-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Stand der Technik
-
Abgasmassenstrom aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen enthält Rußpartikel und längerkettige Kohlenwasserstoffe, welche eine Versottung begünstigen.
Eine Kenntnis der Abgasmassenstromzusammensetzung ermöglicht sowohl Maßnahmen zu deren gezielter Beeinflussung als auch eine belastbare Simulation der Abgaszusammensetzung und der auftretenden Effekte entlang des weiteren Weges des Abgasmassenstromes.
-
Eine Messung versottungsrelevanter Bestandteile im Abgasmassenstrom, insbesondere langkettiger Kohlenwasserstoffe, ist mittels einer Konzentrationsmessung in der Gasphase aufgrund zu geringer Empfindlichkeit handelsüblicher Geräte nur eingeschränkt möglich.
-
Eine genaue Zuordnung zu bestimmten Substanzen mit entsprechendem Siedeverlauf ist mittels eines Massenspektrometers aufgrund der großen Anzahl von Isomeren bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen derzeit nur bedingt möglich.
-
Werden Proben an herkömmlichen Filtern, beispielsweise Glasfaserfilter, abgeschieden, so muss der Abgasmassenstrom zuvor stark abgekühlt werden, folglich lagern sich die gesuchten Substanzen zu einem größeren Teil bereits deutlich vor dem Ort des Filters an der Wandung der Abgasleitung ab.
Wird die Abgasleitung entsprechend stark beheizt, lässt sich im Filter nicht die gewünschte niedrige Temperatur realisieren, folglich wird zu wenig von den gesuchten Substanzen abgeschieden.
-
Die
DE 101 28 632 A1 beschreibt ein Langzeitprobennahmesystem zur kontinuierlichen Überwachung von Staub- und Schadstoffemissionen und zur Ermittlung der Staubemission in strömenden Medien unter isokinetischer Entnahme eines Teilgasstroms aus dem Hauptgasstrom eines Schadstoffemitters mittels einer Teilstromentnahmesonde und mit Abscheiden der Stäube durch Kuchenfiltration auf einem Feinstfilter sowie von im Teilgasstrom gelösten flüchtigen, d.h. filtergängigen chemischen Inhaltsstoffen in einer Adsorberstufe.
-
Während der kontinuierlichen Überwachung wird die dem Feinstfilter nachgeschaltete Adsorberstufe vom gesamten Teilgasstrom durchströmt.
-
Die Adsorberstufe kann durch mehrere, parallel oder hintereinander geschaltete Adsorberstufen ersetzt werden.
-
Der Teilgasstrom kann an einer Stelle nach der Teilgasstromentnahme in Strömungsrichtung gesehen wieder dem Hauptgasstrom zugeführt werden.
-
In den Adsorberstufen sind hier jedoch ausgewählte Adsorbenzien zur Adsorption vorgesehen.
-
Die
DE 10 2008 051 846 A1 beschreibt ein System zur Probennahme von rückgeführtem Abgas von einem Verbrennungsmotor, insbesondere der Dieselart, umfassend einen Abgasrückführungskreislauf zwischen dem Auspuff dieses Motors und seinem Ansaugstutzen, wobei der Kreislauf eine Zirkulationsleitung für rückgeführtes Gas umfasst, die ein Zirkulationsregelventil für das Gas trägt.
Das System umfasst mindestens zwei Probennahmepunkte an der Zirkulationsleitung für rückgeführtes Abgas und eine Verteilervorrichtung, die das zur Probe genommene Gas zu mindestens einem Analysesystem sendet.
Hier liegt der Fokus auf der Adsorption ausgewählter Kohlenwasserstoffe.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom bereitzustellen, welche eine zuverlässige Bestimmung versottungsrelevanter Bestandteile im Abgasmassenstrom ermöglicht.
-
Lösung der Aufgabe
-
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom gemäß Anspruch 1 gelöst.
-
Vorteile der Erfindung
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom zweigt mindestens eine Leitung mit einem stromaufwärtigen Ende von einer Abgasmassenstromleitung ab und mündet mit einem stromabwärtigen Ende entweder wieder in die Abgasmassenstromleitung oder in eine Ansaugluftleitung (in dieser Variante ist die Leitung eine AGR-Leitung) ein.
Die Leitung weist zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende (5) mindestens einen Adsorber auf.
-
An einer Außenfläche des Adsorbers ist mindestens eine thermische Konditioniereinheit angeordnet.
-
Dabei kann sich die Konditioniereinheit über die gesamte Länge des Adsorbers oder zumindest über einen Teil des Adsorbers erstrecken.
-
Es besteht die Möglichkeit, in Strömungsrichtung des Abgasmassenstroms durch die Leitung nacheinander mehrere Adsorber mit jeweiligen Konditioniereinheiten anzuordnen. Die jeweiligen Konditioniereinheiten können bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, so dass die Temperaturen der einzelnen Adsorber individuell einstellbar sind.
-
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine thermisch konditionierte Führung des Abgasmassenstroms über einen Adsorber ermöglicht.
Dabei weist der Adsorber durch eine Verwendung von speziellen Strukturen, beispielsweise ein offenporiger Metallschaum, einen hohen Wärmeübergang auf.
-
Damit kann der Adsorber auch Abgas, welches zur Vermeidung einer Kondensation gesuchter Substanzen an den Leitungen bei hoher Temperatur bis zum Adsorber geführt wurde, effektiv auf einen gewünschten Wert abkühlen und dabei die im so realisierten Temperaturbereich sich niederschlagenden Kohlenwasserstoffe adsorbieren.
-
So kann die Abscheidung der versottungsrelevanten Substanzen bei einer gewünschten Temperatur erfolgen, beispielsweise analog zu einer Wandtemperatur im AGR-Kühler. Damit sind die thermischen Bedingungen im Adsorber repräsentativ für reale Versottungsbedingungen, und es werden nur die Substanzen im Adsorber auskondensiert, welche bei der eingestellten Temperatur flüssig werden.
-
Da für bestimmte Analysen und Modelle nicht die genaue Kenntnis der einzelnen Spezies, wohl aber der Siedebereich und die adsorbierte Masse von großer Relevanz sind, stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung dafür eine wirkungsvolle und kostengünstige Lösung dar. So kann der Adsorber bei entsprechender Wahl des Adsorbermaterials nach Beladung direkt einer thermogravimetrischen Analyse unterzogen werden.
Mittels dieser lässt sich für einen bestimmten Temperaturbereich ableiten, welcher Anteil der adsorbierten Substanzen welchen Siedebereich aufweist.
Eine Analyse im Bereich bis 600°C Siedetemperatur kann bei einer Verwendung von Aluminiumschäumen als Adsorbermaterial durchaus möglich sein.
-
Daneben gibt es noch eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, das adsorbierte Material qualitativ und quantitativ zu analysieren, beispielsweise mittels Wägung oder mittels Extraktion des organisch löslichen Anteils mit geeignetem Lösungsmittel und anschließender Analyse des Extrakts mittels Gaschromatograph und Massenspektrometer.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Leitung zwischen dem Adsorber und dem stromabwärtigen Ende mindestens eine Fördereinrichtung, optional mit Vorfilter, auf, um einen gewünschten Abgasmassenstrom über den Adsorber zu gewährleisten.
Die Fördereinrichtung kann regelbar sein.
Vorteilhafterweise wird die Fördereinrichtung stromabwärts des Adsorbers angeordnet, um thermische Belastungen niedrig zu halten und Verluste an im Adsorber zu adsorbierendem Material zu vermeiden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Leitung zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem Adsorber mindestens einen Wärmetauscher auf. Dieser Wärmetauscher soll insbesondere bei großem Abgasmassenstrom und hoher Abgastemperatur die Abgastemperatur so weit absenken, dass im Adsorber eine gewünschte Temperatur nicht überschritten wird.
In vorteilhafter Ausführung ist der Wärmestrom vom Abgas in dem Wärmetauscher regelbar und wird so eingestellt, dass gerade so viel Wärme aus dem Abgas entzogen wird, dass die Austrittstemperatur des Abgases aus dem Wärmetauscher gerade so hoch ist, dass bei maximaler Kühlleistung der Konditioniereinheit die gewünschte Temperatur des Adsorbers gerade noch erreicht wird.
Somit soll die vorzeitige Kondensation gesuchter, im Abgas befindlicher Substanzen stromaufwärts des Adsorbers vermieden werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Abgasmassenstromleitung zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende mindestens einen Strömungswiderstand auf.
Bei dem Strömungswiderstand kann es sich um einen nicht veränderlichen (beispielsweise eine feste Blende), einen verstellbaren (beispielsweise eine steuerbare Drosselklappe) oder auch um eine Kombination aus mindestens einem nicht veränderlichen und mindestens einem verstellbaren Strömungswiderstand handeln.
Ist mindestens ein verstellbarer Strömungswiderstand vorhanden, so kann dieser vorteilhafterweise so eingestellt werden, dass ein gewünschter Massenstrom über den Adsorber geführt wird.
-
Der Massenstrom über den Adsorber ist dafür durch geeignete Mittel zu erfassen.
-
Figurenliste
-
Es zeigen:
- 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom;
- 2: einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom;
- 3: einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Probennahme aus einem Abgasmassenstrom.
-
Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Ein Abgasmassenstrom strömt in Richtung des Pfeils P1 innerhalb einer Abgasmassenstromleitung 2.
