DE3414542C2

DE3414542C2 - Vorrichtung zur Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren

Info

Publication number: DE3414542C2
Application number: DE3414542A
Authority: DE
Inventors: Kozo Kyoto Ishida
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1987-01-22
Also published as: JPH0315971B2; DE3414542A1; JPS59202043A; US4916384A

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren umfaßt einen vom Abgas durchströmten Abgaskanal (6), eine innerhalb des Abgaskanals und gegenüber diesem isolierte Elektrodenanordnung mit zwei vom Abgas umströmten Elektroden (12, 13), eine Spannungsquelle (14) zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, und eine Schaltungsanordnung (15, 16) bzw. eine Anzeigeeinheit (17) zur Messung bzw. zur Anzeige eines zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Stromes. Der jeweilige elektrische Strom ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit bzw. für die Anzahl der zwischen den Elektroden liegenden Rußteilchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein bekannt, daß sich im Abgas von Diesel- Motoren Substanzen befinden, die sich in zwei Gruppen unterteilen lassen. Zu der einen Gruppe gehört weißer oder blauer Rauch als ein Vorläufer von Ruß, da Abgas konzentrierte Kohlenwasserstoff-Tröpfchen sowie Schmieröle enthält. Diese Substanzen sind in organischen Lösungsmitteln löslich. Dagegen gehören zu der anderen Gruppe unter anderem Rußpartikel, die in organischen Lösungsmitteln unlöslich sind.
Im Zusammenhang mit Diesel-Fahrzeugen gibt es bereits gesetzliche Regelungen, die vorschreiben, welche Mengen an Kohlenmonoxiden (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) oder Stickoxiden (NO_x) beim Betrieb eines derartigen Fahrzeugs ausgestoßen werden dürfen, da diese Substanzen die Umwelt in hohem Maße belasten. Letzteres gilt auch für die bereits oben erwähnten Rußpartikel, durch die charakteristische Gerüche bzw. Schmutzablagerungen verursacht werden. Es sind daher Bestrebungen im Gange, bei Diesel-Motoren auch den Ausstoß von Rußpartikeln weiter zu vermindern.
Zur Kontrolle der Abgasreinheit ist es daher erforderlich, die Menge der ausgestoßenen Rußpartikel durch Messung quantitativ zu bestimmen. Nach einer Standardmeßmethode wird dazu das Gewicht der Rußpartikel ermittelt, indem diese über einen bestimmten Zeitraum mit Hilfe eines Filters, welches im Abgaskanal, zum Beispiel in einem Auspuffrohr, angeordnet ist, aufgefangen werden. Diese Methode ist weit verbreitet und liegt vielfach gesetzlichen Bestimmungen zugrunde.
Sie eignet sich jedoch nicht zur kontinuierlichen Messung, wie sie beispielsweise im Verlauf von Versuchen oder der Prüfung technischer Verbesserungen zur Verminderung von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren durchgeführt werden muß.
Zwar sind Meßmethoden bekannt, bei denen auch im Abgas vorhandene Rußpartikel mit Hilfe von Licht-Streuverfahren oder opto-akustischen Verfahren unter Verwendung von CO₂- Lasern kontinuierlich erfaßt werden. Diese Verfahren sind jedoch sowohl für Rußpartikel als auch für die bereits erwähnten anderen organischen Stoffe (CO, HO, NO_x) empfindlich, so daß die Rußpartikel nicht getrennt erfaßt werden können.
Aus der GB-PS 15 41 257 ist eine weitere Vorrichtung zur Messung von Partikeln innerhalb eines durchströmten Kanals bekannt. Die Vorrichtung weist eine erste und eine zweite durch eine Kanalwand hindurch in den Kanal hineinragende und gegenüber der Kanalwand isolierte Elektrode mit jeweils unterschiedlichem elektrischem Potential auf, die gegeneinander beabstandet und mit einer Meßeinrichtung zur Messung eines zwischen den Elektroden fließenden Stroms verbunden sind. Die Elektroden sind dabei mit den vorderen Enden von Bolzenelementen verbunden, die ihrerseits parallel zueinander liegen und durch jeweils eine Öffnung in einem Wandelement eines Kanals oder Behälters hindurchragen. Die den Bolzenelementen abgewandten Elektrodenenden sind so gebogen, daß sie parallel zu den Bolzenelementen und in einem gegenseitigen festen Abstand zueinander verlaufen.
Die bekannte Vorrichtung eignet sich zur Bestimmung des Schadstoffanteils in einem Kühlmedium eines Kraftwerks und ist für einen Betrieb oberhalb von 160 bar und oberhalb von 350°C ausgelegt. Das Kühlmedium ist dabei flüssig oder dampfförmig.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zu schaffen, die eine kontinuierliche Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren gestattet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kanal als Strömungs-Mischkanal ausgebildet und an seinem einen Ende mit einem Mischgas-Einlaß und einem Abgas- Einlaß zur Einleitung eines Mischgases und des Abgases eines Diesel-Motors in den Kanal sowie an seinem anderen Ende mit einer Pumpe zum Ansaugen des Abgas-Mischgas-Gemisches verbunden ist, die erste Elektrode nadelförmig ausgebildet ist, die zweite Elektrode hohlzylinderartig ausgebildet und koaxial zur ersten Elektrode angeordnet ist, die erste Elektrode innerhalb der zweiten Elektrode liegt und daß beide Elektroden mit ihrer Achsrichtung parallel zur Strömungsrichtung liegen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nimmt der Durchmesser der zweiten Elektrode in Strömungsrichtung ab. Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Strömungsmischkanal in Strömungsrichtung gesehen stirnseitig ein Filter zur Filterung des Mischgases, einen koaxial angeordneten Einlaß zum Eintritt des Abgases in den Strömungsmischkanal und eine koaxiale Blende zur Erzeugung einer Staurandöffnung.
