EP1644719A1 - Vorrichtung und verfahren zur detektion von in verbrennungskraftmaschinenabgasen enthaltenen partikeln - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur detektion von in verbrennungskraftmaschinenabgasen enthaltenen partikeln

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EP1644719A1
EP1644719A1 EP04762393A EP04762393A EP1644719A1 EP 1644719 A1 EP1644719 A1 EP 1644719A1 EP 04762393 A EP04762393 A EP 04762393A EP 04762393 A EP04762393 A EP 04762393A EP 1644719 A1 EP1644719 A1 EP 1644719A1
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EP
European Patent Office
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exhaust gas
particle collection
collection chamber
particle
partial
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04762393A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Neubert
Anton Renz
Gennadi Zikoridse
Uwe Hofmann
Ernstwendelin Bach
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Nova-Mmb Messtechnik & Co KG GmbH
Original Assignee
Nova-Mmb Messtechnik & Co KG GmbH
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Publication date
Application filed by Nova-Mmb Messtechnik & Co KG GmbH filed Critical Nova-Mmb Messtechnik & Co KG GmbH
Publication of EP1644719A1 publication Critical patent/EP1644719A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2001/2261—Sampling from a flowing stream of gas in a stack or chimney preventing condensation (heating lines)

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the detection of particles contained in internal combustion engine exhaust gases, in particular ash particles.
  • it can be used for detection on reciprocating piston machines and here preferably in combination with conventional test bench measurement technology and with an electronic control which is already present on internal combustion engines.
  • the measurement results are also falsified in that the volatile exhaust gas components, which are formed from fluids as a result of cooling, are also recorded, the respective critical temperature in normal operation of internal combustion engines only being reached when the exhaust gas gas has either already left the exhaust system or the exhaust system components critical for particles have already been flowed through.
  • this object is achieved with a device according to claim 1 and a method having the features of claim 15.
  • the device according to the invention is designed such that an exhaust gas sampling probe is arranged in an exhaust gas system of an internal combustion engine for the direct removal of a partial exhaust gas stream.
  • the partial exhaust gas flow branched off from the exhaust system is led via a temperature-controlled feed line into a particle collection chamber.
  • the tempering takes place in such a way that at least one specific predetermined one
  • the minimum temperature of the exhaust gas led into the particle collection chamber is not fallen below.
  • This can be, for example, the dew point temperature, boiling or melting temperature of selected substances.
  • This supply line can be heated directly or a temperature increase can be achieved by heating elements arranged on the feed line, which can be designed as resistance heating elements.
  • the temperature control can also be carried out in such a way that a specified maximum temperature is not exceeded.
  • At least one temperature sensor should be arranged in the exhaust system, in the feed line and / or in the particle collection chamber.
  • the total exhaust gas mass flow can be determined at the respective times and accordingly at the respective operating states of the internal combustion engine with a corresponding measuring device provided on a test bench.
  • the two mass flows i.e. the total exhaust gas mass flow and the exhaust partial gas flow can be achieved by means of a controllable exhaust gas pump connected to the device.
  • the exhaust gas feed pump With the exhaust gas feed pump, the partial exhaust gas flow can be extracted through the particle collection chamber with a predetermined percentage in relation to the total exhaust gas mass flow.
  • an exhaust gas feed pump can also be controlled in such a way that a constant mass flow as partial exhaust gas flow or the extracted mass flow is set as a function of the respective operating state of the internal combustion engine.
  • a preferably porous particle collection element can be arranged in the particle collection chamber, on which the particles to be detected settle and can be separated from the partial exhaust gas flow. Such a particle collection element can be removed from the particle collection chamber after detection / separation and for subsequent analyzes, analogously to a
  • Sample carriers can be used.
  • a particle collection element should fill the entire free cross-sectional area of the sample collection chamber, so that the entire partial exhaust gas flow is led through the porous particle collection element.
  • the solid particles contained in the exhaust gas can settle on the surface of a particle collection element.
  • Such solid particles can be ash components, other inorganic and organic substances.
  • Carbon, in the form of soot, is an important part of this. However, since this carbon is relatively uncritical, particularly for particle filters in exhaust systems, and can be removed relatively easily by thermal regeneration, and for Talking analyzes can not be interesting and even disturbing, it is advantageous to be able to heat the particle collection element.
