DE3875071T2

DE3875071T2 - Gasprobennahmevorrichtung.

Info

Publication number: DE3875071T2
Application number: DE19883875071
Authority: DE
Inventors: Hiroji Kohsaka
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1987-11-18
Filing date: 1988-11-04
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2008-11-05
Also published as: EP0316688A2; JPH01132929A; JPH07104233B2; EP0316688B1; DE3875071D1; EP0316688A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Probennahmevorrichtung, die beispielsweise verwendet wird, um die Gesamtmenge an Abgasbestandteilen im Abgas eines Kraftfahrzeugs zu messen (d.h. Emissionen von beispielsweise CO, CO&sub2;, Kohlenwasserstoffen HC, NOx, Feststoffpartikeln, SOx und dergleichen).
Ein herkömmliches Verfahren zur Messung der Gesamt- oder Absolutmenge von Abgasemissionen ist die sogenannte CVS-Methode (Constant Volume Sampling; Probennahme mit konstantem Volumen). Die zur Durchführung dieses Verfahrens benötigte Probennahmevorrichtung hat sich jedoch insofern als nachteilig erwiesen, als sie teuer ist und eine großräumige und komplexe Konstruktion aufweist. Insbesondere die sperrige Konstruktion der Probennahmevorrichtung hat sich als erheblicher Nachteil in den Fällen herausgestellt, in denen das zu untersuchende Fahrzeug ein Fahrzeug mit großen Abmessungen wie etwa ein Lastwagen oder ein Bus ist.
Ein weiteres Beispiel einer herkömmlichen Gasprobennahmevorrichtung wird in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Sho 60-127 420 beschrieben. Diese Gasprobennahmevorrichtung ist mit einem Proportionalteiler versehen, der durch eine Vielzahl von Rohren mit gleichem Durchlaßwiderstand gebildet wird und die Strömung des Abgases in einem Zwischenabschnitt einer Abgasleitung, durch die das Abgas vom Fahrzeugmotor abgegeben wird, gleichmäßig aufteilt. Eine Gasprobennahmesonde wird durch jedes beliebige der den Proportionalteiler bildenden Rohre gebildet, und eine zu dem Durchsatz des Abgases in der Abgasleitung proportionale Abgasprobe wird mit Hilfe dieser Probennahmesonde entnommen.
Bei diesem Stand der Technik besteht das Problem, daß, beispielsweise wenn das Abgas eines Dieselmotors zu untersuchen ist, Feststoffpartikel, Ölnebel und dergleichen, die in dem Abgas enthalten sind, an den jeweiligen Rohren haften bleiben, die den Proportionalteiler bilden, so daß das Tellungsverhältnis geändert wird und somit keine stabile Aufteilung erreicht werden kann. Außerdem ändert das Anhaften von Feststoffpartikeln, Ölnebeln und dergleichen an den Wänden der Rohre die Qualität des zu untersuchenden Abgases. Es ist deshalb schwierig, die Gesamtmenge der spezifizierten Emissionen genau zu messen.
Außerdem ist eine Gasprobennahmevorrichtung der sogenannten Ejektor-Art vorgeschlagen worden, die dazu eingerichtet ist, einen Teil des Abgases mit Hilfe eines Ejektors anzusaugen, wie in "Motor Vehicle Technique", Band 40, Nr. 11 (1986), Seiten 1455 bis 1466 gezeigt wird. Wenn eine Probennahmevorrichtung dieses Typs in Fällen verwendet wird, in denen sich die Menge des Abgases dynamisch ändert, ist es erforderlich, die Menge eines Verdünnungsgases (beispielsweise Luft) derart zu steuern, daß sie sich in Übereinstimmung mit der Änderung der Abgasmenge ändert. Es ergab sich jedoch das Problem, daß die Steuerung der Menge an Verdünnungsgas den Änderungen der Menge des Abgases nur mit einer bestimmten Zeitverzögerung folgen kann. Es ist deshalb schwierig, dieses Probennahmeverfahren bei Übergangs-Betriebszuständen des Motors anzuwenden.