Am Strömungsmischkanal kann zusätzlich eine Meßeinrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases angeordnet sein.
Mit der beanspruchten Meßvorrichtung ist es möglich, im Abgas von Diesel-Motoren nur die Rußpartikel allein sowie kontinuierlich und exakt bis hinab zu kleinsten Konzentrationen zu messen.
Mit den beiden spannungsbeaufschlagten Elektroden kann die Leitfähigkeit der Rußpartikel im Abgas, das auch mit einem Mischgas, z. B. Luft, vermischt sein kann, kontinuierlich und exakt erfaßt werden. Zur Bestimmung des Anteils der Rußpartikel im Abgas wird dazu der Strom bzw. die Stromänderung, die durch eine Änderung der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, gemessen.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Prinzipskizze der Meßvorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung ihrer Detektoreinrichtung mit einer ersten Elektrodenanordnung,
Fig. 3 ein den Leitungsprozeß zwischen den Elektroden darstellendes Diagramm, und
Fig. 4 eine weitere Elektrodenanordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung eignet sich beispielsweise zur Erfassung eines konstanten Probenvolumens (Abgas-Volumens) und besitzt eine Detektoreinrichtung A zur Detektion von Rußpartikeln. Die Vorrichtung umfaßt ein Abgas-Zuführungsrohr 3, das ein Abgasrohr eines Dieselmotors, zum Beispiel das Auspuffrohr 2 eines Dieselfahrzeuges 1, mit einem Mischungskanal 6 verbindet. Das Abgas-Zuführungsrohr 3 ist dabei so in den Mischungskanal 6 eingeführt, daß sein Ende koaxial zum Mischungskanal 6 liegt und als Abgas-Einlaß 3 a dient. Der Abgas-Mischungskanal 6 besitzt an seinem einen Ende ein Luftfilter 4, welches zur Vermischung des Abgases mit Luft dient. Er besitzt ferner eine in seinem Inneren koaxial angeordnete Blende 5 zur Erzeugung einer Staurandöffnung, die so positioniert ist, daß der Einlaß 3 a zwischen dem Luftfilter 4 und der Blende 5 liegt. Am anderen Ende des Mischungskanals 6 ist eine Pumpe P 1 angeordnet, die einen konstanten Strom von mit Luft vermischtem Diesel-Abgas erzeugt. Ein Wärmetauscher 7 hält die Temperatur des Gasgemisches im Mischungskanal 6 konstant. Der Mischungskanal 6 ist ferner mit einer Analysenleitung 8 verbunden, über die ein Teil des in ihm strömenden Gasgemisches mit Hilfe einer Analysenpumpe P 2 abgesaugt wird, um festzustellen, ob im Gasgemisch Kohlenmonoxide (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) oder Stickoxide (NO_x) vorhanden sind.
Die Vorrichtung ist ferner so ausgebildet, daß im Innern des Mischungskanals 6 eine Sonde 9 angeordnet ist, welche gleichmäßig einen Teil des mit Luft vermischten Abgases mit einer Geschwindigkeit, die gleich der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Strömungskanal 6 ist, mit Hilfe einer Ansaugpumpe P 3 absaugt. Zwischen der Sonde 9 und der Ansaugpumpe P 3 ist ein Filter 10 angeordnet, mit dem im Abgas vorhandene feinkörnige Teilchen aufgefangen werden können, so daß die Gesamtzahl der im Abgas vorhandenen feinkörnigen Teilchen, ausgehend von der Menge der durch das Filter 10 aufgefangenen feinkörnigen Teilchen, bestimmbar ist.
Die bereits oben erwähnte Detektoreinrichtung A zur Detektion von Rußteilchen ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Sie besitzt eine Elektrodenanordnung (12, 13), die an einer Stelle innerhalb des Mischungskanals 6 angeordnet ist, an der der Gasstrom die Sonde 9 noch nicht erreicht hat. Die Elektrodenanordnung besteht aus einer nadelförmigen, als Kathode dienenden Elektrode 12, die mittels eines Isolierkörpers 11 a, der in der Wand des Mischungskanals 6 fest angeordnet ist, gehalten wird. Die nadelförmige Elektrode 12 ist dabei so positioniert, daß sie parallel zum Gasstrom, vorzugsweise koaxial zum Mischungskanal 6, verläuft. Um die Elektrode 12 herum ist eine hohlzylinderförmige und als Anode arbeitende Elektrode 13 angeordnet, die über einen in ihrer Wandung befindlichen zweiten Isolierkörper 11 b mit der Zuleitung zur Elektrode 12 mechanisch fest verbunden ist. Dabei liegt die Elektrode 12 auf der Zylinderachse P der Elektrode 13. Beide Elektroden sind gegeneinander durch den zweiten Isolierkörper 11 b und gegenüber der Wandung 6 a des Mischungskanals 6 durch den Isolierkörper 11 a elektrisch isoliert. Dabei verläuft die elektrische Verbindung zur Elektrode 13 ebenfalls durch den Isolierkörper 11 a. Zur Erzeugung einer zwischen den Elektroden 12, 13 liegenden Spannung bzw. eines zwischen ihnen fließenden Stromes ist die Elektrode 12 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 14 verbunden. Der positive Pol der Spannungsquelle 14 sowie die zylinderförmige Elektrode 13 sind mit unterschiedlichen Eingängen eines Verstärkers 15 zur Verstärkung des zwischen den Elektroden fließenden Stromes verbunden, dessen Ausgang über eine Linearisierungsschaltung 16 zum Eingang eines Anzeigegerätes 17 führt.
