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Die Erfindung betrifft eine Druckentkopplungsvorrichtung für ein Partikelmesssystem sowie ein Verfahren zur Druckentkopplung.
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Zur Emissionsüberwachung von Motoren und Fahrzeugen ist es gesetzliche Vorschrift, die Abgase auf einem Prüfstand oder auch unter realen Bedingungen, z.B. auf der Straße, zu erfassen und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung im Einzelnen zu untersuchen. Dabei sind neben vielfältigen Schadstoffanteilen vor allem auch Feinstaubpartikel von besonderem Interesse. Die Feinstaubpartikel, zum Beispiel auch Nanopartikel, können über die Atmung tief in die Lunge eindringen und zu erheblichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Neben den von Motoren emittierten Partikeln können zukünftig auch Partikelemissionen anderer Komponenten, wie Bremsen- und Reifenabrieb, auf ähnliche Weise reglementiert werden.
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Zum Erfassen der Partikel sind entsprechende Partikelmessgeräte bekannt, die in dafür ausgerüsteten Prüfständen bzw. Messsystemen zum Einsatz kommen.
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Um eine höchstmögliche Messgenauigkeit mit einem derartigen Partikelmessgerät zu erreichen, ist es anzustreben, das Messsystem möglichst frei von Druckänderungen und Schwankungen zu halten bzw. deren Einfluss auf das Messsystem in möglichst starkem Umfang zu dämpfen. Die Druckschwankungen können verschiedene Ursachen haben. So treten Druckänderungen und Druckschwankungen insbesondere im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren prinzipbedingt auf, wodurch sich die Probennahmebedingungen im Abgassystem permanent ändern. Zudem können wechselnde Umgebungsbedingungen (Wetter, Luftdruck, Temperatur, Höhenprofil der Teststrecke etc.) Druckänderungen bewirken.
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Ein steigender Druck im Abgassystem bewirkt, dass mehr Gas in das über eine Probennahmestelle mit dem Abgassystem verbundene Messsystem fließt, als durch den Volumenstrom am eigentlichen Sensor im Partikelmessgerät bzw. auch durch den Messgeräteauslass definiert ist, da ein Druckausgleich zwischen dem Abgassystem und dem Gasvolumen im Messsystem stattfindet. Bei fallendem Druck hingegen strömt entsprechend weniger Gas in das Messsystem ein, als gegebenenfalls gewünscht bzw. am Sensor gemessen.
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Dieser durch den - gegebenenfalls sogar pulsierenden - Druckausgleich bedingte zusätzliche Messgasstrom (Druckausgleichsströmung) im Messsystem verfälscht dementsprechend die eigentliche Messung, da für die Konzentrationsbestimmung lediglich (im Wesentlichen als konstant eingestellte/angenommene) Volumenströme durch den Sensor / im Messsystem berücksichtigt werden, während die zusätzliche, sich unter Umständen permanent ändernde bzw. pulsierende Flussrate des Messsystemeingangs jedoch nicht bekannt ist.
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Neben diesem hergestellten Volumenstrom durch den eigentlichen Sensor der zu messenden Abgaskomponente können im Messsystem auch weitere Stufen wie beispielweise Verdünnungsstufen oder sonstige Komponenten zur Probenkonditionierung vorgesehen sein. Für deren Betrieb müssen im Messsystem wiederum ein oder mehrere interne Flüsse eingestellt werden, welche in ähnlicher Weise durch extern aufgeprägte Druckschwankungen beeinflusst werden können. Dies kann ebenso zu Fehlmessungen führen, da die Positionen, an welchen die jeweiligen Flüsse eingestellt und/oder gemessen werden, meist an Positionen stromab von bzw. nach dem durch die extern verursachten Druckausgleichströmungen beeinflussten Gasvolumen liegen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluss von Druckänderungen und Druckschwankungen auf ein Partikelmesssystem, insbesondere auf die Messungen eines im Partikelmesssystem vorhandenen Sensors möglichst gering zu halten.
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Die Aufgabe wird durch eine Druckentkopplungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Druckentkopplung wird in einem nebengeordneten Anspruch beschrieben.