EP-A-0 155 793 beschreibt eine weitere herkömmliche Gasprobennahmevorrichtung, die die im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Bei dieser Vorrichtung sind zwei Venturirohre an unterschiedlichen Positionen in einer Gasleitung vorgesehen, wobei ein kleineres der Venturirohre stromaufwärts des größeren angeordnet ist und sich im Inneren der Gasleitung befindet, so daß es als Ejektor zum Ansaugen eines Teils der Gasströmung durch die Gasleitung dient, ähnlich wie der Ejektor bei dem oben erörterten Stand der Technik. Der Anteil des Gases, der nicht in das kleinere Venturirohr eingetreten ist, strömt durch das stromabwärts angeordnete größere Venturirohr. Die Verdünnung des Probengases wird in zwei Schritten ausgeführt. Ein Haupt-Verdünnungsgaskanal ist stromaufwärts der beiden Venturirohre angeordnet, und ein sekundärer Verdünnungsgaskanal ist an die stromabwärtige Seite des Ejektors angeschlossen. Der Auslaß des sekundaren Verdünnungsgaskanals ist mit einer Reihenschaltung aus einem Probengaskanal und einer Konstantdurchsatz-Einrichtung verbunden. Aufgrund des doppelten Verdünnungssystems weist diese herkömmliche Gasprobennahmevorrichtung einen komplizierten und großräumigen Aufbau auf.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Systeme entwickelt worden, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Gasprobennanmevorrichtung zu schaffen, die kleine Abmessungen aufweist, kostengünstig ist und unter Übergangs-Betriebsbedingungen des Motors anwendbar ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Gasprobennahmevorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
In einer erfindungsgemaßen Gasprobennahmevorrichtung wird das durch eine Gasleitung strömende Probengas mit Hilfe zweier Venturirohre, die unterschiedliche Größen haben und parallel geschaltet sind, in einem bestimmten Verhältnis aufgeteilt, und das Probengas, das das kleinere Venturirohr durchströmt hat, wird in einem Verdünnungsgaskanal verdünnt. Das verdünnte Probengas wird erneut in einem bestimmten Teilungsverhältnis aufgeteilt mit Hilfe einer Konstantdurchsatz-Einrichtung und einem Gasprobennahmekanal, der parallel zu der Konstantdurchsatz-Einrichtung geschaltet ist.
Obgleich die Gasprobennahmevorrichtung kleine Abmessungen hat, kann bei dieser Konstruktion das zu untersuchende Gas stets in dem korrekten Verhältnis aufgeteilt werden. Da außerdem das Probengas mit Hilfe von Venturirohren aufgeteilt wird, ist die Tendenz von Nebeln und dergleichen, an den Wänden des Strömungsaufteilungssystems anzuhaften, verringert. Aufgrund des einfachen Aufbaus der Gasprobennahmevorrichtung kann die Gasprobennahme zu geringen Kosten vorgenommen werden. und die Wartung der Vorrichtung ist vereinfacht.
Weitere Verbesserungen der Gasprobennahmevorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm, das den Aufbau der erfindungsgemäßen Gasprobennahmevorrichtung zeigt;
Fig. 2(A), (B) Diagramme zur Illustration der Durchsatzcharakteristik von in der Probennahmevorrichtung verwendeten Venturirohren; und
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Steuersystems.
In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Fahrzeug und das Bezugszeichen 2 eine Abgasleitung zur Abgabe von Abgas (nachfolgend als Probengas bezeichnet) G, das von einem Motor 3 des Fahrzeugs 1 ausgestoßen wird.
Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Gaskanal, der an einen Auslaß 2A der Abgasleitung 2 angeschlossen ist. Zwei Venturirohre 5,6 unterschiedlicher Größe sind parallel zueinander an das stromabwärtige Ende des Gaskanals 4 angeschlossen und das Probengas G, das den Gaskanal 4 durchströmt hat, wird an einem Verzweigungspunkt in einem bestimmten Teilungsverhältnis, beispielsweise 99:1, aufgeteilt.