Strömt ein Abgas eines Dieselmotors zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 hindurch, so fließt zwischen ihnen ein schwacher elektrischer Strom, der proportional zur Menge der Rußpartikel im Abgasstrom ist, da die Rußpartikel eine sehr viel größere elektrische Leitfähigkeit als die bereits oben erwähnten Kohlenmonoxide, Kohlenwasserstoffe oder Stickoxide, etc. besitzen, die ebenfalls im Abgasstrom vorhanden sind. Beispielsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit dieser zuletzt genannten Substanzen weniger als 10^-16 S/m, während die elektrische Leitfähigkeit der Rußpartikel etwa bei 30 S/m liegt.
Die eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzenden Rußpartikel treffen auf ihrem Weg durch die Elektrodenanordnung auf die Kathode 12 auf, wodurch sie elektrisch aufgeladen werden. Die Zahl der so aufgeladenen Rußpartikel steigt infolge der Elektronendiffusion bzw. der Kollision der Rußteilchen untereinander. Schließlich kommt ein schwacher elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 zustande, in dem die elektrifizierten Rußteilchen a auf die Elektrode 13 auftreffen, wie Fig. 3 zeigt.
Die Änderung dieses schwachen elektrischen Stromes bedeutet hauptsächlich eine Änderung der Leitfähigkeit der Rußpartikel a zwischen den Elektroden 12, 13. Diese Änderung der Leitfähigkeit ist proportional zur Änderung der Anzahl der Rußpartikel a, so daß es möglich ist, die Anzahl der zwischen den Elektroden 12, 13 hindurchströmenden Rußpartikel mit Hilfe einer Leitfähigkeitsmessung kontinuierlich zu erfassen. Das Meßergebnis wird auf dem Anzeigegerät 17 angezeigt. Es ist ferner möglich, im Mischungskanal 6 die Konzentration der Rußpartikel a kontinuierlich zu messen, indem die Geschwindigkeit der Abgas-Strömung und die Menge bzw. Anzahl der Rußteilchen bestimmt werden, wobei der Querschnitt der hohlzylinderförmigen Elektrode 13 konstant ist.
Ist die Geschwindigkeit der Gasströmung überall konstant, können die Anzahl und die Konzentration der Rußpartikel a innerhalb der Abgasströmung direkt am Anzeigegerät 17 abgelesen werden. Ändert sich dagegen die Geschwindigkeit des Abgasstromes fortlaufend, so können die Anzahl und die Konzentration der Rußpartikel a in digitaler Weise kontinuierlich angegeben werden, indem beispielsweise zuvor die jeweils gemessene Geschwindigkeit der Abgasströmung zu einem bestimmten Zeitpunkt und die jeweils zugeordnete Leitfähigkeit, beispielsweise der aus der Linearisierungsschaltung 16 ausgegebene Wert, einem Computer zugeführt werden. Dieser gibt die momentanen Werte der Konzentration bzw. Anzahl der Rußpartikel im Abgasstrom an die erwähnte digitale Anzeigeeinheit weiter.
Statt einer hohlzylinderförmigen Elektrode 13 kann die Detektoreinrichtung auch eine hohlkegelförmige Elektrode 13 a besitzen, auf deren Kegelachse P&min; die als Kathode arbeitende nadelförmige Elektrode 12 a angeordnet ist, wie die Fig. 4 zeigt. Die äußere Elektrode 13 a ist dabei so positioniert, daß der parallel zur inneren Elektrode 12 a verlaufende Abgasstrom durch die größere Öffnung der hohlkegelartig ausgebildeten Elektrode 13 a in diese eintritt und aus der kleineren Öffnung wieder heraustritt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Elektrodenanordnung 12, 13 direkt im Abgasrohr der Diesel-Maschine, beispielsweise im Auspuffrohr 2 eines dieselgetriebenen Autos, anzuordnen. Die Elektrodenanordnung kann darüberhinaus auch im Abgaszuführungsrohr 3 positioniert werden. Beide Anordnungsmöglichkeiten lassen ebenfalls eine einwandfreie und kontinuierliche Messung der Anzahl bzw. Konzentration von Rußpartikeln im jeweiligen Diesel- Abgasstrom zu. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, den Abgasstrom zusätzlich mit zum Beispiel Luft zu vermischen.
Wie bereits oben näher erläutert, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Leitfähigkeit von Rußpartikeln im Abgasstrom einer Diesel-Maschine erheblich größer ist, als die Leitfähigkeit anderer Substanzen, wie etwa Kohlenmonoxide, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Ebenso wurde festgestellt, daß die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Rußpartikel proportional zur Änderung der Anzahl dieser Rußpartikel ist. Dies ermöglichte die Konstruktion einer Meßvorrichtung zur kontinuierlichen und exakten Messung der Anzahl und/oder Konzentration von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren bis hinab zu kleinsten Konzentrationen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung von Partikeln innerhalb eines durchströmten Kanals, mit einer ersten und einer zweiten durch eine Kanalwand hindurch in den Kanal hineinragenden und gegenüber der Kanalwand isolierten Elektrode mit jeweils unterschiedlichem elektrischen Potential, die gegeneinander beabstandet und mit einer Meßeinrichtung zur Messung eines zwischen den Elektroden fließenden Stroms verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

