WO2005052539A1 - Messeinrichtung, vorzugsweise eines prüfstandes für motoren und fahrzeuge, zur analyse von abgasen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Messeinrichtung, vorzugsweise eines prüfstandes für motoren und fahrzeuge, zur analyse von abgasen einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2005052539A1
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WO
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measuring
filter
exhaust gas
analysis unit
measuring device
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PCT/AT2004/000413
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Aden Hodzic
Stefan Kerschbaumer
Urs Gerspach
Erich Schiefer
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Avl List Gmbh
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Definitions

  • Measuring device preferably a test bench for engines and vehicles, for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine
  • the invention relates to a measuring device, preferably a test bench for engines and vehicles, for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine, with at least one exhaust gas supply line which can be connected to the exhaust system of the internal combustion engine and which feeds at least one measuring branch, each with at least one analysis unit for determining exhaust gas constituents.
  • a measuring device preferably a test bench for engines and vehicles, for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine, with at least one exhaust gas supply line which can be connected to the exhaust system of the internal combustion engine and which feeds at least one measuring branch, each with at least one analysis unit for determining exhaust gas constituents.
  • HC compounds fuels
  • air components leading on the one hand to combustion products such as CO, H x C y , NO x and soot as limited components for engines and vehicles specified in the currently valid laws and on the other hand to N 2 , H 2 O, CO 2 and O 2 as unlimited components.
  • combustion products such as CO, H x C y , NO x and soot as limited components for engines and vehicles specified in the currently valid laws and on the other hand to N 2 , H 2 O, CO 2 and O 2 as unlimited components.
  • there are trace elements and contaminants in the fuel such as sulfur, etc.
  • the humidity in the exhaust gas depends on the fuel, the combustion process and the air humidity.
  • the exhaust temperature reaches about 600 ° C and higher in the exhaust system.
  • the legally required measurement temperature for exhaust gas measurement technology is 191 ° C.
  • the pressure in the exhaust tract can be subject to strong changes depending on the engine type and load behavior.
  • the ambient pressure depends on the altitude.
  • a major problem is the pollution of the exhaust gas measuring device and its analysis units by deposits of the exhaust gases, for which the HC components and their secondary products are mainly responsible.
  • Another one Exhaust air from engine and vehicle test benches is a problem for operating personnel and the environment.
  • a measuring probe for measuring O 2 and CO in hot flue gases is known from DE 202 00 373 Ul (ENOTEC GMBH).
  • a measuring probe tube In its area lying in a flue gas duct, a measuring probe tube has an essentially cylindrical measuring chamber which is closed off by a gas-permeable filter.
  • a heated O 2 sensor and a CO sensor are arranged in close proximity to one another such that the heat generated by the O 2 sensor detects the CO sensor.
  • EP 0 414 446 A2 (ENGINE TEST TECHNIQUE LIMITED).
  • the gas to be analyzed is taken, for example, from the exhaust line of an internal combustion engine and, with the aid of a pump, is passed through a first filter into a chamber which can have a second filter.
  • the gas to be analyzed is then fed to a measuring cell in which an optical gas analysis is carried out using infrared radiation, the concentration of CO, CO 2 and hydrocarbons being determined.
  • JP 2002-257773 A NNK INSULATORS LDT
  • a filter unit for a gas sensor arranged in a metal tube which filter unit can be removably attached to the end of the metal tube.
  • the object of the invention is to improve known measuring device for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine, preferably a test bench for engines and vehicles, in such a way that deposits from the exhaust gases which reduce the measurement quality and lead to contamination of the exhaust gas measuring device are avoided or substantially reduced can. Furthermore, measures are to be taken to reduce the pollution of the environment and operating personnel from the exhaust air of such measuring devices.
  • This object is achieved in that a filter device is provided in at least one cool measuring branch upstream of the analysis unit and / or between different components of the analysis unit and / or on the output side of at least one analysis unit of one of the measuring branches, which contains a filter material selective for gaseous hydrocarbons.
  • the filter device contains a filter material from the group of the zeolites and / or the silicates.
  • the filter device according to the invention on the input side of an analysis unit, it is important that the gas constituents to be measured, for example CO, CO 2 and / or O 2 , are not impaired by the filter material as far as possible.
  • the gas constituents to be measured for example CO, CO 2 and / or O 2
  • the so-called Eisenberger mass can be used as a filter material, which essentially consists of the following components:
  • the adsorption material can be present as granules with a grain size of up to 30 mm, preferably from 4 mm to 10 mm.
  • the analyzes with the help of mass spectrometers show the variety of mechanisms, the effects of which are responsible for the deposition of HC components in measuring devices. Adsorption (or occlusion) is an important factor here.
  • the effect encompasses both chemical and physical reaction mechanisms, with Van der Waals forces, electrostatic forces and valence forces being responsible for the description of the interaction at the phase interface between solid and gas phase. The reaction takes place both in the gas phase and in the solid phase.
  • the presence of O 2 , NO, and NO 2 changes the reactions in a gas-catalytic manner.
  • the electrical potentials between the gas and the solid also change as a result, so that the catalytic effect spontaneously at the activated ionic and anionic centers of the solid phase can occur accelerated.
  • the total reaction rate therefore depends on the size of the surface.
  • carboxylic acid esters, ketones, alcohols and other classes of compounds arise spontaneously on the surface.
