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Die Erfindung betrifft eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Medienstrom. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer derartigen Probenentnahmevorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Mit Abgasnachbehandlungsvorrichtungen werden Verbrennungsgase, nachdem sie den Brennraum oder die Brennkammer einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine verlassen haben, auf mechanischem, oder chemischem Wege gereinigt, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme von Katalysatoren, um so gesetzliche Schadstofflimits einhalten zu können.
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Mit zunehmend strengeren Emissionsgrenzwerten wird es immer wichtiger, die Effizienz von derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtungen zu optimieren. Eine einheitliche und homogene Strömungsverteilung stromaufwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist hierfür eine Voraussetzung.
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Wenn z. B. eine zusätzliche Substanz in ein Rohr der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wie beispielsweise AdBlue für einen aktiven SCR-Katalysator (Selective Catalytic Reduction), eingespritzt wird, ist eine gute Vermischung der zu behandelnden Abgase und der eingespritzten Substanz wichtig.
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Die Mischqualität oder Strömungsverteilung kann im Allgemeinen durch einen Gamma-Wert, der auf einer gewichteten Summe der Abgaszusammensetzungen basiert, beschrieben werden, wobei jeweilige Abgaszusammensetzungen in je einem bestimmten Bruchteil der vollen Rohrquerschnittfläche gemessen werden.
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Zum Messen der Mischqualität oder Strömungsverteilung kann ein Array von Probenentnahmesonden mit einer definierten Verteilung der Probenentnahmesonden über den Querschnitt der Durchflussfläche verwendet werden. Diese Probeentnahmesonden sind in der Regel geometrisch fixiert und die Anzahl der Emissionsmessinstrumente ist in der Regel sehr viel niedriger als die Anzahl der Probenentnahmesonden, sodass eine serielle Probenentnahme erforderlich ist. Mit anderen Worten, es können die Proben nicht alle gleichzeitig entnommen werden, und nach jeder Probenentnahme müssen Messschläuche neu angeordnet werden.
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Dies ist zeitaufwendig und fehleranfällig, da die Messanordnung (Motor, Messgeräte nach jeder Veränderung der Emissionslinien) neu eingestellt werden muss.
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Aus der
DE 10 2007 012 056 A1 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind und die Probenentnahmeelemente eine Öffnungsfläche aufweisen, die mit radialem Abstand von der Längsachse variieren kann.
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Aus der
US 4,442,720 A ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Fluidstrom mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind und die Probenentnahmeelemente eine Öffnungsfläche aufweisen, die mit zunehmenden radialem Abstand von der Längsachse zunehmen.
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Aus der
US 4,547,079 ist eine weitere Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt.
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Aus der
DE 102 03 310 A1 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind und die Probenentnahmeelemente eine Öffnungsfläche aufweisen, die mit radialem Abstand von der Längsachse variieren kann.
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Aus der
US 2005/0087027 A1 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind.
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Aus der
US 4,413,533 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind.
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Aus der
WO 2004/081539 A1 1 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem kohlestaubführenden Medienstrom mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres an einem drehbaren Arm angeordnet sind.
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Aus der
WO 98/10266 A1 ist eine weitere Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem kohlestaubführenden Medienstrom mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres an einem drehbaren Arm angeordnet sind.
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Aus der
DE 26 31 316 A1 ist eine weitere Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem kohlestaubführenden Medienstrom mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen bekannt. Die Probenentnahmeelemente sind in einem mediumführenden Rohr angeordnet, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres an einem schwenkbarenbaren Arm angeordnet sind.
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Aus der
DE 25 08 340 A1 ist eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem gasförmigen Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einem Probenentnahmeelement bekannt, dass in radialer Richtung verfahrbar gelagert ist.
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Aus der
DE 38 03 352 A1 ist eine weitere Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Medienstrom mit einem Probenentnahmeelement bekannt.
