DE2911317C2

DE2911317C2 - Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors

Info

Publication number: DE2911317C2
Application number: DE2911317A
Authority: DE
Inventors: John David Fullerton Calif. Blanke; Willis Manco Peek; Kenneth Bruno Yorba Linda Calif. Sawa
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1978-03-22
Filing date: 1979-03-22
Publication date: 1983-03-17
Also published as: US4148211A; IT7921210A0; GB2017311B; GB2017311A; IT1112965B; FR2422949B1; SE7902525L; CA1063382A; FR2422949A1; DE2911317A1

Description

Es ist bekannt, daß man durch Kombination eines Sauerstoffanalysators mit einem HC/CO (»Kohlenwasserstoff/ Kohlenmonoxyd«) Analysator signifikante Informationen für die Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors für Zwecke der Motordiagnostik gewinnen kann. Überschußsauerstoff im Auspuffgas von Kraftfahrzeiigmotoren mit katalytischen Konvertern wurde als eine Hauptursache erhöhter Sulfatemissionen ausgemacht. Das Vorliegen überschüssigen Sauerstoffs im Auspuffgas von Kraftfahrzeugen ist häufig das Ergebnis von Fehlzündungen oder von Fahren mit zu magerem Gemisch.

Dieser Zustand läßt sich dadurch nachweisen, daß man eine Teilprobe des Auspuffgases aus dem Kraftfahrzeug entnimmt und die Probe einem Sauerstoffmeßfühler zuführt. Indem man an den Meßfühler Schaltungsmittel zur Differentiation seines Ausgangssignals anschließt, läßt sich sowohl die Menge als auch die Änderungsgeschwindigkeit von Sauerstoff im Auspuffgas ermitteln. Es können dann Vorrichtungen zur Anzeige der Menge und der Änderungsgeschwindigkeit oder zur Alarmgabe, falls diese Werte außerhalb vorgegebener Grenzen liegen, vorgesehen wurden. Ein Techniker kann diese Information zur Einstellung des Leerlaufgemischs eines Kraftfahrzeugmotors auswerten, zur Vermeidung eines Fahrzustands mit zu magerem Gemisch.

Eine Motorabgaseanalyseapparatur mit einem Sauerstoffmeßfühler und Vorrichtungen zur Probenentnahme aus dem Auspuffgas sowie zur Zuleitung der Probe zu dem Meßfühler ist in der US-Patentschrift 40 30 349 der Anmelderin beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird ein mit einer Sonde verbundener Sauerstoffmeßfühler in die Auspuffleitung eines Kraftfahrzeugs eingeführt, derart, daß ein Teil des Auspuffgases dem Meßfühler zugeführt wird. Der Sauerstoffmeßfühier weist im allgemeinen zwei Elektioden auf, die in einem Körper angeordnet und elektrisch durch einen Elektrolyten miteinander verbunden sind, von der Auspuffgasprobe jedoch mittels einer Membran getrennt sind, welche für Sauerstoff durchlässig, jedoch für den Elektrolyten undurchlässig ist.

Sobald die Auspuffgasprobe in Kontakt mit der Membran gelangt, diffundiert Sauerstoff durch die Membran hindurch zur Berührung mit einer der Elektroden in Gegenwart des Elektrolyten. Dies hat einen Stromfluß zur Folge, der linear proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs in der vermessenen Probe ist. Der Strom kann gemessen und zur Sauerstoffmenge in der Probe in Beziehung gesetzt werden. Derartige Meßfühler haben ein sehr rasches Ansprechverhalten, sind einfach in ihrer Betriebsweise und eignen sich insbesondere zur Bestimmung sowohl von gasförmigem wie von gelöstem Sauerstoff in Flüssigkeiten oder Gasen.

Das Auspuffgas aus einem Kraftfahrzeugmotor ist ziemlich heiß, typischerweise besitzt es eine Temperatur im Bereich von 350 bis 500° F. Außerdem enthält das Auspuffgas einen verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt, typischerweise einen h^O-Gehalt von 12 bis 16%. Sobald das heiße Auspuffgas auf den kalten Sauerstoffmeßfühier auftrifft, kondensiert die darin enthaltene Feuchtigkeit und überzieht häufig den empfindlichen Bereich des Meßfühlers. Es hat sich ergeben, daß hierdurch Änderungen der Sauerstoffkonzentration der Probe überdeckt und insgesamt die Wirksamkeit einer derartigen Auspuffgas^nalyseapparatur wesentlich beeinträchtigt wird.

