DE1300315B

DE1300315B - Verfahren zur Messung des CO-Gehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE1300315B
Application number: DE1965W0039865
Authority: DE
Inventors: Arensmeyer Elmar
Original assignee: WESTFAELISCHE BERGGEWERKSCHAFT
Current assignee: WESTFAELISCHE BERGGEWERKSCHAFT
Priority date: 1965-09-08
Filing date: 1965-09-08
Publication date: 1969-07-31
Also published as: GB1105046A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung nächst im Zuge ihrer Abkühlung das ausfallende des CO-Gehaltes in Abgasen von Verbrennungs- Kondenswasser entzogen und hierauf der für eine motoren nach dem Wärmetönungsprinzip, bei dem Verbrennung erforderliche Sauerstoff durch eine vor dem Eintritt der Abgase in den Gasanalysator Luftzumischvorrichtung beigegeben wird, worauf Luft in einem definierten Verhältnis, vorzugsweise 5 man die noch brennbaren Bestandteile der Gasprobe 1:1, beigemischt wird und ein Teilstrom dieses Ge- katalytisch verbrennt. Die dabei entstehende Wärmemisches über zwei in zwei Zweigen einer Brücken- tönung wird an einer Brückenschaltung gemessen, schaltung angeordnete Widerstände geleitet wird, Damit lassen sich Geräte bauen, die preiswert und wobei die brennbaren Anteile an dem einen Wider- handlich sind und die sich daher für den Werkstattstand verbrannt werden. io gebrauch eignen. Die Geräte sind insbesondere orts-

Die Messungen des CO-Gehaltes in Abgasen von veränderlich.

Verbrennungsmotoren erfordern im Hinblick auf den Andererseits wird bei diesen Geräten der Anteil

zunehmenden Kraftfahrzeugbestand Verfahren, die der Abgase an Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen mit vergleichsweise billigen Meßanlagen durchführ- eingeeicht, und die Anzeige der Geräte erfolgt direkt bar sind, aber so genau arbeiten, daß der geringst- 15 in Volumprozenten CO; dem liegt die Annahme zumögliche Kohlenoxydgehalt der Abgase nach dem gründe, daß die Konzentration der genannten Ergebnis der Messungen eingestellt werden kann. Substanzen der Konzentration des Kohlenoxyds etwa

Es ist bekannt, eine Gasprobe durch ein Meß- parallel verläuft. In Wahrheit sind deshalb diese röhrchen zu saugen, das einen Stoff enthält, dessen Geräte keine echten Kohlenoxydmeßgeräte, obwohl zu beobachtender Farbumschlag den Kohlenoxyd- 20 ihre Skala so geeicht ist, sondern es handelt sich um gehalt der Gasprobe anzeigt. Das dabei zugrunde- Geräte, deren Anzeige durch die Verbrennung der liegende Verfahren hat den Nachteil, daß es mit gesamten unverbrannten Bestandteile im Abgas zueinem Meßröhrchen nur einmal durchführbar ist stände kommt.

und sich deshalb zur Beobachtung der Änderungen Eingehendere Untersuchungen zeigen, daß ins-

des Kohlenoxydgehaltes über längere oder kürzere 25 besondere der Wasserstoffanteil bei verschiedenen Zeiträume nicht eignet. Kohlenoxydgehalten zwischen 1 und 10 Volum-

Das gestattet indessen ein anderes, ebenfalls vor- Prozenten in einem erheblich unterschiedlichen Verbekanntes Verfahren, das auf der Spektralanalyse hältnis zum Kohlenoxydgehalt steht, daß also die aufbaut. Dieses Meßverfahren wird bereits seit Annahme eines etwa parallelen Verlaufes des einiger Zeit zur Bestimmung des Kohlenoxydgehaltes 30 Wasserstoffgehaltes zum Kohlenoxydgehalt eine zur in Abgasen von Verbrennungsmotoren benutzt. Das Erzielung der erforderlichen Meßgenauigkeit zu geschieht im allgemeinen dadurch, daß zunächst grobe Annäherung an die tatsächlichen Verhältnisse einer bei konstanter Drehzahl — vorwiegend bei der darstellt. Jene Geräte genügen daher nur sehr bevom Motorenhersteller angegebenen Leerlaufdreh- grenzten Ansprüchen.

