DE102018115734A1

DE102018115734A1 - Messsondenadapter

Info

Publication number: DE102018115734A1
Application number: DE102018115734.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Meisenberg; Michael Rupp; Verena Huth; Daniel Guillermo Melian Esser; Thomas Bracht
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; FEV Group GmbH
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Ein Messsondenadapter 20 für den Einbau in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine misst chemische oder physikalische Bedingungen im Abgas. Dabei ist eine Messsonde 30 im Abgasstrom angeordnet, automatisch angetrieben und zweidimensional bewegbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messsondenadapter, eine Messanordnung und ein Verfahren zum Aufnehmen von Messwerten, um chemische und/oder physikalische Bedingungen in Abgas zu messen.
Es ist bekannt, dass bei Verbrennungsmotoren der NOx-Anteil in einer Abgasnachbereitung gesenkt werden muss, wie dies durch die Zugabe von Harnstoff in Verbindung mit einem SCR-Katalysator möglich ist. Zur Überprüfung der NOx-Reduktion oder anderer Einflussfaktoren auf das Abgas können Messungen gefordert sein, die nicht nur summarisch einen Mittelwert des Abgases bilden, sondern die Messsonden aufweisen, die punktgenau im Abgasstrom positioniert werden, so dass innerhalb des Strömungsprofils des Abgases positionsabhängig eine Verteilung bzw. ein Zustand ermittelt werden kann. Hierzu ist bekannt, dass in Messapparaturen die Messsonden manuell positioniert werden können und nach jeder Positionierung wird dann eine Messung durchgeführt. Ferner sind Messapparaturen bekannt, die eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, um so parallel, also zeitgleich, ein Profil des Abgasstroms zu ermitteln. Diese letzten Messapparaturen sind konstruktiv aufwendig und/oder werden u.a. aus Platzgründen an einem offenen Ende des Abgasstrangs eingesetzt. Die manuelle Positionierung ist personalintensiv und zeitlich aufwendig und es bestehen Ungenauigkeiten in der Reproduzierbarkeit der Positionierung. Wenn die Messapparatur unmittelbar hinter dem Katalysator positioniert werden soll, so muss zudem abhängig von der Form des Katalysators eine individuelle Messapparatur gebaut werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vereinfachten universell einsetzbaren Messsondenadapter bereitzustellen. Dieser soll eine Flexibilität des Einsatzes bei unterschiedlichen Querschnittsgrößen und -geometrien des Abgaskanals haben. Ferner soll die Verwendung des Adapters einfach, schnell montierbar, kostengünstig sein und reproduzierbar verlässliche Messergebnisse liefern. Diese Aufgabe wird mit den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Messsondenadapter für den Einbau in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, um chemische oder physikalische Bedingungen im Abgasstrang zu messen, umfasst einen vom Abgas durchströmbaren Prüfraum, in dem eine Messsonde, und insbesondere deren Ende, zweidimensional bewegbar ist und für diese Bewegung ist ein Antrieb vorgesehen. Dieser Antrieb kann antreibbar sein. Dies kann durch eine motorisch (z.B. elektrisch, hydraulisch, pneumatisch) angetriebene Vorrichtung ausgebildet werden. Ein „Handantrieb“ wird bevorzugt nicht als ein „Antrieb“ verstanden. Insbesondere ist das Ende der Messsonde in der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung zweidimensional bewegbar. Durch den automatischen Antrieb können unterschiedliche Stellen des Prüfraums reproduzierbar angefahren werden. Und ohne Personaleinsatz kann eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden.
Insbesondere ist der Prüfraum von einem Gehäuse umgeben und der Antrieb befindet sich außerhalb des Gehäuses. Zudem oder alternativ kann die Sonde an einem Lagerpunkt relativ zum Gehäuse schwenkbar sein und relativ zum Lagerpunkt lateral verschiebbar sein. Dadurch ist das Ende der Messsonde zweidimensional im Abgasstrom bewegbar. Dabei ist der Antrieb nicht den hohen Abgastemperaturen ausgesetzt und es muss praktisch nur ein Punkt, nämlich der Lagerpunkt, der als eine Bronzebuchse ausgeführt sein kann, abgedichtet werden. Dies ist technisch einfach möglich.
