Verdünnungsverhältnis, erhalten werden, in das Referenzdiagramm 22 eingetragen und eine Gerade durch die Messwerte gelegt. Diese Gerade weist eine bestimmte Steigung auf, welche mit den aus den Referenzmessungen bekannten Steigungen verglichen werden kann. Hieraus lässt sich der Korrekturfaktor (KF) für den mit der Messeinheit gemessenen Wert zur Partikelkonzentration unmittelbar bestimmen. Dabei kann man den Korrekturfaktor (KF) beispielsweise anhand der Verhältnisse der Steigung einer Geraden durch Messpunkte bei verschiedenen Verdünnungsfaktoren (VF) zu der entsprechenden Steigung einer Referenzgeraden berechnen, wobei der zu der Referenzgeraden gehörende Korrekturfaktor (KF) natürlich bekannt sein muss. Optional kann aus der Steigung auch eine mittlere Partikelgröße, der in dem Gas mitgeführten Partikel ermittelt werden.
-
Das optional in der Signalauswertungseinheit hinterlegte zweite Referenzkennfeld 24, dargestellt in 3, beinhaltet auf der Ordinate den Korrekturfaktor (KF) zur Korrektur der mit der Messeinheit 10 gemessenen Partikelkonzentration und auf der Abszisse die Partikelgröße (PG), ermittelt aus der Steigung der Geraden, welche die bei unterschiedlichen Verdünnungsfaktoren (VF) erhaltenen Messwerte in dem Referenzdiagramm abbildet. Aus der oben beschriebenen Referenzmessung mit der Messeinheit 10 und dem Referenzgerät kann eine Kurve 32 ermittelt werden, welche den Zusammenhang zwischen dem Korrekturfaktor (KF) und der im Gas enthaltenen Partikelgröße (PG) beschreibt.
-
Zum Ermitteln des Korrekturfaktors kann optional das zweite Referenzkennfeld herangezogen werden. Dabei wird anhand der Partikelgröße 34, ermittelt aus der Steigung des Referenzdiagramms 22, im zweiten Referenzkennfeld 24 der entsprechende Korrekturfaktor (KF) abgelesen.
-
Bei der ermittelten Partikelkonzentration handelt es sich um eine Massenkonzentration der im Gas enthaltenen Partikel, wobei es sich dabei um Rußpartikel handeln kann, insbesondere aus einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Dieselmotors.
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Verdünnungseinheit 12 zwei getrennte Messvolumina 11c und 11d aufweist, welche in Reihe zueinander angeordnet sind. In dem ersten Messvolumen 11c wird zunächst von der Messeinheit 10 die Partikelkonzentration in dem unverdünnten Abgasstrom 100 ermittelt. In dem zweiten Messvolumen wird der Abgasstrom 100 anschließend durch die Verdünnungseinheit 12 um einen bestimmten Verdünnungsfaktor verdünnt, indem vorzugsweise gefilterte Umgebungsluft dem Abgasstrom 100 beigemischt wird. In dem verdünnten Abgasstrom wird anschließend ein zweites Mal, in dem Messvolumen 11d, mit der Messeinheit 10 die Partikelkonzentration bestimmt und die in beiden Messungen erhaltenen Messwerte daraufhin von der Signalauswertungseinheit 14 ausgewertet, wobei die Partikelgröße (PG) und der Korrekturfaktor (KF) für die Partikelkonzentration bestimmt werden. Darüber hinaus ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Messvolumina in Reihe anzuordnen, beziehungsweise mehrere Sensoren einzusetzen, umweitere Ausgangssignale der Messeinheit in verschiedenen Verdünnungsfaktoren des Gases zu erhalten. Analog zu 1 kann die Anordnung ebenfalls eine Sensoreinheit 15 beinhalten, welche die Massenflüsse des Partikel mitführenden Gases sowie des beigemischten Verdünnungsgases 102 detektiert, um den eingestellten Verdünnungsfaktor experimentell zu bestimmen. Des Weiteren kann dem Messvolumen eine vorgegebene Homogenisierungsstrecke vorgeschaltet sein, welche ausreichend lang ist, um eine homogene Vermischung des durch die Verdünnungseinheit 12 zugeführte Verdünnungsgases 102 mit dem Partikel mitführenden Gasstrom zu ermöglichen.
-
Außerdem kann, falls gewünscht, noch eine Konditionierungsstrecke dem Messvolumen vorgeschaltet sein. Eine solche Strecke ist sinnvoll in Anwendungen, in denen (beispielsweise im Abgas von Brennkraftmaschinen bei entsprechendem Betriebspunkt) das Partikel mitführende Gas eine hohe Temperatur aufweist und sich im weiteren Verlauf der Strömung abkühlt, weil bei der Abkühlung Veränderungen der Gaszusammensetzung auftreten können (beispielsweise können sich bestimmte Kondensate bilden). Dies würde die stromabwärts erfolgende Messung stören. Eine Konditionierungsstrecke soll solche Veränderungen verhindern. Die Konditionierungsstrecke kann beispielsweise eine Heizstrecke umfassen, in welcher das Partikel mitführende Gas beheizt wird.