Aus der DE-OS 21 51 435 ist eine Analysevorrichtung für Gase, insbesondere Autoabgase, bekannt, bei welcher das Probengas durch eine Probeneintrittsleitung in eine Kammer geführt wird, von welcher mehrere Prüfröhrchen, die jeweils auf verschiedene zu überprüfende Gase (beispielsweise CO, CO2, nitrose Gase und aromatische Kohlenwasserstoffe) ansprechen, abzweigen, durch welche das Probengas aus der Kammer mittels eines Pumpsystems wahlweise selektiv hindurch-

b5 gesaugt werden kann. Im Zuge der Probeneintrittsleitung vor der Kammer ist ein zur Kühlung des Probengases dienender Wärmetauscher vorgesehen, sowie ein Wasserabscheider /.wischen diesem Kühler

und der Kammer.

Aus der DE-OS 2) 15 619 ist, im Rahmen einer Regelvorrichtung für einen Nachbrenner, ein elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Kraftfahrzeugabgasen bekannt, der mit einer eine Heizwicklung und ein Thermoelement und zugeordnetem Regelkreis aufweisenden gesonderten Aufheizvorrichtung versehen ist. Diese Notwendigkeit einer gesonderten elektrischen Aufheizung für den Meßfühler mit Heizwicklung, gesonderter Stromquelle und Regelvorrichtung hierfür ist ersichtlich aufwendig.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors mit Leitungen zur Probenentnahme aus dem Auspuffgas, durch die die Probe über einen ersten Wärmetauscher zur Kühlung der Auspuffgase einem Gasmeßfühler zugeleitet wird, der in normalem Betrieb nicht aufgeheizt werden muß.

Der Erfindung .liegt als Aufgabe die Schaffung eines Probenentnahmesystems der vorstehend genannten Art für eine Kraftfahrzeugauspuffgas-Analyseapparatur mit Meßfühler zugrunde, bei welchem ohne nennenswertem Aufwand eine restliche Kondensationsabscheidung von Feuchtigkeit auf dem Meßfühler zuverlässig vermieden und eine wirtschaftliche, wirksame und rasche Betriebsweise der Motoranalyseapparatur durch Vermeidung jeglicher Feuchtigkeitsabscheidung auf dem empfindlichen Bereich des Sauerstoffmeßfühlers gewährleistet wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich eine Analysevorrichtung der vorstehend genannten Art gemäß der Erfindung durch einen zweiten Wärmeaustauscher, der an der Probenleitung vor dem ersten Wärmeaustauscher angeordnet und mit dem Meßfühler so verbunden ist, daß dieser aufgeheizt wird.

Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, daß der zweite Wärmetauscher einen Rohrleitungsabschnitt der Probenleitung aus einem wärmeleitenden Material, sowie eine an ihrem einen Ende mit dem Rohrleitungsstück verbundene Platte aus einem wärmeleitenden Material aufweist, welche eine Öffnung von eiern Empfindlichkeitsbereich des Meßfühlers entsprechender Abmessung aufweist, und daß der Meßfühler auf der einen Seite der Platte so angeordnet ist, daß sein empfindlicher Bereich mit der Öffnung in der Platte ausgerichtet ist, wobei die Anordnung so getroffen sein kann, daß der zweite Wärmetauscher über der öffnung der Platte ein Siebnetz aus einem wärmeleitenden Materials als Feuchtigkeitsabschirmung aufweist; vorteilhaft kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Probenleitung in ihrem stromabwärts des ersten Wärmetauschers gelegenen Abschnitt so geführt ist, daß sie auf die andere Seite der Platte des zweiten Wärmetauschers im Bereich der Öffnung der Platte auftrifft.