Insbesondere können zwei unabhängig ansteuerbare Antriebe vorgesehen sein, um die zweidimensionale Verschiebbarkeit des Endes der Sonde relativ zu dem Gehäuse zu erzielen. Dabei können zwei Linearantriebe, insbesondere schrittmotorgesteuert, vorgesehen sein, um die Sonde relativ zum Gehäuse zu verschieben und schwenken. Andere Antriebe, wie z.B. eine Drehvorrichtung, die den Lagerpunkt, wie z.B. die Bronzebuchse, antreibt und verbunden mit einem Linearantrieb, der die Lage der Sonde relativ zum Lagerpunkt bestimmt, sind ebenfalls möglich.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn messsondeneingangsseitig ein erster Anschlussbereich zur Verbindung mit dem Abgassystem vorgesehen ist. Auch kann bevorzugt messsondenausgangsseitig ein zweiter Anschlussbereich vorgesehen sein. Messsondenausgangsseitig können weitere Komponenten des Abgassystems angeordnet sein, wie z.B. eine Abgasrückführung, ein weiterer Katalysator o.ä. Durch die beiden Anschlussbereiche wird es ermöglicht, den Messsondenadapter an beliebige Stellen in das Abgassystem zu integrieren, ohne dessen Funktion merklich zu beeinflussen. Der oder die Anschlussbereiche umfassen eine Adapterplatte und es ist insbesondere über einen Austausch der Adapterplatte(n) möglich, unterschiedliche Anschlussbereiche mit dem Grundkörper des Messondenadapters zu verwenden. Die Begriffe „messsondeneingangsseitig“ und „messsondenausgangsseitig“ beziehen sich auf den Abgasstrom. Die Rohrführungen des Abgases können unterschiedliche Durchmesser aufweisen. So wird auf diese Weise die Flexibilität erhöht. Dies gilt insbesondere auch, wenn der Messsondenadapter unmittelbar hinter einem Katalysator angeordnet sein soll, da Katalysatoren häufig nicht-runde Querschnittsgeometrien aufweisen. Durch die Formen des Anschlussbereichs kann die Geometrie des Katalysators und/oder Fließquerschnitts nachgebildet werden.
Insbesondere entspricht dabei die Größe der Grundfläche der Adapterplatte mindestens dem doppelten, bevorzugt mindestens dem vierfachen des Strömungsquerschnitts des Abgases im Anschlussbereich. Dies bedeutet, dass bei manchen Anwendungsfällen kleine Strömungsquerschnitte vorhanden sein können und in anderen Anwendungen vielfach größere.
Beispielsweise kann die Messsonde rohrförmig sein, so dass über sie ein Teil des Abgasstroms ableitbar ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann an der Messsonde zumindest ein Sensor angeordnet sein.
Eine Messanordnung kann einen Verbrennungsmotor umfassen und einen entsprechenden Messsondenadapter, der in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors integriert ist, und abstromseitig von dem Messsondenadapter kann eine Komponente des Abgassystems, wie insbesondere ein Katalysator, eine Abgasrückführung oder ein Abgasturbolader angeordnet sein. Bei herkömmlich bekannten Messanordnungen hingegen ist häufig nur eine Messung an einem offenen Ende möglich. Dies bedeutet insbesondere, dass diese Messanordnung an einem Auslass des Abgassystems angeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Messanordnung ist es hingegen möglich, den Messsondenadapter in das Abgassystem zu integrieren. So werden keine verfälschten Messergebnisse erzielt. Insbesondere bedeutet dies, dass der Messsondenadapter an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen verwendet werden kann.
In einem entsprechenden Verfahren werden chemische oder physikalische Bedingungen im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine automatisch aufgenommen. Dabei bewegt ein automatischer Antrieb einen Messkopf einer Messsonde an unterschiedliche Messpunkte innerhalb des Abgasstrangs, an denen die Messsonde jeweils entweder einen Messwert aufnimmt und/oder einen Anteil des Abgases aus dem Abgasstrang ableitet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Abgasstrangs,
2 einen Messsondenadapter verbunden mit einem als Lineartisch ausgestalteten Antrieb,
3 eine seitliche Ansicht des Messsondenadapters und
4 eine Darstellung von gewonnenen Messergebnissen.

1 zeigt den abgasseitigen Teil einer Turbine eines Abgasturboladers 10, bei dem von der linken Seite Abgas zugeführt wird. Nach dem Verlassen der Turbine wird dem Abgas Harnstoff, wie bspw. AdBlue, zugeführt und nachfolgend zu einem Katalysator 14 geleitet, der beispielhaft als ein SCR (selective catalyst reduction) ausgeführt ist. Selbstverständlich sind andere Katalystoren, wie insbesondere DOC, LNT, DPF, SCRF, SCR, TWC verwendbar. Nachfolgend ist ein Messsondenadapter 20 angeordnet. In dessen Anschluss ist in 1 keine weitere Komponente dargestellt. Bevorzugt können hier weitere Komponenten angeordnet sein, wie ein weiterer Katalysator, eine Abgasrückführung, Rohrführungen oder ähnliches. Der Messsondenadapter 20 kann also in ein bestehendes Abgassystem integriert werden, ohne dass Komponenten davon entfernt oder abgeschaltet werden müssen. Dadurch wird die Performance des Abgassystems nur minimalst beeinflusst.
Der Messsondenadapter 20 ist in 2 mit einer enthaltenen Messsonde 30 und einem Antrieb 50 in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Über den Antrieb 50 kann die Messsonde und insbesondere ein freies Ende 31 der Messsonde 30 bewegt werden. Der Antrieb 50 ist hier beispielhaft als ein Lineartisch ausgeführt. Über den Antrieb 50 ist es möglich, einen unmittelbar oder mittelbar an der Messsonde 30 befindlichen Koppelpunkt 66 zweidimensional zu bewegen. Die Messsonde 30 ist an einem Lagerpunkt 22 schwenkbar und lateral verschieblich gelagert. Dieser Lagerpunkt 22 ist bevorzugt ortsfest an dem Gehäuse des Messondenadapters 20 angeordnet. Hierdurch wird durch eine Bewegung des Koppelpunkts 66, an dem die Messsonde 30 schwenkbar gelagert ist, eine entsprechende Bewegung des Endes 31 der Messsonde 30 bewirkt. Über den Antrieb 50 kann das Messsondenende 31 also jeden Punkt im Prüfraum 25 anfahren.
Der Antrieb 50 ist als ein Lineartisch ausgeführt mit zwei Drehspindeln 52, die jeweils an einem Ende über einen (elektrischen) Motor 52 angetrieben werden und wobei das andere Ende ortsfest gelagert ist. Entsprechend können auch Synchronriementriebe oder sonstige Arten von (z.B.Linear-)Trieben verwendet werden. Über die Drehspindeln 54 sind zwei Schlitten 56 gelagert, die ihrerseits eine weitere Drehspindel 64 lagern. Über das Gewinde der Drehspindel 66 ist der Koppelpunkt 66 gelagert. So lässt sich der Koppelpunkt 66 über einen Antrieb der Motoren 52 und 62 beliebig im zwischen den Drehspindeln 54 aufgespannten Raum bewegen. Alternativ zu dem gezeigten Lineartisch sind beliebige Antriebe (z.B. elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch) für die Ausrichtung der Messsonde 30 möglich.
Gemäß 3 ergibt sich ein freier Prüfraum 25 zwischen den Seitenelementen 21 des Messsondenadapters 20, in dem das Ende 31 der Messsonde 30 beweglich ist. Außenseitig ist an den Seitenelementen 21 jeweils ein Anschlussbereich 70 und 80 vorgesehen, an dem bspw. über einen Flansch der Messsondenadapter 20 luftdicht in das Abgassystem integriert werden kann. Die Anschlussbereiche 70 und 80 sind nicht unmittelbar an den Seitenelementen 21 befestigt, sondern jeweils über eine Adapterplatte 71 und 81. Dies ermöglicht, dass für den Messsondenadapter 20 unterschiedliche Adapterplatten mit unterschiedlichen Anschlussbereichen hergestellt werden kann, wobei die Anschlussbereiche für unterschiedliche Motoren bzw. Abgasanlagen angepasst sein können und hierüber kann der Messsondenadapter 20 folglich an unterschiedlichen Motoren und vor allem mit unterschiedlichen Abgasanlagen betrieben werden.
Im Zuge der Abgasaufbereitung ist es eine wesentliche Aufgabe den NOx-Anteil im Abgas zu reduzieren. Hierfür ist es üblich, Harnstoff, wie z.B. AdBlue, in den Abgasstrom einzuleiten. Ein wesentlicher Einsatzbereich der Erfindung ist es, zu überprüfen, ob die Reduzierung des NOx ausreichend funktioniert hat. Hierfür kann bspw. über die Messsonde 20 ein Abgasanteil abgeleitet werden und auf seinen NOx-Anteil überprüft werden. Andere Gase oder Partikel können entsprechend gemessen werden. Wenn die Messsonde 30 und insbesondere deren Ende 31 an unterschiedlichen Punkten innerhalb des Abgasstroms positioniert worden ist, ergibt sich das in 4 gezeigte Verteilungsdiagramm. Wenn sich hieraus ergibt, dass an manchen Zonen des Querschnitts des Abgasstroms die NOx-Reduktion nicht ausreichend durchgeführt wurde, wird erkannt, dass ein Optimierungsbedarf besteht. Die kleinen dunklen Punkte sind die Messpositionen und das umgebende Feld wurde aus den Messwerten interpoliert. Und entsprechend kann die Harnstoffeinspeisung, die Rohrführung und/oder der SCR-Katalysator 14 entsprechend konstruktiv und/oder die Ansteuerung verändert werden. Die vorliegende Erfindung gilt als ein Werkzeug, mit dem mit einer rohrförmigen Messsonde an praktisch beliebiger Stelle des Abgasstrangs Messproben abgeleitet werden können. So kann das Abgas auf beliebige Stoffe überprüft werden. Alternativ kann die Messsonde 30 mit Sensoren ausgestattet sein die ihrerseits unmittelbar im Abgasstrom Messwerte erzeugen. Neben chemischen Verbindungen und deren Anteil zählen dazu auch Messwerte über Druck, Temperatur, Strömungsgeschwindigkeit o.ä.
Bezugszeichenliste