zahl — entnommenen Gasprobe das im Zuge ihrer 35 Auch die Eichung eines solchen Gerätes macht Abkühlung anfallende Kondenswasser entzogen und Schwierigkeiten. Sie erfolgt mit Hilfe einer Eichhierauf die in der Probe enthaltenen festen Ver- gasprobe, die eine bestimmte Zusammensetzung aufunreinigungen herausgefiltert werden, worauf dann weist. Die Erstellung einer solchen aus mehreren die Gasprobe einem Ultrarotabsorptionsmeßgerät zu- Komponenten zusammengesetzten Gasprobe ergeführt wird, in dem die Bestimmung des Kohlen- 40 fordert erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand und oxydgehaltes erfolgt. Dieses Meßverfahren eignet einen erheblich größeren apparativen Aufwand, als sich zur fortlaufenden Bestimmung veränderlicher er bei der Erstellung einer aus einer Komponente Kohlenoxydgehalte in Abgasen, wie sie beispiels- bestehenden Eichgaszusammensetzung erforderlich weise bei Änderung der Vergasereinstellung und/ wäre.

oder der Drehzahl und/oder des dem Motor abge- 45 Indessen ist die Möglichkeit einer getrennten Verforderten Drehmomentes auftreten. Mit ihnen kön- brennung von Wasserstoff und Kohlenoxyd bereits nen danach die geringstmöglichen Kohlenoxyd- seit längerer Zeit bekannt und vorgeschlagen worden, gehalte der Abgase eingestellt werden. Nach diesen älteren Vorstellungen macht jedoch die

Nachteilig ist der außerordentlich hohe Preis der getrennte Verbrennung dieser beiden Stoffe verbei einem solchen Verfahren erforderlichen Meß- 50 hältnismäßig Schwierigkeiten.

geräte, insbesondere des Ultrarotabsorptionsmeß- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur

gerätes. Daher sind solche Meßverfahren nur dort Vermeidung der vorstehend erläuterten Schwieriganwendbar, wo die erforderlichen Meßgeräte be- keiten, die sich bei den Verfahren zur Messung schafft und durch häufige Benutzung auch amortisiert des CO-Gehaltes in Abgasen von Verbrennungswerden können. Das gilt für die Herstellung von 55 motoren nach dem Wärmetönungsprinzip ergeben, Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahr- ein neuartiges Meßverfahren und ein darauf aufzeugmotoren und die Überprüfungsanlagen des bauendes Meßgerät zu schaffen, bei dem ein Ein-Technischen Überwachungsvereins. Kraftfahrzeug- eichen des Wasserstoffgehaltes fortfällt, andererseits reparatur- und -Wartungsbetriebe sind von der Be- aber die Anzeige des Gerätes nur durch die Wärmenutzung solcher Meßverfahren aus den genannten 60 tönung des CO-Gehaltes in der Abgasprobe erfolgt. Gründen in der Regel ausgeschlossen, weil die auf Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung

der Spektralanalyse aufbauenden Meßverfahren sich vor, daß der eine Widerstand auf eine solche Temnicht in dem dazu erforderlichen Maße vereinfachen peratur aufgeheizt wird, bei der aus dem Gasgemisch und verbilligen lassen. Kohlenoxyd und Wasserstoff, aber noch keine

Es sind allerdings bereits Verfahren und die nach 65 Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, und der andere ihnen arbeitenden Meßgeräte bekanntgeworden, Widerstand durch unterschiedliche Drahtstärke und/ welche auf dem Wärmetönungsprinzip beruhen. Sie oder Windungsabstand und/oder Windungsdurcharbeiten so, daß der entnommenen Gasprobe zu- messer auf eine geringere Temperatur aufgeheizt

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wird, bei der noch keine Verbrennung von Kohlen- herzustellenden Prüfgasgemisch von Kohlenoxyd in

oxyd, wohl aber von Wasserstoff stattfindet. Luft nachgeprüft werden.

Bei diesem Verfahren erfolgt die Verstimmung Die Erfindung wird nunmehr an Hand der Figuren der Brücke, d. h. eine Anzeige des an den Nullzweig in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
der Brücke angeschlossenen Anzeigeinstrumentes, 5 F i g. 1 ein elektrisches Schaltschema zur Vernur noch durch den Kohlenoxydgehalt der Gasprobe, deutlichung des Meßprinzips,
während die anderen im Abgas außerdem noch vor- F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Teils handenen brennbaren Bestandteile die Anzeige nicht des in einem Meßgerät zur Durchführung des vorbeeinflussen, geschlagenen Verfahrens enthaltenen Strömungs-

Die Erfindung macht sich dabei die Tatsache zu- io systems,

nutze, daß eine Verbrennung der verschiedenen Gase F i g. 3 eine schematische Darstellung der Ab-

bei unterschiedlichen Temperaturen erfolgt, insbe- hängigkeit der Verstimmung der Meßbrücke nach

sondere dann, wenn diese Verbrennung unter der F i g. 1 in Abhängigkeit von der Temperatur an der

Einwirkung von katalytisch wirkenden Metallen, in der Schaltung enthaltenen Meß- und Vergleichs-

z. B. Platin, stattfindet, wobei dann diese Temperatur 15 wendel bei je einem konstanten Gasgemisch von

für beide Gase, nämlich Wasserstoff und Kohlen- gemäß dem Ausführungsbeispiel 4% Wasserstoff in

oxyd, erheblich niedriger liegt als für die Kohlen- Luft und 4 % Kohlenoxyd in Luft.