Durch die Erfindung wird somit in einfacher, betriebs- und störsicherer Weise ohne zusätzliche äußere Heizquelle eine Aufheizung des Meßfühlers und einer gegebenenfalls vor dessen empfindlichen Bereich vorgesehenen Feuchtigkeitsabschirmung gewährleistet. Da die Feuchtigkeitsabschirmung und der Meßfühler nunmehr heißer als das auf sie auftreffende Auspuffgas sind, wird jegliche Feuchtigkeitskondensation auf dem empfindlichen Bereich des Meßfühlers zuverlässig vermieden. Nach dem Grundgedanken der Erfindung ist βί somit vorgesehen, daß man dem heißen Auspuffgas selbst Wärmeenergie zur Aufheiziing des Meßfühlers bzw. einer ihn tragenden und seinem empfindlichen Bereich zugeordneten Feuchtigkeitsabschirmung entzieht, und zwar durch einen in der Probenleitung vor dem ersten, zur Kühlung des Probengases dienenden Wärmetauscher vorgesehenen weiteren Wärmetauscher, mit welchem der Meßfühler bzw. eine dessem empfindlichen Bereich zugeordnete Feuchtigkeitsabschirmung wärmeleitend verbunden ist bzw. sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 in perspektivischer Ansicht ein Probenentnahmesystem für eine Motorabgas-Analyseapparatur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 in vergrößerter perspektivischer Ansicht den ersten Wärmetauscher des Systems aus Fi g. 1,

F i g. 3 in vergrößerter perspektivischer Ansicht einen Teil der Apparatur aus Fig. 1,

Fig.4 eine Schnittansicht im Schnitt längs der Linie 4-4 in Fig.3.

Wie insbesondere aus F i g. 1 ersichtlich, dient das als Ganzes mit JO bezeichnete Probenentnahmesystem zur Verwendung in einer Motorabgas-' >ialyseapparatur, weiche einen Meßfühler 11 aufweist, den- ein Teil des aus der Austritts- bzw. Auspuffleitung 12 eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs austretenden Auspuffgases zugeführt wird. In der nachfolgenden Beschreibung ist der Meßfühler 11 ein Sauerstoffühler. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß es sich bei dem Meßfühler 11 auch um einen HC-Fühler, einen CO-Fühler, einen NO_x-Fühler oder einen beliebig anderweitigen für Abgasdiagnoseapparaturen brauchbaren Meßfühler handeln kann.

F i g. 4 veranschaulicht in stark vereinfachter Darstellung den Aufbau eines im wesentlichen herkömmlichen amperometrischen Sauerstoffmeßfühlers 11 mit einem einen Hohlraum 14 bildenden Gehäuse 13. In dem Gehäuse in dem Hohlraum 14 ist ein Halterungsteil 15 zur Halterung einer (nicht dargestellten) Kathode angeordnet. Über eine Öffnung 16 in einer im offenen Ende des Körpers 13 angeordneten Kappe 17 isi eine (nicht dargestellte) Membran gespannt, die an ihrem Umfang mit dem Gehäusekörper 13 verbunden ist. Der Hoh:;aum 14 ist mit einem Elektrolyten 18 gefüllt. In dem Hohlraum 14 ist in Kontakt mit dem Elektrolyten 18 eine Anode 19 angeordnet. Aus dem Körper 13 erstrecken sich zur Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle elektrische Zuleitungen 20 und 21, die mit der Kathode und der Anode 19 verbunden sind.

Bei der Herstellung eines derartigen Meßfühlers zur Verwendung als amperemetrischer Sauerstoffühler besteht die Kathode typischerweise aus Gold, die Anode 19 typischerweise aus Silber, die Membran aus Polytetrar'luoräthylen, und der Elektrolyt 18 ist typischerw-iire eine gepufferte oder ungepufferte 5°/oige KCI-Lösung. Zwischen der Kathode und der Anode 19 liegt typischerweise ein Potential von 75OmV. Wird durch die Öffnung 16 in der Kappe 17 eine Probe zum Kontakt mit der Membran gebracht, so diffundiert Sauerstoff aus der Probe durch die Membran hindurch und wird an der Kathode reduziert. Hierbei fließt ein Strom, der linear proportional zum Partialdruck des gemessenen Sauerstoffs ist. Dieser Strom kann gemessen und zu der Saucrstoffmcnge in de.· Probe in Beziehung gesetzt werden.