-
Das Verdünnungsverhältnis kann dabei in der Verdünnungseinheit 12 erzeugt werden, indem vorzugsweise gefilterte Umgebungsluft durch ein Gebläse oder eine Pumpe in den Abgasstrahl 100 eingeleitet wird.
-
5 stellt eine weitere Variation der Erfindung dar, wobei das Partikel mitführende Gas ein Messvolumen 11 durchströmt und mit der Messeinheit 10 in einer ersten Messung die Partikelkonzentration in dem Messvolumen 11 bestimmt wird, wobei ein erstes Ausgangssignal geliefert wird. Stromaufwärts des Messvolumens 11 ist eine Verdünnungseinheit 12 angeordnet, mit Hilfe derer das Partikel mitführende Gas nach der erfolgten ersten Messung, in einem bestimmten Verhältnis verdünnt wird. Analog zu 1 und 4 kann die Anordnung ebenfalls eine Sensoreinheit 15 beinhalten, welche die Massenflüsse des Partikel mitführenden Gases sowie des beigemischten Verdünnungsgases 102 detektiert, um den eingestellten Verdünnungsfaktor experimentell zu bestimmen. Anschließend wird erneut die Partikelkonzentration in dem Messvolumen 11 mit der Messeinheit 10 bestimmt, wobei ein zweites Ausgangssignal geliefert wird. Die in der Messeinheit 10 ermittelten Ausgangssignale werden anschließend an die Signalauswertungseinheit übermittelt, um daraus die Partikelgröße und -konzentration des Partikel mitführenden Gases zu ermitteln. Die in 5 exemplarisch dargestellte Anordnung hat den Vorteil, dass lediglich ein Messvolumen und eine Messeinheit benötigt werden, um die Partikelgröße und -konzentration des Gases zu bestimmen. Eine solche Anordnung kann sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden.
-
6 zeigt eine weitere alternative Anordnung zur Bestimmung der Partikelkonzentration eines Partikel mitführenden Gases, wobei das Messvolumen 11 in einer von einem Abgasstrahl 100 abzweigenden Messleitung 13, parallel zum dargestellten Abgasstrahl 100 angeordnet ist. Analog zu 5 ist die Verdünnungseinheit 12 stromaufwärts des Messvolumens 11 angeordnet. Die Partikelkonzentration wird in der in 6 dargestellten Anordnung bestimmt, indem ein Teil des Partikel mitführenden Gases aus einem Abgasstrahl 100 abgezweigt und in die Messleitung 13 geführt wird, die Messeinheit 10 durchströmt und ein erstes Ausgangssignal mit Hilfe der Messeinheit 10 bestimmt wird. Die Verdünnungseinheit 12 verdünnt das Gas anschließend um einen bestimmten Verdünnungsfaktor, indem, durch beispielsweise eine Pumpe oder eine Düse, gefilterte Umgebungsluft dem Gas beigemischt wird. Daraufhin wird ein zweites Ausgangssignal der Messeinheit bestimmt und die ermittelten Ausgangssignale an die Signalauswertungseinheit 14 übermittelt. Die Signalauswertungseinheit 14 bestimmt aus den von der Messeinheit 10 ermittelten Ausgangssignalen (MAS) die Partikelgröße (PG) sowie einen Korrekturfaktor (KF) zur Berechnung der Partikelkonzentration der im Gas enthaltenen Partikel. Des Weiteren kann die in 6 dargestellte Anordnung dahingehend ausgestaltet werden, dass beispielsweise mehrere Messvolumina in der vom Abgasstrahl 100 abgezweigten Messleitung 13 hintereinander angeordnet sind, wobei stromaufwärts an jedem Messvolumen eine Verdünnungseinheit 12 angeordnet ist. Außerdem ist es beispielsweise möglich, mehrere Messleitungen 13 aus dem Abgas 100 abzweigen zu lassen und in den jeweiligen Messleitungen 13 ein Messvolumen 11 und eine Messeinheit 10 sowie eine Verdünnungseinheit 12 anzuordnen. Analog zu 1, 4 und 5 kann die Anordnung ebenfalls eine Sensoreinheit 15 beinhalten, welche die Massenflüsse des Partikel mitführenden Gases sowie des beigemischten Verdünnungsgases 102 detektiert, um den eingestellten Verdünnungsfaktor (VF) experimentell zu bestimmen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2009/0079981 A1 [0003]
