DE202013100053U1

DE202013100053U1 - Vorrichtung zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem Probengas

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Publication number: DE202013100053U1
Application number: DE202013100053U
Authority: DE
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2023-01-08
Also published as: US20140093435A1; AT13239U1; KR20140042629A

Abstract

Vorrichtung zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen, unverdünnten Probengas, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernungseinrichtung (3) mit einem Verdampfer (7) und einem Katalysator (8) vorgesehen ist, wobei der Katalysator (8) stromabwärts vom Verdampfer (7) angeordnet ist, und außerdem eine Durchflussbegrenzungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die den Normvolumenstrom (V. ) des unverdünnten Probengases an eine vorgegebene Katalyseeffizienz des Katalysators (8) anpasst.

Description

Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen, unverdünnten Probengas.
Vorrichtungen der genannten Art und die damit durchgeführten Verfahren sind insbesondere im Zusammenhang mit der Charakterisierung und Messung von Aerosolen im Abgas von Verbrennungsmotoren bekannt und zumindest zum Teil auch bereits Gegenstand sowohl von nationalen als auch von regionalen und internationalen Prüfvorschriften, Normen und dgl. Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere solche von Dieselmotoren, enthalten bekanntermaßen nicht nur klassische Aerosole (im Sinne von flüchtigen Schwebeteilchen), sondern ein Gemisch aus festen und flüchtigen Schwebeteilchen in einem Trägergas, wobei die Schädlichkeit der Abgase fast ausschließlich von den Feststoffpartikeln herrührt. Die Konzentration der Feststoffpartikel in einem Abgas eines Verbrennungsmotors unterliegt daher strengen Vorschriften und die Einhaltung dieser Vorschriften ist durch eine entsprechende Messeinrichtung nachzuweisen. Dazu sind die nicht relevanten flüchtigen Partikel vor der endgültigen Messung aus dem zu untersuchenden Abgas zu eliminieren, wofür unterschiedliche Anordnungen bekannt geworden sind.
Aus der EP 2 264 423 A2 geht z. B. eine Anordnung hervor, bei der der Probenstrom nacheinander verdünnt, aufgeheizt und nochmals verdünnt wird. Im Vorverdünner wird die Konzentration sowohl von Feststoffpartikeln als auch von flüchtigen Aerosolen im Probenstrom verringert. Im nachgeschalteten beheizten Verdampfer werden die flüchtigen Substanzen in die Dampfphase übergeführt, wobei durch Einstellen einer entsprechenden Vorverdünnung die Konzentration der flüchtigen Aerosole so weit vermindert werden kann, dass nach dem Verdampfer der Dampfdruck dieser Substanzen so niedrig ist, dass sie auch bei nachfolgender Abkühlung nicht mehr auskondensieren, womit der nachträglich wieder abzukühlende Probenstrom dann nur noch die zu zählenden Feststoffpartikel enthält. Die Abkühlung erfolgt dabei mittels eines Sekundärverdünners. Eine solche Anordnung ist in der Fachwelt auch als volatile particle remover (VPR) bekannt.
Daneben sind zur Entfernung von flüchtigen Partikeln aus dem Probenstrom noch thermische Denuder (Diffusionsabscheider zur Abtrennung von Gasen) und Katalysatoren (sogenannte catalytic stripper) bekannt, siehe z. B. „Evaluation of thermal denuder and catalytic stripper methods for solid particle measurements", J. Swanson, et al., Journale of Aerosol Science, 41 (2012), S. 1313–1322. Der thermische Denuder basiert darauf, dass das Aerosol erhitzt wird und das verdampfte Material auf einem Trägermaterial (typisch Aktivkohle) adsorbiert wird. Der Katalysator umfasst hier einen Oxidationskatalysator und eine Schwefelfalle, durch die ein verdünnter Probenstrom geleitet wird. Siehe dazu auch „Nano particle formation in the exhaust of internal combustion engines", M. Stenitzer, Diplomarbeit an der Technischen Universität Wien, 2003.
