DE4220997C2 - Gerät zur Analyse von Partikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Analyse von Partikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine.

Aus der WO 91/05994 A1 ist bereits eine Meßanordnung zur Bestimmung des Rußgehalts in Abgasen insbesondere von Dieselmotoren bekannt. Dort ist ein Abgas-/Probenkanal vorhanden, in den ein vorbestimmtes Volumen des Abgases einleitbar ist, wobei dieser Probenkanal ab einer bestimmten Stelle zweigeteilt ist, also vom Probenkanal ein Referenzkanal abzweigt, in welchem sich ein Filter zum Auffangen der Partikel befindet. Ferner weist die Meßanordnung einen Analysator auf, um die durch Proben- und Referenzkanal hindurchgeströmten Gase kontinuierlich im Hinblick auf jeweilige Konzentrationen von C im Probengas zu analysieren, und zwar auf der Grundlage von gemessenen Konzentrationsdifferenzen zwischen dem Probengas und dem Referenzgas. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen Ofen zum Erhitzen des durch den Referenzkanal strömenden Gases auf.

Aus der DE 36 19 301 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Aldehydkonzentrationen in Abgasen bekannt, die einen Probenkanal aufweist, von dem ein Referenzkanal abzweigt, in welchem sich ein "Filter für Aldehyd" befindet, nämlich ein Wascher. Die Probengase in Proben- und Referenzkanal werden von einem Analysator kontinuierlich im Hinblick auf jeweilige Konzentrationsunterschiede von Aldehyd zwischen dem Probengas und dem Referenzgas analysiert. Ferner weist die Vorrichtung einen Ofen zum Erhitzen der durch Proben- und Referenzkanal strömenden Gase auf. Der Analysator ist ein Infrarot-Gasanalysator mit einer Probenzelle und einer Referenzzelle.

Die DE 33 22 870 A1 beschreibt eine Meßvorrichtung zum kontinuierlichen Messen der Konzentration von Partikeln in einem Gas, z. B. dem Abgas eines Wagens, mit einem Probenkanal, von dem ein Referenzkanal mit einem Filter abzweigt, und einem Analysator zur kontinuierlichen Partikelkonzentrationsmessung des Probengases, und zwar auf der Grundlage von gemessenen Konzentrationsdifferenzen zwischen dem Probengas und dem Referenzgas (im Referenzkanal hinter dem Filter). Der Analysator weist ferner eine Probenzelle und eine Referenzzelle auf, deren Ausströmkanäle jeweils über eine Venturi-Düse einer Absaugpumpe zugeführt werden.

In der DE 29 40 126 A1 wird schließlich eine Vorrichtung zum Prüfen eines Partikel enthaltenden Gases aufgezeigt, bei dem ein Probenkanal in einen Probenkanal und einen Referenzkanal aufgespalten wird, die beide jeweils einen Filter aufweisen, und die beide mit einem Flußsteuerventil versehen sind, wobei die Ausgänge der Flußsteuerventile mit einer gemeinsamen Ansaugpumpe verbunden sind.

Aus derselben Druckschrift ist es auch bekannt, bei der Messung von Partikeln in einem Abgas zusammen mit einem Filter eine Waage zur Gewichtsmessung heranzuziehen. Ein vorbestimmtes Volu­ men eines erhitzten Abgases z. B. einer Diesel-Brennkraftmaschine gelangt in ei­ nen Gaskanal, in welchem sich der Filter befindet, so daß sich auf diese Weise die Partikel sammeln lassen. Im Anschluß daran wird der Filter mit Hilfe einer Präzisionswaage gemessen. Die quantitative Analyse erfolgt dann unter Berücksichtigung der Differenz des Filtergewichts vor und nach dem Auffangen der Partikel.

Allerdings lagert sich auch Wasser am Filter an, was zu Fehlern beim oben beschriebenen Verfahren führt. Es ist daher erforderlich, den Filter bei konstanter Temperatur und Feuchtigkeit für mehrere Stunden zu trän­ ken, so daß das Gewicht des Wassers am Filter vor und nach dem Sammeln der Partikel dasselbe ist. Innerhalb der Partikel sind ferner flüchtige HC- Komponenten (sog. sof′s (soluble organic fractions)), die üblicherweise in organischen Lösungsmitteln lösbar sind, C-Komponenten, z. B. Trocken­ ruß, Sulfat, und dergleichen, enthalten. Dabei müssen die sof′s mittels or­ ganischer Lösungsmittel extrahiert werden, während Sulfat mit destillier­ tem Wasser oder mittels einer Eluierungslösung zur Verwendung bei der Ionenchromatografie extrahiert wird. Die gesamte Messung nimmt somit relativ viel Zeit in Anspruch und kann darüber hinaus nur von geschultem Personal durchgeführt werden. Zudem ist sie aufgrund der oben beschrie­ benen Besonderheiten relativ störanfällig.

Nachteilig ist außerdem, daß der Filter, auf dem sich die Partikel gesam­ melt haben, nach der Messung aus dem Gaskanal herausgenommen wer­ den muß. Eine kontinuierliche Messung kann daher nicht durchgeführt werden.

Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden kontinuierlich arbeitende Einrich­ tungen entwickelt, beispielsweise eine die Partikelmasse überwachende Einrichtung, die bei einer Massenänderung der durch den Filter gesam­ melten Partikel die Änderung der Resonanzfrequenz einer Röhre, und der­ gleichen, detektiert. Darüber hinaus wurde ein Rauchmeßgerät vom Her­ tridge-Typ vorgeschlagen, bei welchem Licht auf die zu messenden Parti­ kel auftrifft. Dabei lassen sich Änderungen der Lichtdurchlässigkeit des Partikelstroms feststellen, die Rückschlüsse auf die Partikelmenge zulas­ sen.

Bei den oben beschriebenen Verfahren blieben aber viele Probleme unge­ löst. Beispielsweise lassen sich die sof′s nicht getrennt vom Trockenruß messen. Diese Verfahren konnten somit das herkömmliche Verfahren, bei dem die Partikel herausgefiltert und gewogen werden, nicht wirklich erset­ zen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontinu­ ierlichen Partikelüberwachung zu schaffen, die in der Lage ist, die sof′s, Trockenruß und Sulfat voneinander zu trennen, und die die quantitative Analyse in kurzer Zeit durchführen und auch von ungeschultem Personal bedient werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Mit dem erfindungsgemäßen Analysegerät lassen sich flüchtige organi­ sche Bestandteile, sogenannte sof′s (soluble organic fractions), Trocken­ ruß (dry soot) und Sulfat bzw. Schwefel quantitativ getrennt bestimmen, ohne daß es erforderlich ist, mit Hilfe von Lösungsmitteln und dergleichen Extraktionen vornehmen zu müssen. Da ferner keine Präzisionswaage und organische Lösungsmittel verwendet zu werden brauchen, lassen sich ge­ nauere Analyseergebnisse erzielen, und zwar auch dann, wenn die Analyse von ungeschultem Personal durchgeführt wird. Außerdem kann die Analy­ se kontinuierlich durchgeführt werden, so daß sich auch Übergangsbe­ triebszustände in Brennkraftmaschinen bzw. Dieselmaschinen in Echt­ zeit überwachen lassen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung nä­ her dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur quantitativen Partikelanalyse und

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines Infrarot-Gasanalysators.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die Fig. 1 zeigt den schemati­ schen Aufbau einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Analyse eines Parti­ kel enthaltenden Mediums nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Probengaskanal bezeichnet, durch den ein vorbestimmtes Volumen eines Abgases (Probengas S) hin­ durchströmt. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein Referenzkanal bezeichnet, der vom Probengaskanal 1 abzweigt, und zwar am Punkt A. Dieser Refe­ renzkanal 2 ist mit einem Auffangfilter 3 ausgestattet, der sich in einer Filterhalterung 4 befindet, so daß sich partikelförmige Stoffe, die im Proben­ gas S enthalten sind, mit Hilfe des Auffangfilters 3 auffangen bzw. sam­ meln lassen. Der Auffangfilter 3 besteht beispielsweise aus Quarz, Teflon, und dergleichen, wobei diese Stoffe in geringer Menge Verunreinigungen enthalten. In Strömungsrichtung hinter dem Verzweigungspunkt A befin­ det sich im Probengaskanal 1 eine weitere Filterhalterung 5 (dummy), die vom selben Typ wie die Filterhalterung 4 ist. Die Filterhalterung 5 dient da­ zu ein Totvolumen zu schaffen, das gleich demjenigen des Referenzkanals 2 ist. Innerhalb dieser Filterhalterung 5 befindet sich kein Filter.

Ein Ofen 6 dient zur Abgasaufheizung und enthält beispielsweise eine elektrische Widerstands-Heizeinrichtung, um in seinem Innern eine vor­ bestimmte Temperatur für eine vorbestimmte Zeit aufrechtzuerhalten. Die Temperatursteuerung über die gewünschte Zeit kann beispielsweise mit Hilfe einer nicht dargestellten datengesteuerten Einrichtung erfolgen, mit der sich Temperaturen innerhalb des Ofens 6 bis hinauf zu 1000°C ein­ stellen lassen.

Der Probengaskanal 1 und der Referenzkanal 2 sind im Bereich hinter den Filterhalterungen 4 und 5 durch den Ofen 6 hindurchgeführt.

Das Bezugszeichen 7 kennzeichnet einen Infrarot-Gasanalysator, der nachfolgend der Einfachheit halber nur noch als Gasanalysator bezeich­ net wird. Es kann sich bei ihm um einen solchen vom Differenzmengenmeßtyp handeln, um das vom Abgaserhitzungsofen 6 kommende Abgas zu detektieren.

Flußsteuerventile 8 und 9 werden als Flußsteuereinrichtungen für das Probengas S und ein Referenzgas R verwendet, die synchron zum Gasana­ lysator 7 geleitet werden, ohne daß Zeitverzögerungen auftreten. Bei­ spielsweise kann als Flußsteuerventil eine Massendurchflußsteuerung zum Einsatz kommen. Eine Pumpe 10 dient als Bypass, wobei deren Ein­ gang mit den Ausgängen der jeweiligen Flußsteuerventile 8 und 9 verbun­ den ist.

Der oben erwähnte Gasanalysator 7 ist in Fig. 2 dargestellt und enthält Lichtquellen 13 und 14, die an einer Seite einer Probenzelle 11 und einer Referenzzelle 12 angeordnet sind. Durch beide Zellen 11 und 12 verlaufen jeweils getrennt voneinander optische Meßwege von den jeweiligen Licht­ quellen 13, 14 zu Detektoren, die auf der anderen Seite der Zellen 11 und 12 angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um einen H₂O-Detektor 15, ei­ nen CO₂-Detektor 16 und einen SO₂-Detektor 17, die optisch in Serie an­ geordnet sind und sich an derjenigen Seite der Probenzelle und der Refe­ renzzelle 12 befinden, die von den Lichtquellen 13, 14 abgewandt ist. Mit Hilfe der Detektoren 15, 16 und 17 lassen sich gleichzeitig mehrere Gase detektieren, z. B. H₂O, CO₂ und SO₂. Ein Chopper 18 zur Modulation der von den Lichtquellen 13 und 14 ausgesandten Strahlung wird mit Hilfe ei­ nes nicht dargestellten Antriebsmechanismus in Drehung versetzt und liegt zwischen den Zellen 11 und 12 einerseits und den Lichtquellen 13 und 14 andererseits.

Mit Hilfe eines Vorverstärkers 19 werden Ausgangssignale von den jeweili­ gen Detektoren 15, 16 und 17 vorverstärkt, wobei diese Ausgangssignale einer Betriebssteuerschaltung 20 zur weiteren Verarbeitung zugeführt wer­ den. Diese Ausgangssignale können z. B. Gaskonzentrationen darstellen.

In der Fig. 1 ist ein weiterer Kanal 21 dargestellt, der dazu dient, Gase von beiden Zellen 11 und 12 auszugeben. Dieser Kanal 21 ist mit einer Venturi- Düse 22 für kritische Flußgeschwindigkeit ausgestattet, der eine Absaug­ pumpe 23 in Serie nachgeschaltet ist.

Nachfolgend wird das mit diesem Analysator durchgeführte Verfahren zur quantitativen Bestimmung von Partikeln näher beschrieben.

Ein Teil des Probengases S, das durch den Probengaskanal 1 hindurch­ strömt, wird in den Referenzkanal 2 abgeleitet, und zwar am Verzweigungspunkt A. Die im Probengas S enthaltenen Partikel werden aus dem Probengas entfernt, wenn dieses durch den Auffangfilter 3 hindurch­ strömt. Auf diese Weise wird das Probengas S in das Referenzgas R umge­ wandelt, das anschließend in den Abgasaufheizofen 6 geführt wird. Der Rest des Probengases S gelangt ebenfalls in den Abgasaufheizofen 6, nach­ dem es die Filterhalterung 5 (dummy) durchströmt hat, und zwar so, wie es anfangs erhalten worden ist.

Das Innere des Abgasaufheizofens 6 ist auf eine Temperatur von etwa 1000°C aufgeheizt. Das bedeutet, das CO- und HC-Komponenten oxydie­ ren und in CO₂ bzw. H₂O umgewandelt werden. Ebenso wandelt sich Sulfat in SO₂ um.

Danach wird das Abgas, das durch die Kanäle 1 und 2 hindurchgeströmt ist, hinsichtlich der Flußrate auf denselben Pegel eingestellt, und zwar mit Hilfe der Flußsteuerventile 8 und 9. Die Flußsteuerventile 8 und 9 stellen mit anderen Worten die Flußraten des Probengases S und des Referenzga­ ses R auf denselben Pegel ein. Diese Gase erreichen dann die Zellen 11 und 12, also die Probenzelle 11 und die Referenzzelle 12.

Werden beide Probenzellen 11 und 12 mit Infrarotstrahlung von den Licht­ quellen 13 und 14 bestrahlt, so wird die Infrarotstrahlung in den Zellen 11 und 12 absorbiert. Sodann werden mit Hilfe des H₂O-Detektors 15, des CO₂-Detektors 16 und des SO₂-Detektors 17 die Konzentrationsdifferen­ zen zwischen dem Probengas S und dem Referenzgas R für H₂O, CO₂ und SO₂ detektiert. Der Detektor 15 detektiert also die H₂O-Konzentrations­ differenz zwischen dem Probengas S und dem Referenzgas R, der Detektor 16 die CO₂-Konzentrationsdifferenz zwischen dem Probengas S und dem Referenzgas R und der Detektor 17 die SO₂-Konzentrationsdifferenz zwi­ schen dem Probengas S und dem Referenzgas R.

Das Verhältnis der Anzahl der Atome der H-Komponenten und der C-Kom­ ponenten läßt sich einigermaßen genau abschätzen, und zwar abhängig von der Art des Abgases, das bei Verbrennung eines Kraftstoffs erhalten wird. Werte a, b und c, also kurz gesagt die Konzentration von C (Trocken­ ruß), die Konzentration von HC (sof) und die Konzentration von S, die in der folgenden chemischen Gleichung (1) enthalten sind, lassen sich somit anhand der in der chemischen Gleichung (1) gezeigten Beziehung und der Konzentration von H₂O (also der Konzentrationsdifferenz zwischen H₂O im Probengas S und im Referenzgas R), der Konzentration von CO₂ (also der Konzentrationsdifferenz zwischen CO₂ im Probengas S und im Referenz­ gas R) und der Konzentration von SO₂ (also der Konzentrationsdifferenz zwischen SO₂ im Probengas S und im Referenzgas R) bestimmen.

aC + bCH · x + cSO₄ + αO₂ → (a + b) CO₂ + (b · x/2) H₂O + cSO₂ + βO₂ (1)

In der obigen chemischen Gleichung (1) repräsentiert der Wert a die Kon­ zentration von C, also die Konzentration von Trockenruß (dry soot), wäh­ rend der Wert b die Konzentration von HC repräsentiert, also die Konzen­ tration von sof (soluble organic fraction bzw. lösbarer organischer Be­ standteil). Der Wert c repräsentiert die Konzentration von Sulfat, während der Wert x das Verhältnis von H zu C im Hinblick auf die Anzahl der Atome im sof repräsentiert, der zuvor in Abhängigkeit der Art des Brennstoffs vor­ läufig festgesetzt bzw. eingestellt worden ist. Die Ausdrücke α, β stellen je­ weils die Konzentrationen von Sauerstoff dar, der überschüssig vorhan­ den ist bezüglich der Werte a, b und c.

Kurz gesagt lassen sich die Konzentrationen von sof, Ruß und Sulfat im Abgas der Dieselbrennkraftmaschine separat bestimmen, und zwar an­ hand des Verhältnisses von H zu C im Hinblick auf die Anzahl der Atome x, anhand der Konzentration von H₂O, der Konzentration von CO₂ und an­ hand der Konzentration von SO₂.

Im vorliegenden Fall wurde als Infrarot- Gasanalysator ein solcher verwen­ det, bei dem Massendifferenzen gemessen werden. Hierauf ist die Erfin­ dung jedoch nicht beschränkt. Vielmehr kann auch ein solcher Gasanaly­ sator zum Einsatz kommen, wie in der japanischen Gebrauchsmusteran­ meldung Nr. Sho 61-199657 beschrieben ist. Es handelt sich hierbei um ei­ nen Infrarot-Gasanalysator vom Fluid-Modulationstyp für die Mehrfach­ komponentenmessung.

Wie oben beschrieben, lassen sich nach der vorliegenden Erfindung sof, Trockenruß und Sulfat separat quantitativ bestimmen, ohne daß Vorbe­ handlungen erforderlich sind, beispielsweise die Extraktion mit Lösungs­ mitteln. Darüber hinaus brauchen keine Präzisionswaage und organische Lösungsmittel verwendet zu werden, so daß die Meßresultate auch nicht mehr aufgrund individueller Vorgehensweisen schwanken können. Nicht zuletzt lassen sich infolge der kontinuierlichen Überwachungsmöglichkeit auch Emissionen von Dieselbrennkraftmaschinen in Betriebsübergangs­ zuständen messen, und zwar im Echtzeitbetrieb. Sämtliche Messungen können mit ungeschultem Personal vorgenommen werden, ohne daß die Gefahr besteht, fehlerhafte Meßergebnisse zu erhalten.

Claims (10)

1. Gerät zur Analyse von Partikeln im Abgas einer Brennkraftmaschine,

• - mit einem Probenkanal (1), in den ein vorbestimmtes Volumen des Abgases als Probengas (S) einleitbar ist und von dem ein Referenzkanal (2) abzweigt, in welchem sich ein Filter (3) zum Auffangen von innerhalb des Probengases (S) vorhandenen Partikeln befindet,
• - mit einem Ofen (6) zum Erhitzen des durch den Probenkanal (1) strömenden Pro­ bengases (S) und des durch den Referenzkanal (2) hinter dem Filter (3) strömenden Referenzgases (R) sowie
• - mit einem Analysator (7) mit dem die durch den Ofen (6) hindurchge­ strömten Gase (S, R) kontinuierlich im Hinblick auf jeweilige Konzentra­ tionen von HC, C und S im Probengas analysierbar sind, und zwar auf der Grundlage von gemessenen H₂O-, CO₂- und SO₂-Konzentrationsdifferen­ zen zwischen dem Probengas (S) und dem Referenzgas (R).

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Proben­ gas (S) das Abgas eines Dieselmotors ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenkanal (1) und der Referenzkanal (2) in einem Bereich zwischen dem Ofen (6) und einem Verzweigungspunkt (A), an dem der Referenzkanal (2) vom Probenkanal (1) abzweigt, jeweils mit einem Filterhalter (4, 5) verse­ hen sind, und daß nur der Filterhalter (4) im Referenzkanal (2) mit dem Filter (3) ausgestattet ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Filter­ halter (4, 5) vom selben Typ sind bzw. dieselbe Größe aufweisen.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Probenkanal (1) als auch der Referenzkanal (2) im Bereich hinter dem Ofen (6) mit jeweils einem Flußsteuerventil (8, 9) versehen sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemein­ same Ansaugpumpe (10) mit den Ausgängen beider Flußsteuerventile (8, 9) verbunden ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen (6) ein über elektrische Widerstände beheizbarer Ofen ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator (7) ein Infrarot-Gasanalysator mit einer Probenzelle (11) und einer Referenzzelle (12) ist, die jeweils mit dem Probenkanal (1) bzw. dem Referenzkanal (2) verbunden sind und zur Bildung getrennter optischer Meßwege dienen, und daß ein H₂O-Detektor (15), ein CO₂-De­ tektor (16) und ein SO₂-Detektor (17) an der Ausgangsseite des Analysa­ tors optisch in Serie und jeweils in beiden optischen Meßwegen liegen.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ gangsanschlüsse der Detektoren (15, 16, 17) mit einer Rechenschaltung (20) verbunden sind zur Bestimmung der Gaskonzentrationen von HC, C und S anhand der von den Detektoren (15, 16, 17) erhaltenen Ausgangssignale ausgebildet ist.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenzelle (11) und die Referenzzelle (12) Ausströmkanäle aufweisen, die mit einer auf kritische Strömung eingestellten Venturi-Düse (22) verbunden sind, der eine Absaugpumpe (23) nachgeschaltet ist.