  • the carbon and organic compounds, such as hydrocarbons can then be oxidized or converted into the gas phase. The gaseous oxidation products or gases can then be withdrawn from the device.
  • the essentially interesting particles are not, or at least not significantly, influenced by such a thermal process.
  • the particle collection element can be formed from an electrically conductive material or contain such a material, so that a resistance heating element is formed in connection with suitable electrical connections and an electrically insulated attachment to the particle collection chamber.
  • Particle collection elements can be designed as a porous fiber structure and the materials for the fibers should have a sufficiently high thermal resistance. In addition, these materials should be chemically resistant or neutral to the substances that form the particles and / or substances contained in the exhaust gas.
  • the particle collection elements can be formed from pure metals, metal alloys but also from inter-metals (eg aluminides). High-temperature resistant steel alloys with chrome and nickel, chrome and aluminum, but also other nickel-based alloys can be used.
  • the porosity of the particle collection elements should be at least 75% up to 95% and the pore structure should reach a value of at least 30 ppi.
  • the surface of particle collection elements has a catalytic effect.
  • the oxidation temperature for carbon and organic compounds can be reduced.
  • the respective exhaust gas pressure should be measured at the inlet and outlet of the particle collection chamber in order to draw conclusions about the loading of the particle collection element with the determined pressure difference and to be able to recognize an increased back pressure.
  • Threshold value can either be exchanged the particle collection element or the mentioned thermal treatment leading to the removal of carbon or organic compounds can be triggered by heating the particle collection element.
  • the particle collection chamber should allow an easy exchange of particle collection elements.
  • fastener elements that can be released quickly and easily can be provided, with which an opening of the particle collection elements
  • Particle collection chamber or a loosening of the attachment of particle collection elements to the particle collection chamber can be achieved.
  • a partial exhaust gas stream is directly undiluted from the main exhaust gas stream passed through the sample collection chamber and separated particles contained therein in the exhaust gas partial flow.
  • the partial exhaust gas flow is tempered in such a way that it does not fall below at least a predetermined temperature, which should be above 120 ° C., preferably above 200 ° C. However, falling below the dew point should be avoided.
  • the separated particles are removed from the device. This can be done with the particle collection element.
  • An analysis of the separated particles is then carried out subsequently. This can be done with regard to their material composition and / or to quantify the amount of particles.
  • the separated particles can, for example, be subjected to a thermogravimetric, a coulometric and / or other analysis method.
  • At least 95% of the particles contained in the exhaust gas partial flow can be separated.
  • the handling is easy, so that no highly qualified specialist personnel are required for handling.
  • the application can be carried out without interrupting a measurement over a relatively long operating time.
  • the measurement accuracy can be further increased in relation to the total exhaust gas mass flow by maintaining a constant proportion of the partial exhaust gas mass flow, which is passed through the particle collection chamber and from which particles are separated.
  • ash particles can be detected and analyzed with the invention.
  • Figure 1 shows in schematic form the structure and arrangement of an example of a device according to the invention on an internal combustion engine
  • Figure 2 shows an example of a particle collection chamber with a heated particle collection element.
  • an exhaust gas sampling probe 3 is arranged in the line of an exhaust system 2 of an internal combustion engine 1, via which a partial exhaust gas stream can be drawn off from the main exhaust gas stream.
  • the respective exhaust system 2 can be an unchanged exhaust system of an internal combustion engine. act 1 on which elements not shown here, such as catalytic converter or particle filter and silencer are present.
  • the exhaust gas sampling probe 3 should, however, be arranged as close as possible to the exit of the exhaust gas from the internal combustion engine in order to keep its cooling as low as possible.
  • the exhaust gas sampling probe 3 should, however, be arranged upstream of a particle filter in the flow direction of the exhaust gas.
  • the free cross section of the exhaust gas sampling probe 3 should be designed, arranged and dimensioned in such a way that the conditions for the entry of exhaust gas which are as constant as possible can be maintained at the flow rates to be expected and, for example, at the exhaust gas sampling probe 3, the exhaust gas sampling probe 3 does not increase significantly at higher flow rates of the exhaust gas Throttling effect can be seen.
  • the partial exhaust gas flow is guided by the exhaust gas sampling probe 3 via the feed 4 through a particle collection chamber 6.
  • the feed 4 is not explicitly shown in such a way that temperature control is at least possible but heating of the partial exhaust gas flow and the exhaust gas led into the particle collection chamber 6 cannot fall below a minimum temperature of 200 ° C.