Die ordnungsgemäße Funktion des Meßfühlers 11 kann durch i-'ciiehligktitskortdcnsation im Bereich ücr Öffnung 16 in der Kappe 17 beeinträchtigt werden. Dies

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ist hei den bekannten Meßfühleranwcndungen dieser Art regelmäßig eingetreten, da das aus dem Auspuffrohr 12 austretende Gas typischerweise eine Temperatur im Bereich von 330 bis 300 F-" I .-sitzt und stark feuchtig· keitshahig ist. mit einem typischen H>O-Geh.ilt von 12 bis lbⁿ/l>.

Wie aus den K i g. I bis 4 ersichtlich, weist d.is Probenentnahmesystem IO eine erste Leitung, vorzugsweise ein Rohrleitungsstück JO von großem Durchmesser, auf. das mit seinem einen luidc in das offene Ende tier Auspuffleitung 12 hineinragt. Auf diese Weise vermag der im Inneren der Auspuffleitung 12 herrschende Druck ohne Anwendung einer eigenen Pumpe das Auspuffgas durch das Probenentnahmesystem 10 zu drücken. Das andere Ende der Rohrleitung 30 ist über ein flexibles Rohrleitiingsstück 31 mit dem einen Ende eines Rohrsiücks 32 verbunden, das Teil eines als Ganzes mit 33 bezeichneten, vollständig aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellten Wärmetauschers ist. Der Wärmetauscher 1} ,..„;<■ IW.ior orn» PUiIo IA ...f ,!.>,■..„ _o,noc PnrU mil Im folgenden wird die Betriebsweise der Vorrichtung erläutert. I !her die Rohrleitung 30 und die biegsame Leitung 31 wird das heiße Auspuffgas aus der AustrittsleitLing 12 durch das Rohrleiuingsstück 32 geleitet. Da das Rohrleitungssiiick 32 irul der iibrige Teil des Wärmetauschers 3 3 aus einem wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, bestehen, erwärmen die heißen Auspuffgase das Rohrleitungsstück 32. die Plane 34, das Net/ 36 sowie auch den daran angeordneten Meßfühler 11. Nach dem Durchsetzen des Rohrleitungsstücks 32 wird die heiße Aiisnuffgasprobe über die biegsame Leitung 37 durch den Kondensator 38 geleitet, in welchem die Aiispuffgasprobe wesentlich abgekühlt wird. P'e Länge der Rohrleitung 39 und deren Werkstoff sind so gewählt, daß die Temperatur des Auspuffgase* bei Erreichen der biegsamen Leitung 42 auf einen Wert von etwa 30" F über der Umgebungstemperatur abgefallen ist. Das gekühlte Auspuffgas tritt sodann in die Kammer 46 ein. wo es durch das Netz 36 hindurch auf den empfindlichen Bereich des Meßfühlers ti ι,ιΓΐι-ifft rVirw.-h Irill siic Λ.ιΐη,ιΓΓ.νκ ,1.,.-,.I, ,1.,.,

dem Rohrleitungsstuck 32 verbunden ist. beispielsweise in der gezeigten Art um dieses Rohrleitungsstück herumgewickelt ist. Die Platte 34 weist eine Öffnung 35 auf. die annähernd gleich oder etwas größer als die Öffnung 16 in der Kappe 17 des Meßfühlers 11 ist. in der Öffnung 35 ¹St ein feinmaschiges Netz bzw. Sieb 36 aus wärmeleitendem Material angeordnet. Wie aus den Fig. !. i und 4 ersichtlich, ist der Meßfühler 11 auf der einen Seite der Platte 34 angeordnet, derart, daß die Öffnung 16 mit dem Netz 36 ausgerichtet ist.

Das andere Ende des Rohrleitungsstücks 32 ist über eine zweite Leitung, vorzugsweise in Form eines Stückes biegsamer Leitung 37, mit dem einen Ende des /weiten, als Ganzes mit 38 bezeichneten Wärmetauschers verbunden. Der Wärmetauscher 38 ist ein Kondensator, der aus einem Stück Metallrohr 39 mit einer Vielzahl daran angeordneter Rippen 40 bestehen kann. An der tiefsten Stelle ist in der Rohrleitung 39 eine Abflußöffnung 41 vorgesehen.

Der Wärmetauscher 38 schließlich ist über eine dritte Leitung, vorzugsweise ein Stück biegsame Leitung 42, mit dem Einlaß 43 eines Gehäuses 44 verbunden. Das Gehäuse 44 weist einen Gehäusekörper 45 auf. der eine Kammer 46 bildet. Der Einlaß 43 mündet an der einen Stirnseite des Gehäusekörpers 45, der an seiner anderen Stirnseite offen und mit der das Netz 36 umgebenden anderen Seite der Platte 34 verbunden ist. In der Seiten« andung des Gehäusekörpers 45 ist ein Auslaß 47 vorgesehen.

Auslaß 47 des Gehäuses 44 aus und kann beispielsweise an Atmosphäre abgelassen werden.

Das Siebnetz 36 arbeitet auf zwei unterschiedlichen Pegeln. Anfänglich, wenn die Rohrleitung 30 zuerst in das Ende der Auspuffleitung 12 eingeführt wird, sind sämtliche Elemente des Probenentnahmesystems IO einschließlich dem Siebnetz 36 kalt. Sobald daher das in der "Kammer 46 eintretende heiße Auspuffgas auf das Siebnf ■/'. 36 auftrifft, kommt es zur Feuchtigkeitskondensation an dem Siebnetz 36 statt an dem empfindlichen Bereich des Meßfühlers II. Mit fortgesetzter Strömung des Auspuffgases werden das Rohrleitungsstück 32, die Platte 34 und das Siebnetz 36 erhitzt, derart, daß eine Wärmeebene gebildet wird, die um einige Grad wärmer als die Temperatur des gleichen .Auspuffgases ist. wenn es nach dem Durchsetzen des Kondensors 38 auf diese Wärnieebene auftrifft. Daher verdampft die anfänglich an dem Siebnetz 36 kondensierte Feuchtigkeit und wird von dem Auspuffgas über den Auslaß 47 aus dem Gehäuse 45 mit fortgeführt. Danach wirkt diese Wärmeebene nunmehr als Feuchtigkeitsabschirmung und verhindert die Ausbildung einer weiteren Kondensation an oder nahe dem Meßfühler 11.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich, soll das gesamte System in Richtung zum Kondensator 38 hin nach unten abfallen, derart, daß Kondenswasser aus irgendeiner der Leitungen in Richtung auf den niedrigsten Punkt des Systems IO fließt, wo die Abflußöffnung 41 angeordnet ist.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors mit Leitungen zur Probenentnahme aus dem Auspuffgas, durch die die Probe über einen ersten Wärmeaustauscher zur Kühlung der Auspuffgase einem Gasmeßfühler zugeleitet wird, der in normalem Betrieb nicht aufgeheizt werden muß, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmeaustauscher (33), der an der Probenleitung (30, 31, 32) vor dem ersten Wärmeaustauscher (38) angeordnet und mit dem Meßfühler (11) so verbunden ist, daß dieser aufgeheizt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher einen Rohrleitungsabschnitt (32) der Probenleitung (30) aus einem wärmeleitenden Material, sowie eine an ihrem einen Ende mit dem Rohrleitungsstück (32) verbundene Platte (34) aus einem wärmeleitenden Material aufweist, welche eine öffnung (35) von dem Empfindticakeitsbereich des Meßfühlers (11) entsprechender Abmessung aufweist, und daß der Meßfühler (11) auf der einen Seite der Platte (34) so angeordnet ist, daß sein empfindlicher Bereich (16) mit der öffnung (35) in der Platte ausgerichtet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleiking in ihrem stromabwärts des ersten Wärmetauschers (38) gelegenen Abschnitt (42, 43, 44) so geführt ist, daß sie auf die andere Seite der Platte (34) des zweiten Wärmetauschers (33) im Bereich der Öffnung (35) der Platte auftrifft.

4. Vorrichtung nach Ansp/jch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dev zweite Wärmetauscher (33) über der Öffnung (35) der PIr *.te (34) ein Siebnetz (36) aus einem wärmeleitenden Material als Feuchtigkeitsabschirmung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher ein Kondensor (38) ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitung in ihrem in das offene Ende der Kraftfahrzeugauspuffleitung (12) einführbaren Abschnitt (30) einen hinreichend großen Durchmesser besitzt, damit der in der Auspuffleitung herrschende Druck die Auspuffgasprobe durch die Probenleitung hindurch zu dem Meßfühler (11) drückt.