-
Ein Leitung 3 weist ein stromaufwärtiges Ende 4 und ein stromabwärtiges Ende 5 auf. Der Abgasmassenstrom kann in Richtung des Pfeils P2 von der Abgasmassenstromleitung 2 über das stromaufwärtige Ende 4 in die Leitung 3 hineinströmen. Über das stromabwärtige Ende 5 kann der Abgasmassenstrom in Richtung des Pfeils P3 von der Leitung 3 in die Abgasmassenstromleitung 2 hineinströmen.
-
Die Leitung 3 weist zwischen dem stromaufwärtigen Ende 4 und dem stromabwärtigen Ende 5 einen Adsorber 6 auf.
-
Der Adsorber 6 ist vorzugsweise ein offenporiger Metallschaum.
-
Vorzugsweise weist der Adsorber 6 einen geringeren Strömungsquerschnitt im Vergleich zur Länge, aber eine große Länge im Vergleich zum Strömungsquerschnitt auf, so dass ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem Adsorber 6 und einer ihn umgebenden thermischen Konditioniereinheit 7 stattfinden kann.
-
Die thermische Konditioniereinheit 7 grenzt an die Außenfläche des Adsorbers 6 an, so dass der Adsorber 6 innerhalb der thermischen Konditioniereinheit 7 angeordnet ist.
-
Über die thermische Konditioniereinheit 7 wird die gewünschte Temperatur eingestellt, beispielsweise über eine aktive Kühlung mittels Pelletier-Element oder Kühlmedium; bei Bedarf ist auch eine Heizung entsprechend möglich.
-
Der Adsorber 6 ist durch entsprechende Dimensionierungen und Tolerierungen so ausgeführt, dass ein guter Wärmeübergang zur thermischen Konditioniereinheit 7 möglich ist, gleichzeitig aber die thermische Ausdehnung der Bauteile nicht zu deren Beschädigung führt.
-
Die Wandungen der zuführenden Probenleitung, d.h. der Abschnitt der Leitung 3 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 4 und dem Adsorber 6, weisen eine höhere Temperatur im Vergleich zum Adsorber 6 auf, so dass sich die gesuchten Substanzen, welche nur im Adsorber 6 absorbiert werden sollen, nicht bereits dort ablagern.
-
Der Adsorber 6 ist austauschbar in die thermische Konditioniereinheit 7 eingesetzt. Für einen Versuchsbetrieb ist ein schneller Wechsel des Adsorbers 6 hilfreich, deshalb wird hierfür eine Revolverlösung vorgeschlagen, bei der nacheinander mehrere mittels der thermischen Konditioniereinheit 7 konditionierte Adsorber 6 in Wirkverbindung mit der Leitung 3 (entsprechend P2 und P3) gebracht werden.
-
Die Leitung 3 weist zwischen dem Adsorber 6 und dem stromabwärtigen Ende 5 eine Fördereinrichtung 8 auf.
Die Fördereinrichtung 8, optional mit Vorfilter (nicht in 1 dargestellt), gewährleistet einen gewünschten Abgasmassenstrom über den Adsorber 6.
-
In 2 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt.
Im Vergleich zu der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform weist bei der zweiten Ausführungsform die Leitung 3 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 4 und dem Adsorber 6 einen Wärmetauscher 9 auf.
-
Bei sehr hohen Abgastemperaturen kann es erforderlich sein, dass der Wärmetauscher 9 zur Kühlung der Abgasprobe vorgeschaltet werden muss, damit die Temperatur im Adsorber 6 eingestellt werden kann.
Vorteilhafterweise wird der die Leitung 3 durchströmende Abgasmassenstrom in diesem Wärmetauscher 9 nur so weit gekühlt, dass die gewünschte Adsorbertemperatur bei dafür maximal noch möglicher Eintrittstemperatur des Abgasmassenstroms in den Adsorber 6 erreicht wird.
-
In 3 ist eine dritte Ausführungsform dargestellt.
Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform weist die Abgasmassenstromleitung 2 zwischen dem stromaufwärtigen Ende 4 und dem stromabwärtigen Ende 5 einen Strömungswiderstand 10 auf.
-
Der Strömungswiderstand 10 ist beispielsweise ein Wärmetauscher, insbesondere AGR-Kühler, welcher auch um eine Drosseleinrichtung, beispielsweise Drosselklappe oder Ventil, ergänzbar ist.
Zudem entfällt in der dritten Ausführungsform die in 1 und 2 dargestellte Fördereinrichtung 8.
-
Die Abgasmassenstromleitung 2, die Leitung 3 und die einzelnen Komponenten weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Weiterhin sind auch weitere Querschnittsformen möglich.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Abgasmassenstromleitung
- 3
- Leitung
- 4
- stromaufwärtiges Ende
- 5
- stromabwärtiges Ende
- 6
- Adsorber
- 7
- Konditioniereinheit
- 8
- Fördereinrichtung
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Strömungswiderstand
- P1
- Pfeil
- P2
- Pfeil
- P3
- Pfeil
-
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
-
- DE 10128632 A1 [0006]
- DE 102008051846 A1 [0011]
