DE19958441C2

DE19958441C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Gasinhaltsstoffen

Info

Publication number: DE19958441C2
Application number: DE1999158441
Authority: DE
Inventors: Hans Meixner; Susanne Kornely; Martin Unger; Erhard Magori; Bernhard Gottlieb; Andreas Kappel; Randolf Mock; Bernhard Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: DE19958441A1; EP1113267A3; EP1113267A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Gasin haltsstoffen, insbesondere im Abgas einer Verbrennungskraft maschine, nach dem Patentanspruch 1. Weiter hin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der Praxis ist es bekannt, zur Analyse der Schadstoffe im Abgas eines Kraftfahrzeugs in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem Katalysator einen Bypass zum Abgasrohr und somit zur Hauptgasströmung anzuordnen. Diese bekannten Bypassschal tungen bestehen aus einem in der Hauptgasströmung angeordne ten Einlauf zum Abzweigen eines Teilgasstroms, einer Meß strecke mit darin angeordneter Sensorkammer sowie einem Rück lauf, über den der abgezweigte Teilgasstrom in den Haupt gasstrom im Abgasrohr zurückgeführt wird. Der Rücklauf kann dabei entweder vor oder hinter dem Endschalldämpfer in das Abgasrohr münden und weist in Strömungsrichtung des Haupt gasstroms, so daß am Rücklauf kein Staudruck anliegt.

Die als Teilgasstrom in den Bypass abgezweigte Gasmenge wird durch den am Einlauf abgegriffenen Staudruck bestimmt, wenn der Rücklauf vor dem Endschalldämpfer in das Abgasrohr mün det. Bei der Einmündung des Rücklaufs in das Abgasrohr hinter dem Endschalldämpfer wird die abgezweigte Gasmenge durch die Summe aus dem durch den Strömungswiderstand des Endschall dämpfers verursachten Druckabfall am Endschalldämpfer und dem Staudruck bestimmt. Der Staudruck am Einlauf wächst propor tional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasrohr, wobei die Strömungsgeschwindigkeit linear an die Drehzahl des Motors gekoppelt äst. Da sich der Volumenstrom für eine la minare Strömung im Bypass proportional zur Druckdifferenz zwischen Einlauf und Rücklauf ändert, die wiederum dem Stau druck entspricht, kann hieraus eine Schwankung des Volumenstroms im Bypass um den Faktor 36 zwischen Leerlauf und Vol last resultieren. Für eine quantitative Analyse, beispiels weise des NO-Gehalts im Abgas ist eine solche Schwankung aber nicht tolerierbar, weil das Sensorsignal von der Stärke des abgezweigten Teilgasstroms abhängt.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung von Gasinhaltsstoffen zu schaffen, das auch bei einer Variation der Strömungsgeschwindigkeit im Hauptgasstrom repräsentative Meßergebnisse liefert. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorrichtungsmäßig wird die Auf gabenstellung durch die im Patentanspruch 2 genannten Merkma le gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung haben den Vorteil, daß der Volumenstrom in der Meßstrecke des Bypass durch eine Druckregulierung konstant gehalten wird, wodurch erstmalig eine lastunabhängige Analyse der Gasinhaltsstoffe möglich ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der vier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vor richtung schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Schaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Schaltungsvarian te einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3a eine schematische Seitenansicht der in Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform eines Druck reglers;

Fig. 3b eine entlang der Schnittlinie IIIb-IIIb gemäß Fig. 3a geschnittene schematische Draufsicht;

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausfüh rungsform eines Druckreglers und

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausfüh rungsform eines Druckreglers.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild zeigt die An ordnung eines Bypasses 1 parallel zu einem Abgasrohr 2 eines Kraftfahrzeugs. Ein solcher Bypass 1 wird in Strömungsrich tung der Abgase hinter dem Katalysator eingesetzt, um einen Teilgasstrom aus dem Hauptgasstrom des Abgasrohres 2 zu Ana lysezwecken abzuzweigen. Eine solche Gasanalyse dient dazu, den Schadstoffgehalt, beispielsweise den NO_X-Gehalt in dem Abgas zu bestimmen.