Die Gasdurchsätze Q&sub5;,Q&sub6; durch die Venturirohre 5,6 werden üblicherweise durch Parameter bestimmt, wie etwa den Venturi-Differenzdruck, den Eingangsdruck, die Gastemperatur, die Gaszusammensetzung und die Größen der Venturirohre. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die die Venturirohre 5,6 einschließende Struktur so ausgelegt, daß mit Ausnahme der Größen der Venturirohre alle Parameter für beide Venturirohre die gleichen sind und die Kennlinien des Gasdurchsatzes Q gegen den totalen Venturi-Differenzdruck ΔP für die beiden Venturirohre 5,6, eine ähnliche Form haben, wie beispielsweise in Figuren 2(A) und 2(B) gezeigt ist. In diesem Zusammenhang ist der "totale Venturi-Differenzdruck" definiert als die Differenz zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck des betreffenden Venturirohres. Die Größen der Venturirohre (beispielsweise die Querschnittsflächen an der Engstelle) sind so gewählt, daß, wenn die beiden in Figuren 2(A), (B) gezeigten Diagramme überlagert werden, die beiden Kurven miteinander kongruent sind, und das Durchsatzverhältnis Q&sub5; : Q&sub6; beispielsweise 99 : 1 beträgt.
Der Gasdurchsatz Q&sub6; durch das kleinere Venturirohr 6 beträgt somit konstant 1/100 des Durchsatzes des Probengases G durch den Gaskanal 4. Eine Saugpumpe 7 mit konstantem Durchsatz ist am stromabwärtigen Ende des Venturirohres 5 angeordnet.
Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Verdünnungsgaskanal, der unabhängig von dem oben beschriebenen Gaskanal 4 angeordnet und mit einem Filter 9 und einem Verdünnungstunnel 10 versehen ist, die in der genannten Reihenfolge in Strömungsrichtung des Gases angeordnet sind. Ein durch den Verdünnungsgaskanai strömendes Verdünnungsgas wird durch Luft g gebildet, die den Filter 9 passiert hat.
Das stromabwärtige Ende des Venturirohres 6 ist mit dem Verdünnungsgaskanal 8 an einem Punkt b zwischen dem Filter und dem Verdünnungstunnel 10 verbunden, so daß das Probengas G, das das Venturirohr 6 durchströmt hat, gleichförmig in dem Verdünnungstunnel 10 verdünnt werden kann.
Die Bezugszeichen 11, 12 bezeichnen eine Konstantdurchsatz-Einrichtung bzw. einen Gasprobennahmekanal, die parallel zueinander mit dem stromabwärtigen Ende des Verdünnungstunnels 10 verbunden und dazu eingerichtet sind, das Probengas G, das in dem Verdünnungstunnel 10 verdünnt wurde, in einem bestimmten Teilungsverhältnis aufzuteilen.
Die Konstantdurchsatz-Einrichtung 11 weist beispielsweise ein Kritischstrom-Venturirohr 13 und ein mit dessen stromabwärtigem Ende verbundenes Gebläse 14 auf. Der Gasprobennahmekanal 12 ist mit einem Feststoffpartikel-Sammelfilter 15, einer Konstantdurchsatz-Saugpumpe 16 und einem Venturirohr 17 versehen, die in dieser Reihenfolge in der Strömungsrichtung des Gases angeordnet sind. Die Größen der Venturirohre 13,17 (beispielsweise die Querschnittsflächen an der Engstelle) sind so gewählt, daß das Verhältnis Q&sub1;&sub3; : Q&sub1;&sub7; des Gasdurchsatzes Q&sub1;&sub3; durch das Kritischstrom- Venturirohr 13 zu dem Gasdurchsatz Q&sub1;&sub7; durch das Venturirohr 17 beispielsweise 99 : 1 beträgt. Folglich beträgt der Durchsatz Q&sub1;&sub7; des Gases durch das Venturirohr 17 (den Gasprobennahmekanal 12) 1/100 des Durchsatzes des Probengases G durch den Verdünnungsgaskanal 8.