  • the particle collection chamber 6 there is a porous particle collection element 6a, not shown here, through which the entire partial exhaust gas flow can be conducted and with which particles contained in the partial exhaust gas flow can be separated with a proportion of at least 95%.
  • the exhaust gas emerging from the particle collection chamber 6 is fed to a device 8 for determining its respective mass flow via a line 7 and is drawn off from there by means of the exhaust gas pump 9 also connected to line 7.
  • a device 5 for determining the pressure difference at the inlet and outlet of the particle collection chamber 6 is provided on the particle collection chamber 6.
  • the devices 5 and 8 are connected to an electronic evaluation and control unit 10.
  • the exhaust gas feed pump 9 can be regulated taking into account the respectively determined mass flow of the partial exhaust gas flow in order to branch off a constant proportion of exhaust gas from the main exhaust gas flow and to lead it through the particle collection chamber 6 to the particle separation.
  • the electronic evaluation and control unit can also be connected to an electronic control 11 of the internal combustion engine or a further electronic evaluation and control of a test bench (not shown here) and / or to various sensor elements.
  • the determination of the respective mass flow of exhaust gas in the main flow should be taken into account , since a certain percentage of the respective partial exhaust gas mass flow can be maintained by regulating the exhaust gas feed pump 9 even with different operating states of the internal combustion engine 1, for example 1%.
  • the “loading” of a particle collection element 6a within the particle collection chamber 6 can be monitored. This means that a necessary exchange of the particle collection element 6a can be signaled or a “thermal regeneration” can be triggered.
  • the temperature is increased on the particle collecting element 6a, preferably by closing a circuit in which the particle collecting element 6a forms a resistance heating element, to the extent that at least carbon is burned in the form of soot and the permeability to exhaust gas of the particle collecting element 6a is increased.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional illustration through a particle collection chamber 6, which is formed from two metal housing parts 6d and is preferably thermally insulated in a form not shown.
  • a self-supporting particle collecting element 6a is held between the metal housing parts 6d.
  • the particle collecting element 6a is a porous fiber structure. It has a porosity of 92%.
  • the particle collecting element 6a is held at the outer edges by means of electrical insulation 6c.
  • the electrical insulation 6c is formed from a thermally stable material, so that when electrical current flows through the electrical connections 6b and the particle collecting element 6a can be heated to a temperature above 400 ° C., preferably at 700 ° C., there is no damage is.
  • the particle collection element 6a on the surface of which pointing towards the feed line 4, particles have been separated from the partial exhaust gas flow, can then be removed from the particle collection chamber 6 fed to a laboratory analysis and replaced by an unloaded particle collecting element 6a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver­fahren zur Detektion von in Verbrennungskraftmaschi­nenabgasen enthaltenen Partikeln, insbesondere Asche­Partikel. Sie kann insbesondere für die Detektion von Abgasen aus Hubkolbenmaschinen und bevorzugt dabei in Kombination mit herkömmlicher Prüfstandsmesstechnik eingesetzt werden. Es ist Aufgabe der Erfindung Mög­lichkeiten für die Detektion von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln in vereinfachter, vergleichbarer und reproduzierbarer Form vorzuschlagen. Hierzu ist die erfindungsgemässe Vorrichtung so ausgebildet, dass unmittelbar in der Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine eine Ab­gasentnahmesonde zur Entnahme eines Abgasteilstromes angeordnet wird. Durch diese Abgasentnahmesonde wird das Abgas über eine temperierte Zuleitung in eine Partikelsammelkammer unter Einhaltung einer vorgebba­ren Mindesttemperatur geführt. Außerdem ist eine Ein­richtung zur Bestimmung des Massenstromes des durch die Partikelsammelkammer geführten Abgasteilstromes vorhanden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von in Verbrennungskraftmaschinenabgasen enthaltenen Partikeln
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von in Verbrennungskraftmaschinenabgasen enthaltenen Partikeln, insbesondere Aschepartikel . Sie kann insbesondere für die Detektion an Hubkolbenmaschinen und hier bevorzugt in Kombination mit herkömmlicher PrüfStandsmesstechnik sowie mit einer ohnehin an Verbrennungskraftmaschinen vorhandenen elektronischen Steuerung eingesetzt werden.