  • the saturation vapor pressure falls below, after which condensation begins.
  • the condensation coefficient changes only slightly with the covering, the adhesive coefficient begins to decrease with changing covering.
  • the reaction rate is influenced by the exhaust gas composition and consists of condensation, sticking coefficient, catalytic reaction rate and spontaneous polymerization.
  • Catalytic reactions can take place within the pores of the filter material.
  • the acidic centers of the zeolite framework and / or noble metals introduced into the zeolites, for example platinum, are catalytically active.
  • the chemical selectivity of the process and the shape selectivity towards the reactants and the transition state are relevant for the reaction rate.
  • the filter device can be arranged upstream or above an exhaust gas cooling device upstream of the analysis unit, so that the condensate accumulating in the filter device is preferably transported by the gas flow and / or gravity in the direction of the exhaust gas cooling device.
  • the condensate from the filter can then advantageously be disposed of together with that from the cooling device.
  • the filtering is done to protect the measuring devices and sensor devices in the analysis unit.
  • the engine is often operated at work points where the combustion is unclean and releases pollutants that are rarely released in normal use. Most of these substances are toxic and carcinogenic.
  • certain exhaust gas components lead to aromatic and chain-like agglomerates, which contaminate the system, clog it and cause great damage to the equipment.
  • the cleaning of such highly condensing polymers is extremely difficult. Due to the catalytic effect, spontaneous polymerization occurs in the filter according to the invention, which largely prevents contamination of the measuring device.
  • adsorption filters have so far been prohibited by law for the certification of vehicles, since it was believed that such filters would also have to reduce the legally limited component CO, for example.
  • the filter media according to the invention materials contradict this prejudice - the influence of such filters for the limited exhaust gas component remains within the precision required for the measuring device and thus technically meets the requirements for certification.
  • a built-in filter also offers protection in the event of ignition of a combustible mixture in the area of the sensor devices, since the pressure wave is intercepted by the filter and the flame front in the filter is extinguished.
  • the loaded zeolite can be regenerated at temperatures above 500 ° C. The regeneration can be carried out, for example, with a hot air flow through the filter.
  • components can be removed from the exhaust gas flow to be measured with the aid of zeolites or zeolite-like materials.
  • zeolites or zeolite-like materials In this way, cross-sensitivities of, for example, water or sulfur can be eliminated.
  • Another measuring principle is revealed by the fact that the adsorbed amount of a certain gas component in the filter column is a measure of its gas concentration.
  • the composition of the deposit can be determined, for example, from corresponding analyzes of the filtrate.
  • the exhaust gas concentration of these gas components can be measured with the aid of zeolite or zeolite-like materials.
  • the filter device can be arranged on the output side of at least one of the measuring branches of the measuring device. It is possible to assign a separate filter device to each of the measuring branches on the output side or to merge the individual measuring branches on the output side and to provide a common, appropriately dimensioned filter device in the exhaust line of the test bench.
  • Contamination with harmful exhaust gases is particularly problematic in development and research test benches for engine development. This affects the environment on the one hand and the staff on the other.
  • the exhaust gas composition and the duration of application of the pollutants to the personnel have an unfavorable effect on health.
  • the resulting exhaust gas components can show toxic and mutagenic effects in their local concentration.
  • the zeolites or zeolite-like filter materials used very quickly adsorb hydrocarbons, fuel vapors and other pollutants from the exhaust air from test benches. This minimizes the health burden and significantly improves the quality of work for the operating personnel. So far, these exhaust gases have mostly been discharged into the environment unfiltered.
  • the filter device described above which contains a filter material from the group of zeolites and / or silicates, is also suitable for cleaning and conditioning intake and dilution air for exhaust gas analysis.
  • Filters with zeolite or zeolite-like materials can therefore be used for filtering and conditioning the intake and / or dilution air for exhaust gas measuring devices.
  • the zeolite filters are comparatively inexpensive compared to conventionally used hepar and carbon filters and are superior in their performance.
  • the zeolite filter removes unwanted gas components from the dilution air (e.g. HC), which considerably simplifies the measurement technology.
  • the sample gas analysis behind the filter is practically not affected by the filtering.
  • the materials mentioned are also suitable for conditioning the air in terms of temperature and moisture content.
  • Zeolite or zeolite-like materials can be used with great technical and financial advantage, particularly for use in so-called Sulev (Super Ultra Low Emission Vehicles) measuring systems (and lower concentrations).
  • the filter device described above which contains a filter material from the group of zeolites and / or silicates, is furthermore suitable as an additional device for cleaning the exhaust gas of internal combustion engines from toxic components which can occur according to the exhaust gas aftertreatment systems customary today.
  • new toxic substances such as nitro-PAK can form from the unburned hydrocarbons and the nitrogen oxides in the exhaust system.
  • Previously common devices for exhaust gas purification of internal combustion engines contain noble metals such as platinum, palladium and rhodium for the catalytic oxidation of CO and HC. The oxidation effect of these devices is sufficient to fall below the legal limit values, but not selective enough to completely eliminate these toxic components, on the contrary, in extreme cases the formation of these substances can be promoted by the catalytic effect.
  • Fuel additives can create other dangerous connections.
  • a zeolite filter By arranging a zeolite filter at the end of the exhaust system, in the direction of flow after the conventional exhaust aftertreatment, this can emissions are avoided.