Wasserstoffe, und daß bei gegebenen Gasgehalten die In F i g. 1 ist die elektrische Schaltung einer

Verstimmung der Brücke durch Verbrennung eines Brücke in vereinfachter Form dargestellt. Diese

Gases bei einer besonderen Widerstandsform einem ao Brücke enthält Widerstände 1 und 2 und einen NuIl-

bei weiterer Temperatursteigerung der Widerstände punktabgleich 6 in einem Zweig sowie einen Ver-

in der Brücke infolge des durch die Brücke fließen- gleichswiderstand 3 und einen Meßwiderstand 4 in

den Stromes im wesentlichen konstant bleibenden ihrem anderen Zweig. Im Nullzweig der Brücke liegt

Wert zustrebt. ein Anzeigegerät 5.

Dadurch läßt sich der Betriebspunkt der Brücke, 25 Die Strömungsrichtung der Gasprobe ist durch d. h. die Festlegung der Betriebstemperatur der Pfeile in F i g. 2 gekennzeichnet,
beiden Widerstände, so wählen, daß an dem einen I_n F i g. 2 ist die Unterbringung des Meß- bzw. Widerstand — der Meßwendel — ausschließlich Vergleichswiderstandes 3 bzw. 4 in einem Strömungs-Kohlenoxyd und Wasserstoff, dagegen an dem weg innerhalb des Meßgerätes wiedergegeben. Die anderen, geringer aufgeheizten Widerstand — der 30 Pfeile geben die Strömungsrichtung der Gase an. Vergleichswendel — ausschließlich Wasserstoff ver- Wie ersichtlich, liegen Meß- bzw. Vergleichswiderbrannt werden. Dadurch wird im Ergebnis erreicht, stand 3 bzw. 4 innerhalb des Strömungssystems, und daß eine Verstimmung der Brücke durch die durch zwar sind in einem Strömungskanal 10 Kammern 11 den Wasserstoff gegebene Wärmetönung nicht er- und 12 vorgesehen, welche durch Einsätze 13, die folgt, also im Ergebnis die durch den Wasserstoff- 35 den Meß- bzw. Vergleichswiderstand 3 bzw. 4 aufgehalt an den beiden Widerständen auftretenden nehmen, nach außen abgeschlossen sind.
Wärmetönungseffekte kompensiert werden. Dadurch, daß der Meßwiderstand 4 und der Ver-

Die Festlegung der Betriebspunkte der im gleichswiderstand 3 im Strömungssystem der Aus-Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ver- puffgase liegen, erfolgt eine Beseitigung der Einflüsse wendeten Wheatstonschen Brücke kann auf jede ge- 40 von Störgasen.

eignete elektrische Art erfolgen; vorzugsweise sind In im einzelnen in F i g. 2 nicht dargestellter jedoch die diesbezüglichen Unterschiede von Meß- Weise unterscheidet sich der Meßwiderstand hin- und Vergleichswendel auch so gewählt, daß die Ein- sichtlich Drahtstärke und/oder Windungszahl und/ flüsse der Wärmeleitfähigkeit der Abgase kompen- oder Windungsabstand und/oder Windungsdurchsiert werden. Natürlich muß dafür Sorge getragen 45 messer vom Meßwiderstand, so daß es möglich ist, werden, daß die angegebenen Temperaturen nicht eine annähernd symmetrische Brückenschaltung aufunzulässig überschritten werden, weil infolge des zubauen und gleichzeitig eine Kompensation des Wärmetönungseffektes bei ausreichendem Wasser- Wasserdampf- und Kohlendioxydeinflusses zu erstoff- und Sauerstoffgehalt der Probe sonst der Fall reichen. Selbstverständlich kann dies auch dadurch eintreten könnte, daß bei der Verbrennung von 50 erreicht werden, daß man einem der beiden WiderWasserstoff in einem Wasserstoff und Kohlenoxyd stände einen zusätzlichen Widerstand zuordnet,
enthaltenden Gemisch die Temperatur von der In dem Diagramm nach F i g. 3 ist dargestellt, daß Zündtemperatur für Wasserstoff auf die sogenannte bei dem vorgeschlagenen Verfahren am Betriebs-Optimaltemperatur hochlaufen kann, bei der sich punkt der Brücke das in der Gasprobe enthaltene die Zündtemperatur von Kohlenoxyd ergibt. 55 Kohlenoxyd und der Wasserstoffanteil am Meßwider-