-der Kanal (6) als Strömungsmischkanal ausgebildet und an seinem einen Ende mit einem Mischgaseinlaß und einem Abgaseinlaß zur Einleitung eines Mischgases und des Abgases eines Dieselmotors in den Kanal sowie an seinem anderen Ende mit einer Pumpe (P ₁) zum Ansaugen des Abgas- Mischgas-Gemisches verbunden ist,

-die erste Elektrode (12, 12 a) nadelförmig ausgebildet ist,

-die zweite Elektrode (13, 13 a) hohlzylinderartig ausgebildet und koaxial zur ersten Elektrode (12, 12 a) angeordnet ist,

-die erste Elektrode (12,12 a) innerhalb der zweiten Elektrode (13, 13 a) liegt, und daß

-beide Elektroden (12, 12 a; 13, 13 a) mit ihrer Achsrichtung parallel zur Strömungsrichtung liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zweiten Elektrode (13 a) in Strömungsrichtung abnimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmischkanal in Strömungsrichtung gesehen stirnseitig ein Filter (4) zur Filterung des Mischgases, einen koaxial angeordneten Einlaß (3 a) zum Eintritt des Abgases in den Strömungsmischkanal und eine koaxiale Blende (5) zur Erzeugung einer Staurandöffnung besitzt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Strömungsmischkanal (6) zusätzlich eine Meßeinrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases angeordnet ist.