Mit der Erfindung können sämtliche im Abgas enthaltene Partikel insbesondere aber Partikel detektiert werden, die Aussagen über verschiedene Einflüsse beim Motorbetrieb oder von in Kraftstoffen bzw. Schmiermitteln enthaltenen Additiven zulassen. Besonders vorteilhaft können Partikel, die unter den allgemein üblichen Begriff „Asche" fallen, detektiert und sowohl deren Anteil, wie auch deren chemische Zusammensetzung mittels einer nachfolgenden Analyse bestimmt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung können aber auch sämtliche für Komponenten von Abgasanlagen, wie z.B. Partikelfilter, kritische Partikel detektiert werden, die sich in solchen Abgasanlagenkomponenten irrever- sibel ablagern können. Wohingegen für solche Abgasanlagenkomponenten unkritische Partikel entweder nicht erfasst oder durch Verbrennung beseitigt werden können.
Bei herkömmlichen Lösungen wird bisher so vorgegangen, dass Abgas von Verbrennungskraftmaschinen gesammelt und ein Teilvolumen dieses Abgases für Analysezwecke genutzt wird. Hierbei wird in der Regel auch das gesammelte Abgas in verdünnter Form eingesetzt.
Es ist bisher nicht bzw. nur unzureichend möglich im unverdünnten Abgas enthaltene Partikel über längere Messzeitintervalle, ohne Unterbrechungen der Messungen, zu detektieren. Eine Quantifizierung ist wenn überhaupt nur mit erhöhter Messunsicherheit möglich. Solche Untersuchungen werden aber insbesondere für bestimmte vorgegebene bzw. genormte Betriebszyklen gewünscht um insbesondere reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.
Die Messergebnisse werden außerdem dadurch verfälscht, dass auch die flüchtigen Abgaskomponenten mit erfasst werden, die aus Fluiden infolge einer Abkühlung gebildet werden, wobei die jeweilige hierfür kritische Temperatur im normalen Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen erst erreicht wird, wenn das Ab- gas entweder die Abgasanlage bereits verlassen hat oder bereits die für Partikel kritischen Abgasanlagenkomponenten durchströmt worden sind.
Bei herkömmlichen Lösungen ist auch die Handhabung von gesammelten Partikelproben auf hierfür eingesetzten Probenträgern bei nachfolgend durchzuführenden Analysen problematisch.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für die Detektion von in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen enthaltenen Partikeln in vereinfachter, vergleichbarer und reproduzierbarer Form vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren, dass die Merkmale des Anspruchs 15 aufweist, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei so ausgebildet, dass zur unmittelbaren Entnahme eines Abgas- teilstromes in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine eine Abgasentnahmesonde angeordnet ist. Der aus der Abgasanlage abgezweigte Abgasteilstrom wird über eine temperierte Zuleitung in eine Partikelsammelkammer geführt. Die Temperierung erfolgt da- bei so, dass zumindest eine bestimmte vorgegebene
Mindesttemperatur des in die Partikelsammeikammer geführten Abgases nicht unterschritten wird. Dies kann beispielsweise die Taupunkttemperatur, Siede- oder Schmelztemperatur ausgewählter Stoffe sein.
Diese Zuleitung kann unmittelbar beheizt werden oder eine Temperaturerhöhung durch an der Zuleitung angeordnete Heizelemente, die als Widerstandsheizelemente ausgebildet sein können, erreicht werden.
Vor Beginn der eigentlichen Detektion kann es vorteilhaft bzw. erforderlich sein die Zuleitung vorzuheizen.
Die Temperierung kann aber auch so erfolgen, dass ei- ne vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschritten wird.
Für die Temperierung sollte zumindest ein Temperatursensor in der Abgasanlage, in der Zuleitung und/oder der Partikelsammeikammer angeordnet sein.
Des Weiteren ist auch eine Einrichtung zur Bestimmung des Massenstroms des Abgasteilstromes vorhanden. Damit kann zumindest der Anteil des Abgasteilstromes in Bezug zum Gesamtabgasmassenstrom erfasst und für nachfolgende Auswertungen berücksichtigt werden.
Der Gesamtabgasmassenstrom kann zu jeweiligen Zeitpunkten und dementsprechend zu jeweiligen Betriebszu- ständen der Verbrennungskraftmaschine mit einer entsprechenden an einem Prüfstand vorhandenen Messeinrichtung bestimmt werden.
Vorteilhaft ist es jedoch einen konstanten Anteil an Abgas aus dem Abgashauptstrom als Abgasteilstrom abzuzweigen und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Par ikeldetektion zuzuführen. Dieser vorgebbare Anteil kann im Bereich einiger weniger Prozent sein.
Dies kann unter Berücksichtigung der beiden Massenströme, also des Abgasgesamtmassenstromes und des Ab- gasteilmassenstromes, mittels einer regelbaren, an die Vorrichtung angeschlossenen Abgasförderpumpe erreicht werden. Mit der Abgasförderpumpe kann der Abgasteilstrom durch die Partikelsammelkammer mit einem vorgegeben prozentualen Anteil in Bezug zum Gesamtab- gasmassenstrom abgesaugt werden.
Eine Abgasförderpumpe kann aber auch so gesteuert werden, dass ein konstanter Massenstrom als Abgas- teilstrom oder der abgezogene Massenstrom in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine eingestellt wird.
In der Partikelsammelkammer kann ein bevorzugt porö- ses Partikelsammeielement angeordnet sein, auf dem sich die zu detektierenden Partikel absetzen und aus dem Abgasteilstrom separiert werden können. Ein solches Partikelsammelelement kann nach erfolgter Detek- tion/Separation aus der Partikelsammelkammer entnom- men und für nachfolgende Analysen, analog wie ein
Probenträger genutzt werden.
Ein Partikelsammelelement sollte die gesamte freie Querschnittsfläche der Probensammelkammer ausfüllen, so dass der gesamte Abgasteilstrom durch das poröse Partikelsammelelement geführt wird.
An der Oberfläche eines PartikelSammelelementes können sich die festen im Abgas enthaltenen Partikel ab- setzen. Solche festen Partikel können Aschebestandteile, andere anorganische und organische Stoffe sein. Kohlenstoff, in Form von Ruß, bildet dabei einen wesentlichen Anteil. Da dieser Kohlenstoff aber insbesondere für Partikelfilter an Abgasanlagen rela- tiv unkritisch ist und relativ einfach durch thermische Regeneration entfernt werden kann sowie für ent- sprechende Analysen nicht interessant und sogar störend sein kann, ist es vorteilhaft das Partikelsammelelement beheizen zu können. Bei Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur kann dann der Kohlen- Stoff sowie organische Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe oxidiert oder in die Gasphase überführt werden. Die gasförmigen Oxidationsprodukte oder Gase können dann aus der Vorrichtung abgezogen werden.
Die im Wesentlichen interessierenden Partikel werden von einem solchen thermischen Prozess nicht, zumindest jedoch nicht wesentlich beeinflusst.
Das Partikelsammelelement kann hierzu aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildet sein oder einen solchen Werkstoff enthalten, so dass in Verbindung mit geeigneten elektrischen Anschlüssen und einer elektrisch isolierten Befestigung an der Partikelsammelkammer ein Widerstandsheizelement gebildet wird.
Partikelsammelelemente können als poröse Faserstruktur ausgebildet sein und die Werkstoffe für die Fasern sollten eine ausreichend hohe thermische Bestän- digkeit aufweisen. Außerdem sollten diese Werkstoffe gegenüber den die Partikel bildenden Stoffen und/oder im Abgas enthaltenen Stoffen chemisch resistent bzw. neutral sein.
Die Partikelsammelelemente können aus reinen Metallen, Metalllegierungen aber auch aus Intermetallen (z.B. Aluminide) gebildet sein. So können hochtemperaturbeständige Stahllegierungen mit Chrom und Nickel, Chrom und Aluminium aber auch andere Nickelba- sislegierungen eingesetzt werden. Die Porosität der Partikelsammelelemente sollte mindestens 75 % bis hin zu 95 % betragen und die Porenstruktur einen Wert von mindestens 30 ppi erreichen.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn zumindest die O- berfläche von Partikelsammelelementen katalytisch wirkt. So kann z.B. die Oxidationstemperatur für Kohlenstoff und organische Verbindungen verkleinert werden.
Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Dotierung erreicht werden.
Am Ein- und Austritt der Partikelsammelkammer sollte der jeweilige Abgasdruck gemessen werden, um mit der ermittelten Druckdifferenz Rückschlüsse auf die Beladung des Partikelsammelelementes schließen und einen erhöhten Gegendruck erkennen zu können.
