DE19704461C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Ölanteils in einem Gasstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 5.

Aus den Veranstaltungsunterlagen des Seminars Nr. S-30-515-091-9 "Messung staubförmiger Emissionen an In­ dustrieanlagen", herausgegeben vom "Haus der Technik e.V." ist ein radiometrisches Meßverfahren bekannt, mit dem Partikel in strömenden Gasen ermittelt werden. Speziell sind dabei Staubpartikel angesprochen, jedoch wird ein derartiges Meßver­ fahren in der Praxis auch benutzt, um aus Gasströmen abge­ schiedene Ölpartikel zu messen. Durch Bestrahlung mit β-Strah­ lung wird die Schichtdicke der zurückgehaltenen Ölpartikel und dadurch wiederum die Masse des abgeschiedenen Öls ermittelt. Der zur Messung herangezogene Gasstrom ist dabei ein Teil­ volumenstrom, welcher dem Hauptvolumenstrom des Gases mit Hilfe einer Entnahmesonde entnommen wird.

Aus den "VDI-Richtlinien", VDI 2066, Blatt 1 vom Oktober 1975, dort Seite 4, ist hinsichtlich der Meßverfahren zur Bestimmung des Staubanteiles in strömenden Gasen bekannt, daß der Hauptmassenstrom des Staubes nicht unmittelbar gemessen werden kann, sondern daß zu seiner Bestimmung eine Teil­ stromentnahme erforderlich sei. Wie bei der radiometrischen Methode, wird hierzu mittels einer Entnahmesonde aus dem Hauptvolumenstrom ein Teilvolumen entnommen und an diesem Teilvolumen die Messung durchgeführt. Bei der gravimetrischen Meßmethode wird hierzu die abgeschiedene Partikelmenge über einen bestimmten Zeitraum in einem Meßfilter aufgefangen und anschließend gewogen.

Bei beiden Meßmethoden ist nachteilig, daß lediglich ein Teilvo­ lumenstrom zur Messung herangezogen werden kann. Die Mes­ sung auf den Hauptvolumenstrom zu beziehen, würde einen nachteilig hohen Strömungswiderstand für den Gasstrom bedeu­ ten. Der Meßquerschnitt des Hauptvolumenstroms weist nicht überall die gleiche Partikeldichte auf, so daß die anhand des Teilvolumenstroms erhaltene Aussage zwangsläufig fehlerbehaf­ tet ist.

Hinzu kommt ein relativ hoher Aufwand, wenn die bekannten Meßverfahren auf die Messung von Ölpartikeln in strömenden Gasen angewendet werden: Um eine Kondensation des Öls an den Rohrwandungen zu verhindern, durch welche der Teilvo­ lumenstrom geleitet wird (insbesondere können Ölabschei­ dungen im Krümmer des Teilstroms auftreten), werden diese Rohrwandungen üblicherweise beheizt. Zudem wird das Öl in Filtern zurückgehalten, beispielsweise Glasfaserfiltern, die regelmäßig gewechselt werden müssen, so daß das Verfahren nur mit sehr großem Aufwand automatisierbar ist. Insbesondere bei dem radiometrischen Verfahren ergibt sich die Erfordernis, die abgeschiedene Ölmenge zu verdünnen, um eine Durch­ strahlbarkeit mit β-Strahlung zu ermöglichen. Zudem ist die Meßdauer für die Bestimmung der Ölmenge relativ lang, so daß entsprechend lange Unterbrechungen während des Meßvor­ ganges auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das in der Praxis verwendete Verfahren dahingehend zu verbessern, daß eine einfache, genaue und automatisierbare Bestimmung von Ölge­ halten in strömenden Gasen ermöglicht wird. Insbesondere soll das Verfahren bei der Ermittlung des Ölanteiles in Kurbelgehäu­ seabgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmo­ toren, anwendbar sein.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignete Vorrich­ tung vorzuschlagen.

Diese der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Patentan­ spruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 5 gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, einen Elektrofil­ ter zur Abscheidung der Ölpartikel aus dem Gasstrom zu ver­ wenden. Hierdurch lassen sich Abscheidegrade von nahezu 100% erzielen, ohne einen nachteilig großen Strömungswider­ stand in der den Gasstrom führenden Rohrleitung zu bewirken. Hierdurch wird es möglich, den Ölanteil im Hauptvolumenstrom zu messen, ohne daß die Abzweigung eines Teilvolumenstro­ mes erforderlich ist. Die Meßgenauigkeit wird somit erheblich verbessert.

Weiterhin wird erfindungsgemäß das im Elektrofilter abgeschie­ dene Öl gesammelt und nach einer gewissen Zeit die abge­ schiedene Ölmasse gewogen. Zu diesem Zweck wird der Anteil des Elektrofilters, der als Niederschlagselektrode mit Öl benetzt ist und der einen Teil der den Gasstrom führenden Rohrleitung darstellt, einschl. einer mechanischen Verbindung von der übri­ gen Rohrleitung entkoppelt, also kräftefrei gelagert, so daß die­ ser Teil des Elektrofilters mitsamt seinem Ölanteil mitgewogen werden kann, ohne daß Bewegungen, Wärmedehnungen od. dgl. der übrigen Rohrleitung auf diesen Teil des Elektrofilters einwirken und die Wiegung verfälschen können. Hierdurch lie­ fert das erfindungsgemäße Meßverfahren bereits nach kürzester Zeit aussagekräftige Meßergebnisse:
Würde nur das aus dem Ölabscheider gelangende Öl gesam­ melt und gewogen, so wären derartige Mengenangaben erst aussagekräftig, wenn sich in der Rohrleitung und insbesondere im Ölabscheider ein dynamisches Gleichgewicht zwischen neu­ anlegenden Ölpartikeln und aus dem Abscheider austretenden Ölpartikeln einstellt. Während dieser Anfangszeit, die beispiels­ weise 1,5 Stunden betragen kann, liefert das erfindungsgemäße Meßverfahren korrekte Ergebnisse.

Vorteilhaft kann während des Wiegevorganges der Gasstrom um den Elektrofilter umgeleitet werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Verbrennungsmotor kontinuierlich durchlaufen zu lassen, so daß die durch die Wiegung erzwungene Unterbre­ chung des Meßablaufes nicht zum Abschalten des Motors zwingt und entsprechende Wartezeiten abgewartet werden müssen, bis der Motor sich wieder in einem meßfähigen Zustand befindet, z. B. indem sich ein bestimmtes Temperatur­ gleichgewicht innerhalb des Motors eingestellt hat.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, den Volumenstrom kontinuier­ lich zu messen, auch während die Wiegung des abgeschiede­ nen Öls erfolgt. Auf diese Weise ist es möglich, die Meßvorrich­ tung für das Gasvolumen weit vom Elektrofilter entfernt anzu­ ordnen, so daß für die eigentliche Meß- und Wiegeeinrichtung des Öls eine besonders kompakte Bauform realisiert werden kann. Hierbei wird bei einer derart kontinuierlichen Messung des Gasvolumens der Zeitanteil ermittelt, während dem das Gasvo­ lumen nicht durch den Ölabscheider geführt wird, so daß dieser Zeitanteil anschließend bei der Ermittlung des relevanten Gas­ volumens herausgerechnet werden kann und von der insgesamt auszuwertenden Zeitdauer abgezogen werden kann.

Eine Verfahrensführung mit permanenter Messung kann vorge­ sehen sein, wenn die mitzuwiegenden Teile des Elektrofilters kräftefrei innerhalb der Rohrleitung gelagert sind. Auf diese Weise müssen sie nicht erst aus der Rohrleitung entkoppelt sein, sondern sind permanent kräftefrei aus der übrigen Rohrlei­ tung entkoppelt, so daß die in diesem entkoppelten Zustand durchzuführende Verwiegung kontinuierlich erfolgen kann. Eine derartige Verfahrensführung ermöglicht es, bei unregelmäßigen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (z. B. unterschied­ liche Last und/oder unterschiedliche Drehzahlen) den Ölanteil im Gasstrom während dieser unterschiedlichen Betriebszustän­ de und insbesondere während der Veränderung von einem zum anderen Betriebszustand zu ermitteln.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Meßanordnung zur Bestimmung des Ölanteils in strömenden Gasen,

Fig. 2 den Ölabscheide- und Wiegebereich der Anord­ nung von Fig. 1,

Fig. 3 den Bereich von Fig. 2 in einem anderen Betriebs­ zustand und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für den Ölab­ scheide- und Wiegebereich.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Rohrleitung bezeichnet, beispielsweise die Rohrleitung einer Kurbelgehäuseentlüftung, durch welche mit Ölpartikeln beladenes Gas geleitet wird. Die Rohrleitung 1 führt durch einen Elektrofilter 2 und von dort in eine Meßvorrich­ tung 3 zur Bestimmung des Volumenstroms.

Im Elektrofilter 2 wird der Ölanteil des Gases zu nahezu 100% abgeschieden. Dem Elektrofilter 2 ist eine Hochspannungs- Versorgungseinheit 4 zugeordnet. Weiterhin ist in dieser Bau­ gruppe eine Wiegevorrichtung 5 vorgesehen und ein Anschluß an eine Datenverarbeitung 6, die die Prozeßsteuerung umfas­ sen kann und in der die Meßdaten abgespeichert werden können.

Der Elektrofilter 2 kann aus der Rohrleitung 1 mechanische ent­ koppelt werden. Während dieser Zeit wird mittels zweier Ventile 7 der Gasstrom von der Rohrleitung 1 durch eine Umgehungslei­ tung 8 der Meßvorrichtung 3 zugeführt.

Die Funktionsweise des Elektrofilters 2 und der Wiegevorrich­ tung wird aus Fig. 2 deutlich: In einem Gehäuse 9 ist eine Waage 10 angeordnet, über die der Elektrofilter 2 befindlich ist. Der Elektrofilter 2 weist eine hohlzylindrische Niederschlags­ elektrode 11 als Teil der Rohrleitung 1 auf sowie eine im Inne­ ren dieses Rohrabschnittes angeordnete Sprühelektrode 12. Die Sprühelektrode 12 kann als Draht mit einem kontinuierlichen Querschnitt ausgestaltet sein, sie kann jedoch einen veränderli­ chen Querschnitt aufweisen und/oder mehrteilig ausgestaltet sein.

Das in Pfeilrichtung P strömende Gas führt die Ölpartikel dem Elektrofilter 2 zu. Dort werden die Ölpartikel zu nahezu 100% an der Niederschlagselektrode 11 abgeschieden. Sie gelangen durch Ablauföffnungen 14 in einen Sammelbehälter 15, der sich oberhalb von zwei Aufstandsflächen 16 der Waage 10 befindet.

Nach einer vorgegebenen Zeitdauer werden die Ventile 7 be­ tätigt und der Gasstrom durch die Umgehungsleitung 8 geführt. Anschließend wird die Hochspannung für den Elektrofilter 2 ab­ geschaltet und die mit Öl benetzte Niederschlagselektrode 11 von der übrigen Rohrleitung 1 mechanisch entkoppelt: Zu die­ sem Zweck ist die Niederschlagselektrode 11 an ihren beiden Stirnseiten in Manschetten 17 gehaltert, die mittels Antriebsmo­ toren 18 und Führungsstangen 19 axial in Richtung der Rohrlei­ tung 1 verschiebbar gelagert sind. Gegenüber ihrer in Fig. 2 dargestellten Stellung werden diese Manschetten 17 nun von der Niederschlagselektrode 11 entfernt. Die Niederschlagselek­ trode 11 verbleibt dabei im wesentlichen ortsfest, da sie durch einen Zapfen 20 in einer Hülse 21 gegen eine Axialverschieb­ barkeit gesichert ist.

Da die beiden Manschetten 17 trichterförmige Aufnahmeöff­ nungen 22 aufweisen, senkt sich bei der Bewegung der beiden Manschetten 17 die Niederschlagselektrode 11 mitsamt dem Sammelbehälter 15 langsam ab, bis der Sammelbehälter 15 mit seiner Unterseite auf den Aufstandsflächen 16 der Waage 10 aufsteht.

Die Axialverschiebbarkeit innerhalb der Rohrleitung 1 wird durch ein längenbewegliches Rohrelement 23 ermöglicht, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Faltenbalg ausgestaltet ist.

In Fig. 3 ist die abgesenkte Stellung der Niederschlagselektrode 11 gegenüber der Sprühelektrode 12 ersichtlich, wobei der Sammelbehälter 15 auf den Aufstandsflächen 16 aufsteht. Nie­ derschlagselektrode 11 und Sammelbehälter 15 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel fest miteinander verbunden.

Das Gewicht dieser Baueinheit mitsamt dem darin befindlichen Öl wird nun mittels der Waage 10 gewogen. Durch eine Refe­ renzmessung vor Beginn der Wiegung ist das Gewicht der aus Sammelbehälter 15 und Niederschlagselektrode bestehenden Baueinheit einschl. ggf. vorhandener Restölmengen bekannt, so daß die während der Messung abgeschiedene Ölmenge exakt ermittelt werden kann.

Nach durchgeführten Wiegungen kann das im Sammelbehälter 15 befindliche Öl mittels einer Absaugleitung 24 und einer daran angeschlossenen Pumpe 25 entfernt werden.

Im abgesenkten Zustand der Niederschlagselektrode 11 befin­ det sich der Zapfen 20 in einem vergrößerten Innenbereich der Hülse 21 und auch die beiden Stirnseiten der Niederschlags­ elektrode 11 sind ringsum von den Wandungen der Manschet­ ten 17 beabstandet, so daß Längenausdehnungen oder auf an­ dere Weise von der Rohrleitung 1 auf die Niederschlagselektro­ de 11 und/oder den Sammelbehälter 15 übertragene Einflüsse während der Wiegung der Ölmenge sich nicht auswirken kön­ nen.

Nach durchgeführter Wiegung und ggf. Entleerung des Sam­ melbehälters 15 wird durch Zusammenfahren der beiden Man­ schetten 17 die Niederschlagselektrode 11 wieder angehoben bis sie gasdicht an die übrigen Elemente der Rohrleitung 1 an­ schließt. Nun können die Ventile 7 erneut betätigt werden und der ölhaltige Gasstrom durch den Elektrofilter 2 geführt werden, so daß eine neue Messung durchgeführt werden kann.

Die Unterbrechung der Messung zum Absenken und Wiegen des Öls sowie ggf. zum Entleeren des Sammelraumes 15 kann innerhalb weniger Sekunden erfolgen. Gegenüber dem manuel­ len Auswechseln von mit abgeschiedenen Partikeln behafteten Filterelementen, ist eine wesentlich verkürzte Messungsunter­ brechung möglich. Insbesondere liefert die Messung der gesam­ ten ölbehafteten Baugruppe, bestehend aus Niederschlagselek­ trode 11 und Sammelbehälter 15, schon nach kürzester Zeit aussagekräftige Meßergebnisse.

Aus Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektrofil­ ters 2 ersichtlich: In dieser gegenüber den Fig. 2 und 3 sehr schematisch ausgestalteten Zeichnung ist eine Niederschlags­ elektrode 11 erkennbar, die an ihren beiden Stirnseiten jeweils über ein Luftlager an die übrige Rohrleitung 1 anschließt. Zu diesem Zweck weist die Niederschlagselektrode 11 an beiden Stirnenden jeweils einen umlaufenden Kragen 26 auf, dem ein korrespondierender Kragen 27 der übrigen Rohrleitung 1 zuge­ ordnet ist. Dieser Kragen 27 weist eine umlaufende Nut 28 auf, in welche durch Einlaßbohrungen 29 Druckluft eingeführt wird. Über einen Faltenbalg 30 ist ein Abschnitt 31 der Rohrleitung 1 axial beweglich gelagert. Durch Federn kann dieser Abschnitt 31 mit seinem Flansch 27 gegen den Flansch 26 der Nieder­ schlagselektrode 11 beaufschlagt sein. Die in die Nut 28 einge­ führte Druckluft bewirkt daß sich ein minimaler Luftspalt zwi­ schen den Flanschen 26 und 27 einstellt und die gesamte Nie­ derschlagselektrode 11 mechanisch von der übrigen Rohrleitung 1 entkoppelt ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, konti­ nuierlich Meßergebnisse der Waage 10 auszuwerten.