Auch aus der US 6,796,165 B2 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Feststoffpartikeln in einem Aerosol bekannt, bei der die flüchtigen Bestandteile mittels eines Katalysators aus dem Probenstrom entfernt werden. Dabei kann dem Katalysator auch unverdünntes Probengas zugeführt werden. Ebenso können damit die Masse und die Größe der Feststoffpartikel bestimmt werden, wofür nach einem Sekundärverdünner entsprechende Sensoreinrichtungen parallel vorgesehen sind. Dazu muss ein entsprechend hoher Massenstrom vorgesehen sein, um die einzelnen Sensoren versorgen zu können. Deshalb muss aber nach dem Katalysator ein Sekundärverdünner angeordnet werden, um das Probengas auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen, bevor das Gas den Sensoreinrichtungen zugeführt werden kann. In „Real time measurement of volatile and solid exhaust particles using a catalytic stripper", I. S. Abdul-Khalek, et al., SAE Paper 950236, 1995 ist nach dem Katalysator und vor dem Partikelzähler eine Kühlschlange zur Abkühlung des Probengases vorgesehen.
Alle bekannten Anordnungen weisen einen hohen apparativen Aufwand auf, mit vielen einzelnen Komponenten, die auch zu einer entsprechenden Baugröße der Gesamtanordnung führen.
Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, eine möglichst kompakte, einfach aufgebaute und energieeffiziente Vorrichtung zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem Probengas anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem eine Entfernungseinrichtung mit einem Verdampfer und einem Katalysator vorgesehen ist, wobei der Katalysator stromabwärts vom Verdampfer angeordnet ist, und außerdem eine Durchflussbegrenzungseinrichtung vorgesehen ist, die den Normvolumenstrom des unverdünnten Probengases auf eine vorgegebene Katalyseeffizienz des Katalysators anpasst. Wenn der Normvolumenstrom durch die Entfernungseinrichtung entsprechend beschränkt wird, sodass die Katalyseeffizienz des Katalysators ausreicht, um die flüchtigen Partikel in gewünschtem Ausmaß aus dem Probengas zu entfernen, kann gänzlich auf einen Verdünner vor dem Katalysator verzichtet werden. Gleichzeitig kann damit aber auch auf einen Verdünner nach dem Katalysator zur Kühlung des Probengases verzichtet werden, da durch den beschränkten Normvolumenstrom auch ohne Verdünnung eine effiziente Kühlung des Probengases vor dem Eintritt in die Sensoreinrichtung möglich ist.
Wenn der Verdampfer und der Katalysator unmittelbar hintereinander anschließend angeordnet sind, kann die Entfernungseinrichtung kompakter ausgeführt werden. Gleichzeitig kann es zwischen Verdampfer und Katalysator zu keinen unerwünschten Ablagerungen von Partikeln an der Probenleitung kommen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung begrenzt die Durchflussbegrenzungseinrichtung den Normvolumenstrom auf 1 bis 5 l/min.
Der Katalysator ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator oder als Schwefelfalle oder als Kombination daraus ausgeführt. Damit lassen sich die flüchtigen Partikel besonders effizient aus dem Probengas entfernen.
Wenn der Oxidationskatalysator und die Schwefelfalle in beliebiger Reihenfolge, unmittelbar hintereinander anschließend angeordnet sind, werden einerseits Ablagerungen von Partikeln an einer verbindenden Leitung vermieden und andererseits eine Abkühlung des Probengases unter die notwendige Anspringtemperatur des Katalysators sicher vermieden.
Aufgrund der besonders kompakten Baugröße und der Energieeffizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann diese auch in mobilen Anwendungen, z. B. in sich bewegenden Fahrzeugen, eingesetzt werden, was die Vorrichtung auch besonders flexibel macht.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
1 eine Anordnung zur Bestimmung von Kennwerten eines partikelgeladenen Gasstromes;
2 eine Darstellung der Entfernungseinrichtung zur Entfernung von flüchtigen Partikeln aus dem Probengas;
3 mögliche Ausführungen des Katalysators und
4 eine besonders kompakte Ausgestaltung der Entfernungseinrichtung.