  • the zeolite filter is characterized by its ability to adsorb nitro aromatics and similar substances even at low temperatures and to desorb them only at temperatures> 600 ° C, which typically do not occur at the installation site. It is possible to regenerate the loaded adsorbers outside the exhaust line. The low concentration of toxic substances in the exhaust gas allows a long maintenance interval (service life) with a reasonable additional volume and weight.
  • the filter device can consist of a disposable cartridge, a cartridge with a refill kit or a refillable cartridge which contains the filter material as bulk material.
  • the cartridge can have a dust filter at least on the output side.
  • zeolites and zeolite-like materials have mainly been used for water treatment and as builders in detergents and medicines as well as cleaning agents.
  • zeolites are also used as structural material for adsorber-catalyst combinations for internal combustion engines and, according to DE 100 36 794 AI, are used as carriers in the construction of NO x storage catalysts.
  • These substances are known in chemistry as a carrier for chromatographs as selective adsorbers. Such substances are used in the laboratory to regulate moisture.
  • Special substance design also allows the selective reactivity of these substances with certain molecules. This property is used especially for experiments with biogenic mechanisms and microorganisms.
  • FIG. 1 shows a measuring device according to the invention, preferably a test bench for engines and vehicles, for analyzing exhaust gases from an internal combustion engine; such as
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of a filter device of the measuring device according to FIG. 1.
  • the measuring device 1 shown in FIG. 1 is used to analyze exhaust gases from an internal combustion engine 2, which is arranged on an engine test bench (not shown further).
  • the measuring device 1 has two exhaust gas supply lines 4 and 4 'which can be connected to different measuring points on the exhaust system 3 of the internal combustion engine 2 and which can be connected to the parallel measuring branches 7, 8 and 9 via valves 5 and 5'.
  • the measuring branches 7 and 8 are thermostatted in the schematically highlighted unit 6 to a measuring temperature of 191 ° C., the measuring branch 7 having, for example, an analysis unit 12 for determining NO and NO x and the measuring branch 8 having an analysis unit 13 for determining the hydrocarbons.
  • the measuring branch 9 (see area 11 of the measuring device 1) is a cool measuring branch with a cooling device 15, which cools the exhaust gas flow, especially for the condensation of H 2 O, to temperatures between approximately 2 ° C. to 7 ° C.
  • a filter device 16a Upstream of the exhaust gas cooling device 15 is a filter device 16a which contains a filter material which is selective for gaseous hydrocarbons, as a result of which the subsequent measuring device 14 or its components 14a and 14b can be kept free of deposits which are formed from gaseous starting materials by polymerization, condensation, crystallization, etc. , especially hydrocarbons.
  • the filter device 16a contains a filter material from the group of the zeolites and / or the silicates and is connected upstream of a measuring device 14, for example for determining the CO, CO 2 and / or O 2 content.
  • the filter device 16a can be arranged upstream of an exhaust gas cooling device 15 upstream of the analysis unit 14, so that the condensate accumulating in the filter device 16a is preferably transported through the gas flow in the direction of the exhaust gas cooling device 15.
  • the filter device 16a it is also possible to arrange the filter device 16a above the exhaust gas cooling device 15, so that the condensate obtained is preferably transported by gravity in the direction of the exhaust gas cooling device 15.
  • a corresponding arrangement above and upstream of the cooling device 15 can effectively combine both effects.
  • the condensate can then be suctioned off in a simple manner together with the condensate obtained in the cooling device, for example with the aid of a peristaltic pump.
  • a filter device 16b which is an integral part of the analysis unit 14 and is arranged, for example, between different components 14a, 14b of the analysis unit 14.
  • filters 16c to 16e with zeolite as filter material can also be arranged for filtering the test bench exhaust gases on the output side of the individual measuring branches 7 to 9 or in a manifold 17 which connects the measuring branches 7 to 9 merges on the output side of the measuring device.
  • the exhaust gas measuring device 1 can also have a device 18 with which a defined amount of dilution air is mixed with the exhaust gas before the measurement.
  • a filter device 16g with a filter material from the group of zeolites and / or silicates can also be arranged in the supply line 19 for the dilution air or for the intake air of the internal combustion engine.
  • the filtered intake air can - for example for calibration purposes - be fed into the individual measuring branches 7, 8, 9 via a separate supply line 20 and the valve 21.
  • FIG. 2 shows a sectional illustration of the filter device 16a to 16g of the measuring device according to FIG. 1, which consists of a cartridge 22 which contains the filter material 23 as bulk material. Dust filters 24 are arranged on the input and output sides of the cartridge 22.
  • the filter material can also be offered as a refill kit, or the entire filter unit as a disposable cartridge.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung (1), vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine (2), mit zumindest einer mit der Abgasanlage der Brennkraftmaschine (2) verbindbaren Abgaszufuhrleitung (3, 4), welche zumindest einen Messzweig (7, 8, 9) mit jeweils zumindest einer Analyseneinheit (12, 13, 14) zur Bestimmung von Abgasinhaltsstoffen speist. Erfindungsgemäß ist in zumindest einem kühlen Messzweig (9) stromaufwärts der Analyseneinheit (14) und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten (14a, 14b) der Analyseneinheit (14) und/oder ausgangsseitig zumindest einer Analyseneinheit (12, 13, 14) eines der Messzweige (7, 8, 9) eine Filtereinrichtung (16a bis 16f) vorgesehen, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial, vorzugsweise ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate, enthält.

