DE2011064A1

DE2011064A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft in einem Gemisch

Info

Publication number: DE2011064A1
Application number: DE19702011064
Authority: DE
Inventors: Walter Derek Mold Flintshire Wales Mills (Großbritannien)
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij N.V., Den Haag
Priority date: 1969-03-10
Filing date: 1970-03-09
Publication date: 1970-09-24
Also published as: JPS49920B1; FR2046147A5; US3669627A; GB1287748A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft in einem Gemisch.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Ermitteln des Verhältnisses zwischen der Luftmenge und der Kraftstoffmenge bei einem Gemisch aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft.

Eine weitgehende Ausnutzung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen, die eine möglichst vollständige Oxidation der kohlenstoffhaltigen Stoffe bedingt, ist unter anderem deshalb von Bedeutung, weil der Kraftstoff kostspielig ist und eine Vergeudung von Kraftstoff daher unwirtschaftlich ist·

Verbrennungseinrichtungen, und zwar sowohl komplizierte Verpuffungsvorrichtungen, für die eine Verbrennungskraftmaschine ein Beispiel ist, als auch einfache, mit einem Kraft- bzw. Brennstoff arbeitende Feuerungen, werden ständig verbessert, um den Wirkungsgrad der Verbrennung zu steigern und das Abgeben unverbrannter Kohlenwasserstoffe an die Atmosphäre möglichst zu vermeiden«, Der Wirkungsgrad der Verbrennung eines Kraft- oder Brennstoffs, d.h., die

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Verbrennung unter Erzielung einer optimalen Energieausbeute, kann nicht nur in Beziehung zu den Eigenschaften des verbrannten Brennstoffs stehen, sondern auch z.B. in Beziehung zur Form des Verbrennungsraums, zu der Zündpunkteinstellung, wenn eine solche vorgesehen ist, sowie zu dem Mengenverhältnis zwischen dem Kraftstoff und dem gewöhnlich durch Luft gebildeten Oxydationsmittel in dem Verbrennungsraum. Dieser zuletzt genannte Faktor läßt sich nur unter großen Schwierigkeiten genau ermitteln, doch ist es sehr wichtig, daß einwandfreie Informationen über das Mengenverhältnis zur Verfügung stehen, damit es z.B. möglich ist, den Einfluß irgendeiner konstruktiven Änderung bezüglich des Verbrennungsraums oder der Zündpunkteinstellung richtig zu beurteilen. Bei einer z.B. in einem Kraftfahrzeug verwendeten Verbrennungskraftmaschine kann der Ablauf der Verbrennung sehr schnell und innterhalb weiter Grenzen variieren«, Die Verbrennung zeigt beim Kaltstart, bei dem häufig mit einem angereicherten Kraftstoff-Luft-Gemisch gearbeitet wird, beim Anfahren oder Beschleunigen, beim Leerlauf, bei der Fahrt mit hoher Geschwindigkeit sowie beim Abbremsen des Fahrzeugs .jeweils einen charakteristischen Verlauf, und in manchen Fällen ist es erwünscht, eine im wesentlichen lückenlose Analyse des Kraftstoff-Luft-Gemisches durchzuführen, das unter diesen sich ständig ändernden Bedingungen verbrannt wird, damit man die Wirkung irgendwelcher Änderungen der Gemischzusammensetzung ermitteln und in Beziehung zu den Änderungen der Verbrennungsbedingungen setzen kann.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß man das Mengenverhältnis zwischen Luft und Kraftstoff in einem Gemisch aus einem Kraftstoff auf Kohlenstoffbasis und Luft ermitteln kann, indem man eine Probe des Gemisches entnimmt, die oxidierbaren Bestandteile vollständig zur Oxidation bringt, bis der gesamte Kohlenstoff in Form der Verbindung GOo gebunden ist und der gesamte Wasserstoff zu wasser

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oxidiert ist·, und das Mengenverhältnis zwischen den Bestandteilen des Gemisches der Verbrennungsprodukte ermittelt, indem -man eine Messung der Dielektrizitätskonstante des Gasgemisches unter Bezugnahme auf die Dielektrizitätskonstante ähnlicher Gasgemische von bekannter Zusammensetzung mißt.