Der dargestellte Bypass 1 besteht aus einem im Abgasrohr 2 angeordneten Einlauf 3, über den aus dem Hauptgasstrom ein Teilgasstrom abgezweigt wird, einer nahe dem Einlauf 3 ange ordneten Druckreguliereinheit, die im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel als mechanischer Druckregler 4 ausgebildet ist, einer Meßstrecke 5 mit darin angeordneter Meßkammer 6 sowie einem im Abgasrohr 2 einmündenden Rücklauf 7, über den der abgezweigte Teilgasstrom vor oder hinter dem Endschalldämpfer zurück in den Hauptgasstrom geleitet wird.

Der in den Prinzipschaltbildern gemäß Fig. 1 und 2 darge stellte Druckregler 4 ist vergrößert in Fig. 3a wiedergege ben. Der über den Einlauf 3 abgezweigte Teilgasstrom tritt über einen Zulauf 8 in den Druckregler 4 ein und kann diesen über die Abläufe 9 und 10 wieder verlassen, wobei der Ablauf 9 mit der Meßstrecke 5 verbunden ist und an den Ablauf 10 ein Überlauf 11 angeschlossen ist, über den ein Teil des Teil gasstroms an der Meßstrecke 5 vorbei wieder zurück in den Hauptgasstrom geleitet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mündet der Überlauf 11 in ähnlicher Weise wie der Rücklauf 7 das Abgasrohr 2. Das in Fig. 2 dargestellte Schaltungsprinzip unterscheidet sich von dem gemäß Fig. 1 dadurch, daß der Überlauf 11 in Strömungsrichtung hinter der Meßstrecke 5 in den Bypass 1 mündet und der an der Meßstrecke 5 vorbeigeleitete Teilgasstrom über den Rücklauf 7 zurück in den Hauptgasstrom im Abgasrohr 2 gelangt.

Da das in der Meßkammer 6 gemessene Signal von der Stärke des abgezweigten und durch den Bypass 1 geleiteten Teilgasvolu menstrom abhängt, ist es für repräsentative Messungen notwen dig, den Volumenstrom zumindest in der Meßstrecke 5 des By passes 1 konstant und somit unabhängig von der Strömungsge schwindigkeit des Hauptgasstroms im Abgasrohr 2 zu halten.

Zu diesem Zweck ist im Bypass 1 nahe dem Einlauf 3 der Druck regler 4 angeordnet. Da der Volumenstrom durch den Bypass 1 proportional zur Druckdifferenz zwischen Einlauf 3 und Rück lauf 7 des Bypasses 1 ist, kann durch die Druckregulierung mittels des Druckreglers 4 für einen konstanten Volumenstrom in der Meßstrecke 5 gesorgt werden. Neben der in den Abbil dungen dargestellten Ausführungsformen mechanischer Druckreg ler 4 ist es selbstverständlich auch möglich, auch nach ande ren Prinzipien arbeitende Druckreguliereinheiten, wie bei spielsweise elektronische Druckregler, zu verwenden.

Bei der in Fig. 3a dargestellten ersten Ausführungsform ei nes mechanischen Druckreglers 4 weist der Druckregler 4 ein als einseitig verschwenkbar gelagerte Klappe 12 ausgebildetes Druckregelelement 13 auf. Durch das Druckregelelement 13, welches in der geschlossenen Stellung auf einer auf der In nenseite des Gehäuses des Druckreglers 4 angeordneten, umlau fenden Auflage 14 aufliegt, ist der den zum Überlauf 11 füh renden Ablauf 10 aufweisende Gehäuseteil gegenüber dem den Zulauf 8 und den zur Meßstrecke 5 führenden Ablauf 9 aufwei senden Gehäuseteil verschließbar.

Die das Druckregelelement 13 bildende Klappe 12 ist um eine auf der Auflage 14 oder an der Innenseite des Gehäuses des Druckreglers 4 angeordnete Achse 15 verschwenkbar, wobei die Lagerung der Klappe 12 beispielsweise über ein Scharnier er folgen kann.

Ein solchermaßen ausgestalteter Druckregler 4 arbeitet wie folgt:
Ist die Klappe 12 geschlossen, d. h. liegt sie auf der Auflage 14 auf, so fällt über die Klappe 12 der volle Staudruck ab. Durch diesen Druckabfall wird bezüglich der Achse 15 ein Drehmoment auf die Klappe 12 erzeugt, welches die Klappe 12 in Richtung der dargestellten Offenstellung verstellen will. Diesem durch den Druckabfall hervorgerufenen Drehmoment wirkt das Moment entgegen, das durch die Gewichtskraft F_G der Klap pe 12 erzeugt wird. Durch die Masse der Klappe 12 und/oder die Federkraft einer auf der Oberseite der Klappe 12 angeord neten - in Fig. 3a nicht dargestellten - in Richtung der Kraft F_G wirkenden Feder läßt sich der Druck einstellen, ab dem sich die Klappe 12 öffnet.

Steigt beispielsweise aufgrund einer höheren Motordrehzahl der Staudruck aufgrund der durch die Drehzahlerhöhung hervor gerufenen erhöhten Strömungsgeschwindigkeit des Haupt gasstroms im Abgasrohr 2 über den eingestellten Druck an, so wird die Klappe 12 um die Achse 15 in die Offenstellung ver schwenkt, wodurch der Zugang zum Ablauf 10 freigegeben wird und ein Teilvolumenstrom über den Überlauf 11 an der Meß strecke 5 vorbei zurück in das Abgasrohr 2 geführt wird.

Sobald der Druckabfall über die Klappe 12 wieder im Bereich des voreingestellten Drucks liegt, schließt sich die Klappe 12 wieder selbsttätig. Durch dieses druckabhängige Öffnen und Schließen des als Klappe 12 ausgebildeten Druckregelelements 13 wird sichergestellt, daß unabhängig vom Staudruck über die Meßstrecke 5 immer der vorgegebene Druck abfällt und somit ein konstanter Volumenstrom die Meßkammer 6 durchströmt.

Der Aufbau von Klappe 12, Schwenkachse 15 und Auflage 14 für die Klappe 12 in der Schließstellung ist besonders gut der Abbildung Fig. 3b zu entnehmen.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform zur Ausgestaltung des Druckregelelements 13. Bei dieser Ausführungsform ist das Druckregelelement 13 als lose Platte 16 ausgebildet, die in der Schließstellung auf der auf der Innenseite des Gehäuses des Druckreglers 4 angeordneten, umlaufenden Auflage 14 auf liegt.

Auch bei dieser Ausführungsform des Druckregelelements 13 ist die Schließkraft über die Masse der Platte 16 und somit die Gewichtskraft F_G einstellbar, die dem Öffnen der Platte 16 entgegenwirkt. Zusätzlich kann zum Einstellen des Drucks, ab dem sich die Platte 16 öffnen soll, auf der Oberseite der Platte 16 eine Feder 17 angeordnet sein, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Federkraft dieser beispielsweise als Wendelfeder Ausgebildeten Feder 17 wirkt in Richtung der Kraft F_G und somit in Richtung der Schließstellung der Platte 16.

Steigt der Druck am Zulauf 8 über den vorgegebenen Druck an, so wird die Platte 16 nach oben gedrückt, wodurch der Weg zum Überlauf 11 freigegeben wird, über den ein Teilvolumenstrom an der Meßstrecke 5 vorbei zum Hauptgasstrom im Abgasrohr 2 geführt wird. Sobald der Druckabfall über die Platte 16 wie der auf den vorgegebenen Wert absinkt, schließt sich die Platte 16 wieder selbsttätig. Auch bei dieser Ausführungsform wird sichergestellt, daß der Druck, der über die Meßstrecke 5 abfällt, unabhängig vom Staudruck im Abgasrohr 2 ist, was wiederum einen konstanten Volumenstrom durch die Meßkammer 6 gewährleistet.

Fig. 5 zeigt schließlich eine dritte Ausführungsform eines Druckreglers 4, bei der das Druckregelelement 13 als einsei tig festgelegte, vorgespannte Biegefeder 18 ausgebildet ist, die in der Schließstellung auf einer auf der Innenseite des Gehäuses des Druckreglers 4 angeordneten, umlaufenden Auflage 14 aufliegt. Die Schließkraft dieses als Biegefeder 18 ausge bildeten Druckregelelements 13 läßt sich über die Vorspannung und/oder die Materialeigenschaften der Biegefeder 18 einstel len.

Wenn der Druck am Zulauf 8 über den eingestellten Wert an steigt, biegt sich die Biegefeder 18 um ein Einspannung 19 aufwärts, bis sie den Zugang zum Überlauf 11 freigibt und ein Teilvolumenstrom an der Meßstrecke 5 vorbei in das Abgasrohr 2 zurückgeführt wird, bis der Druckabfall über die Biegefeder 18 wieder unter den vorgegebenen Wert fällt. Auch diese drit te Variante zur Ausgestaltung des Druckreglers 4 stellt si cher, daß der Druckabfall über die Meßstrecke nicht vom Stau druck im Abgasrohr 2 abhängig ist und die Meßkammer 6 ein konstanter Volumenstrom durchströmt.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Gasinhaltsstoffen, insbesonde re im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei aus einem Hauptgasstrom über einen Bypass (1) ein Teilgasstrom abge zweigt wird, der nach dem Durchströmen einer Meßstrecke (5) wieder in den Hauptgasstrom zurückgeführt wird und der Volumenstrom des Teilgasstroms über die Meßstrecke (5) des Bypasses (1) unabhängig vom Volumenstrom im Hauptgasstrom druckreguliert konstant gehalten wird.

2. Vorrichtung zum Messen der Inhaltsstoffe eines Gases, insbesondere eines Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschi ne, mit einem einen Einlauf (3), eine Meßstrecke (5) und einen Rücklauf (7) aufweisenden Bypass (1), über den ein aus dem Hauptgasstrom abgezweigter Teilgasstrom der Meßstrecke (5) zuführbar ist, und in dem Bypass (1) in Strömungsrichtung vor der Meßstrecke (5) eine Druckreguliereinheit angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregu liereinheit einen Überlauf (11) aufweist, über den ein Teil des Teilgasstroms vor der Meßstrecke (5) abzweigbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (11) in den Hauptgasstrom mündet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überlauf (11) in Strömungsrichtung hinter der Meßstrecke (5) in den Bypass (1) mündet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregu liereinheit nahe dem Einlauf (3) im Bypass (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregu liereinheit als mechanischer Druckregler (4) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (4) ein Gehäuse aufweist, in den der durch den Bypass (1) ab gezweigte Teilgasstrom über einen Zulauf (8) einströmen und über voneinander getrennte Abläufe (9, 10) zur Meßstrecke (5) und zum Überlauf (11) ausströmen kann, wobei der den Ablauf (10) zum Überlauf (11) aufweisende Gehäuseteil über ein Druckregelelement (13) gegenüber dem den Zulauf (8) und den Ablauf (9) zur Meßstrecke (5) aufweisenden Gehäuseteil ver schließbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregel element (13) als einseitig gelagerte, verschwenkbare Klappe (12) ausgebildet ist, die in der Schließstellung auf einer auf der Innenseite des Gehäuses angeordneten, umlaufenden Auflage (14) aufliegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregel element (13) als in der Schließstellung auf einer auf der In nenseite des Gehäuses angeordneten, umlaufenden Auflage (14) lose aufliegende Platte (16) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregel element (13) aufgrund der Schwerkraft und/oder Federkraft bis zu einem vorgebbaren Druck in der Schließstellung haltbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregel element (13) als einseitig festgelegte, vorgespannte Biegefe der (18) ausgebildet ist, die in der Schließstellung auf ei ner auf der Innenseite des Gehäuses angeordneten, umlaufenden Auflage (14) aufliegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließkraft der Biegefeder (18) über die Vorspannung und/oder die Materi aleigenschaft der Biegefeder (18) einstellbar ist.