Description

Messeinrichtung, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine, mit zumindest einer mit der Abgasanlage der Brennkraftmaschine verbindbaren Abgaszufuhrleitung, welche zumindest einen Messzweig mit jeweils zumindest einer Analyseneinheit zur Bestimmung von Abgasinhaltsstoffen speist.
Die Verbrennung von HC-Verbindungen (Brennstoffen) in der Brennkraftmaschine gemeinsam mit den Luftkomponenten führt einerseits zu Verbrennungsprodukten wie CO, HxCy, NOx und Ruß als in den aktuell gültigen Gesetzen festgelegte, limitierte Komponenten für Motoren und Fahrzeuge und andererseits zu N2, H2O, CO2 und O2 als nichtlimitierte Komponenten. Dazu kommen noch Spurenelemente und Verunreinigungen des Kraftstoffes, wie beispielsweise Schwefel usw.
Die potentielle Weiterentwicklung der Antriebstechnik schreitet - u.a. getrieben durch die immer strengeren gesetzlichen Limitierungen der Abgasgrenzwerte - in Technologiebereiche vor, in denen Verbrennungseffekte auftreten, welche bisweilen in Fahrzeugen vereinzelt nur im Forschungsbereich oder in extremen Applikationen vorgekommen sind. Durch z.B. Einschichtung des Kraftstoffes, spezielle Einspritztechniken, Abgasnachbehandlungssysteme usw. kommt es zu einem sehr komplexen Wechselwirkungsprozess im Brennraum - aber auch in den nachgeschalteten Elementen der Prozesskette - der Abgasnachbehandlung, der Abgasmessung, usw.
Weitere bei der Abgasmessung zu beachtende Parameter sind die Feuchtigkeit, die Temperatur und der Umgebungsdruck. Die Feuchtigkeit im Auspuffgas ist abhängig vom Kraftstoff, dem Verbrennungsprozess und der Luftfeuchtigkeit. Die Auspufftemperatur erreicht im Auspuffsystem etwa 600°C und höher. Für die Abgasmesstechnik beträgt die gesetzlich vorgeschrieben Messtemperatur 191°C. Der Druck im Auspufftrakt kann je nach Motortyp und Lastverhalten starken Änderungen unterworfen sein. Weiters ist der Umgebungsdruck von der Höhenlage abhängig.
Ein großes Problem ist die Verschmutzung der Abgasmesseinrichtung und deren Analyseeinheiten durch Ablagerungen der Abgase, für welche hauptsächlich die HC Komponenten und deren Folgeprodukte verantwortlich zeichnen. Ein weiteres Problem für das Bedienungspersonal und die Umwelt stellt die Abluft von Motoren- und Fahrzeugprüfständen dar.
Aus der DE 202 00 373 Ul (ENOTEC GMBH) ist eine Messsonde zum Messen von O2 und CO in heißen Rauchgasen bekannt. Ein Messsondenrohr weist in seinem in einem Rauchgaskanal liegenden Bereich eine im wesentlichen zylindrisch ausgeführte Messkammer auf, die durch ein gasdurchlässiges Filter abgeschlossen ist. In der Messkammer sind ein beheizter O2-Sensor und ein CO-Sensor in räumlicher Nähe so zueinander angeordnet, dass die von dem O2-Sensor erzeugte Wärme den CO-Sensor erfasst.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasanalyse wird in der EP 0 414 446 A2 (ENGINE TEST TECHNIQUE LIMITED) beschrieben. Das zu analysierende Gas wird beispielsweise aus dem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine entnommen und mit Hilfe einer Pumpe über ein erstes Filter in eine Kammer geführt welche ein zweites Filter aufweisen kann. Anschließend wird das zu analysierende Gas einer Messzelle zugeführt, in welcher eine optische Gasanalyse mittels Infrarotstrahlung durchgeführt wird, wobei die Konzentration von CO, CO2 und Kohlenwasserstoffen bestimmt wird.
Weiters ist es aus der JP 2002-257773 A (NGK INSULATORS LDT) bekannt, für einen in einem Metallrohr angeordneten Gassensor eine Filtereinheit vorzusehen, welche abnehmbar am Ende des Metallrohrs befestigt werden kann.
In einem Artikel der Universität GH Essen von Dr. Ulrich SIMON: "Gassensorik - Impedanzspektroskopie an nanoporösen Feststoffen" Exponat des "FB8 - Anorganische Chemie" auf der Hannover Messe 1996, werden chemische Gassensoren zur Messung von Gaskonzentrationen im Autoabgas beschrieben, welche nanoporöse Feststoffe als gassensitive Materialien einsetzen. Dabei werden wenige Milligramm eines nanoporösen Feststoffes, beispielsweise Zeolith, in einer nur wenige hundertstel Millimeter dünnen Schicht auf eine elektronische Chip- Struktur, in einem sogenannten Interdigitalkondensator, aufgebracht, und die elektrischen Eigenschaften gemessen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bekannte Messeinrichtung zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, derart zu verbessern, dass Ablagerungen aus den Abgasen, welche die Messgüte verringern und zur Verschmutzung der Abgasmesseinrichtung führen, vermieden bzw. wesentlich verringert werden können. Weiters sollen Maßnahmen getroffen werden, um die Belastung von Umwelt und Bedienungspersonal durch die Abluft derartiger Messeinrichtungen zu vermindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in zumindest einem kühlen Messzweig stromaufwärts der Analyseneinheit und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten der Analyseneinheit und/oder ausgangsseitig zumindest einer Analyseneinheit eines der Messzweige eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial enthält. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate enthält. Durch die Filterung der Reaktanden und den beschriebenen Mechanismen in der gasförmigen Phase werden feste und flüssige Ablagerungen in den nachgeschalteten Komponenten hintangehalten. In den heißen Messzweigen werden die Ablagerungen durch die durchgängige Beheizung vermieden, so dass hier zumindest vor den Analyseneinheiten keine Filter notwendig sind.