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Es besteht daher Bedarf, Wege aufzuzeigen, wie der Zeitaufwand und die Fehleranfälligkeit für das Erfassen der Mischqualität oder Strömungsverteilung reduziert werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Probenentnahmevorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Medienstrom mit einer Mehrzahl von Probenentnahmeelementen, wobei die Probenentnahmeelemente in einem mediumführenden Rohr angeordnet sind, wobei die Probenentnahmeelemente in radialer Richtung des Rohres angeordnet sind, deren Erstreckungsachse mit der Längsachse des Rohres zusammenfällt. Bei dem Medienstrom kann es sich um einen gasförmigen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Dabei streckt sich die radiale Richtung des Rohres unter einem Winkel zur Längsachse des Rohres. Durch die Mehrzahl von Probenentnahmeelementen, die zur gleichzeitigen Probenentnahme ausgebildet sind, ist es möglich, ohne manuellen Eingriff Messungen in schneller Reihenfolge durchzuführen. Dies reduziert den Zeitbedarf für das Erfassen der Mischqualität oder Strömungsverteilung und verringert zugleich die Fehleranfälligkeit, da keine Fehler nach sich ziehende manuelle Eingriffe mehr erforderlich sind.
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Die Probenentnahmeelemente weisen jeweils eine Öffnungsfläche auf, deren Größen mit zunehmendem radialem Abstand von der Längsachse zunehmen, und/oder wobei die Probenentnahmeelemente je nach Anwendung verschiedene Geometrien aufweisen können.
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Das Rohr weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Hierdurch kann die Probenentnahmevorrichtung einen besonders einfachen Aufbau aufweisen.
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Die Probenentnahmeelemente sind an einer Welle drehbar gelagert. So können auf einfache Weise die Positionen der Probenentnahmeelemente verändert werden und Messdaten über die Strömungsverteilung an verschiedenen Positionen im Rohr gewonnen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Welle um –180° bis +180° drehbar. Hierdurch kann die Probenentnahmevorrichtung einen besonders einfachen Aufbau aufweisen, da Messleitungen, die die Probenentnahmeelemente mit einem Analysegerät verbinden, nur für eine 360°-Drehung, aber nicht für mehrfache, volle Umdrehungen, ausgebildet sein müssen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Welle mit einem Antrieb kräfteübertragend verbunden. Hierdurch können durch Aktivieren des Antriebs die Positionen der Probenentnahmeelemente automatisch verändert werden, sodass kein Fehler nach sich ziehender manueller Eingriff nötig/möglich ist, sondern eine Probenentnahme an verschiedenen Positionen automatisch erfolgen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Welle und dem Antrieb ein Getriebe vorgesehen. Mit dem Getriebe kann eine Drehzahl des Antriebs herab- oder heraufgesetzt werden, um die Positionen der Probenentnahmeelemente mit einer gewünschten Geschwindigkeit zu verändern und/oder die Präzision der Positionierung der Probenentnahme im Rohr zu verbessern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Getriebe ein Kegelradgetriebe auf. Unter einem Kegelradgetriebe wird eine Getriebebauform verstanden, bei der die An- und Abtriebswellen winkelig zueinander angeordnet sind, wobei deren Achsen einen gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen. Mit einem derartigen Kegelradgetriebe wird es möglich, den Antrieb außerhalb des Rohres anzuordnen, so dass der Antrieb nicht vor der Medienströmung, wie heißen Abgasen, geschützt werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Getriebe ein Schneckenradgetriebe auf.
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Ferner gehören zur Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einer derartigen Probenentnahmevorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 Probenentnahmepositioniervorrichtung im Zusammenhang mit einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die 1 zeigt eine Probenentnahmevorrichtung 2 zur Entnahme von Proben aus einem Medienstrom einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, z. B. durch Reduzierung von Stickoxiden (NOx). Hierzu weist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen SCR-Katalysator (nicht dargestellt) auf, in den eine wässrige Harnstofflösung, wie z. B. AdBlue, eingespritzt wird. Alternativ kann die Probenentnahmevorrichtung 2 auch Teil eines Messstandes sein, der dazu dient, Konstruktions- und/oder Simulationsergebnisse experimentell zu überprüfen.
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Zur simultanen Entnahme einer Mehrzahl von Proben weist die Probenentnahmevorrichtung 2 eine Mehrzahl von Probenentnahmeelementen 4a, 4b, 4c, 4d auf, die als Messsonden ausgebildet sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Probeentnahmevorrichtung 2 vier Probenentnahmeelementen 4a, 4b, 4c, 4d auf.
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Die Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d sind in einem Rohr 6 angeordnet, durch das das Medium, d. h. die Abgase der Brennkraftmaschine, strömen. Dabei weist das Rohr 6 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Neben den Probenentnahmeelementen 4a, 4b, 4c, 4d ist in dem Rohr 6 eine Welle 8 angeordnet, deren Erstreckungsachse mit der Längsachse L des Rohres 6 zusammenfällt.