Übersteigt diese Druckdifferenz einen vorgegebenen
Schwellwert kann entweder das Partikelsammelelement ausgetauscht oder die erwähnte zur Entfernung von Kohlenstoff oder organischen Verbindungen führende thermische Behandlung, durch Aufheizung des Partikel - Sammelelementes ausgelöst werden.
Die Partikelsammelkammer sollte einen einfachen Austausch von Partikelsammelelementen ermöglichen. Hierfür können schnell und leicht zu lösende Verschluss- elemente vorhanden sein, mit denen eine Öffnung der
Partikelsammelkammer oder ein Lösen der Befestigung von Partikelsammelelementen an der Partikelsammelkammer erreicht werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Abgasteil- Strom unmittelbar aus dem Abgashauptstrom unverdünnt durch die Probensammelkammer geführt und darin im Abgasteilstrom enthaltene Partikel separiert . Der Abgasteilstrom wird so temperiert, dass zumindest eine vorgegebene Temperatur, die oberhalb 120 °C, bevor- zugt oberhalb 200 °C liegen sollte, nicht unterschritten wird. Es sollte aber eine Unterschreitung des Taupunktes vermieden werden.
Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls, eines bestimmten Betriebszyklusses und/oder erreichen eines vorgegebenen Massenstromes für den Abgasteilstrom werden die separierten Partikel aus der Vorrichtung entfernt. Dies kann mit dem Partikelsammelelement erfolgen.
Nachfolgend wird dann eine Analyse der separierten Partikel durchgeführt. Dies kann bezüglich ihrer stofflichen Zusammensetzung und/oder zur Quantifizierung des Partikelanfalls erfolgen.
Die separierten Partikel können beispielsweise einer thermogravimetrischen, einer coulometrischen und/oder auch anderen Analyseverfahren unterzogen werden.
Mit der Erfindung können mindestens 95 % der im Abgasteilstrom enthaltenen Partikel separiert werden.
Die Handhabung ist einfach, so dass für die Handhabung kein hochqualifiziertes Fachpersonal erforder- lieh ist.
Die Analyseergebnisse sind nahezu unverfälscht, weisen eine erhöhte Genauigkeit auf und sind vergleich- sowie reproduzierbar. Es können Aussagen beispiels- weise über den Verschleißzustand einer Verbrennungskraftmaschine, Einflüsse von Additiven in Sch iermit- teln oder Kraftstoffen getroffen werden.
Der Einsatz kann ohne Unterbrechung einer Messung über eine relativ hohe Betriebszeit durchgeführt wer- den.
Die Messgenauigkeit kann durch Einhaltung eines konstanten Anteils des durch die Partikelsammelkammer geführten Abgasteilmassenstromes, aus dem Partikel separiert werden, in Bezug zum Gesamtabgasmassenstrom weiter erhöht werden.
Mit der Erfindung können insbesondere Aschepartikel detektiert und analysiert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form den Aufbau und die Anordnung eines Beispieles einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einer Verbrennungskraftmaschine und
Figur 2 ein Beispiel einer Partikelsammelkammer mit beheizbarem Partikelsammelelement.
Beim in Figur 1 gezeigten Beispiel einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist eine Abgasentnahmesonde 3 im Strang einer Abgasanlage 2 einer Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet, über die ein Abgasteilstrom aus dem Abgashauptström abgezogen werden kann.
Es kann sich bei der jeweiligen Abgasanlage 2 um eine unveränderte Abgasanlage einer Verbrennungskraftma- schine 1 handeln, an der hier nicht dargestellte Elemente, wie Katalysator oder Partikelfilter und Schalldämpfer vorhanden sind.
Die Abgasentnahmesonde 3 sollte aber möglichst nah am Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein, um dessen Abkühlung so gering wie möglich zu halten. Die Abgasentnahmesonde 3 sollte aber vor einem Partikelfilter in Strömungsrichtung des Abgases angeordnet sein.
Der freie Querschnitt der Abgasentnahmesonde 3 sollte so gestaltet, angeordnet und dimensioniert sein, dass bei den zu erwartenden Strömungsgeschwindigkeiten möglichst konstante Verhältnisse für den Eintritt von Abgas eingehalten werden können und beispielsweise bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases innerhalb der Abgasanlage 2 an der Abgasentnahmesonde 3 keine deutliche erhöhte Drosselwirkung zu verzeich- nen ist.