Jedenfalls ergibt sich bei Verwirklichung des er- stand und am Vergleichswiderstand nur der Wasser-

findungsgemäßen Verfahrens ein kleines und hand- Stoffanteil verbrannt werden, so daß im Ergebnis der

liches Meßgerät, das bei hoher Anzeigegenauigkeit durch den Wasserstoffanteil an beiden Widerständen

dennoch die Möglichkeit bietet, auch von kapital- auftretende Wärmetönungseffekt kompensiert wird,

schwachen Betrieben angeschafft zu werden. Dabei 60 Das Diagramm zeigt auf der Abszisse angenom-

f ällt insbesondere ins Gewicht, daß die Handhabung mene Zahlenwerte, die beispielsweise die Spannungen

des neuen Meßverfahrens praktisch keinerlei Vor- an den Wendeln wiedergeben, während auf der

kenntnisse voraussetzt, weil das eigentliche Meß- Ordinate angenommene Zahlenwerte aufgetragen

gerät vom Hersteller von vornherein richtig einge- sind, die der Verstimmung der Brücke entsprechen,

stellt wird. Diese richtige Einstellung bleibt durch die 65 Im Diagramm befinden sich insgesamt vier

gewählte geringe Temperatur für den Meß- und Ver- Kurven, von denen die gestrichelt angegebenen

gleichswiderstand für ausreichend lange Zeit er- Kurven Wärmetönungseffekte für Wasserstoff und

halten. Gegebenenfalls kann sie mit einem sehr leicht die ausgezogenen Kurven die Verstimmung der

Brücke für Kohlenoxyd wiedergeben. In der Mitte des Diagramms läuft eine senkrechte Linie, die strichpunktiert ist und die die Lage des Betriebspunktes des Meß- und Vergleichswiderstandes bzw. der Brücke wiedergibt. Sie liegt gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen 4 und 5 beispielsweise Spannungseinheiten.

Bei Betrachtung der Meßwendel ergibt sich, daß bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, d. h. bei beispielsweiser Einstellung der Temperatur auf den angegebenen Betriebspunkt, Wasserstoff und Kohlenoxyd verbrannt werden, daß aber wiederum bei dem eingezeichneten Betriebspunkt an der Vergleichswendel lediglich Wasserstoff verbrannt wird, nicht jedoch Kohlenoxyd. Ist nun, wie dies im Diagramm dargestellt ist, die Wärmetönung an Meßwendel und Vergleichswendel durch das Verbrennen von Wasserstoff gleich oder annähernd gleich, so erfolgt die Verstimmung der Brücke ausschließlich durch die in der Meßwendel auftretende Wärmetönung infolge Verbrennens des Kohlenoxyds. Dadurch wird im Ergebnis die Wärmetönung durch Verbrennen von Wasserstoff eliminiert.

Meß- und Vergleichswiderstand sind im übrigen, wie zum Teil zuvor bereits angedeutet, in bekannter Weise als Drahtwendeln ausgestaltet und bestehen aus Platin oder einem Metall der Platingruppe. Dabei ist der Draht des Meßwiderstandes beispielsweise durch längeres Aufheizen in einer kohlenoxydhaltigen Atmosphäre bei einer höheren Temperatur als der normalen Betriebstemperatur aktiviert. Der Draht des Vergleichswiderstandes spricht außer auf Wasserstoff nur auf die Wärmeleitungseigenschaften der Probe an und kompensiert dadurch den Wärmeleitungseffekt, der gleichzeitig neben der Wärmetönung am Meßwiderstand auftritt.

Ein auf dem erläuterten Meßprinzip aufbauendes Meßgerät ergibt trotz seines einfachen und daher preiswerten Aufbaues eine eindeutige Anzeige bei der Bestimmung von Kohlenoxyd in Abgasen von Verbrennungsmotoren bei gleichzeitig vorhandener hoher Meßgenauigkeit.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Messung des CO-Gehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren nach dem Wärmetönungsprinzip, bei dem vor dem Eintritt der Abgase in den Gasanalysator Luft in einem definierten Verhältnis, vorzugsweise 1:1, beigemischt wird und ein Teilstrom dieses Gemisches über zwei in zwei Zweigen einer Brückenschaltung angeordnete Widerstände geleitet wird, wobei die brennbaren Anteile an dem einen Widerstand verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Widerstand auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, bei der aus dem Gasgemisch Kohlenoxyd und Wasserstoff, aber noch keine Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, und der andere Widerstand durch unterschiedliche Drahtstärke und/oder Windungsabstand und/oder Windungsdurchmesser auf eine geringere Temperatur aufgeheizt wird, bei der noch keine Verbrennung von Kohlenoxyd, wohl aber von Wasserstoff stattfindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen