DE19604417C5

DE19604417C5 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE19604417C5
Application number: DE1996104417
Authority: DE
Inventors: Helmut Roppelt; Konrad Hinterhofer
Original assignee: Hinterhofer Konrad 76646; Roppelt Helmut 76694
Current assignee: Hinterhofer Konrad 76646; Roppelt Helmut 76694
Priority date: 1996-02-07
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2016-02-08
Also published as: DE19604417C1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Kraftfahrzeugen, wobei ein konstanter Volumenstrom aus Abgas und dem Abgas beigemischter gereinigter Luft erzeugt wird, aus diesem Volumenstrom eine Probe mittels einer Probenentnahmeeinrichtung entnommen und während einer Meßphase in einem Probensammelbehälter gesammelt wird und die im Probensammelbehälter enthaltene Probe anschließend einer Analyseeinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus der Umgebung entnommen, in einer Reinigungseinrichtung gereinigt und in einem Druckluftsammelbehälter vor der Beimischung zum Abgas zwischengespeichert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und 8, 18 und 22.
Aus dem Stand der Technik sind Anlagen zur Untersuchung der Schadstoffe in den Abgasen von Kraftfahrzeugen bekannt, bei denen die Verbrennungsmotoren der Kraftfahrzeuge in einem fest vorgegebenen Testzyklus in verschiedenen Betriebszuständen oder Modes wie Leerlauf, Beschleunigen, konstante Geschwindigkeit, Verzögern, etc. betrieben werden und von den erzeugten Verbrennungsabgasen Proben in Form von konstanten Entnahmeströmen in Sammelbehältern gesammelt und nach einem Testzyklus durch eine Analyseeinrichtung ausgewertet werden. Diese Anlagen, bei denen der Volumenstrom des Abgases sowie der Volumenstrom der entnommenen Probe im wesentlichen konstant gehalten werden, sind allgemein als ”Constant Volume Sampling” Anlagen, bekannt und werden nachfolgend als CVS-Anlagen bezeichnet.
Eine solche CVS-Anlage ist beispielsweise im ”Code of Federal Regulation” der US-Bundesregierung vom 1. Juli 1994 auf Seiten 522 und 523, sowie Figur B90-4 schematisch dargestellt. Bei den obengenannten CVS-Anlagen werden die zu untersuchenden Abgase in einem Mischer mit gereinigter Umgebungsluft vermischt und von einem Gebläse durch ein Rohr hindurch abgesaugt, welches einen im Querschnitt verringerten, Venturi-Düsen-förmigen Abschnitt aufweist. Das Vermischen der Abgase mit Luft ist dabei erforderlich, um eine Kondensation der gasförmigen Schadstoffe des Abgases zu verhindern, so daß diese bei der Schadstoffbestimmung ebenfalls mit erfaßt werden. Die Leistung des Gebläses sowie die Dimensionierung der Venturi-Düse (Hauptstrom-Venturi) sind so gewährt, daß der Volumenstrom des Abgas-Luft-Gemisches im Bereich vor der Hauptstrom-Venturi-Düse im wesentlichen konstant ist. In diesem Bereich sind weiterhin eine oder mehrere Probenentnahme-Venturi-Düsen, im folgenden auch als ”Sample Venturi” bezeichnet, angeordnet, welche während einer Testphase (Kaltstart, Stadtverkehr, Autobahn etc.) des Testzyklusses aus dem konstanten Volumenstrom des Abgas-Luft-Gemisches eine Probe mit einem ebenfalls konstanten Volumenstrom entnehmen und in einen beutelförmigen Sammelbehälter einleiten. Nach Beendigung der Testphase wird die im Abgasbeutel enthaltene Probe einer Analyseeinrichtung zugeführt, welche die Konzentration der Schadstoffe in der Probe, bzw. die absoluten Mengen der Schadstoffe z. B. in mg oder μg bestimmt Parallel hierzu werden während einer Testphase Beutel mit der angesaugten Umgebungsluft gefüllt, die in der Luft enthaltenen Schadstoffmengen bestimmt und anschließend von den Schadstoffmengen des Abgas-Luft-Gemisches abgezogen. Mit Hilfe der bekannten Werte für den konstanten Haupt-Volumenstrom des Abgas-Luft-Gemisches sowie des konstanten Volumenstromes der Sample Venturi wird dann auf die absoluten Schadstoffkonzentrationen für den Haupt-Volumenstrom hochgerechnet.
In der Regel werden mehrere Abgasbeutel verwendet, um Proben bei den einzelnen verschiedenen Testphasen, wie Leerlauf, Kaltstart, Stadtverkehr und Autobahnfahrt, eines Testzyklusses zuverlässig nehmen zu können. Hierzu wird zwischen zwei aufeinanderfolgenden Testphasen, bei denen sich die im Abgas enthaltenen Schadstoffkonzentrationen oftmals sehr stark unterscheiden, von einem Abgassammelbeutel auf einen nächsten umgeschaltet, wobei in der Regel auch gleichzeitig noch die Menge an zugesetzter Luft verändert wird. Das Verändern der Luftmenge erfolgt mit dem Hintergrund daß auf der einen Seite eine Kondensation der Schadstoffe mit Sicherheit ausgeschlossen werden muß, auf der anderen Seite das Verdünnungsverhältnis der Abgase jedoch möglichst niedrig gehalten werden soll, um auch geringe Schadstoffinengen noch zuverlässig nachweisen zu können.
Die DE 40 18 872 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, bei welchem gemäß der CVS-Methode ein konstanter Volumenstrom verdünnter Abgase durch Vermischen der Abgase mit Zuluft gebildet wird. Die Volumina wenigstens einer der zugeführten Komponenten werden in kurzen Zeitintervallen laufend ermittelt und die Anteile der jeweils anderen Komponente als Differenz zwischen den Meßwerten und dem konstanten Volumenstrom bestimmt. Dem verdünnten Abgasstrom wird anschließend ein Probegasstrom zur Analyse der darin enthaltenen Schadstoffe nach Art und Konzentration entnommen und aus diesen Werten mit Hilfe des für das jeweilige Meßintervall ermittelten Verdünnungsverhältnisses – dem Quotienten aus den jeweiligen Abgasvolumina und den Zuluftanteilen – auf die Schadstoffkonzentration des gesamten Abgasstromes hochgerechnet.
Aus der DE 25 09 411 C2 ist eine Vorrichtung zum Analysieren des Schadstoffgehalts in den Abgasen von Verbrennungsmotoren bekannt, bei der das zu untersuchende Abgas in unverdünnter Form mit Hilfe einer Pumpvorrichtung durch ein Analysen-Röhrchen gesaugt wird. Zur Pufferung der während eines Testzyklusses auftretenden Volumenstromschwankungen enthält die Vorrichtung eine einen federbelasteten Kolben enthaltende Puffereinrichtung.
Die US 5 218 857 beschreibt eine auf dem CVS-Prinzip basierende Analyseeinrichtung zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration. In den Abgasen von Verbrennungsmotoren, bei der der Volumenstrom der zugeführten Umgebungsluft durch eine Karmannsche Wirbelstrecke anhand der Ablösefrequenz von Strömungswirbeln im Abgasstrom gemessen wird, bevor die Umgebungsluft mit dem Abgas vermischt wird.
Da die Schadstoffkonzentrationen der Abgase von mit Abgasreinigungs-Vorrichtungen, wie z. B. Katalysatoren, ausgerüsteten Kraftfahrzeugen, heutzutage inzwischen soweit reduziert wurden, daß sie im Bereich der Schadstoffkonzentration der Umgebungsluft liegen, muß die aus der Umgebung angesaugte und mit dem Abgas vor der Haupt-Venturi-Düse vermischte Luft ebenfalls von Schadstoffen befreit werden, um eine zuverlässige Bestimmung der Schadstoffkonzentration der Abgase überhaupt erst zu ermöglichen.
Die Reinigung der dem Abgas beigemischten Luft erfolgt bei den CVS-Anlagen nach dem Stand der Technik durch bekannte Luftreinigungseinheiten, die die benötigte Luftmenge während der Testphasen aus der Umgebung entnehmen, diese Luftmenge reinigen und der Mischeinrichtung zuführen. Aufgrund der selbst bei einer niedrigen Schadstoffkonzentration benötigten großen Luftmengen, die z. B. im Bereich von beispielsweise 30 m³ pro Minute bei einem Abgas-Luft-Verhältnis von 1:20 bis 1:30 liegen, weisen die bekannten Luftreinigungseinheiten einen vergleichsweise hohen kurzzeitigen Leistungsbedarf von einigen 100 kW auf. Infolge der hohen Luftdurchsätze weisen die Anlagen ebenfalls einen größeren Toleranzbereich hinsichtlich der in der gereinigten Luft enthaltenen Restschadstoffkonzentration auf. Durch die Größe der Reinigungseinheiten ergeben sich weiterhin erhebliche Anschaffungs- und Betriebskosten, welch letztere beispielsweise durch den regelmäßigen Austausch der vergleichsweise großen und teuren Luftfilter entstehen. Darüber hinaus sind die mit den zuvor genannten Reinigungseinheiten hoher Kapazität ausgerüsteten CVS-Anlagen infolge der Größe der Reinigungseinheiten nicht mobil einsetzbar.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in den Abgasen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und mit welchem sich die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffe mit hoher Präzision bestimmen lassen. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche geringe Betriebs-, Wartungs- und Anschaffungskosten aufweist, und durch welche sich der Leistungsbedarf für die Bereitstellung der dem Abgas beizumischenden gereinigten Umgebungsluft in hohem Maße reduzieren läßt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale von Anspruch 1, 8, 18 und 22 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die erfindungsgemäße CVS-Anlage weist insbesondere die Vorteile auf, daß sie eine hohe Redundanz besitzt, universell und modular erweiterbar ist, eine vergleichsweise geringe Baugröße besitzt, mobil einsetzbar ist, und daß bei der Herstellung der Anlage bereits fertig auf dem Markt erhältliche kompakte Luftreinigungseinheiten verwendet werden können. Weiterhin besitzt die erfindungsgemäße Anlage den Vorteil, daß die in ihr verwendete gereinigte Luft eine erheblich geringere Luftfeuchtigkeit als die Umgebungsluft aufweist, und dadurch die dem Abgas insgesamt beizumischende Luftmenge weiter reduziert und die Meßgenauigkeit dementsprechend gesteigert werden kann. Ferner ist es von Vorteil, daß sich die Temperatur der gereinigten Luft in einfacher Weise verändern und konstanthalten läßt.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben.
In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen CVS-Anlage mit einem Druckluftsammelbehälter und insgesamt vier Haupt-Venturi-Düsen,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen CVS-Anlage mit insgesamt drei Druckluftsammelbehältern,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer CVS-Anlage mit drei Gebläsen und drei in einem röhrenförmigen Hohlkörper liegenden Probenentnahme-Venturidüsen.
Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in den Abgasen von Kraftfahrzeugen umfaßt eine Mischkammer 2, in welche die durch den Pfeils 4 dargestellten Abgase eingeleitet und mit gereinigter Luft aus einer Luftreinigungseinheit 6 vermischt werden. Die Mischkammer 2 ist strömungsmäßig an mindestens einen, vorzugsweise jedoch an zwei oder mehrere im wesentlichen röhrenförmige Hohlkörper 8a, 8b, 8c, 8d angeschlossen, von denen ein jeder einen entsprechenden, vorzugsweise als Venturi-Düse ausgebildeten Abschnitt 10a, 10b, 10c, 10d, ein dem entsprechenden Abschnitt 10a, 10b, 10c, 10d strömungsmäßig nachgeordnetes Ventil 12a, 12b, 12c, 12d sowie den Ventilen 12a, 12b, 12c, 12d strömungsmäßig nachgeordnete Sauggebläse 14a, 14b, 14c und 14d aufweisen. Die Gebläse 14a bis 14d erzeugen in den zugehörigen Hohlkörpern 8a bis 8d einen im wesentlichen konstanten Volumenstrom des Abgas-Luft-Gemisches, von dem ein Teil durch vorzugsweise venturiförmige, vor den Abschnitten 10a bis 10d angeordneten Probenentnahmedüsen 16a bis 16d aus dem entsprechenden Hohlkörper 8a bis 8d entnommen wird. Die Entnahme der Proben erfolgt dabei mit Hilfe von Gebläsen 18a bis 18d, die während eines Testzyklusses aus dem entsprechenden Abgas-Luft-Hauptstrom einen im wesentlichen konstanten kleineren Volumenstrom absaugen und diesen über nicht näher bezeichnete schematisch dargestellte Rohrleitungen und Ventile einem oder mehreren, vorzugsweise beutelförmigen Probensammelbehältern 20, 22, 24 zuführen, in denen die entsprechende Probe gesammelt wird.
Bei einer weiteren, in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, können mehrere venturiförmige Abschnitte 210a bis 210c mit zugehörigen Ventilen 212a bis 212c sowie Gebläsen 214a bis 214c an einen gemeinsamen rohrförmigen Abschnitt 208 angeschlossen sein, in welchem die Probenentnahmedüsen 216a bis 216c zusammen angeordnet sind und über entsprechende Gebläse 218a bis 218c während eines Testzyklusses aus dem Abgas-Luft-Hauptstrom einen im wesentlichen konstanten kleineren Volumenstrom absaugen und entsprechenden Probensammelbehältern zuführen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Volumenströme in den Abschnitten 10a bis 10b sowie die Volumenströme, die von den entsprechenden Probenentnahmedüsen 16a bis 16d entnommen werden jeweils unterschiedlich. So kann beispielsweise der Volumenstrom im ersten Abschnitt 10a, 1 m³/min, der Volumenstrom im zweiten Abschnitt 10b, 2 m³/min, der Volumenstrom im dritten Abschnitt 10c, 4 m³/min und der Volumenstrom im vierten Abschnitt 10d, 8 m³/min betragen. Allgemein stehen die Volumenströme vorzugsweise in einem Verhältnis von 1:2ⁿ, wobei n eine natürliche Zahl ist. Je nach dem, wie hoch der jeweilige Bedarf an gereinigter Luft ist, die dem Abgas in der Mischkammer 2 beigemischt werden muß, um eine Kondensation der Schadstoffe sicher zu vermeiden, können zwei oder mehrere Volumenströme durch entsprechendes Öffnen und Schließen der Ventile 12a bis 12d und/oder Ein- und Ausschalten der Gebläse 14a bis 14d miteinander kombiniert werden, um die jeweils während einer Testphase benötigte Luftmenge bereitzustellen. Wird beispielsweise ein Volumenstrom von 12 m³/min benötigt, so werden die Ventile 12c und 12d geöffnet und die dazugehörigen Gebläse 14c und 14d eingeschaltet.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Gebläse 14a bis 14d vorzugsweise kontinuierlich betrieben und lediglich die Ventile 12a bis 12d zum An- und Abschalten des jeweiligen Einzel-Volumenstromes verwendet. Das Umschalten der jeweiligen Volumenströme erfolgt dabei vorzugsweise während einer Testphase, wenn zwischen den einzelnen Modes, wie Beschleunigen, Bremsen, konstante Geschwindigkeit etc., in denen die Menge der erzeugten Abgase stark variiert, umgeschaltet wird.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Luftmenge stets optimal an die bei den verschiedenen Modes auftretenden Schadstoffmengen angepaßt werden kann, so daß zum einen eine Kondensation der Abgase mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann, zum anderen die Verdünnung des Abgases so niedrig wie möglich gehalten werden kann, um einen möglichst kleinen Meßfehler bei der Bestimmung der Schadstoffkonzentrationen zu erhalten, und um zum anderen Schadstoffe, die nur in äußerst kleinen Konzentrationen im Abgas enthalten sind, überhaupt noch nachweisen zu können.
Nach der Beendigung einer Testphase, bzw. eines Testzyklusses, werden die in den Probensammelbehältern 20, 22, 24 enthaltenen Proben vorzugsweise durch ein weiteres nachgeordnetes Gebläse 26 sowie ein entsprechendes Ventil 28 einer bekannten automatischen Analyseeinrichtung 30 zugeführt, die die in den Abgasproben enthaltenen Schadstoffmengen mit hoher Präzision bestimmt. Die Analyse der Proben kann jedoch auch auf manuelle Weise erfolgen und ist nicht auf die in 1 und 2 dargestellte automatische Bestimmung beschränkt.
Die Luftreinigungseinheit 6 zur Bereitstellung der dem Abgas zwecks Vermeidung einer Kondensation von Schadstoffen beizumischenden Luft, kann bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Erfindung durch eine im Stand der Technik bekannte, auf eine sehr hohe, kurzzeitige Spitzenleistung ausgelegte Luftreinigungseinrichtung gebildet werden, die die benötigte Luftmenge während eines Testzyklusses unmittelbar aus der Umgebung entnimmt, reinigt und der Mischkammer 2 zuführt.
Die bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete Luftreinigungseinheit 6 besteht aus einem Druckluftsammelbehälter 50, der von einer kompakten, einzelnen Luftreinigungseinrichtung 52 konstant und kontinuierlich mit einem vergleichsweise kleinen Strom gereinigter Luft beaufschlagt wird, der beispielsweise lediglich ein Hundertstel des Volumenstromes beträgt, der während einer Meßphase benötigt wird.
Die Luftreinigungseinrichtung 52 besteht dabei vorzugsweise aus einem Luftreinigungsmodul, welches die durch einen Pfeil 54 dargestellte Umgebungsluft unmittelbar ansaugt, reinigt und dem Behälter 50 zuführt. Ein solches Reinigungsmodul wird im Handel als selbstreinigender Luftgenerator mit der Bezeichnung EMAS vertrieben, reinigt die Umgebungsluft auf katalytischem bzw. chemischen Wege und hat einen elektrischen Leistungsbedarf von beispielsweise 100 Watt. Seine Größe, sein Preis und seine Betriebs- und Wartungskosten betragen lediglich einen Bruchteil der Kosten, die bei den üblicherweise verwendeten Luftreinigungseinheiten anfallen.
Sofern die Menge an benötigter Luft beispielsweise durch einen Anstieg der Zahl der zu untersuchenden Kraftfahrzeuge pro Tag im Laufe der Zeit ansteigt, ist es weiterhin möglich, zu dem in 1 gezeigten Luftreinigungsmodul weitere Luftreinigungsmodule hinzuzufügen, um den Leistungsbedarf der erfindungsgemäßen CVS-Anlage an die jeweiligen Anforderungen anzupassen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Luftreinigungsmodule vorzugsweise kontinuierlich betrieben, es ist jedoch auch möglich, diese nur zeitweise, beispielsweise nur zur Nachtzeit, zu betreiben, oder die Module bei einem gefüllten Druckluftsammelbehälter 50 abzuschalten. Die Größe des Sammelbehälters ist weiterhin so bemessen, daß der Tagesbedarf an gereinigter Luft, d. h. z. B. die innerhalb von 10 Stunden benötigte Luftmenge, mit einer hinreichenden Reserve von beispielsweise 30% zur Verfügung gestellt werden kann.
Wie in 1 gezeigt, ist der Innenraum des Druckluftsammelbehälters 50 über eine oder mehrere Druckluftzuleitungen 56a, 56b, 56c und 56d strömungsmäßig an eine Entspannungskammer 60 angeschlossen. Die Druckluftzuleitungen 56a bis 56d enthalten bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Druckluftregeleinheiten 58a bis 58d, die jeweils aus einem aus darstellungstechnischen Gründen nicht näher bezeichneten Ventil, einem Druckregler zur Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Vordrucks sowie einer dem Druckregler nachgeordneten Düse in Form einer Venturi-Düse zur Erzeugung eines im wesentlichen konstanten Volumenstromes an gereinigter Luft in der entsprechenden Druckluftzuleitung 56a bis 56d, bestehen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die im Druckluftsammelbehälter gespeicherte Luft einen Druck von beispielsweise 6 bis 10 bar. Dieser Druck wird von den Druckreglern der Druckluftregeleinheiten 58a bis 58d entsprechend auf einen im wesentlichen konstanten Wert von beispielsweise 6 bar heruntergeregelt, mit welchem er an der Venturi-Düse der Druckregeleinheit anliegt. Die Venturi-Düsen der Druckluftregeleinheiten 58a bis 58d besitzen bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jeweils unterschiedliche Durchlaßwerte, die beispielsweise 1, 2, 4 und 8 m³/min betragen. Allgemein ausgedrückt, stehen die Einzel-Volumenströme zueinander vorzugsweise in einem Verhältnis von 1:2ⁿ, wobei n eine natürliche Zahl ist. Durch Betätigen der entsprechenden Ventile der Luftdruckregeleinheiten 58a bis 58d wird die jeweilige, während einer Testphase benötigte Menge an gereinigter Luft der Entspannungskammer 60 zugeführt, von wo aus sie dann über eine Leitung zur Mischkammer 2 gelangt.
Beträgt die Menge an benötigter Luft während einer Testphase beispielsweise gerade 11 m³/min, so werden entsprechend die Ventile der Zuleitungen 58a, 58b und 58d geöffnet, wodurch zusammen 1 + 2 + 8 = 11 Kubikmeter Luft pro Minute in die Entspannungskammer 60 und von dort aus in die Mischkammer 2 eingeleitet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Umschalten der Ventile in den Druckluftzuleitungen 56a bis 56d vorzugsweise im wesentlichen zeitgleich mit dem Umschalten der Ventile 12a bis 12d sowie der zugehörigen Gebläse 14a bis 14d, in Abhängigkeit von der für eine sichere Vermeidung einer Kondensation der Abgase benötigten Luftmenge. Hierbei ist die Menge des durch die Gebläse 14a bis 14d abgesaugten Abgas-Luft-Gemisches im wesentlichen gleich der Menge der durch die entsprechenden Zuleitungen 56a bis 56d in die Entspannungskammer 60 eingeleiteten Luft.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Gebläse 14a bis 14d weiterhin in der Weise betrieben werden, daß der von ihnen geförderte Volumenstrom einen Wert besitzt, der mindestens um die zugeführte Menge an Abgas 4 größer ist als der der Entspannungskammer 60 durch die Zuleitungen 56a bis 56d zugeführte Volumenstrom an gereinigter Luft.
Ferner kann es vorgesehen sein, daß wie beim Stand der Technik, lediglich ein einziger Venturi-Abschnitt 10 mit einer oder mehreren zugehörigen Sample-Venturi-Düsen 16 über ein Ventil 12 an ein oder mehrere parallel betriebene Sauggebläse 14 angeschlossen ist, bei denen ein Umschalten auf verschiedene Volumenströme des Abgas-Luft-Gemisches nur beim Wechseln der Probensammelbehälter 20, 22, 24 zwischen zwei Testphasen eines Testzyklusses durchgeführt werden kann. In diesem Falle erfolgt die Betätigung der zugehörigen Druckluftregeleinheiten 58 entsprechend.
Der Wert des Luftdrucks in der Entspannungskammer 60 liegt vorzugsweise im wesentlichen im Bereich des Atmosphärendrucks, kann jedoch auch geringfügig darüber liegen. Um bei einem Umschalten der Luftinenge während einer Testphase zwecks Anpassung der Luftinenge an die jeweilige Schadstoffmenge im Abgas ein kurzzeitiges Ansteigen des Luftdrucks innerhalb der Entspannungskammer 60 über einen oberen Grenzwert hinaus zu verhindern, kann es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ferner vorgesehen sein, innerhalb der Entspannungskammer 60 einen oder mehrere, in 1 und 2 dargestellte Luftsäcke 62 anzuordnen, deren Innenraum über Öffnungen 64 mit der Umgebung in Strömungsverbindung steht. Weiterhin kann an der Entspannungskammer 60 zusätzlich ein im Stand der Technik bekanntes Überdruckventil 66 angeordnet sein, welches bei einem übermäßig starken Druckanstieg in der Entspannungskammer 60 öffnet, so daß eine kleine Menge an gereinigter Luft aus der Kammer 60 entweicht und der Druck im Kaminerinneren auf einen Wert unterhalb der höchstzulässigen Obergrenze abgesenkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es ferner vorgesehen sein, die Entspannungskammer 60 durch bekannte, in den entsprechenden Druckluftzuleitungen 56a, 56b, 56c und 56d angeordnete Druckregelungsventile zu ersetzen, die den Druck der Luft, welche der Mischkammer 2 zugeführt wird, mit hoher Genauigkeit auf im wesentlichen Umgebungsdruck herabregeln.
Wie in 1 gezeigt, kann am Druckluftsammelbehälter 50 weiterhin eine Ablaßeinrichtung 65 zum Ablassen des sich am Boden des Druckluftsammelbehälters 50 ansammelnden Kondensats in Form von Kondenswasser vorgesehen sein, welches sich dort infolge der erhöhten Kompression der gereinigten Luft niederschlägt. Hierdurch kann eine weitere Senkung der Luftfeuchtigkeit der gereinigten Luft bis nahezu auf null herab erzielt werden, so daß die Menge der dem Abgas beizumischenden gereinigten Luft infolge deren Trockenheit weiter reduziert und dadurch die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht werden kann.
Um auch bei Kraftfahrzeugen, z. B. den ”Ultra Low Emission Vehicles”, bei denen die Schadstoffkonzentration der Abgase im Bereich der Schadstoffkonzentration der gereinigten Luft liegt, einen möglichst kleinen Meßfehler zu erhalten, können bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusätzliche, in den Zeichnungen nicht dargestellte Probensammelbehälter vorgesehen sein, die parallel zu den Probensammelbehältern 20, 22 und 24 mit einer entsprechenden Probe der gereinigten Luft gefüllt werden, die während einer Testphase verwendet wird. Die Luftprobe wird anschließend ebenfalls der Analyseeinrichtung 30 zugeführt, die darin enthaltene Menge an Schadstoffen bestimmt und von der Schadstoffmenge der zugehörigen Probe abgezogen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Luftprobe jedoch vorzugsweise unmittelbar aus dem Druckluftsammelbehälter 50 entnommen und der Analyseeinrichtung 30 direkt zugeführt. Hierdurch können die zusätzlichen Probensammelbehälter für die Luftproben sowie die zugehörigen Ventile und Gebläse entfallen.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind anstelle des einen Druckluftsammelbehälters 50 der 1 insgesamt 3 Druckluftsammelbehälter 150a, 150b und 150c vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Luftdruck in jedem der Sammelbehälter 150a, 150b und 150c entweder gleich oder unterschiedlich sein, und jede der Zufuhrleitungen 156a, 156b, 156c zu der Entspannungskammer 60 kann einen unterschiedlichen Volumenstrom an gereinigter Luft führen, wobei anstelle der einen Zufuhrleitung 156a, 156b, 156c auch mehrere Zufuhrleitungen, wie beispielsweise die Zufuhrleitungen 56a bis 56d, mit unterschiedlichen Volumenströmen an gereinigter Luft verwendet werden können.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Ventile 12a bis 12d mit den zugehörigen Gebläsen 14a bis 14d des Haupt-Volumenstromes, die Gebläse 18a bis 18d mit den zugehörigen Ventilen für die Probenentnahme, das Gebläse 26 mit dem Ventil 28 für die Zuleitung der Proben zur Analyseeinrichtung 30 sowie die Analyseeinrichtung 30 selbst über eine in den Zeichnungen nicht dargestellte, bekannte Steuerungs- und Regelungseinrichtung, vorzugsweise in Form eines Personalcomputers gesteuert. In gleicher Weise können ebenfalls die Luftreinigungseinrichtung 52 in Form der EMAS-Luftgeneratoren, die Druckregeleinheiten 58a bis 58d sowie die Ablaßeinrichtung 65 für das im Druckluftsammelbehälter 50 gesammelte Kondensat oder Kondenswasser durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung gesteuert werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Kraftfahrzeugen, wobei ein konstanter Volumenstrom aus Abgas und dem Abgas beigemischter gereinigter Luft erzeugt wird, aus diesem Volumenstrom eine Probe mittels einer Probenentnahmeeinrichtung entnommen und während einer Meßphase in einem Probensammelbehälter gesammelt wird und die im Probensammelbehälter enthaltene Probe anschließend einer Analyseeinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft aus der Umgebung entnommen, in einer Reinigungseinrichtung gereinigt und in einem Druckluftsammelbehälter vor der Beimischung zum Abgas zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der Luft aus der Umgebung kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Umgebung entnommene und dem Druckluftsammelbehälter zugeführte Luftstrom um mehr als einen Faktor 10 kleiner ist als der während der Probennahme dem Abgas beigemischte Luftstrom.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der dem Druckluftsammelbehälter entnommenen Luft vor der Beimischung zum Abgas auf Atmosphärendruck gesenkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftsammelbehälter mehrere unterschiedliche, über Ventile steuerbare Druckluftzufuhrleitungen für die dem Abgas beizumischende gereinigte Luft aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gereinigte Luft in mehreren separaten Druckluftsammelbehältern zwischengespeichert wird und die aus den Sammelbehältern entnommenen Luftströme jeweils eine unterschiedliche Größe aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der jeweils während einer Meßphase benötigten Luftmenge mindestens zwei der Luftströme vor der Vermischung mit dem Abgas zusammengeführt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem rohrförmigen, mindestens einen Venturi-förmigen Abschnitt aufweisenden Hohlkörper, durch welchen das zu untersuchende Abgas hindurchgeleitet wird, mit Mitteln zur Bereitstellung von gereinigter Luft, mit einer am stromaufwärtigen Ende des Hohlkörpers angeordneten Mischkammer zum Vermischen des Abgases mit der gereinigten Luft, mit einer am stromabwärtigen Ende des Hohlkörpers angeordneten Absaugeinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Volumenstromes aus Abgas und Luft im Hohlkörper sowie mit einer Probenentnahmeeinrichtung zur Entnahme einer Probe des Abgas-Luft Gemisches aus dem Volumenstrom und Zufuhr dieser Probe in einen Probensammelbehälter während einer Meßphase, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) zur Bereitstellung der gereinigten Luft (54) einen Druckluftsammelbehälter (50; 150a, 150b, 150c) enthalten, in welchem die zuvor gereinigte Luft (54) vor der Zufuhr zur Mischkammer (2) gespeichert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (6) zur Bereitstellung der gereinigten Luft mindestens eine kontinuierlich betriebene Luftreinigungseinrichtung (52) enthalten, die dem Druckluftsammelbehälter (50; 150a, 150b, 150c) einen gereinigten Luftstrom zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des dem Druckluftsammelbehälter (50; 150a, 150b, 150c) von der Luftreinigungseinrichtung (52) zugeführten gereinigten Luftstromes um mindestens einen Faktor 10 kleiner ist als der während der Probennahme dem Abgas (4) beigemischte Luftstrom.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr unabhängige Druckluftzufuhrleitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) vorgesehen sind, durch die die im Druckluftsammelbehälter (50; 150a, 150b, 150c) gespeicherte Luft der Mischkammer (2) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftströme in den einzelnen Druckluftzufuhrleitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) unterschiedliche Werte besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzufuhr vom Druckluftsammelbehälter (50; 150a, 150b, 150c) zur Mischkammer (2) durch zwei oder mehrere der Druckluftzufuhrleitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) gleichzeitig erfolgt, wobei die Druckluftzufuhrleitungen in der Weise miteinander kombiniert werden, daß der durch alle Leitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) hindurchströmende Gesamtluftstrom der während der jeweiligen Meßphase benötigten Luftmenge entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Steuerung- und Regelungsmittel (58a bis 58d) vorgesehen sind, mit denen der Luftstrom in den Druckluftzufuhrleitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) gesteuert und geregelt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungs- und Regelungsmittel (58a bis 58d) den Druck des Luftstromes in den Druckluftzufuhrleitungen (56a bis 56d; 156a bis 156c) in der Weise regeln, daß dieser am stromabwärtigen Ende einer Entnahmeleitung (56a bis 56d) Atmosphärendruck besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Druckluftsammelbehälter (150a, 150b, 150c) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck in jedem der Druckluftsammelbehälter (150a, 150b, 150c) einen unterschiedlichen Wert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere konstante Einzel-Volumenströme vorgesehen sind und der gerade benötigte Gesamtvolumenstrom durch ein entsprechendes Zusammenschalten der Einzel-Volumenströme erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenschalten der Einzel-Volumenströme in Abhängigkeit von der jeweiligen, während eines Modes benötigten Luftmenge erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenschalten der Einzel-Volumenströme zeitgleich mit dem Umschalten der zugeführten Luftmenge erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel-Volumenströme zueinander im Verhältnis von 1:2ⁿ stehen, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere weitere rohrförmige Hohlkörper (8a bis 8d) mit zugehörigen Absaugeinrichtungen (14a bis 14d) vorgesehen sind, die mit der Mischkammer (2) in Strömungsverbindung stehen und die jeweils einen unterschiedlichen konstanten Volumenstrom führen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Bedarf an gereinigter Luft (54) zwei oder mehr der Hohlkörper (8a bis 8d) zusammengeschaltet und parallel zueinander betrieben werden.
Vorrichtung Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenschalten der Hohlkörper (8a bis 8d) zeitgleich mit dem Umschalten der zugeführten Menge an gereinigter Luft (54) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugeinrichtungen (14a bis 14d) während einer Meßphase konstant betrieben werden und daß Ventile (12a bis 12d) vorgesehen sind, durch welche die Absaugeinrichtungen (14a bis 14d) strömungsmäßig an die jeweiligen Hohlkörper (8a bis 8d) angeschlossen oder von diesen getrennt werden können.