In 1 ist eine grundlegende Anordnung zur Bestimmung von Kennwerten eines partikelgeladenen Gasstromes, wie z. B. die Konzentration von Feststoffpartikeln, die Größenverteilung von Feststoffpartikeln, die Masse von Feststoffpartikeln, die spezifische Oberfläche, etc., gezeigt. Der Gasstrom (angedeutet durch den Pfeil), z. B. Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, strömt durch eine Leitung 1 und ist ein Aerosol aus festen und flüchtigen Schwebeteilchen. Durch ein Entnahmerohr 2 wird ein Probengas als Teilstrom des Gasstromes abgezweigt und einer Entfernungseinrichtung 3 über eine Probenleitung 9 zugeführt. In der Entfernungseinrichtung 3 werden die flüchtigen Partikeln des Probengases entfernt. Danach kann das Probengas einer Sensoreinrichtung 4 zugeführt werden, um bestimmte Kennwerte des Probengases zu erfassen. Hierzu ist anzumerken, dass es nicht möglich ist, sämtliche flüchtigen Partikel vollständig zu entfernen. Unter „Entfernen” wird daher die Entfernung einer die Kennwerterfassung erlaubenden Menge – beispielsweise von zumindest 90% – der flüchtigen Partikel verstanden, um eine korrekte Analyse des Probengases in der nachfolgenden Sensoreinrichtung 4 zu ermöglichen.
Über eine Durchflussbegrenzungseinrichtung 5, wie z. B. eine Drosseleinrichtung, wird der Normvolumenstrom durch die Sensoreinrichtung 4 und durch die Entfernungseinrichtung 3 eingestellt, wie unten noch näher erläutert, wobei auch eine Pumpe 6 für einen erzwungenen konstanten Normvolumenstrom sorgen kann. Selbstverständliche kann die Durchflussbegrenzungseinrichtung 5 auch an anderer Stelle in der Probenleitung 9 angeordnet sein, so z. B. zwischen Entfernungseinrichtung 3 und Sensoreinrichtung 4 oder in Strömungsrichtung vor der Entfernungseinrichtung 3. Unter Normvolumenstrom versteht man wie allgemein bekannt den Volumenstrom unter Normbedingungen von 0°C und 1013 mbar Druck. Über die allgemeine Gasgleichung können Volumenstrom und Normvolumenstrom einfach umgerechnet werden.
In der Entfernungseinheit 3 sind ein Verdampfer 7 und ein Katalysator 8 angeordnet, wie in 2 dargestellt, wobei der Katalysator 8 stromabwärts vom Verdampfer 7 angeordnet ist. Im Verdampfer 7 wird das Probengas auf eine Temperatur T₁ von 150 bis 400°C erhitzt, um die flüchtigen Partikel in die Gasphase überzuführen. Der Verdampfer 7 kann einfach als mittels einer Heizeinrichtung 10 beheizter Teilabschnitt der Probenleitung 9 ausgeführt sein. Dieser Teilabschnitt kann natürlich auch nach außen durch eine Isolierung 14 (siehe 4) thermisch isoliert sein. Auch der Katalysator 8 kann durch eine Heizeinrichtung 11 beheizt sein, vorzugsweise auf eine Temperatur T₂ von 150 bis 400°C, wobei bevorzugt gilt T₂ < T₁.
Der Katalysator 8 kann als Oxidationskatalysator 12 oder als Schwefelfalle 13 ausgeführt sein, 3a. Der Katalysator 8 kann aber auch einen Oxidationskatalysator 12 und eine Schwefelfalle 13 umfassen, die in beliebiger Reihenfolge hintereinander angeordnet sein können, 3b. Dabei können Oxidationskatalysator 12 und die Schwefelfalle 13 getrennte Einheiten sein, können aber auch als bevorzugte Ausführung in einer Einheit integriert sein, was zu einem besonders kompakten Katalysator 8 führt. Der Oxidationskatalysator 12 verbrennt in bekannter Weise die im Verdampfer 7 in die Gasphase überführten flüchtigen organischen Partikel. Die Schwefelfalle 13 bindet die flüchtigen sulfatischen Partikel und entfernt diese somit aus dem Probengas. Der Aufbau und die Herstellung eines solchen Katalysators 8 und insbesondere eines Oxidationskatalysators 12 und einer Schwefelfalle 13 sind hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Verdampfer 7 und der Katalysator 8 unmittelbar hintereinander anschließend angeordnet, wie in 4 dargestellt. Am Ausgang der Entfernungseinrichtung 3 kann eine thermische Isolierung 15 angeordnet sein, ebenso kann die Entfernungseinrichtung 3 auch mit einer thermischen Isolierung 14 umgeben sein.