Die gesamte, in Fig. 4 dargestellte Baugruppe kann vorteilhaft luftdicht gekapselt sein. Die durch die Einlaßbohrungen 29 in die Nut 28 eingeführte Druckluft kann teilweise nach außen und teilweise nach innen, d. h. in die Rohrleitung 1, aus der Nut 28 entweichen. Die innerhalb des gekapselten Raumes entwei­ chende Luft kann jedoch nur durch die Rohrleitung 1 entwei­ chen. Auf diese Weise kann dieser Volumenstrom bei der Aus­ wertung der Meßergebnisse berücksichtigt werden und zur Kor­ rektur der Volumenstrommessung herangezogen werden.

Die dargestellte Vorrichtung ermöglicht ein hochgenaues Meß­ verfahren, welches im Hauptstrom messen kann und welches aufgrund des verwendeten Elektrofilters besonders hohe Ab­ scheidegrade ermöglicht. Das Meßverfahren ist leicht durch­ führbar. Es ermöglicht flexible Meßzyklen und kann auf einfache Weise automatisiert werden. Die Meßvorrichtung kann kompak­ te Abmaße aufweisen, insbesondere ist keine Verdünnungsstufe notwendig. Die ersten Meßdaten können nach kürzester Zeit in aussagekräftiger Form erhalten werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen des Ölanteils in einem Gasstrom, wo­ bei der Gasstrom durch eine Rohrleitung geführt und das Öl aus dem Gasstrom abgeschieden, gesammelt und seine Masse ermit­ telt wird, und wobei der Volumenstrom des Gases meßtechnisch erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom ein Hauptgasstrom ist, daß das Öl im Hauptgasstrom mittels eines Elektrofilters (2) abgeschieden und gesammelt wird, daß zur Er­ mittlung der abgeschiedenen Ölmasse die ölbehafteten Teile des Elektrofilters (2) sowie das gesammelte Öl gewogen wird, und daß während des Wiegens die ölbehafteten Teile des Elektrofil­ ters (2) von der übrigen Rohrleitung kräftefrei entkoppelt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiegung kontinuierlich durchgeführt wird, während der Elektrofil­ ter von dem Gas durchströmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Entkoppeln der ölbehafteten Teile des Elektrofilters (2) der Gasstrom in eine den Elektrofilter (2) umgehende Nebenleitung (8) umgelenkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Volumenstrom des Gases auch während der Wiegezeit erfaßt wird, wobei die Zeitdauer der Wiegezeit ermittelt und von der für die Bestimmung des Gasvolumens auszuwerten­ den Zeitdauer abgezogen wird.

5. Vorrichtung zum Bestimmen des Ölanteils in einem Gasstrom, mit einer Rohrleitung zur Führung des Gasstroms, mit einem Ölab­ scheider in der Rohrleitung und mit einer Meßeinrichtung zur Ermittlung der abgeschiedenen Ölmasse, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gasstrom ein Hauptgasstrom ist, und daß der Ölab­ scheider als Elektrofilter (2) und die Meßeinrichtung als Waage ausgebildet ist, daß ein Teil der Rohrleitung (1) die Nieder­ schlagselektrode (11) des Elektrofilters (2) bildet, wobei dieser Teil von der übrigen Rohrleitung (1) kräftefrei entkoppelt oder entkoppelbar gelagert ist, und daß eine Meßvorrichtung (3) zur Messung des Volumenstroms des Gases vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Niederschlagselektrode (11) bildende Teil der Rohrleitung (1) in zwei axial verschiebbar gelagerten Manschetten (17) gehaltert ist, wobei die Manschetten (17) über längenveränderliche Rohre­ lemente (23) mit der übrigen Rohrleitung (1) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschetten trichterförmige Aufnahmeöffnungen (22) für die Enden der Niederschlagselektrode (11) aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagselektrode (11) an ihren beiden Stirnenden mittels eines Luftlagers an die übrige Rohrleitung (1) anschließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederschlagselektrode an ihren beiden Stirnenden mittels eines Magnetlagers an die übrige Rohrleitung anschließt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Niederschlagselektrode (11) gegen eine Axial­ verschiebbarkeit durch Führungsmittel (20, 21) gesichert ist.