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Es wird eine Druckentkopplungsvorrichtung für ein Partikelmesssystem angegeben, mit einer Probennahmestelle zum Entnehmen eines Probenvolumenstroms aus einem Messgasstrom, einer stromab von der Probennahmestelle angeordneten Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung, einer stromab von der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung angeordneten Flussteilereinrichtung zum Aufteilen des Probenvolumenstroms in einen Sample-Fluss und in einen Bypass-Fluss, einer Bypass-Fördereinrichtung zum Fördern eines Fördervolumenstroms, der den Bypass-Fluss umfasst und mit einer zwischen der Flussteilereinrichtung und der Bypass-Fördereinrichtung wirkenden Umgebungsluftzuführung zum Zuführen eines Umgebungsluftstroms zu dem Bypass-Fluss, derart, dass damit der Fördervolumenstrom durch den Bypass-Fluss und den Umgebungsluftstrom gebildet wird.
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Die Druckentkopplungsvorrichtung kann demnach zwischen dem Messgasstrom (z.B. dem Gasstrom im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors; typischerweise eine Abgasleitung oder ein Abgas-Verdünnungssystem) und dem Partikelmesssystem bzw. dem eigentlichen Partikelmessgerät (Sensor) angeordnet sein. Weder der Messgasstrom bzw. der Abgasstrang einerseits noch das Partikelmesssystem andererseits sind Teil der Druckentkopplungsvorrichtung. Vielmehr kann die Druckentkopplungsvorrichtung eine eigene Systemgrenze aufweisen bzw. definieren, die diese Komponenten nicht umfasst.
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Der Sample-Fluss kann durch eine folgende Sample-Blende geführt werden und bildet den Probenfluss für das eigentliche Messsystem.
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Mithilfe der Druckentkopplungsvorrichtung ist es möglich, Druckschwankungen, die im Bereich der Probennahmestelle im Probenvolumenstrom - insbesondere aufgrund von Druckschwankungen im Abgasstrang - auftreten, im weiteren Verlauf des Probenvolumenstroms deutlich zu verringern, so dass der von dem Probenvolumenstrom abgezweigte und schließlich dem eigentlichen Partikelmessgerät zugeführte Sample-Fluss nur noch sehr geringe, vernachlässigbare Druckschwankungen aufweist. Dadurch kann die Qualität der Messungen deutlich erhöht werden.
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Die Bypass-Fördereinrichtung, zum Beispiel eine Pumpe, kann einen im Vergleich zum Probenvolumenstrom eher großen Volumenstrom aufweisen bzw. erzeugen und ist an der Probenentnahme saugend angeschlossen. Über die Umgebungsluftzuführung kann auf der Saugseite der Bypass-Fördereinrichtung definiert Umgebungsluft hinzugegeben werden, so dass sich ein einstellbarer Unterdruck ergibt. Hinsichtlich einer als Bypass-Fördereinrichtung dienenden Pumpe ist es anzustreben, dass die Pumpe in einem möglichst flachen Bereich ihres Fördervolumen-Unterdruck-Kennfeldes betrieben wird, so dass Änderungen im ankommenden Volumenstrom nur sehr kleine Druckänderungen bewirken.
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Das gegebenenfalls ein Aerosol-Verdünnungssystem aufweisende Partikelmesssystem ist in dem Bereich zwischen der Probennahmestelle bzw. der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung und der Umgebungsluftzuführung angeschlossen. Zu diesem Zweck ist die Flussteilereinrichtung vorgesehen, um einen (kleinen) Gasfluss als Sample-Fluss für das Partikelmesssystem abzuzweigen.
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Die Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung kann direkt bzw. nahe an der Probennahmestelle angeordnet sein und bewirkt bereits einen ersten Ausgleich bestehender Druckspitzen im Rohabgas, so dass eine Harmonisierung bzw. Vergleichmäßigung der Gasflüsse stromab von der Blende bewirkt wird. Insbesondere im Sample-Fluss kann noch wenigstens eine weitere Blendeneinrichtung vorgesehen sein, wie später noch erläutert wird, um den Grad der Druckentkopplung weiter zu optimieren.
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Die Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung kann eine nur sehr kleine Blendenöffnung aufweisen, die zum Beispiel einen Durchmesser kleiner als 2 mm, insbesondere kleiner als 1 mm, zum Beispiel nur 0,4 mm aufweist. Die Blendenöffnung sollte möglichst klein sein, um eine wirksame Druckentkopplung zu bewirken. Allerdings muss sie immer noch eine ausreichende Größe aufweisen, damit überhaupt noch ein Gasfluss durch die Blende hindurchtreten kann (welcher zudem größer als der Sample-Fluss in das eigentliche Messsystem sein sollte).
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Die Komponenten der Druckentkopplungsvorrichtung können derart gestaltet sein, dass der durch die Bypass-Fördereinrichtung geführte Fördervolumenstrom größer als der Fluss durch die Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung als auch größer als der zum Partikelmessgerät führende Sample-Fluss ist. Hierbei ist ein Faktor von wenigstens 5 bis 10 zweckmäßig. Er wird durch das Zusammenspiel der Flussteilereinrichtung und der stromab gelegenen Unterdruckeinrichtungen bzw. Fördereinrichtungen (Pumpen) bewirkt, die jeweils den Bypass-Fluss (bzw. den Fördervolumenstrom) und den Sample-Fluss erzeugen. Je größer der Anteil des Fördervolumenstroms durch die Bypass-Fördereinrichtung bzw. je kleiner der Anteil des Sample-Flusses ist, desto geringer ist der Einfluss von Druckschwankungen auf den Sample-Fluss, der schließlich dem Partikelmessgerät zugeführt wird.
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Durch die im Verhältnis zum großen Volumenstrom der Bypass-Fördereinrichtung kleine Auslegung der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung - und damit des Blenden-Volumenstroms (Probenvolumenstrom) - führen durch große Druckänderungen implizierte Änderungen des (kleinen) Probenvolumenstromes durch die Blendeneinrichtung lediglich zu sehr kleinen relativen Änderungen des Flusses (Fördervolumenstroms) durch die Bypass-Fördereinrichtung und damit zu geringen Änderungen des durch das Fördervolumen-Unterdruck-Kennfeld gegebenen Gleichgewichtsdrucks.
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Der deutlich größere ergänzende Fluss (Umgebungsluftstrom) der Umgebungsluftzuführung bleibt hierbei weitgehend konstant. Die Umgebungsluftzuführung kann jedoch zusätzlich regelbar sein, um Schwankungen in dem Bypass-Fluss auszugleichen. Die Schwankungen können insbesondere verbliebene Druckschwankungen sein, die bei einer entsprechend schnellen Regelung durch das geregelte Zuführen von Umgebungsluft kompensiert werden können.
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Zu diesem Zweck kann in der Umgebungsluftzuführung ein geregeltes Proportionalventil bzw. eine einstellbare Drosseleinrichtung vorgesehen sein, zum geregelten Zuführen von Umgebungsluft. Des Weiteren kann eine Einrichtung zum Bestimmen des Drucks an einer Stelle nach der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung, sowie eine Regeleinrichtung mit einem Druck-Istwert, einem Sollwert und dem Proportionalventil als Stellgröße vorgesehen sein. Mit Hilfe des Proportionalventils lässt sich so in Verbindung mit der Bypass-Fördereinrichtung ein gewünschter und reproduzierbarer Unterdruck auf der Saugseite der Bypass-Fördereinrichtung einstellen, bzw. auch im angeschlossenen Messsystem.
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Die zugeführte Umgebungsluft führt zudem zu einer Verdünnung dieses Bypass-Flusses an der Stelle der Vereinigung des durch die Druckentkopplungs-Blende, jedoch nicht durch die Sample-Blende in das Messsystem geführten Flusses. Diese Verdünnung hat zudem Vorteile in Bezug auf die weitere Handhabung (Leitungen, Pumpen) dieses Flusses (geringere Temperaturen, verringerte Verschmutzung sowie geringere Kondensationsneigung der entnommenen Abgasprobe).
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Die Bypass-Fördereinrichtung kann als Pumpe ausgebildet sein, insbesondere als kontinuierlich arbeitende Pumpe mit geringen Druckpulsationen wie beispielsweise eine Venturi-Pumpe, eine Drehschieberpumpe oder Ähnliches. Die Pumpe erzeugt den Unterdruck, der zum Erzeugen des Bypass-Flusses benutzt wird.
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Stromauf von der Bypass-Fördereinrichtung kann eine Puffereinrichtung vorgesehen sein. Insbesondere kann die Puffereinrichtung in dem Bypass-Fluss zwischen der Umgebungsluftzuführung und der Bypass-Fördereinrichtung angeordnet sein, um eine weitere Druckvergleichmäßigung zu bewirken. Die Puffereinrichtung kann insbesondere als Puffertank oder Pufferbehälter ausgebildet sein.
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In Bezug auf den Sample-Fluss kann stromab von der Flussteilereinrichtung eine Koppelstelle vorgesehen sein, zum Führen des Sample-Flusses zu dem eigentlichen Partikelmesssystem. Die Koppelstelle soll dabei zumindest lediglich eine (virtuelle) Systemgrenze definieren. Sie muss nicht als eigenständiges Bauelement ausgeführt sein. Wie oben erläutert, stellt das Partikelmesssystem nicht zwingend einen Teil der Druckentkopplungsvorrichtung dar. Andererseits ist aber auch keine räumliche Trennung der Komponenten erforderlich, so dass eine durchgehende Leitung zwischen der Flussteilereinrichtung und der ersten Komponente des Partikelmesssystems vorhanden sein kann. Die (virtuelle) Koppelstelle befindet sich dann in dieser Koppelleitung.