Der Katalysator 8 hat eine gewisse Katalyseeffizienz in Form eines maximalen Normvolumenstroms V ., bei dem die ausreichende Funktion des Katalysators 8 noch gewährleistet werden kann. Bei derzeit verfügbaren Katalysatoren liegt dieser Normvolumenstrom V . z. B. bei ungefähr 1 bis 5 l/min. Wird der Normvolumenstrom V . durch die Entfernungseinrichtung 3 mittels der Durchflussbegrenzungseinrichtung 5 auf diese Katalyseeffizienz beschränkt, kann auf einen Verdünner vor der Entfernungseinrichtung 3 verzichtet werden und es kann unverdünntes Probengas unmittelbar zugeführt werden. Die Begrenzung des Normvolumenstromes V . kann dabei manuell erfolgen oder aber auch automatisch durch eine geeignete Steuereinrichtung. Durch diesen beschränkten Normvolumenstrom V . erreicht man aber gleichzeitig auch, dass nach der Entfernungseinrichtung 3 keine aktive Kühlung benötigt wird. Die passive Konvektionskühlung der Probenleitung 9 an die Umgebung ist ausreichend, um das Probengas vor Eintritt in die Sensoreinrichtung 4 ausreichend zu kühlen. Dazu reichen wenige Zentimeter Probenleitung 9 aus. Zur Unterstützung könnte an der Probenleitung 9 nach der Entfernungseinrichtung 3 auch ein Kühlkörper 16 zur Vergrößerung der Kühlfläche angeordnet sein, wie in 4 dargestellt beispielsweise in Form von Kühlrippen.
Bei einer bevorzugten, besonders kompakten Ausführung nach 4 sind Baulängen des Katalysators 8 im Bereich von einigen Zentimetern, z. B. 5–7 cm, realisierbar. Die Länge des Verdampfers 7 könnte dabei im Bereich von 5–10 cm liegen und die nachfolgende Konvektionsstrecke der Probenleitung 9 ebenfalls im Bereich von wenigen Zentimetern, z. B. 3–6 cm. Daraus ist die außerordentlich kompakte Entfernungseinrichtung 3 ersichtlich.
Aufgrund dieser Kompaktheit und der sich daraus ergebenden Energieeffizienz kann diese auch in mobilen Anwendungen, z. B. im fahrenden Fahrzeug, Flugzeugen oder ähnliches, zur Gasanalyse eingesetzt werden.
Als Sensoreinrichtung 4 kommen die unterschiedlichsten Sensoren in Frage, wie z. B. eine Fotoakustische Rußmesszelle, Streulichtsensoren, Streulichtfotometer, Kondensationskernzähler, Diffusionsladungssensoren, optische Teilchenzähler, etc.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2264423 A2 [0003]
US 6796165 B2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Evaluation of thermal denuder and catalytic stripper methods for solid particle measurements”, J. Swanson, et al., Journale of Aerosol Science, 41 (2012), S. 1313–1322 [0004]
„Nano particle formation in the exhaust of internal combustion engines”, M. Stenitzer, Diplomarbeit an der Technischen Universität Wien, 2003 [0004]
„Real time measurement of volatile and solid exhaust particles using a catalytic stripper”, I. S. Abdul-Khalek, et al., SAE Paper 950236, 1995 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Entfernung der flüchtigen Partikel aus einem mit Feststoffpartikeln und flüchtigen Partikeln geladenen, unverdünnten Probengas, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernungseinrichtung (3) mit einem Verdampfer (7) und einem Katalysator (8) vorgesehen ist, wobei der Katalysator (8) stromabwärts vom Verdampfer (7) angeordnet ist, und außerdem eine Durchflussbegrenzungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die den Normvolumenstrom (V .) des unverdünnten Probengases an eine vorgegebene Katalyseeffizienz des Katalysators (8) anpasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (7) und der Katalysator (8) unmittelbar hintereinander anschließend angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussbegrenzungseinrichtung (5) den Normvolumenstrom (V .) auf 1 bis 5 l/min begrenzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (8) als Oxidationskatalysator (12) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (8) als Schwefelfalle (13) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (8) einen Oxidationskatalysator (12) und eine Schwefelfalle (13) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (12) und die Schwefelfalle (13) im Katalysator (8) in beliebiger Reihenfolge, unmittelbar hintereinander anschließend angeordnet sind.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ermittlung eines Kennwertes eines partikelgeladenen Gasstromes in einer mobilen Anwendung.