10: Abgasturbolader
14: Katalysator z.B. SCR
20: Messsondenadapter
21: Seitenelement
22: Lagerpunkt
25: Prüfraum
30: Messsonde
31: Ende der Messsonde
50: Antrieb, Lineartisch
52, 62: Motor
54, 64: Drehspindel, Gewindespindel
56: Schlitten
66: Koppelpunkt
70, 80: Anschlussbereich
71, 81: Adapterplatte

Claims

Messsondenadapter (20) für den Einbau in den Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, um chemische oder physikalische Bedingungen im Abgasstrang zu messen, umfassend einen vom Abgas durchströmbaren Prüfraum, in dem eine Messsonde (30), und insbesondere deren Ende (31), im Abgasstrom zweidimensional bewegbar ist und für diese Bewegung ein Antrieb (50) vorgesehen ist.
Messsondenadapter (20) gemäß Anspruch 1, wobei der Prüfraum (25) von einem Gehäuse umgeben ist und der Antrieb (50) sich außerhalb des Gehäuses befindet und die Sonde an einem Lagerpunkt (22) relativ zum Gehäuse schwenkbar ist und relativ zum Lagerpunkt (22) lateral verschiebbar ist, so dass dadurch das Ende (31) der Messsonde (30) zweidimensional im Abgas bewegbar ist.
Messsondenadapter (20) gemäß Anspruch 2, wobei zwei unabhängig ansteuerbare Antriebe (52, 62) vorgesehen sind, um die zweidimensionale Verschiebbarkeit des Endes der Sonde relativ zu dem Gehäuse zu erzielen.
Messsondenadapter (20) gemäß Anspruch 3, wobei zwei Linearantriebe, insbesondere schrittmotorgesteuert, vorgesehen sind, um die Sonde relativ zum Gehäuse zu verschieben und schwenken.
Messsondenadapter (20) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei messsondeneingangsseitig ein erster Anschlussbereich (70) zur Verbindung mit dem Abgassystem vorgesehen ist und bevorzugt messsondenausgangsseitig ein zweiter Anschlussbereich (80) vorgesehen ist, und der oder die Anschlussbereiche (70, 80) eine Adapterplatte (71, 81) umfassen und es insbesondere über einen Austausch der Adapterplatte(n) (71, 81) möglich ist, unterschiedliche Anschlussbereiche mit dem Grundkörper des Messondenadapters (20) zu verwenden.
Messsondenadapter (20) gemäß Anspruch 5, wobei die Größe der Grundfläche der Adapterplatte (71, 81) mindestens dem doppelten, bevorzugt mindestens dem vierfachen des Strömungsquerschnitts des Abgases im Anschlussbereich (70, 80) entspricht.
Messsondenadapter (20) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Messsonde (30) rohrförmig ist, so dass über sie ein Teil des Abgasstroms ableitbar ist.
Messsondenadapter (20) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an der Messsonde (30) zumindest ein Sensor angeordnet ist.
Messanordnung mit einem Verbrennungsmotor und mit einem Messsondenadapter (20) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Messsondenadapter (20) in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors integriert und abstromseitig von dem Messsondenadapter (20) eine Komponente des Abgassystems, wie insbesondere ein Katalysator, eine Abgasrückführung oder Abgasturbolader angeordnet ist.
Verfahren zum automatischen Aufnehmen von Messwerten über chemische oder physikalische Bedingungen im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, wobei ein automatischer Antrieb sequentiell einen Messkopf einer Messsonde an unterschiedliche Messpunkte innerhalb des Abgasstrangs bewegt, an denen die Messsonde jeweils entweder einen Messwert aufnimmt und/oder einen Anteil des Abgases aus dem Abgasstrang ableitet.