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Die Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d, sind nebeneinander und aneinander grenzend befestigt, im vorliegenden Ausführungsbespiel an einem propellerförmig ausgebildeten Arm 22. Der Arm 22 erstreckt sich in radialer Richtung R des Rohres 6 und ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im rechten Winkel zu der Längsachse L angeordnet.
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Die Welle 8 ist über ein Getriebe 12, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kegelradgetriebe aufweist, mit einem Antrieb 10 antriebskräfteübertragend verbunden, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Elektromotor ist.
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Dabei verbindet das das Kegelradgetriebe aufweisende Getriebe 12 die Welle 8 winklig mit einer Abtriebswelle 16 des Antriebs 10, sodass der Antrieb 10 außerhalb des Rohres 6 liegt.
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Mit einer Steuerung 18 kann der Antrieb 10 aktiviert werden, sodass die Welle 8 und damit die drehfest mit der Welle 8 verbundenen Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d um –180° bis +180° verdreht werden können.
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Jede der Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d ist über eine jeweilige medienführende Messleitung 14a, 14b, 14c, 14d mit einem jeweiligen Probenentnahmeanschluss 20a, 20b, 20c, 20d verbunden, an die ein Analysegerät (nicht dargestellt) zur Analyse der lokalen Zusammensetzung des Mediums angeschlossen ist.
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Jede der Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine unterschiedliche Öffnungsfläche auf. Dabei sind die Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d in radialer Richtung R des Rohres 6 nebeneinander angeordnet, wobei mit zunehmendem Abstand von der Längsachse L die Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d jeweils zunehmende Öffnungsflächen aufweisen.
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So wird die zum Rand der Rohres 6 abnehmende Strömungsgeschwindigkeit des Mediums kompensiert, sodass in einem Messzeitintervall jedes der Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d die gleiche Probenmenge dem Medienstrom entnimmt. Somit wird eine anschließende Auswertung der Messergebnisse vereinfacht.
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Im Betrieb wird an einer erste Position, die durch eine Winkelstellung im Bereich zwischen –180° und +180° gekennzeichnet ist, ein erster Probenentnahmeschritt durchgeführt und die mit den jeweiligen Probenentnahmeelement 4a, 4b, 4c, 4d entnommene Probe über die jeweilige Messleitung 14a, 14b, 14c, 14d dem jeweiligen Probenentnahmeanschluss 20a, 20b, 20c, 20d zugeführt.
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Anschließend wird von der Steuerung der Antrieb 10 aktiviert, um die Probenentnahmeelemente 4a, 4b, 4c, 4d in eine zweite Position mit einer anderen Winkelstellung im Bereich zwischen –180° und +180° zu bringen. Es wird dann ein weiterer Probenentnahmeschritt durchgeführt und die mit den jeweiligen Probenentnahmeelement 4a, 4b, 4c, 4d entnommene Probe über die jeweilige Messleitung 14a, 14b, 14c, 14d dem jeweiligen Probenentnahmeanschluss 20a, 20b, 20c, 20d zugeführt.
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Somit können mit der Probenentnahmevorrichtung 2 ohne manuellen Eingriff gleichzeitige Probenentnahmen in schneller Reihenfolge durchgeführt werden, was den Zeitbedarf für das Erfassen der Mischqualität oder Strömungsverteilung reduziert und zugleich die Fehleranfälligkeit verringert, da keine Fehler nach sich ziehende manuelle Eingriffe mehr erforderlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Probenentnahmevorrichtung
- 4a
- Probenentnahmeelement
- 4b
- Probenentnahmeelement
- 4c
- Probenentnahmeelement
- 4d
- Probenentnahmeelement
- 6
- Rohr
- 8
- Welle
- 10
- Antrieb
- 12
- Getriebe
- 14a
- Messleitung
- 14b
- Messleitung
- 14c
- Messleitung
- 14d
- Messleitung
- 16
- Abtriebswelle
- 18
- Steuerung
- 20a
- Probenentnahmeanschluss
- 20b
- Probenentnahmeanschluss
- 20c
- Probenentnahmeanschluss
- 20d
- Probenentnahmeanschluss
- 22
- Arm
- L
- Längsachse
- R
- radiale Richtung