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Die Koppelstelle kann auch physische Eigenschaften ausbilden und z.B. als Leitungselement, Anschlusseinrichtung etc. ausgebildet sein.
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An der Koppelstelle kann ein von dem Partikelmesssystem erzeugbarer Unterdruck anlegbar sein, um den Sample-Fluss zu erzeugen.
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Zu diesem Zweck kann in dem Partikelmesssystem eine Drucksenke bzw. Fördereinrichtung, zum Beispiel in Form einer Pumpe, vorhanden sein, die einen permanenten Unterdruck in dem System erzeugt, wodurch der Sample-Fluss von der Flussteilereinrichtung abgeführt wird.
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In dem Partikelmesssystem (nicht Teil der Druckentkopplungsvorrichtung) kann zum Beispiel eine Verdünnungseinrichtung vorgesehen sein, in der der eintreffende Samplefluss durch das Hinzuführen von Umgebungsluft in üblicher Weise verdünnt wird. Die Verdünnung ist in der Regel erforderlich, da die Partikelkonzentration in dem aus dem Abgasstrang entnommenen Rohgas meist zu hoch ist und damit außerhalb der Messbereiche üblicher Messgeräte liegt.
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Nach der Verdünnung und/oder Konditionierung des Sample-Flusses kann der Sample-Fluss durch das eigentliche Partikelmessgerät (Sensor) geführt werden, in dem die Partikelkonzentration gemessen wird. Das Partikelmessgerät kann in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Es kann sich dabei zum Beispiel um ein Gerät auf Basis eines Kondensationskernzählers handeln (CPC - Condensation Particle Counter). Derartige Partikelmessgeräte werden an Prüfständen in üblicher Weise eingesetzt.
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Zwischen der Flussteilereinrichtung und der Koppelleitung kann eine Sample-Blendeneinrichtung angeordnet sein. Die Sample-Blendeneinrichtung ist somit zusätzlich zu der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung vorgesehen und bewirkt eine weitere Erhöhung des Grades der Druckentkopplung, diesmal alleine im Sample-Fluss.
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Darüber hinaus können generell in den Leitungen weitere Blendeneinrichtungen vorgesehen sein. So ist es auch möglich, dass in dem Partikelmesssystem noch weitere Blendeneinrichtungen, zum Beispiel eine Blende zwischen der Verdünnungsstufe und dem Messgerät vorgesehen ist.
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Es kann eine Temperaturregeleinrichtung vorgesehen sein, zum Regeln der Temperatur von wenigstens einem der Gasflüsse in der Druckentkopplungsvorrichtung auf einem konstanten Niveau. Insbesondere können mit Hilfe der Temperaturregeleinrichtung auch alle Gasflüsse in der gesamten Druckentkopplungsvorrichtung hinsichtlich der Temperatur konstant gehalten werden, was die Genauigkeit der Flüsse erhöht.
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Ein Verfahren zur Druckentkopplung eines Partikelmesssystems weist die Schritte auf:
- - Entnehmen einer Probe aus einem Messgasstrom und Erzeugen eines Probenvolumenstroms;
- - Führen des Probenvolumenstroms durch eine Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung;
- - Aufteilen des Probenvolumenstroms in einen Sample-Fluss und in einen Bypass-Fluss;
- - Zuführen eines Umgebungsluftstroms zu dem Bypass-Fluss und damit Bilden eines Fördervolumenstroms, derart, dass der Fördervolumenstrom größer als der Sample-Fluss und/oder größer als der Probenvolumenstrom ist;
- - Führen des Sample-Flusses zu dem Partikelmesssystem;
- - Verwerfen des Fördervolumenstroms.
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Auch der Bypass-Fluss kann größer als der Sample-Fluss sein. Er kann jedoch auch je nach Betriebsbedingungen sehr klein werden und nahezu Null betragen.
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Zusammengefasst lässt sich die erreichte Güte der Druckentkopplung (entsprechend des Verhältnisses der Druckänderung vor der Druckentkopplungs-Blende zur deutlich abgeschwächten Druckänderung danach) durch folgende drei Effekte zusammenfassen:
- 1. „Projektion“ des sich durch die ursprüngliche Druckänderung vor Druckentkopplungs-Blende ändernden Blenden-Flusses auf einen kleinen Bereich des Fördervolumen-Unterdruck-Kennfeldes der Bypass-Fördereinrichtung (absolute Flussschwankungen durch die Blende sehr klein gegenüber Auslegung der Flüsse im Bypass).
- 2. Diese kleinen absoluten Flussschwankungen durch die Blende führen in Verbindung mit einer im Verhältnis großen Puffereinrichtung zu einem sich zeitlich langsam ändernden Druck nach der Druckentkopplungs-Blende.
- 3. „Aktive Ausregelung“ der verbliebenen Änderungen nach der Druckentkopplungs-Blende durch o.g. Regeleinrichtung.
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Mithilfe der beschriebenen Druckentkopplungsvorrichtung ist es möglich, ein Konzept zur wirksamen Druckentkopplung mit mehreren Maßnahmen zu realisieren. Dabei können Druckschwankungseinflüsse auf die Messung am Messgerät wesentlich reduziert werden. Das Messgerät wird somit von Druckschwankungen in dem Messgasstrom und auch von schwankenden Umgebungsdrücken entkoppelt. Zudem ist es möglich, stets die gleichen für das Messgerät vorteilhaften Absolutdrücke ungeachtet der Probennahmebedingungen sowie des Einsatzortes einzustellen
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So erfolgt eine Entkopplung aufgrund der Wirkung der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung zwischen dem Messgas (Abgas) und dem Einlass in das System. Die Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung weist einen geringen Durchmesser von weniger als 2 mm auf, der zum Beispiel lediglich 0,4 mm betragen kann. Bei Verschmutzungen durch das Rohabgas kann die Blende gereinigt oder ausgetauscht werden bzw. ein Austausch gegen einen anderen Durchmesser die Adaption an spezifische Einsatzbedingungen bzw. Anforderungen erlauben (bspw. Grad der Druckentkopplung vs. Reinigungsintervall).
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Stromab von der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung wird ein kleiner Sample-Fluss in das eigentliche Messsystem geführt, während der (meist) größere Anteil als Bypass-Fluss durch eine Bypass-Fördereinrichtung gefördert und dann verworfen wird. Dabei wird dem Bypass-Fluss Umgebungsluft geregelt zugeführt, um den Gasstrom im Bypass-Fluss weiter zu erhöhen.
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Im Bereich des Sample-Flusses können eine oder mehrere weitere Blendeneinrichtungen vorgesehen sein, die jeweils den Druckschwankungseinfluss auf den Gasstrom verringern. Der Druckeinfluss wird somit durch Kombination von wenigstens einer Blende (ggfs. zwei Blenden, z.B. Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung, Sample-Blendeneinrichtung) sowie im Verhältnis der Flüsse des Sample-Flusses zum Fördervolumenstrom sowie einem zusätzlichen Ergänzungsfluss (Umgebungsluftzuführung) minimiert. Optional lassen sich weitere Druckreduzierungsstufen bestehend aus weiteren Sample-Blenden sowie Bypass-Flüssen realisieren. Auch eine konstante Temperaturregelung der Druckentkopplungsvorrichtung erhöht die Genauigkeit der Flüsse.
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Das hier beschriebene Konzept stellt eine Weiterentwicklung bestehender technischer Lösungen auf dem Gebiet der Partikelmesstechnik dar. Bestehende Lösungen zur Reduzierung des Druckeinflusses setzen meist auf eine mechanische Druckreduktion mittels Überdruckventilen (welche hier neben einer Sicherheitsfunktion die Funktion des kontrollierten Ablassens des hohen Druckes einnehmen) die jedoch Verschmutzung und/oder einem mechanischen Verschleiß aufgrund der im Abgas enthaltenen Partikel unterliegen und dadurch anfällig für Leckagen sind. Auch werden Blenden zur Abschwächung von Druckänderungen angewendet - jedoch ohne die erfindungsgemäße Auslegung des Bypass-Flusses mit geregelter Umgebungsluftzuführung (und damit der erfindungsgemäßen Projektion des sich ändernden Blendenflusses auf einen sehr kleinen Bereich des Fördervolumen-Unterdruck-Kennfeldes sowie aktiver zusätzlicher Ausregelung verbleibender Druckschwankungen).
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Durch die vorliegende Auslegung mit kleiner Druckentkopplungs-Blende und verhältnismäßig großem Fördervolumen-Zweig (mit Bypass-Zweig) kann zudem selbst bei sehr hohen Drücken (mehrere Bar) auf Überdruckventile als Sicherheitselement verzichtet werden, da der trotz sehr hohem Druck kleine Strom durch die Druckentkopplungs-Blende selbst bei ausgeschaltetem System problemlos durch z.B. eine entsprechende Drehschieber- oder Venturi-Pumpe entweichen kann (Beispiel: 5 bar Überdruck bei 200°C ergeben lediglich weniger als 3 Liter/Minute durch eine 0,4 mm Blende).
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Die oben beschriebenen Maßnahmen ermöglichen eine mehrstufige Entkopplung des Sample-Flusses von Druckschwankungen im Abgasstrom, die an der Probennahmestelle anliegen. So ergibt sich eine stationäre Druckentkopplung durch einen Düsen- und Pumpenkennlinieneffekt. Über die Kennlinie der Bypass-Fördereinrichtung erfolgt eine Projektion des sich durch Druckschwankungen ändernden Blendenflusses durch die Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung auf nur noch kleine Änderungen im Systemdruck.
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Zudem wird eine dynamische Druckentkopplung durch einen Düsen- und Volumeneffekt bewirkt. Aufgrund des kleinen Öffnungsdurchmessers der Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung ergibt sich nur ein geringer Fluss, der im Bypass-Systemvolumen durch einen Druckausgleich kompensiert werden muss. Das große Volumen im Bypass-Fluss im Verhältnis zum Sample-Fluss wirkt als dämpfendes bzw. träges Volumen gegen Druckänderungen im Systemdruck. Teile dieses Volumens können bereits durch die Volumina der benötigten Leitungen zur Führung der Ströme im Bypass-Zweig realisiert sein.
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Zusätzlich ergibt sich eine Druckentkopplung durch die Regelung der Umgebungsluftzuführung. Durch die aktive Regelung des Flusses kann der gewünschte Systemdruck zusätzlich eingeregelt werden. Somit können auch langsamer auftretende Änderungen aktiv ausgeregelt werden (je nach Auslegung der Regelstrecke aber ebenso im Zeitbereich <100ms). Zudem erlaubt dieses Konzept eine reproduzierbar gleiche Einregelung des Systemdrucks unabhängig von den Umgebungsbedingungen bzw. Bedingungen an der Probennahmestelle (Abgasrohr) und deren Änderungen. Damit ist eine Verringerung von Reproduzierbarkeitsfehlern an allen Sensoren, insbesondere an dem eigentlichen Partikelmessgerät (CPC), an Massenflussmessgeräten (MFM) und bei Druckmessungen möglich. Sämtliche Sensoren können somit auch im Messbetrieb stets bei Druckbedingungen gleich ihrer ursprünglichen Kalibrierung betrieben werden.
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Die Vorteile und Unterschiede des hier beschriebenen Konzeptes zu bestehenden Lösungen liegen in einer effektiven Reduktion der im Abgas vorherrschenden Überdrücke bzw. Druckschwankungen ohne mechanisch bewegte Teile wie etwa Überdruckventilen. Die Kombination aus Durchflussblenden und einer geeigneten Auswahl der Flussverhältnisse im Sample-Fluss, im Bypass-Fluss sowie weiteren Ergänzungsflüssen minimiert mögliche Druckschwankungen und erlaubt die Entnahme eines Sample-Flusses bei einem definierten und im Wesentlichen konstanten Druck.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Zuhilfenahme der Figur erläutert. Die genannten Werte (Volumenströme, Blendenöffnungen etc.) beziehen sich dabei lediglich auf eine spezielle Ausführungsform. Die Erfindung ist aber auf die Verwirklichung dieser Werte nicht begrenzt. Je nach Dimensionierung der Anlage können auch andere konkrete Werte geeignet sein.
- 1 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Druckentkopplungsvorrichtung.
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Insbesondere zeigt die 1 eine Druckentkopplungsvorrichtung 1, deren Systemgrenze durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
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An einer Probennahmestelle 2 ist die Druckentkopplungsvorrichtung 1 mit einem nicht dargestellten Abgasstrang verbunden, so dass Probenabgas als Messgas in Form eines Probenvolumenstroms 2a entnommen und durch die Druckentkopplungsvorrichtung 1 zu einem Partikelmesssystem 3 geführt werden kann. Im Partikelmesssystem 3 ist, wie später noch erläutert, ein Partikelmessgerät (Sensor) vorgesehen, mit dem die Partikelanzahl/Partikelkonzentration bestimmt werden kann.
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Der durch den Messgasstrom gebildete Probenvolumenstrom 2a wird durch eine als Druckentkopplungs-Blendeneinrichtung dienende Druckentkopplungs-Blende 4 geführt. Die Druckentkopplungs-Blende 4 kann eine sehr kleine Blendenöffnung aufweisen, deren Durchmesser zum Beispiel geringer als 3 mm, insbesondere geringer als 2 mm, insbesondere geringer als 1 mm sein kann. Zum Beispiel hat sich eine Blendenöffnung von 0,4 mm in der Praxis bewährt. Durch die kleine Blendenöffnung der Druckentkopplungs-Blende 4 wird bereits eine erste Druckentkopplung bzw. Minderung von Druckschwankungen im Probenvolumenstrom erreicht.
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Der Probenvolumenstrom 2a durch die Druckentkopplungs-Blende 4 kann im Zusammenhang mit dem gewählten/eingestellten Unterdruck nach Blende zum Beispiel bei einem Wert von 0,3-0,5 l/min liegen.
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Stromab von der Druckentkopplungs-Blende 4 kann eine Druckmesseinrichtung 5 zur Überwachung der Drücke vorgesehen sein.
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Der Probenvolumenstrom 2a gelangt dann zu einer Flussteilereinrichtung 6 (Flusssplitter), in der der Probenvolumenstrom 2a in einen Sample-Fluss 7 und in einen Bypass-Fluss 8 aufgeteilt wird. Der Sample-Fluss 7 wird, wie später noch erläutert wird, zu dem Partikelmesssystem 3 geführt, während der Bypass-Fluss 8 zu einer Erhöhung des gesamten Gasflusses (Probenvolumenstrom 2a) dient, um damit ebenfalls den Einfluss von Druckschwankungen zu verringern.
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Der Bypass-Fluss 8 wird dabei Teil eines Fördervolumenstroms 8a, der durch eine als Bypass-Fördereinrichtung dienende Pumpe 9 erzeugt wird, die den Fördervolumenstrom 8a einschließlich dem Bypass-Fluss 8 schließlich zu einem Auslass 10 fördert, wo er verworfen wird.
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Der Fördervolumenstrom 8a durch die Pumpe 9 soll dabei wesentlich größer als der Probenvolumenstrom 2a und/oder der Sample-Fluss 7 sein, zum Beispiel um den Faktor 5 bis 10 oder mehr. Dementsprechend kann die Pumpe 9 eine Förderleistung im Bereich von zum Beispiel 10 bis 50 l/min, insbesondere 15 bis 20 l/min aufweisen. Der Sample-Fluss 7 kann demgegenüber zum Beispiel weniger als 0,3-0,5 l/min betragen, wobei sich bereits Werte um 0,05 l/min als geeignet erwiesen haben.
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Der Bypass-Fluss 8 kann ebenfalls größer als der Sample-Fluss 7 sein. Es ist aber auch möglich, dass der Bypass-Fluss 8 vor seiner Vereinigung mit dem später noch erläuterten Umgebungsluftstrom und damit Bildung des durch die Pumpe 9 geführten Fördervolumenstroms 8a sehr klein wird und bis zu annähernd Null gehen kann.
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Um einen großen Gasfluss durch die Pumpe 9 zu ermöglichen und damit den Anteil des Sample-Flusses 7 am Gesamtvolumenstrom weiter zu verringern, ist eine Umgebungsluftzuführung 11 vorgesehen, über die Umgebungsluft in Form eines Umgebungsluftstroms 11a zu dem Bypass-Fluss 8 geführt wird, so dass auf diese Weise der Fördervolumenstrom 8a gebildet wird. Der durch die Pumpe 9 geförderte Fördervolumenstrom 8a besteht somit aus dem Bypass-Fluss 8 und dem Umgebungsluftstrom 11a.
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Die Umgebungsluftzuführung 11 kann Filter, Leitungen und Ventile aufweisen, um die Umgebungsluft in geeigneter Weise zuführen zu können. Als „Umgebungsluft“ ist in diesem Zusammenhang nicht nur Luft aus der Atmosphäre zu verstehen, sondern auch geeignete Gase, wie z.B. Stickstoff oder auch Abgas.
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Die Zufuhr von Umgebungsluft sollte geregelt sein, um einen Unterdruck einstellen zu können sowie Schwankungen in dem Bypass-Fluss 8 auszugleichen. Zu diesem Zweck ist in der Umgebungsluftzuführung 11 ein geregeltes Proportionalventil 12 vorgesehen. Als Regelgröße für das Proportionalventil 12 kann ein Druckwert dienen, z.B. aus der Druckmesseinrichtung 5, aus einer Druckmesseinrichtung im eigentlichen Messsystem oder aus einem nicht dargestellten Druckmessgerät im Bypass-Fluss 8.
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Das Proportionalventil 12 ermöglicht zusätzlich eine sehr schnelle aktive Kompensation von Druckschwankungen im Bypass-Fluss 8, was eine weitere Verringerung von Einflüssen von Druckschwankungen in der Druckentkopplungsvorrichtung 1 ermöglicht.
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Zudem kann stromauf von der Pumpe 9 ein als Puffereinrichtung dienender Puffertank 13 vorgesehen sein, der ein gewisses Puffervolumen zur Verfügung stellt. Durch das vergrößerte Volumen wird ebenfalls der Einfluss von Druckschwankungen an der Probennahmestelle 2 verringert.
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Wie oben bereits erläutert, wird der Sample-Fluss 7 zu dem Partikelmesssystem 3 geführt. Er ist erheblich kleiner als der sich aus dem Bypass-Fluss 8 und dem Umgebungsluftstrom 11a zusammensetzende Fördervolumenstrom 8a, der durch die Pumpe 9 gefördert wird.
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Stromab von der Flussteilereinrichtung 6 ist in Bezug auf den Sample-Fluss 7 eine weitere Blende in Form einer Sample-Blende 14 vorgesehen. Die Sample-Blende 14 bewirkt eine weitere Druckentkopplung, so dass der Sample-Fluss 7 stromab von der Sample-Blende 14 nur noch sehr geringe Druckschwankungen erfährt.
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An der Systemgrenze der Druckentkopplungsvorrichtung 1 ist eine virtuelle Koppelstelle 15 definiert, die jedoch in der Praxis keine körperliche Ausprägung haben muss, aber haben kann. Sie soll lediglich zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Druckentkopplungsvorrichtung 1 von dem Partikelmesssystem 3 dienen. Die virtuelle Koppelstelle 15 dient somit auch als virtuelle Schnittstelle zwischen der Druckentkopplungsvorrichtung 1 und dem Partikelmesssystem 3. Der Sample-Gasfluss 7 kann auch direkt von der Sample-Blende 14 in das Partikelmesssystem 3 gelangen.
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Das in 1 gezeigte Partikelmesssystem 3 kann einen an sich bekannten Aufbau aufweisen. Das Partikelmesssystem 3 weist in dem in 1 gezeigten Beispiel eine als Verdünnungseinrichtung dienende Verdünnungsstufe 16 auf. Die Verdünnungsstufe ist erforderlich, um das eintretende Gas im Sample-Fluss derart zu verdünnen, dass es entsprechend dem Messbereich eines Messgeräts messbar ist.
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Zu diesem Zweck ist eine Verdünnungsluftzuführung 17 vorgesehen, mit der Verdünnungsluft (Umgebungsluft, spezielles Gas wie z.B. Stickstoff) zu der Verdünnungsstufe 16 geführt werden kann. Die Verdünnung des Sample-Flusses 7 erfolgt dann in der Verdünnungsstufe 16. Stromab von der Verdünnungsstufe 16 kann eine weitere Blendeneinrichtung 18 vorgesehen sein, die eine weitere Druckentkopplung des Gasstroms bewirkt.
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Stromab von der Blendeneinrichtung 18 ist schließlich das eigentliche Partikelmessgerät 19 (Sensor) angeordnet, durch das der inzwischen mehrfach druckschwankungsentkoppelte Sample-Fluss 7 geführt und gemessen wird. Das Partikelmessgerät 19 ist in üblicher Weise aufgebaut. Es kann sich dabei zum Beispiel um ein Gerät bzw. Sensor auf Basis eines Kondensationskernzählers handeln (CPC - Condensation Particle Counter).
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Aufgrund der verschiedenen oben beschriebenen Maßnahmen ist der Sample-Fluss 7, der durch das Partikelmessgerät 19 geführt wird, weitgehend von Druckschwankungen am Einlass (Probennahmestelle 2) entkoppelt. Seine Druckwerte sind im Wesentlichen konstant, auch wenn an der Einlassseite erhebliche Druckschwankungen anliegen. Dadurch lässt sich die Qualität der Messung durch das Partikelmessgerät 19 deutlich verbessern.
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Zur Generierung des Sample-Flusses 7 ist stromab von dem Partikelmessgerät 19 eine kontinuierlich arbeitende Pumpe 20 mit geringen Druckpulsationen, wie beispielsweise eine Venturi-Pumpe, eine Drehschieberpumpe, o.ä. angeordnet.