Gerade für den Einsatz der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung eingangsseitig einer Analyseneinheit ist es wichtig, dass die zu messenden Gasinhaltsstoffe, beispielsweise CO, CO2 und/oder O2 , vom Filtermaterial möglichst nicht beeinträchtigt werden. Überraschender Weise hat sich herausgestellt, dass als Filtermaterial natürlich vorkommende oder chemisch gereinigte bzw. adaptierte Zeolithe oder zeolith-ähnliche Materialien hervorragend geeignet sind. Beispielsweise kann die sogenannte Eisenberger Masse als Filtermaterial eingesetzt werden, welche sich im Wesentlichen aus folgenden Komponenten zusammensetzt:
SiO2: 87,7% CaO: 1,7 % TiO2: 0,3% AI2O3: 4,8 % MgO: 0,7 % Na2O: 3,9 % K2O: 0,5 %
Erfindungsgemäß kann dabei das Adsorptionsmaterial als Granulat mit einer Körnungsgröße bis zu 30 mm, vorzugsweise von 4 mm bis 10 mm vorliegen.
Aus den Analysen mit Hilfe von Massenspektrometern zeigt sich die Vielfalt der Mechanismen, deren Effekte für die Abscheidung von HC Komponenten in Messeinrichtungen verantwortlich sind. Dabei ist die Adsorption (oder Occlusion) ein wesentlicher Faktor. Der Effekt umfasst sowohl chemische als auch physikalische Reaktionsmechanismen, wobei Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte und Valenzkräfte für die Beschreibung der Wechselwirkung an der Phasengrenzfläche zwischen Festkörper und Gasphase verantwortlich sind. Die Reaktion spielt sich sowohl in der Gasphase als auch in der Festkörperphase ab.
Durch die Anwesenheit von O2, NO, und NO2 werden die Reaktionen gaskataly- tisch verändert. Ebenso verändern sich in der Folge die elektrischen Potentiale zwischen dem Gas und dem Festkörper, so dass die katalytische Wirkung spontan an den aktivierten ionischen sowie anionischen Zentren der Festkörperphase beschleunigt auftreten kann. Die gesamte Reaktionsrate ist somit von der Größe der Oberfläche abhängig. Während der Reaktion entstehen an der Oberfläche spontan Karbonsäureester, Ketone, Alkohole und andere Verbindungsklassen. Innerhalb des Reaktionsverlaufes kommt es zur Unterschreitung des Sättigungsdampfdruckes, wonach Kondensation einsetzen. Während der Kondensationskoeffizient sich nur geringfügig mit der Bedeckung ändert, beginnt der Haftkoeffizient mit wechselnder Bedeckung zu fallen. Die Reaktionsrate ist beeinflusst durch die Abgaszusammensetzung und setzt sich zusammen aus Kondensation, Haftkoeffizient, katalytische Reaktionsrate und spontaner Polymerisation.
Katalytische Reaktionen können innerhalb der Poren des Filtermaterials stattfinden. Katalytisch wirksam sind dabei die sauren Zentren des Zeolithgerüstes und/oder in den Zeolithen eingebrachte Edelmetalle, beispielsweise etwa Platin. Die chemische Selektivität des Vorganges und die Formselektivität gegenüber den Reaktanden und dem Übergangszustand sind für die Reaktionsgeschwindigkeit relevant.
Erfindungsgemäß kann die Filtereinrichtung stromaufwärts oder oberhalb einer der Analyseneinheit vorgeschalteten Abgaskühleinrichtung angeordnet sein, so dass der Transport von in der Filtereinrichtung anfallendem Kondensat bevorzugt durch den Gasfluss und/oder die Schwerkraft in Richtung Abgaskühleinrichtung erfolgt. Vorteilhafterweise kann dann das Kondensat aus dem Filter gemeinsam mit jenem aus der Kühleinrichtung entsorgt werden. Folgende Anwendungen sind denkbar:
A) Anwendung zur Filterung von Abgas in Abgasmessanlagen.
Die Filterung erfolgt zum Schutz der Messgeräte und Sensoreinrichtungen in der Analyseneinheit. Besonders für Forschung und Entwicklung wird der Motor oft in Arbeitspunkten betrieben, bei denen die Verbrennung unsauber abläuft und dadurch Schadstoffe freisetzt, welche im normalen Gebrauch selten freigesetzt werden. Diese Stoffe sind großteils toxisch und kanzerogen. In den Messanlagen führen bestimmte Abgaskomponenten zu aromatischen und kettenartigen Ag- glomeraten, welche die Anlage verschmutzen, verstopfen und in den Apparaturen großen Schaden anrichten. Die Reinigung solcher hochkondensierender Polymere ist äußert schwierig. Im erfindungsgemäßen Filter tritt auf Grund der katalyti- schen Wirkung spontane Polymerisation ein, wodurch die Kontamination der Messeinrichtung weitgehend verhindert werden kann.
Für die Zertifizierung von Fahrzeugen war bisher der Einsatz von Adsorptionsfiltern gesetzlich untersagt, da man die Auffassung vertrat, dass derartige Filter beispielsweise auch die gesetzlich limitierte Komponente CO reduzieren müssten. Versuche haben allerdings nachgewiesen, dass die erfindungsgemäßen Filterma- terialien diesem Vorurteil widersprechen - der Einfluss solcher Filter für die limitierte Abgaskomponente bleibt innerhalb der für das Messgerät geforderten Präzision und genügt so technisch den Anforderungen für eine Zertifizierung. Ein eingebauter Filter bietet auch im Falle des Zündens von brennbarem Gemisch im Bereich der Sensoreinrichtungen Schutz, da die Druckwelle durch den Filter abgefangen wird und die Flammenfront im Filter gelöscht wird. Der beladene Zeo- lith lässt sich bei Temperaturen über 500°C regenerieren. Die Regeneration kann beispielsweise mit einem heißen Luftstrom durch das Filter realisiert werden.
B) Selektive Messung von Gasbestandteilen.
Mit Hilfe einer selektiven Adsorption von einzelnen Gaskomponenten (z.B. H2SO4) können mit Hilfe von Zeolithen oder zeolith-ähnlichen Materialien Komponenten aus dem zu vermessenden Abgasstrom entfernt werden. Damit können Querempfindlichkeiten von beispielsweise Wasser oder Schwefel eliminiert werden. Ein weiteres Messprinzip erschließt sich dadurch, dass auch die adsorbierte Menge einer bestimmten Gaskomponente in der Filtersäule ein Maß für deren Gaskonzentration ist. Die Zusammensetzung der Ablagerung lässt sich beispielsweise aus entsprechenden Analysen des Filtrates bestimmen. Mit Hilfe entsprechender Detektoren kann so mit Hilfe von Zeolith oder zeolith-ähnlichen Materialien die Abgaskonzentration dieser Gaskomponenten gemessen werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Filtereinrichtung ausgangsseitig zumindest eines der Messzweige der Messeinrichtung angeordnet sein. Dabei ist es möglich, jedem der Messzweige ausgangsseitig eine separate Filtereinrichtung zuzuordnen oder die einzelnen Messzweige ausgangsseitig zusammenzuführen und eine gemeinsame, entsprechend dimensionierte Filtereinrichtung in der Abluftleitung des Prüfstandes vorzusehen. Das führt zu folgenden Anwendungen:
C) Filterung der Prüfstandsluft zum Schutz des Bedienpersonals und der Umwelt.
Besonders in Entwicklungs- und Forschungsprüfständen für die Motorentwicklung ist die Kontamination mit schädlichen Abgasen problematisch. Dies betrifft zum einen die Umwelt, zum anderen das Personal. Die Abgaszusammensetzung und die Applikationsdauer der Schadstoffe auf das Personal wirken sich ungünstig auf die Gesundheit aus. Die entstehenden Abgaskomponenten können in ihrer lokalen Konzentrierung toxische und mutagene Wirkung zeigen. Die eingesetzten Zeolithe oder zeolithähnlichen Filtermaterialien adsorbieren sehr rasch Kohlenwasserstoffe, Kraftstoffdämpfe und andere Schadstoffe aus der Abluft von Prüfständen. Dadurch wird die gesundheitliche Belastung minimiert und die Arbeitsqualität für das Bedienpersonals wesentlich verbessert. Bisher wurden diese Abgase meist ungefiltert in die Umgebung geleitet. Die oben beschriebene Filtereinrichtung, welche ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate enthält eignet sich auch für die Reinigung und Konditionierung von Ansaug- und Verdünnungsluft für die Abgasanalyse.
Bei Abgasmesseinrichtungen, welche dem Abgas vor der Messung eine definierte Menge Verdünnungsluft zumischen, können genaue Abgasmessungen dadurch verfälscht werden, dass bereits die Verdünnungsluft Schadstoffe enthält, die Ein- fluss auf das Messergebnis haben.
Filter mit Zeolith oder zeolith-ähnlichen Materialien können daher für den Einsatz zur Filterung und Konditionierung der Ansaug- und/oder Verdünnungsluft für Abgasmesseinrichtungen herangezogen werden. Die Zeolith Filter sind gegenüber herkömmlich verwendeten Hepar- und Kohlefiltern vergleichsweise kostengünstig und in ihrer Leistungsfähigkeit überlegen. Der Zeolith-Filter entfernt unerwünschte Gaskomponenten aus der Verdünnungsluft (z.B. HC), wodurch die Messtechnik wesentlich vereinfacht wird. Die hinter dem Filter liegende Messgasanalytik wird durch die Filterung praktisch nicht beeinflusst. Ebenso sind die genannten Materialien dafür geeignet, die Luft bezüglich der Temperatur und des Feuchtegehaltes zu konditionieren. Besonders für die Anwendung in sogenannten Sulev- (Super Ultra Low Emission Vehicles) Meßsystemen (und niedrigeren Konzentrationen) können Zeolith oder zeolith-ähnlichen Materialien mit großem technischen und finanziellem Vorteil eingesetzt werden.
Die oben beschriebene Filtereinrichtung, welche ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate enthält eignet sich weiters als Zusatzeinrichtung zur Reinigung des Abgases von Verbrennungskraftmaschinen von toxischen Komponenten, die nach den heute üblichen Abgasnachbehandlungssystemen auftreten können.
In Abhängigkeit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, können sich aus den vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen und den Stickoxiden im Abgassystem neue toxische Substanzen wie etwa Nitro-PAK bilden. Bisher übliche Vorrichtungen zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen beinhalten zur katalytischen Oxida- tion von CO und HC Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium. Die Oxida- tionswirkung dieser Vorrichtungen ist ausreichend um die gesetzlichen Grenzwerte zu unterschreiten, jedoch nicht selektiv genug um diese toxischen Komponenten gänzlich zu eliminieren, im Gegenteil, im Extremfall kann durch die katalytische Wirkung die Bildung dieser Substanzen gefördert werden. Weitere gefährliche Verbindungen können durch Kraftstoffzusätze entstehen.
Durch die Anordnung eines Zeolith-Filters am Ende des Abgassystems, in Strömungsrichtung nach der herkömmlichen Abgasnachbehandlung kann diese kriti- sche Emission vermieden werden. Das Zeolith-Filter zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, Nitro-Aromaten und ähnliche Stoffe bereits bei niedrigen Temperaturen adsorbieren zu können und diese erst bei Temperaturen > 600°C, wie sie typischerweise am Einbauort nicht auftreten, zu desorbieren. Es ist möglich, die beladenen Adsorber außerhalb des Abgasstranges zu regenerieren. Die geringe Konzentration der toxischen Substanzen im Abgas erlaubt lange Wartungsintervall (Lebensdauer) bei vertretbarem Zusatzvolumen und Gewicht.
Erfindungsgemäß kann die Filtereinrichtung aus einer Einwegkartusche, einer Kartusche mit Nachfüllsatz oder einer nachfüllbaren Kartusche bestehen, welche das Filtermaterial als Schüttgut enthält. Um den Abrieb des Zeolithgranulats von den Analyseneinheiten fern zu halten, kann die Kartusche zumindest ausgangsseitig ein Staubfilter aufweisen.
Zeolithe und zeolith-ähnlichen Materialien wurden bisher vor allem für die Wasseraufbereitung und als Gerüststoffe in Waschmittel und Medikamenten sowie Reinigungsmittel verwendet. Wie beispielweise aus der EP 0 866 218 AI ersichtlich werden Zeolithe auch als Strukturmaterial für Adsorber-Katalysator-Kombi- nationen für Brennkraftmaschinen eingesetzt und gemäß DE 100 36 794 AI als Trägerstoff beim Bau von NOx Speicherkatalysatoren verwendet. Als selektive Adsorber sind diese Stoffe in der Chemie als Trägerstoff von Chromatographen bekannt. Im Labor werden solche Stoffe zur Regulierung der Feuchtigkeit eingesetzt. Spezielles Stoffdesign erlaubt weiters die selektive Reaktivität dieser Stoffe mit bestimmten Molekülen. Diese Eigenschaft wird besonders für Experimente mit biogenen Mechanismen und Mikroorganismen verwendet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung, vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine; sowie
Fig. 2 eine Ausführungsvariante einer Filtereinrichtung der Messeinrichtung nach Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung 1 dient zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine 2, die auf einem nicht weiter dargestellten Motorenprüfstand angeordnet ist. Die Messeinrichtung 1 weist zwei mit unterschiedlichen Messstellen an der Abgasanlage 3 der Brennkraftmaschine 2 verbindbare Abgaszufuhrleitung 4 und 4' auf, welche über Ventile 5 und 5' den parallelen Messzweigen 7, 8 und 9 zugeschaltet werden können. Eingangseitig der Ventile 5 und 5' sind in den Abgaszufuhrleitungen 4 und 4' jeweils herkömmliche Partikelfilter 10 und 10' angeordnet. Die Messzweige 7 und 8 sind in der schematisch hervorgehobenen Einheit 6 auf eine Messtemperatur von 191°C thermostatisiert, wobei der Messzweig 7 beispielsweise eine Analyseneinheit 12 zur Bestimmung von NO und NOx und der Messzweig 8 eine Analyseneinheit 13 zur Bestimmung der Kohlenwasserstoffe aufweist.
Der Messzweig 9 (siehe Bereich 11 der Messeinrichtung 1) ist ein kühler Messzweig mit einer Kühleinrichtung 15, welche den Abgasstrom vor allem zur Kondensation von H2O auf Temperaturen zwischen ca. 2°C bis 7°C abkühlt. Der Abgaskühleinrichtung 15 vorgeschaltet ist eine Filtereinrichtung 16a, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial enthält, wodurch die nachfolgende Messeinrichtung 14 bzw. deren Komponenten 14a und 14b von Ablagerungen frei gehalten werden können, die durch Polymerisation, Kondensation, Kristallisation, etc. aus gasförmigen Ausgangsstoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, entstehen. Die Filtereinrichtung 16a enthält ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate und ist einer Messeinrichtung 14, beispielsweise zur Bestimmung des CO, CO2 und/oder O2 Gehaltes, vorgeschaltet.