Figur 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Steuersystems für die Gasprobennahmevorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau zeigt. In Figur 3 bezeichnen die Bezugszeichen 21,22,23,24 Operationsverstärker, und das Bezugszeichen 25 bezeichnet eine Operations-Steuereinrichtung wie etwa eine CPU zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Operationsverstärker 21 bis 24 und zur Ausgabe eines Steuersignals. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet ein Steuergerät zur Steuerung der Drehzahl der Pumpe 16 auf der Grundlage des von der CPU 25 erhaltenen Steuersignals. Die Operationsverstärker 21 bis 24 empfangen Signale, die den Engstellen-Differenzdruck ΔPS5 in dem Venturirohr 5, den Engstellen-Differenzdruck ΔPS6 in dem Venturirohr 6, den Eingangsdruck P&sub1;&sub3; des Venturirohres 13 und den Engstellen-Differenzdruck ΔPS17 des Venturirohres 17 angeben. Diese Signale dienen zur Bestimmung der Gasdurchsätze Q&sub5;, Q&sub6;, Q&sub1;&sub3;, Q&sub1;&sub7; durch die jeweiligen Venturirohre 5,6,13,17.
Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Gasprobennahmevorrichtung soll nachfolgend erläutert werden.
Wenn die Durchsätze Q&sub5;,Q&sub6; durch die Venturirohre 5,6 unter den in Figuren 2(A), (B) gezeigten Bedingungen gehalten werden, so wird das Probengas G mit Hilfe der Venturirohre 5,6 gemäß der Gleichung Q&sub5; : Q&sub6; = 99 : 1 aufgeteilt, und das Probengas G, das das kleinere Venturirohr 6 durchströmt hat, wird in den Verdünnungsgaskanal 8 eingeleitet und innerhalb des Verdünnungstunnels 10 mit der Luft g aus dem Filter 9 vermischt und verdünnt. Das verdünnte Probengas G wird am stromabwärtigen Ende des Verdünnungstunnels 10 gemäß der Gleichung Q&sub1;&sub3; : Q&sub1;&sub7; = 99 : 1 aufgeteilt, und das in den Gasprobennahmekanal 12 eingeleitete Probengas G erreicht den Feststoffpartikel-Sammelfilter 15, wo die in dem Probengas G enthaltenen Feststoffpartikel gesammelt und in dem Filter 15 zurückgehalten werden, so daß die Gesamtmenge der durch den Gaskanal 4 strömenden Feststoffparukel ermittelt werden kann, indem man die Gewichtsdifferenz des Feststoffpartikel-Sammelfilters 15 vor und nach der Probennahme des Probengases G bestimmt und die Gewichtsdifferenz mit einem Faktor (10000 in diesem Ausführungsbeispiel) multipliziert.
Je nach Herstellungsverfahren und Form der Venturirohre 5,6 kann es jedoch unter bestimmten Umständen unmöglich sein, eine Anordnung zu erreichen, bei der die Charakteristika der Venturirohre 5,6 einander vollständig ähnlich sind. Außerdem können sich diese Charakteristika infolge von Änderungen des Gasdurchsatzes Q geringfügig ändern, so daß unter bestimmten Umständen das Verhältnis Q&sub5; : Q&sub6; nicht genau auf dem gewünschten Wert gehalten werden kann. In einem solchen Fall wird das Verhältnis Q&sub1;&sub7; : Q&sub1;&sub3; mit Hilfe der Pumpe 16 so gesteuert, daß es sich proportional zu dem Durchsatzverhältnis Q&sub5; : Q&sub6; ändert, d.h., die in Figur 3 gezeigte CPU steuert die Saugleitung der Pumpe 16 so, daß Q&sub5;/Q&sub6; = K Q&sub1;&sub7;/Q&sub1;&sub3; (wobei K eine Konstante ist). Somit wird die Anderung des Durchsatzverhältnisses an den Venturirohren 5,6 kompensiert, und die Gesamt-Aufteilungsgenauigkeit wird verbessert.
Außerdem können andere Emissionen als Feststoffpartikel fortlaufend gravimetrisch gemessen werden, indem man einen Teil des von der Konstantdurchsatz-Einrichtung 11 angesaugten Probengases G als Probe entnimmt und in Gasanalysatoren für CO, CO&sub2;, HC, Nox, SOx und dergleichen einleitet. Wenn in diesem Fall die Ausgangssignale der Analysatoren im Hinblick auf das Verhältnis des Durchsatzes Q&sub5; zu dem Durchsatz Q&sub6; verarbeitet werden, kann eine noch genauere Messung erzielt werden.

Claims

1. Gasprobennahmevorrichtung mit:

- zwei Venturirohren (5,6), die an einen von dem Probengas durchströmten Gaskanal (4) angeschlossen sind,

- Verdünnungsgas-Leitungsmitteln (8), die ein Verdünnungsgas führen und mit dem kleineren (6) der beiden Venturirohre verbunden sind, und

- einer Konstantdurchsatz-Einrichtung (11) und einem Gasprobennahmekanal (12), die an die Verdünnungsgas-Leitungsmittel angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Venturirohre (5,6) parallel zueinander an einen Verzweigungspunkt (a) des Gaskanals (4) angeschlossen sind,

- die Verdünnungsgas-Leitungsmittel nur aus einem einzigen Verdünnungsgaskanal (8) bestehen, der mit dem stromabwärtigen Ende des kleineren der Venturirohre verbunden ist, und

- die Konstantdurchsatz-Einrichtung (11) und der Gasprobennahmekanal (12) parallel zueinander an den Verdünnungsgaskanal (8) angeschlossen sind.

2. Gasprobennahmevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Venturirohre (5,6) so angeordnet und ausgelegt sind, daß die Durchsatz/Differenzdruck- Kennlinien für beide Venturirohre im wesentlichen identisch sind, wenn die Skalierungsfaktoren für die Durchsätze (Q) in einem bestimmten Verhältnis, beispielsweise 99:1, eingestellt sind.

3. Gasprobennahmevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Konstantdurchsatz-Einrichtung (11) und der Gasprobennahmekanal (12) so ausgelegt sind, daß das Verhältnis des Durchsatzes (Q&sub1;&sub3;) durch die Konstantdurchsatz-Einrichtung zu dem Durchsatz (Q&sub1;&sub7;) durch den Gasprobennahmekanal (12) im wesentlichen gleich dem Verhältnis (Q&sub5;/Q&sub6;) der Durchsätze durch die Venturirohre (5,6) ist.

4. Gasprobennahmevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Steuereinrichtung (25,26) zum Einstellen des Durchsatzes (Q&sub1;&sub7;) durch den Gasprobennahmekanal in Abhängigkeit von den Engstellen-Differenzdrücken (ΔPS5,ΔPS6) der Venturirohre (5,6) derart, daß das Verhältnis (Q&sub1;&sub7;/Q&sub1;&sub3;) der Durchsätze durch den Gasprobennahmekanal und die Konstantdurchsatz-Einrichtung in einem konstanten Verhältnis zu dem Verhältnis (Q&sub5;/Q&sub6;) der Durchsätze durch die Venturirohre gehalten wird.

5. Gasprobennahmevorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine Saugpumpe (16) und ein weiteres Venturirohr (17) in dem Gasprobennahmekanal (12) angeordnet sind, wobei die Steuereinrichtung (25) auf den Engstellen-Differenzdruck (ΔPS17) dieses weiteren Venturirohres anspricht.

6. Gasprobennahmevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Konstantdurchsatz-Einrichtung (11) ein Kritischstrom-Venturielement (13) und ein Gebläse (14) enthält, die in Serie miteinander verbunden sind.

7. Gasprobennahmevorrichtung nach Ansprüchen 5 und 6, bei der die Steuereinrichtung (25) auf den Eingangsdruck (P&sub1;&sub3;) des Kritischstrom-Venturielements anspricht.

8. Gasprobennahmevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein Feststoffpartikel-Sammelfilter (15) in dem Gasprobennahmekanal (12) angeordnet ist.

9. Gasprobennahmevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein Verdünnungstunnel (10) am stromabwärtigen Ende des Verdünnungsgaskanals (8) angeordnet und mit der Konstantdurchsatz-Einrichtung (11) und dem Gasprobennahmekanal (12) verbunden ist.

10. Gasprobennahmevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der eine Konstantdurchsatz-Saugpumpe (7) mit dem stromabwärtigen Ende des größeren (5) der beiden Venturirohre (5.6) verbunden ist.