Zu dem genannten Zweck sieht die Erfindung nunmehr ein Verfahren zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen Luft und Kraftstoff in einem Gemisch aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der in einer Probe des Gemisches enthaltene Kraftstoff vollständig oxidiert wird, und daß die Dielektrizitätskonstante des so erhaltenen Gemisches aus oxidierten und nicht oxidierbaren Bestandteilen der Probe ermittelt wird.

Eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, besteht darin, eine Probe des Kraftstoff-Luftgemisches unmittelbar vor dem Beginn der Verbrennung zu entnehmen, doch ergibt sich hierbei der Nachteil, daß es unbequem ist, in kurzen Zeitabständen solche Proben z.B. dem Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen; außerdem kann schon die Tatsache, daß eine Probe des Gemisches entnommen wird, einen weiteren Faktor bilden, der den Ablauf der Verbrennung beeinflußen könnte. Natürlich könnte in vielen Fällen, z.B. bei einem ortsfesten Gasbrenner, das direkte Entnehmen einer Kraftstoffprobe zu befriedigenden Ergebnissen führen, doch hat es sich gemäß der Erfindung insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen als vorteilhaft erwiesen, die Oxidation in zwei Phasen durchzuführen, wobei die erste Phase der tatsächlichen Verbrennung des Kraftstoffs in der Kraftmaschine während der normalen Zündphase entspricht, während es sich bei der zweiten Phase um eine ergänzende Oxidationsphase handelt, während welcher alle noch nicht oder nur teilweise oxidierten Kraftstoffbestandteile in den Abgasen zur vollständigen

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Oxidation gebracht werden, woraufhin die Zusammensetzung des entstandenen Gasgemisches in der beschriebenen Weise durch Messen der Dielektrizitätskonstante ermittelt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal sieht die Erfindung somit ein Verfahren zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen Luft und dem Kraftstoff in einem Gemisch aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft vor, das Maßnahmen umfaßt, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verbrennen, um eine Probe der Abgase zu oxidieren, so daß eine vollständige Oxidation der nicht oxidierten oder nur teilweise oxidierten Bestandteile des Kraftstoffs gewährleistet ist, und um danach die Dielektrizitätskonstante P des erhaltenen gasförmigen Gemisches aus den oxidierten und den nicht oxidierbaren Bestandteilen des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu messen.

Weiterhin sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen Luft und Kraftstoff in einem Gemisch aus einem Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft vor, die eine Oxidationsvorrichtung zum Oxidieren des Kraftstoffs in einer möglicherweise teilweise oxidierten Probe des Gemisches bis zur vollständi gen Oxidation sowie eine Vorrichtung zum Messen der Dielektrizitätskonstante des aus der Oxidationsvorrichtung entweichenden Gemisches umfaßt.

Das Oxidieren der zu untersuchenden Stoffe kann ohne Rücksicht darauf,' ob es sich um ein nicht verbranntes Kraft stoff-Luft-Gemisch oder um die Abgase eines Verbrennungsraums handelt, mit Hilfe einer beliebigen Vorrichtung bewirkt werden, doch ist es hierbei natürlich wichtig, dann, wenn die Zusammensetzung des Gemisches mehrmals nacheinander ermittelt werden soll, ein Vermischen des Gases während der Oxidation möglichst zu vermeiden, und daher ist es insbesondere erwünscht, dafür zu sorgen, daß sich in der Oxidationsvorrichtung ein im wesentlichen laminarer Gasstrom

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ausbildet. Aus diesem Grund wird es vorgezogen, die Oxidation zu bewirken, während das Gemisch durch einRohr oder mehrere Rohre strömt, wobei die Rohre so bemessen sind, daß das Entstehen, einer turbulenten Strömung möglichst vermieden wird. Alternativ kann man ein möglicherweise nicht ganz so bequemes Verfahren anwenden, bei dem jeweils .eine Charge des Gemisches oxidiert und danach analysiert wird? in diesem Fall wird ein bestimmtes Gemischvolumen in einen Behälter eingeleitet, in¹ dem die Oxidation durchgeführt wird, und danach werden die vollständig acidierten Stoffe von der Oxidationsvorrichtung an eine Zelle zum Messen der Dielektrizitätskonstante abgegeben* Hierbei ist es wichtig, daß die Oxidation sowie alle übrigen Arbeitsschritte zwischen dem Entnehmen der zu untersuchenden Probe und dem Ermitteln ihrer Dielektrizitätskonstante unter solchen Bedingungen durchgeführt werden, daß eine Verunreinigung der Proben mit von außen kommenden Gasen ausgeschlossen ist.

Ein teilweise oxidiertes Gemisch kann mit Hilfe eines beliebigen Oxidationsmittels oxidiert werden, doch wurde festgestellt, daß Kupferoxid für diesen Zweck besonders geeignet isto Bei einer .ausführungsform der Erfindung wird daher die Oxidation des unvollständig oxidierten Abgases dadurch bewirkt, daß das Abgas in Berührung mit heißem Kupferoxid gebracht wird. Zwar wird Kupferoxid als Oxidationsmittel bevorzugt, doch könnte man z.B. auch Oxide von Zinn, Eisen und Nickel verwenden. Gewöhnlich ist es erforderlich, das Oxidationsmittel auf eine so hohe Temperatur zu erhitzen, daß sich die Oxidation hinreichend schnell abspielt, um eine Auswertung zu ermöglichen; Gewöhnlich genügt eine Temperatur über etwa 400° 0, doch wird vorzugsweise mit einer Temperatur zwischen etwa 600° 0 und 800° C gearbeitet.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde· Kupferoxid in Form von Stäben verwendet, die in Gestalt eines

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Bündels nebeneinander in einem rohrförmigen Behälter so angeordnet waren, daß sie mehrere allgemein rohrförmige Kanäle abgrenzten, durch die die zu oxidierenden Stoffe hindurchgeleitet wurden. Alternativ kann man mit dem Oxidationsmittel überzogene Platten oder Stäbe oder mit dem Oxidationsmittel ausgekleidete Rohre benutzen. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 9 dargestellt und weiter unten beschrieben. Einem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, Vorrichtungen zu schaffen, die eine innige Berührung der Stoffe gewährleisten, welche an einer chemischen Reaktion teilnehmen.

Das Oxidationsmittel kann elektrisch, z.B. durch

ψ elektrische Heizelemente, erhitzt werden; gewöhnlich erweist sich die Verwendung von um die Oxidationsvorrichtung herumgelegten Heizwindungen als zweckmäßige Wenn es sich bei dem zu oxidierenden Stoff um ein Abgas handelt, kann eine gewisse Heizwirkung auch durch das Abgas selbst hervorgerufen werden. Ferner kann es sich als möglich erweisen, heiße Abgase zu verwenden, uxa zum Erhitzen des Oxidationsmittels beizutragen; zu diesem Zweck läßt man das heiße Gas z.B₀ um die Oxidationsvorrichtung herum, d.h. um denjenigen i'eil der Vorrichtung zirkulieren, in dem sich die Oxidation abspielt, bevor das Gas durch die eigentliche Vorrichtung geleitet wird; alternativ kann der größere Teil des Abgases dazu dienen, die Oxidationsvorrichtung zu beheizen, " wobei nur ein kleiner Teil des 3-ases durch die Oxidationsvorrichtung geleitet v/ird, um dann analysiert zu werden.

Die Dielektrizitätskonstante der vollständig oxidierten Stoffe kann nach dem Austreten der Stoffe aus der Oxidationsvorrichtung auf beliebige bekannte Weise, z.B. mit Hilfe einer handelsüblichen Kapazitätszelle, gemessen werden,, Da sich jedoch die zu untersuchende Probe nach der Oxidation gewöhnlich auf einer hohen Temperatur befindet (obwohl man natürlich Maßnahmen treffen kann, um die Probe auf eine genügend niedrige Temperatur abzukühlen, bevor ihre

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Dielektrizitätskonstante ermittel wird), und da Temperaturschwankungen möglicherweise infolge thermischer Wirkungen zu einer Verformung der Kapazitätszelle führen, so daß man ungenaue Ergebnisse erhält, ist es zweckmäßig, ein Gerat zu benutzen, bei dem das Auftreten einer thermischen Verformung der Zelle unwahrscheinlich isto Gemäß der Er-' findung werden Zellen der an Hand Fig. 4 und 5 dargestellten Art benutzt, die gegen eine thermische Verformung besonders widerstandsfähig sind.

Wenn mehrere Messungen der Dielektrizitätskonstante erforderlich sind, und wenn die Messungen insbesondere in kurzen Zeitabständen durchgeführt werdei/sollen, ist es wichtig, eine Zelle zu benutzen, die schnell von dem soeben untersuchten Gas befreit werden kann, bevor ihr die nächste Probe zugeführt v/ird, damit ein Vermischen mehrerer Proben vermMen wird.

Aus den genannten Gründen wird vorzugsweise mit einer Zelle gearbeitet, die von der Probe laminar durchströmt wird j gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß es besonders vorteilhaft ist, dafür zu sorgen, daß der Gasaufnahmeraum der Zelle und die Abstände zwischen den Platten möglichst klein gehalten v/erden, soweit dies mit einer zweckmäßigen Betriebsweise zu vereinbaren ist. wenn man z.B. eine Zelle der in Fig. 4 gezeigten Art benutzt, zeigt es sich, daß man bei einem Plattenabstand von 0,125 ram gute Ergebnisse erzielt, da sich die Zelle schnell durch-. spülen läßt und eine laminare Strömung erzielt wird; jedoch können sich in manchen Fällen feste Stoffe aus dem zu untersuchenden Gas niederschlagen, und hierdurch kann die Meßgenauigkeit der Zelle beeinträchtigt werden. In der Praxis ist es daher zweckmäßiger, einen Plattenabstand von etwa 0,25 rom vorzusehen, wenn das Gas jedoch wirksam filtriert wird, wobei man z.B. Sintermetalle zu diesem Zweck verwenden kann, verringert sich die Gefahr, daß Ablagerungen zu falschen Meßergebnicsen führen.

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Aus führung st) ei spiele für erfindungsgemäße VorriciiT tungen sind in den Zeichnungen dargestellt.

Fig. 1 zeigt schematisch in einem Fließbild, auf welche Weise ein unvollständig oxidiertes Kraftstoff-Luft-Gemisch, das einer Quelle A, z.B. der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine entnommen wird, durch eine Oxidationsvorrichtung B und danach durch eine Kapazitätszelle C geleitet wird. Das Gas wird mit Hilfe einer Pumpe D durch diese Vorrichtungen hindurchgesaugt. Die Dielektrizitätskonstante des durch die Zelle strömenden Gases wird mit Hilfe einer Vorrichtung E ermittelt; es sind zahlreiche derartige Vorrichtungen bekannt; gemäß der Erfindung wurde ψ z.B. eine Vorrichtung in Form einer Kapazitätsmeßbrücke mit einen Transformator bildenden Zweigen (transformer ratio arm capacitance bridge type) benutzt. Die Ergebnisse werden in Form einer Kurve auf dem Diagrammblatt eines Registriergeräts F über einem willkürlich gewählten Pegel dargestellt, bzw. aufgezeichnet.

Um die Wirkungsweise des Verfahrens gemäß der Erfindung zu veranschaulichen und seine Meßgenauigkeit nachzuweisen, wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem die Luft-Brennstoff-Verhältnisse von Ä'thylen-Luft-Flammen von unterschiedlicher bekannter Zusammensetzung unter geregelten Bedingungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erb mittelt wurden. -

Zu diesem Zweck wurde eine allgemein Fig. 1 entsprechende Apparatur benutzt, die einen Brenner A der mit weiteren Einzelheiten in Fig. 2 dargestellten Art umfaßte, ferner einen mit weiteren Einzelheiten in Fig. 2 und 3 gezeigten elektrisch beheizbaren Ofen B, in dem Stangen aus Kupferoxid in enger Fackung angeordnet waren, sowie eine Kapazitätsmeßzelle C der in Fig. 4 und 9 dargestellten Art. Geregelte bzw. abgemessene Mengen von Äthylen und Luft wurden dem Brenner zugeführt, in dem diese Stoffe vor dem Verbrennen innig gemischt wurden₀

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Fig. 2 zeigt den Brenner A in einem senkrechten Schnitt. Der Brenner umfaßt Einlasse 1 und 2 zum Zuführen abgemessener Mengen von Äthylen bzw* Luft sowie einen Raum 3» der mit in fester Packung angeordneten Glasperlen gefüllt·ist, die ein inniges Vermischen des Brennstoffs •und der Luft bewirken, bevor das Gemisch durch ein Drahtgeflecht 4 strömt, um dann in einer Flammenzone 5 verbrannt zu werden· Über der Flammenzone ist ein zum Entnehmen von Proben dienendes Rohr 6 angeordnet, mittels dessen repräsentative Proben der Verbrennungsprodukte gesammelt werden· Die gesamte Baugruppe ist durch eine Abschirmung 7 aus Glas geschützt, die es ermöglicht, die Flamme zu beobachten, die jedoch das Eindringen von Außenluft oder anderen Stoffen verhindert, durch die die Verbrennungsreaktion gestört werden könnte.

Aus der Flammenzone 5 treten die Verbrennungsprodukte in das Sohr 6 ein und strömen durch einen aus Glasfasern bestehenden Filterstop'fen 13, der feste Teilchen zurückhält, zu der Oxidationsvorrichtung, die eine rohrförmige innere Kammer 9 aus einem hitzebeständigen Werkstoff umfaßt, die in enger Packung mit Stangen 10 aus Kupferoxid gefüllt ist; Figo 3 zeigt die Oxidationsvorrichtung in einem vergrößerten Querschnitt längs der Linie» A-A in Fig«2. Die innere Kammer 9 wird durch eine elektrische Heizwicklung 11 beheizt, die in einen Mantel 12 aus einem keramischen elektrisch isolierenden Werkstoff eingebettet ist. Alle diese Teile sind in einen äußeren Behälter 8 aus einem hitzebeständigen Werkstoff eingeschlossen·

Das Kupferoxid wird mit Hilfe der Heizwicklung auf eine Temperatur von etwa 600° 0 erhitzt, bei der das gesamte nach der unvollständigen Oxidation des Äthylens verbleibende noch nicht oxidierte Äthylen und alle anderen oxidierbaren Stoffe in dem Abgas zu GOo und Wasser oxidiert werden_e Der in dem Abgas enthaltene Stickstoff wird jedoch nicht oxidiert«

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Das vollständig oxidierte Gasgemisch wird dann durch eine Kapazitätsmeßzelle geleitet, von der eine Ausführungsform in Fig, 4 im Längsschnitt und in Fig. 5 in einem Querschnitt längs der Linie B-B in Fig. 4 dargestellt ist. Gemäß Fig. 4 und 5 umfaßt die Zelle ein auf einer konstanten Temperatur gehaltenes Bad 14 aus siedendem Chlorbenzol, dessen Siedepunkt 130° C "beträgt, sowie die Platten 15 der Kapazitätszelle, bei der der Spalt 16 die Form von zwei gleichachsigen Hingräumen hat, die durch Kanäle 23 miteinander verbunden sind. Das Gas strömt in die Zelle über einen Einlaß 17 ein und entweicht aus der Zelle über einen Auslaß 18_β Die Zelle ist durch einen isolierenden Stopfen 19 unterstützt und von dem auf einer konstanten Temperatur gehaltenen Bad 14 durch eine Packung 20 aus Kupferpulver getrennt, die dazu beiträgt, die Wärmeübergangsbeziehung zu dem Bad 14 aufrechtzuerhalten» Die Änderungen der Kapazität der Zelle werden mit Hilfe von an die Platten 15 angeschlossenen Leitungen 21 und.22 ermittelt·

Die theoretische Dielektrizitätskonstante eines Gasgemisches, das einen bestimmten Anteil an COp, HpO und Np und bei einem hohen Schwefelgehalt des Brennstoffs auch SOp enthält, kann aus den für die einzelnen Gase ermittelten Werten berechnet werden, und auf diese Weise kann man eine Kurve erhalten, die eine Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante und der Zusammensetzung des vollständig oxidierten Gases und damit auch dem Mengenverhältnis zwischen der Luft und dem Brennstoff in dem Brenngemisch herstellt. Alternativ kann man die Vorrichtung zum Messen der Dielektrizitätskonstante durch Vergleichen mit einem anderen Gerät, z.B. mit Infrarotanalysatoren eichen, wie sie zum Ermitteln der Zusammensetzung von Gasgemischen zur Verfügung stehen. Fig. 6 läßt die sehr enge Beziehung zwischen einer Kurve X, die durch Messen der Dielektrizitätskonstante bei einer kohlenwasserstoffreichen Äthylen-Luft-Flamme experimentell gewonnen wurde, und einer Kurve X erkennen, die aus der nachstehenden Gleichung abgeleitet ist.

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j)

^EXH

1 + I + - (12 + R) A/F

Hierin ist D die Dielektrizitätskonstante der Gase bei der Meßtemperatur,

R das Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis des Äthylens,
k - H und q - (32 + H (28)) und A/F das Luft-Brennstoff-Gewichtsverhältnis des Brennstoff-Luft-Gemisches.

Die beiden Kurven X und Y repräsentieren die Dielektrizitätskonstante D, die in der Form (D-1) χ 10 über dem Verhältnis <4 « F/A aufgetragen ist· Der Maßstab S repräsentiert die Unterteilung des Diagrammblatts·

In der Gleichung für D-y-r, sind keine Gase außer COp, HpO und Kp berücksichtigt, denn die Dielektrizitätskonstante von Sauerstoff braucht nur dann berücksichtigt zu werden, wenn ein "mageres" d.h., sauerstoff reiches Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wobei gewöhnlich keine zweite Oxidationsphase erforderlich ist, wobei jedoch eine solche Phase vorgesehen sein kann, um möglicherweise vorhandene "reiche" Gemische zu berücksichtigen.

Wenn beim Verbrennen von rirennstoffgemischen gelegentlich magere' Gemische auftreten können, wird es vorgezogen, Maßnahmen zu treffen, um den gesamten Sauerstoff aus dem vollständig oxidierten Gemisch zu entfernen, bevor das Gemisch der Kapazitätszelle zugeführt wird; zu diesem Zweck wird das vollständig oxidierte Gemisch gemäß der Erfindung zweckmäßig in Berührung mit einem erhitzten Metall, z.B. Kupfer, gebracht, das geeignet ist, den Sauerstoff aus dem Gemisch zu entfernen,

Dieser Vorgang kann in einer Vorrichtung durchgeführt

werden, die im wesentlichen der beschriebenen Oxidations-

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vorrichtung ähnelt, die Jedoch in einer dichten Packung z.B. mit Stäben, Rohren, Platten oder dergleichen gefüllt ist, welche aus dem den Sauerstoff aufnehmenden Material bestehen. Um zu ermöglichen, daß Analysen in schneller Folge durchgeführt werden, und um die kurze Reaktionszeit und die darauf zurückzufuhrende Empfindlichkeit für schnelle Änderungen des Verbrennungsablaufs auszunutzen, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar ist, ist es auch in diesem Fall erwünscht, dafür zu sorgen, daß das Gas die Vorrichtung zum Entfernen des Sauerstoffs in Form einer im wesentlichen laminaren Strömung durchströmt.

Um zu verhindern, daß sich Wasser im flüssigen Zustand aus dem Gasgemisch abscheidet, dessen Dielektrizitätskonstante ermittelt werden soll, wird das Wasser dadurch im dampfförmigen Zustand gehalten, daß alle Kanäle, die von dem Gasgemisch durchströmt werden, auf einer Temperatur über 110° G und vorzugsweise auf einer Temperatur gehalten werden, die derjenigen ähnelt, bei welcher die Dielektrizitätskonstante ermittelt wird.

Jede Änderung der Zusammensetzung der Luftkomponente des Gemisches kann zweckmäßig dadurch ausgeglichen werden, daß gleichzeitig die Dielektrizitätskonstante einer Luftprobe ermittelt wird, die dem Lufteinlaß entnommen und einer ähnlichen Kapazitätszelle zugeführt wird, die unter den gleichen Bedingungen arbeitet wie die Meßzelle und z.B. in das gleiche thermostatisch geregelte Bad eintaucht.

Fig. 7 ist eine teilweise als Längsschnitt gezeichnete schematische Darstellung einer zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung. Beim Gebrauch der Vorrichtung strömt das zu untersuchende Gasgemisch, z.B. ein gasförmiges Brennstoff-Luft-Gemisch oder das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, gemäß Fig. 7 von links nach rechts durch die Vorrichtung. Hierbei tritt das Gas in ein Rohr 6 ein, das in einen beheizbaren Mantel

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24· eingeschlossen ist, um die Temperatur des Gases über 110° C zu halten.

Es ist erwünscht, den Druck des durch die Vorrichtung strömenden Gases konstant zu halten, und zu diesem Zweck kann man das Gas durch ein seinen Druck konstant haltendes Ventil beliebiger Art leiten. Ein geeignetes Ventil 25 ist in Fig. 8A im Längsschnitt und in Fig. 8B in einem vergrößerten Querschnitt längs der Linie 0-0 in Fig. 8A dargestellt. Dieses Ventil umfaßt im wesentlichen das Rohr 6 und eine gleichachsig damit angeordnete Hülse 29; das Bohr 6 besteht zweckmäßig aus Stahl, während die Hülse 29 aus einem flexiblen elastischen Werkstoff, z.B. einem Silikonkautschuk, hergestellt ist. Das Rohr 6 ist zweckmäßig mit Längsschlitzen 28 versehen, und die elastische äußere Hülse besitzt einen oder mehrere Längsschlitze 33» die geschlossen bleiben, bis der Innendruck über den Außendruck hinaus ansteigt. Der Werkstoff der Hülse 29 ist hinreichend flexibel, damit sich die Schlitze 33 öffnen können, um überschüssiges Gas entweichen zu lassen, wie es in Fig. durch die gekrümmten Pfeile angedeutet ist, sobald der Druck des durch die Untersuchungsvorrichtung strömenden Gases höher ist als der Druck der Atmosphäre. Gemäß Fig. 8A ist die Hülse 29 durch einen Abstand von dem Rohr 6 getrennt, doch ist ein solcher Abstand nicht unbedingt erforderlich. Die Hülse ist zweckmäßig durch zwei nahe ihren Enden angeordnete Rohrschellen 30 in ihrer Lage gehalten.

Wach dem Passieren des Ventils 25 strömt das zu untersuchende Gas durch ein Filter 13» das zweckmäßig aus gesintertem nichtrostendem Stahl besteht, zu der Oxidationsvorrichtung, in der die in dem Gas vorhandenen nicht oxidierten oder nur unvollständig oxidierten Brennstoffbestandteile durch eine Reaktion mit einem Oxidatiohsmittel oxidiert werden, wobei aus dem Kohlenstoff die Verbindung QQp entsteht, während der Wasserstoff zusammen mit Sauer-

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stoff Wasser bildet. Geml'ß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß es besonders zweckmäßig ist, zu diesem Zweck die in Fig· 9B gezeigte Vorrichtung 'A zu benutzen. Diese Vorrichtung wird in der Weise hergestellt, daß man gemäß Fig. 9A ein flaches Kupferblech 31 mit einem ebenfalls aus Kupfer bestehenden gewellten Blech 32 vereinigt. Wenn man diese beiden Bleche jetzt zusammenrollt, indem man sie zweckmäßig um einen zentralen Kern herumlegt, entsteht eine zylindrische Vorrichtung 34-» die praktisch eine große Zahl enger iiohre von annähernd dreieckiger Querschnittsform bildet» In dem hohlen zentralen Kern der zylindrischen Vorrichtung kann ein Thermoelement zum Messen der Temperatur angeordnet sein. Die Vorrichtung 34- kann in der in Figo 7 gezeigten V/eise in einen Heizofen 12 eingeschlossen sein. Bevor man die Vorrichtung in Gebrauch nimmt, erzeugt man auf dem Metall eine Oxidschicht, indem man Luft oder Sauerstoff durch die Vorrichtung leitet.

Nach dem Entweichen aus der Oxidationsvorrichtung strömt das zu untersuchende Gas durch ein weiteres Filter 13» bevor es in die Kapazitätszelle eintritt, die in Fig. schematisch dargestellt ist und die Platten 15 umfaßt. Die Kapazitätszelle wird durch ein Bad 14, das zuruckgeleitetes Ghlorbenzol enthält, auf einer konstanten Temperatur gehalten.

Die elektrischen Anschlüsse der Zelle und des Registriergeräts sind in Fig. 7 nicht dargestellt.

Nach dem Verlassen der Kapazitätszelle strömt das Gas durch ein drittes Filter 13 und dann durch einen mit Hilfe eines Kühlmittels 27 gekühlten Kondensator 26, in dem der in dem Gas enthaltene wasserdampf kondensiert und gesammelt wird. Das dann noch verbleibende Gas strömt aus dem Kondensator zu nicht dargestellten Durchsatz- und Druckreglern.

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Bei einer tatsächlich durchgeführten Messung unter Benutzung der "beschriebenen Vorrichtung wurde das einem ' Motor mit einem Hubraum von 1,5 ltr über eine gemeinsame Abgasleitung entnommene Abgas unter Abblasen der überschüssigen Menge mit Hilfe des Ventils 25 in einer Menge von 1,8 ltr/min durch eine Kapazitätszelle mit einem Rauminhalt von 3,8 cm geleitet. Hierbei ergab sich eine Ansprechzeit der Vorrichtung von etwa 0,13 see. Die Oxidationsvorrichtung wurde auf 800° C aufgeheizt, und eine Oxidation des Kupfers in der Oxidationsvorrichtung wurde durch Hindurchleiten von Luft sowohl vor der Ingebrauchnahme als auch zwischen den aufeinander folgenden Messungen bewirkte

Wird die Vorrichtung in der weiter oben beschriebenen Weise zum Untersuchen "magerer" Brenngemische benutzt, kann man den überschüssigen Sauerstoff entfernen, indem man zwischen der Oxidationsvorrichtung und der Kapazitätszelle eine Vorrichtung anordnet, in der der Sauerstoff veranlaßt werden kann, mit einem bestimmten Stoff, z.B«, Kupfer zu reagieren. Zu diesem Zweck kann man eine zweite Vorrichtung der in Fig. 9B gezeigten Art benutzen, die im wesentlichen zahlreiche in einem beheizbaren Mantel angeordnete Kupferrohre umfaßt.

Patentansprüche; 009839/1503

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Ermitteln des Mengenverhältnisses zwischen Luft und einem Kraft-Brennstoff in einem Gemisch aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft, dadurch gekennzeichnet , daß der in einer Probe des Gemisches enthaltene Brennstoff vollständig oxidiert und die Dielektrizitätskonstante des so erhaltenen Gemisches aus oxidierten und nicht oxidierbaren Probenbestandteilen ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation dadurch herbeigeführt wird, daß die Probe des Brennstoff-Luft-Gemisches in Berührung mit einem Oxidationsmittel in Form eines Metalloxides gebracht wird·

3.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn

zeichnet

daß die Oxidation des Brennstoff-Luft-

Gemisches in zwei aufeinander folgenden Phasen durchgeführt wird.

4_# Verfahren .nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß während der zweiten Oxidationsphase das nach dem Ablauf der ersten Phase erhaltene Gemisch in Berührung mit einem Oxidationsmittel in Form eines Metalloxides gebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß während der ersten Oxidationsphase das Brennstoff-Luft-Gemisch ih einer Verbrennungskraftmaschine verbrannt wird.

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6. Verfahren nach einem aer Ansprüche 2, 4 und 5» dadurch gekennzeichnet , daß das Metalloxid Kupferoxid ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Metalloxid auf eine Temperatur von über 400° C erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Metalloxid auf eine Temperatur zwischen 600 und 800° G erhitzt wird.

9e Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der in dem gasförmigen Gemisch aus oxidierten und nicht oxidierbaren Probenbestandteilen enthaltene Kestsauerstoff aus dem Gemisch entfernt wird, bevor die Dielektrizitätskonstante des Gemisches ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß der Sauerstoff dadurch entfernt wird, daß er in Berührung mit einem erhitzten Metall gebracht wird.

11* Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall Kupfer ist«

12. Vorrichtung zum Ermitteln des Mengenverhältnisses von Luft und Kraft-Brennstoff in einem Gemisch aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis und Luft, gekennzeichnet durch eine Oxidationsvorrichtung (34) zum vollständigen Oxidieren des möglicherweise nur teilweise oxidierten Brennstoffs in einer Probe des Gemisches, sowie durch eine Meßvorrichtung (15) zum Messen der Dielektrizitätskonstante des die Oxidationsvorrichtung verlassenden Gemisches.

13· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsvorrichtung (34) einen

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/O -C

mit Heizmitteln (11) versehenen Behälter (9) umfaßt, der ein Oxidationsmittel (10) enthält, so daß die durch den Behälter geleitete Probe in Berührung mit dem Oxidationsmittel kommt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13» gekennzeichnet durch eine eine Einrichtung zum Entfernen von Sauerstoff aus dem der Oxidationsvorrichtung (34) entnommenen Gemisch vor dem Ermitteln der Dielektrizitätskonstante des Gemisches.

L 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,

gekennzeichnet durch ein einen konstanten üruck aufrechterhaltendes Ventil (25) mit einem mit Längsschlitzen (28) versehenen Rohr (6), das von einer mit Längsschlitzen (33) versehenen Hülse (29) aus einem flexiblen, elastisch zurückfedernden Werkstoff umgeben ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Oxidationsvorrichtung (34) als Oxidationsmittel (10) Kupferoxid enthält.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (34, 14),

w die die Temperatur des durch die Vorrichtung strömenden

Gases über dem Siedepunkt von Wasser halten.

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