Die Filtereinrichtung 16a kann - wie in Fig. 1 dargestellt - stromaufwärts einer der Analyseneinheit 14 vorgeschalteten Abgaskühleinrichtung 15 angeordnet sein, so dass der Transport von in der Filtereinrichtung 16a anfallendem Kondensat bevorzugt durch den Gasfluss in Richtung Abgaskühleinrichtung 15 erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, die Filtereinrichtung 16a oberhalb der Abgaskühleinrichtung 15 anzuordnen, so dass der Transport des anfallenden Kondensats bevorzugt durch die Schwerkraft in Richtung Abgaskühleinrichtung 15 erfolgt. Durch eine entsprechende Anordnung oberhalb und stromaufwärts der Kühleinrichtung 15 können beide Effekte wirksam kombiniert werden. Das Kondensat kann dann auf einfache Weise gemeinsam mit dem in der Kühleinrichtung anfallenden Kondensat, beispielsweise mit Hilfe einer Schlauchpumpe abgesaugt werden.
Es ist auch möglich eine Filtereinrichtung 16b vorzusehen, welche ein integraler Bestandteil der Analyseneinheit 14 ist und beispielsweise zwischen unterschiedlichen Komponenten 14a, 14b der Analyseneinheit 14 angeordnet ist.
Wie in Fig. 1 weiters dargestellt, können zum Schutz des Bedienpersonals und der Umwelt derartige Filter 16c bis 16e mit Zeolith als Filtermaterial auch zur Filterung der Prüfstandsabgase ausgangsseitig der einzelnen Messzweige 7 bis 9 angeordnet sein oder in einer Sammelleitung 17, welche die Messzweige 7 bis 9 ausgangsseitig der Messeinrichtung zusammenführt. Die Abgasmesseinrichtung 1 kann auch eine Einrichtung 18 aufweisen, mit welcher dem Abgas vor der Messung eine definierte Menge Verdünnungsluft zugemischt wird. Um Verfälschungen des Messergebnisses zu vermeiden, kann in der Zufuhrleitung 19 für die Verdünnungsluft bzw. für die Ansaugluft der Brennkraftmaschine ebenfalls eine Filtereinrichtung 16g mit einem Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate angeordnet sein. Die gefilterte Ansaugluft kann - beispielsweise für Kalibrierzwecke - über eine eigene Zufuhrleitung 20 und dem Ventil 21 in die einzelnen Messzweige 7, 8, 9 eingespeist werden.
Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung die Filtereinrichtung 16a bis 16g der Messeinrichtung gemäß Fig. 1, welche aus einer Kartusche 22 besteht, die das Filtermaterial 23 als Schüttgut enthält. Ein- und ausgangsseitig der Kartusche 22 sind jeweils Staubfilter 24 angeordnet. Das Filtermaterial kann auch als Nachfüllsatz angeboten werden, bzw. die gesamte Filtereinheit als Einwegkartusche.

Claims

P ATE NTANSPRÜCH E
Messeinrichtung (1), vorzugsweise eines Prüfstandes für Motoren und Fahrzeuge, zur Analyse von Abgasen einer Brennkraftmaschine (2), mit zumindest einer mit der Abgasanlage der Brennkraftmaschine (2) verbindbaren Abgaszufuhrleitung (3, 4), welche zumindest einen Messzweig (7, 8, 9) mit jeweils zumindest einer Analyseneinheit (12, 13, 14) zur Bestimmung von Abgasinhaltsstoffen speist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem kühlen Messzweig (9) stromaufwärts der Analyseneinheit (14) und/oder zwischen unterschiedlichen Komponenten (14a, 14b) der Analyseneinheit (14) und/oder ausgangsseitig zumindest einer Analyseneinheit (12, 13, 14) eines der Messzweige (7, 8, 9) eine Filtereinrichtung (16a bis 16f) vorgesehen ist, welche ein für gasförmige Kohlenwasserstoffe selektives Filtermaterial enthält.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16a bis 16f) ein Filtermaterial aus der Gruppe der Zeolithe und/oder der Silikate enthält.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16a) stromaufwärts einer der Analyseneinheit
(14) vorgeschalteten Abgaskühleinrichtung (15) angeordnet ist, so dass der Transport von in der Filtereinrichtung (16a) anfallendem Kondensat bevorzugt durch den Gasfluss in Richtung Abgaskühleinrichtung (15) erfolgt.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16a) oberhalb einer der Analyseneinheit (14) vorgeschalteten Abgaskühleinrichtung (15) angeordnet ist, so dass der Transport von in der Filtereinrichtung (16a) anfallendem Kondensat bevorzugt durch die Schwerkraft in Richtung Abgaskühleinrichtung
(15) erfolgt.
Messeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16b) integraler Bestandteil der Analyseneinheit (14) ist.
Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16c, 16d, 16e) ausgangsseitig zumindest eines der Messzweige (7, 8, 9) der Messeinrichtung (1) angeordnet ist.
7. Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionsmaterial als Granulat mit einer Körnungsgröße bis zu 30 mm, vorzugsweise von 4 mm bis 10 mm vorliegt.
8. Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (16a bis 16f) aus einer Einwegkartusche, einer Kartusche mit Nachfüllsatz oder einer nachfüllbaren Kartusche (22) besteht.
9. Messeinrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kartusche (22) zumindest ausgangsseitig ein Staubfilter (24) aufweist.
10. Messeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseneinheit (14) des kühlen Messzweiges (9) Sensoreinrichtungen zur Bestimmung des CO, CO2 und/oder O2 Gehaltes des Abgases aufweist.
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