Der Abgasteilstrom wird von der Abgasentnahmesonde 3 über die Zuführung 4 durch eine Partikelsammelkammer 6 geführt. Die Zuführung 4 ist dabei in nicht expli- zit dargestellter Form so ausgebildet, dass eine Temperierung zumindest aber eine Beheizung des Abgasteilstromes möglich ist und das in die Partikelsammelkammer 6 geführte Abgas eine Mindesttemperatur von 200 °C nicht unterschreiten kann.
In der Partikelsammelkammer 6 ist ein hier nicht dargestelltes poröses Partikelsammelelement 6a vorhanden, durch das der gesamte Abgasteilstrom geführt und mit dem im Abgasteilstrom enthaltene Partikel mit ei- nem Anteil von mindestens 95 % separiert werden können. Das aus der Partikelsammelkammer 6 austretende Abgas wird einer Einrichtung 8 zur Bestimmung seines jeweiligen Massenstromes über eine Leitung 7 zugeführt und von dort mittels der ebenfalls an Leitung 7 angeschlossenen Abgasförderpumpe 9 abgezogen.
An der Partikelsammelkammer 6 ist eine Einrichtung 5 zur Bestimmung der Druckdifferenz am Eintritt und Austritt der Partikelsammelkammer 6 vorhanden.
Die Einrichtungen 5 und 8 sind mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 10 verbunden. Mit der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit 10 kann unter Berücksichtigung des jeweiligen ermittelten Massenstromes des Abgasteilstromes die Abgasförderpumpe 9 geregelt werden, um einen konstanten Anteil an Abgas aus dem Abgashauptstrom abzuzweigen und durch die Partikelsammelkammer 6 zur Partikelsepara- tion zu führen.
Die elektronische Auswerte- und Steuereinheit kann aber auch, wie hier dargestellt an eine elektronische Steuerung 11 der Verbrennungskraftmaschine oder eine weitere hier nicht dargestellte elektronische Auswerte- und Steuerung eines Prüfstandes und/oder an verschiedene Sensorelemente angeschlossen sein.
So können unterschiedliche Betriebszustände oder auch für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 relevante Messgrößen, wie Luft- oder Gesamtabgasmassenstrom, Kraftstoffverbrauch, momentane Leistung bzw. momentanes Drehmoment berücksichtigt werden.
Insbesondere die Bestimmung des jeweiligen Massenstromes an Abgas im Hauptstrom sollte berücksichtigt werden, da hiermit ein bestimmter prozentualer Anteil des jeweiligen Abgasteilmassenstromes durch Regelung der Abgasförderpumpe 9 auch bei unterschiedlichen Be- triebszuständen der Verbrennungskraftmaschine 1, bei- spielsweise 1 %, eingehalten werden kann.
Mit der Einrichtung 5 zur Bestimmung der Druckdifferenz vor und nach der Partikelsammelkammer 6 kann die „Beladung" eines Partikelsammeielementes 6a innerhalb der Partikelsammelkammer 6 überwacht werden. Dadurch kann ein erforderlicher Austausch des Partikelsammei- elementes 6a signalisiert oder eine „thermische Regeneration" ausgelöst werden.
Im letzt genannten Fall wird an Partikelsammelelement 6a, bevorzugt durch schließen eines Stromkreises, in dem das Partikelsammelelement 6a ein Widerstandsheizelement bildet, die Temperatur insoweit erhöht, dass zumindest Kohlenstoff in Form von Russ verbrannt und die Durchlässigkeit für Abgas des Partikelsammeielementes 6a erhöht wird.
In Figur 2 ist eine schematische Schnittdarstellung durch eine Partikelsammelkammer 6, die aus zwei Me- tallgehäuseteilen 6d gebildet und bevorzugt in nicht dargestellter Form thermisch isoliert ist, gezeigt.
Am Metallgehäuse 6d ist jeweils ein Einlassstutzen, der mit der Zuleitung 4 und ein Auslassstutzen, der mit der Leitung 7 verbunden ist, über die der Teilabgasstrom durch die Partikelsammelkammer 6 geführt werden kann, vorhanden.
Zwischen den Metallgehäuseteilen 6d ist ein selbst- tragendes Partikelsammelelement 6a gehalten. Das Partikelsammelelement 6a ist eine poröse Faserstruktur. Es weist eine Porosität von 92% auf. An äußeren Rändern ist das Partikelsammelelement 6a mittels einer elektrischen Isolierung 6c gehalten. Die elektrische Isolierung 6c ist aus einem thermisch stabilen Werkstoff gebildet, so dass bei über die elektrischen Anschlüsse 6b fließendem elektrischen Strom und dadurch erreichbaren Erhitzung des Partikelsammelelementes 6a auf eine Temperatur oberhalb von 400 ° C, vorzugswei- se bei 700 °C keine Beschädigung zu verzeichnen ist.
Beispielsweise nach Ablauf eines Fahrzyklusses, der auf einem Prüfstand mit der Verbrennungskraftmaschine 1 durchfahren worden ist, kann das Partikelsammelele- ment 6a, auf dessen in Richtung auf die Zuleitung 4 weisenden Oberfläche Partikel aus dem Teilabgasstrom separiert worden sind, aus der Partikelsammelkammer 6 entnommen, dann einer Laboranalyse zugeführt und durch ein unbeladenes Partikelsammelelement 6a er- setzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Detektion von in Verbrennungskraftmaschinenabgasen enthaltenen Partikeln, bei der unmittelbar in der Abgasanlage (2) einer Verbrennungskraftmaschine eine Abgasentnahmesonde (3) zur Entnahme eines Abgasteilstromes angeordnet ist, durch die ein Abgasteilstrom über eine temperierte Zuleitung (4) in eine Partikel- sammelkammer (6) unter Einhaltung einer vorgebbaren Mindesttemperatur geführt ist und eine Einrichtung zur Bestimmung des Massenstromes (8) des durch die Partikelsammelkammer (6) geführten Abgasteilstromes vorhanden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Partikelsammelkammer (6) ein poröses Partikelsammelelement (6a) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) die gesamte freie Querschnittsfläche, durch die der Abgasteilstrom geführt ist, ausfüllt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Parti- kelsammelelement (6a) beheizbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) elektrisch beheizbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) austauschbar in der Partikelsammelkammer (6) befestigt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mess- einrichtung (5) zur Erfassung der Drücke am Ein- und Austritt der Partikelsammelkammer (6) vor- handen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine re- gel- und/oder steuerbare Abgasförderpumpe (9) vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) eine Faserstruktur eines Metalles, einer Metalllegierung oder eines In- termetalles ist und elektrisch leitend ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) eine Porosität von mindestens 75 % aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsammelelement (6a) eine Porenstruktur von mindestens 30 ppi aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- fläche des Partikelsammeielementes (6a) kataly- tisch wirkt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in/an der temperierten Zuleitung (4) und/oder der Parti- kelsammelkammer (6) mindestens ein Temperatursensor vorhanden ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (4) beheizbar ist.
15. Verfahren zur Detektion von in Verbrennungs- kraftmaschinenabgasen enthaltenen Partikeln, bei dem ein unverdünnter Abgasteilstrom unmittelbar aus der Abgasanlage (2) über eine temperierte Zuleitung (4) unter Einhaltung einer Mindesttempera- tur durch eine Partikelsammelkammer (6) geführt, dabei der Abgasmassenstrom des Abgasteilstromes ermittelt und nach Ablauf vorgebbarer Zeitintervalle und/oder dem Erreichen eines vorgebbaren Gesamtabgasmas- senstromes, des jeweiligen Abgasteilstromes, die in der Partikelsammelkammer (6) aus dem Ab- gasteilstrom separierten Partikel einer Analyse unterzogen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Eintritt des Abgases in die Partikelsammelkammer (6) eine Mindesttemperatur von 120 °C eingehalten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dass beim Eintritt von Abgas in die Partikelsammelkammer (6) eine Taupunktunterschreitung verhindert wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels eines porösen Partikelsammelelementes (6a) separiert werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Durchführung der Analyse das Partikelsammelelement (6a) aus der Partikelsammelkammer (6) entnommen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz zwischen Ein- und Austritt des Abgasteilstromes an der Partikelsammelkammer (6) gemessen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Partikelsammelelement (6a) separierte (r) Kohlenstoff und/oder organische Verbindungen durch eine Temperaturerhöhung des Partikelsammelelementes (6a) oxidiert werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenstrom des jeweils aus der Abgasanlage (2) abgezogenen Abgasteilstromes auf einen vorgebbaren Anteil am Gesamtabgasmassenstrom eingestellt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die separierten Partikel einer thermogravimetrischen und/oder coulometrischen Analyse unterzogen werden.
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