DE3414542A1

DE3414542A1 - Vorrichtung zur messung des anteils von russpartikeln im abgas von diesel-motoren

Info

Publication number: DE3414542A1
Application number: DE19843414542
Authority: DE
Inventors: Kozo Kyoto Ishida
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1983-04-30
Filing date: 1984-04-17
Publication date: 1984-10-31
Also published as: JPH0315971B2; JPS59202043A; DE3414542C2; US4916384A

Description

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-4-BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, daß sich im Abgas von Diesel-Mötoren Substanzen befinden, die sich in zwei Gruppen unterteilen lassen. Zu der einen Gruppe gehört weißer oder blauer Rauch als ein Vorläufer von Ruß, da Abgas konzentrierte Kohlenwasserstoff-Tröpfchen sowie Schmieröle enthält. Diese Substanzen sind in organischen Lösungsmitteln löslich. Dagegen gehören zu der anderen Gruppe unter anderem Rußpartikel, die in organischen Lösungsmitteln unlöslich sind.

Tm Zusammenhang mit Diesel-Fahrzeugen gibt es bereits gesetzliche Regelungen, die vorschreiben, welche Mengen an Kohlenmonoxiden (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) oder Stickoxiden (NO ) beim Betrieb eines derartigen Fahrzeugs ausgestoßen werden dürfen, da diese Substanzen die Umwelt in hohem Maße belasten. Letzteres gilt auch für die bereits oben erwähnten Rußpartikel, durch die charakteristische Gerüche bzw. Schmutzablagerungen verursacht werden. Es sind daher Bestrebungen im Gange, bei Diesel-Motoren auch den Ausstoß von Rußpartikeln weiter zu vermindern.

Zur Kontrolle der Abgasreinheit ist es daher erforderlich, die Menge der ausgestossenen Rußpartikel durch Messung quantitativ zu bestimmen. Nach einer Standardmeßmethode wird dazu das Gewicht der Rußpartikel ermittelt, indem diese über einen bestimmten Zeitraum mit Hilfe eines Filters, welches im Abgaskanal, zum Beispiel in einem Auspuffrohr, angeordnet ist, aufgefangen werden. Diese Methode ist weit verbreitet und liegt vielfach gesetzlichen Bestimmungen zugrunde.

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Sie eignet sich jedoch nicht zur kontinuierlichen Messung, wie sie beispielsweise im Verlauf von Versuchen oder der Prüfung technischer Verbesserungen zur Verminderung von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren durchgeführt werden muß.

Zwar sind Meßmethoden bekannt, bei denen auch im Abgas vorhandene Rußpartikel mit Hilfe von Licht-Streuverfahren oder opto-akustischen Verfahren unter Verwendung von CO₂-Lasern kontinuierlich erfaßt werden. Diese Verfahren sind jedoch sowohl für Rußpartikel als auch für die bereits erwähnten anderen organischen Stoffe (CO, HO, NO ) empfindlich, so daß die Rußpartikel nicht getrennt erfaßt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zu schaffen, die eine kontinuierliche Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren gestattet.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Meßvorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, im Abgas von Diesel-Motoren nur die Rußpartikel allein sowie kontinuierlich und exakt bis hinab zu kleinsten Konzentrationen zu messen. Die Meßvorrichtung besitzt dazu einen von Abgas durchströmten Abgaskanal, eine innerhalb des Abgaskanals und gegenüber diesem isolierte Elektrodenanordnung mit zwei vom Abgas umströmten Elektroden, eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden, und eine Schaltungsanordnung bzw. Anzeigeeinheit zur Messung bzw. zur Anzeige eines zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Stromes,

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Mit den beiden spannungsbeaufschlagten Elektroden kann die Leitfähigkeit der Rußpartikel im Abgas, das auch mit einem Mischgas, z.B. Luft, vermischt sein kann, kontinuierlich und exakt erfaßt werden. Zur Bestimmung des Anteils der Rußpartikel im Abgas wird dazu der Strom bzw. die Stromänderung, die durch eine Änderung der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, gemessen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Figur 2 eine schematische Darstellung ihrer Detektoreinrichtung mit einer ersten Elektrodenanordnung, Figur 3 ein den Leitungsprozeß zwischen den Elektroden darstellendes Diagramm, und Figur 4 eine weitere Elektrodenanordnung.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich beispielsweise zur Erfassung eines konstanten Probenvolumens (Abgas-Volumens) und besitzt eine Detektoreinrichtung A zur Detektion von Rußpartikeln. Die Vorrichtung umfaßt ein Abgas-Zuführungsrohr 3, das ein Abgasrohr eines Dieselmotors , zum Beispiel das Auspuffrohr 2 eines Dieselfahrzeuges 1, mit einem Mischungskanal 6 verbindet. Das Abgas-Zuführungsrohr 3 ist dabei so in den Mischungskanal 6 eingeführt, daß sein Ende koaxial zum Mischungskanal 6 liegt und als Abgas-Einlaß 3a dient. Der Abgas-Mischungskanal 6 besitzt an seinem einen Ende ein Luftfilter 4, welches zur Vermischung des Abgases mit Luft dient. Er besitzt ferner eine in seinem Inneren koaxial angeordnete Blende 5 zur Erzeugung einer Staurand-

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öffnung, die so positioniert ist, daß der Einlaß 3a zwischen dem Luftfilter 4 und der Blende 5 liegt. Am anderen Ende des Mischungskanals 6 ist eine Pumpe Pl angeordnet, die einen konstanten Strom von mit Luft vermischtem Diesel-Abgas erzeugt. Ein Wärmetauscher 7 hält die Temperatur des Gasgemisches im Mischungskanal 6 konstant. Der Mischungskanal 6 ist ferner mit einer Analysenleitung 8 verbunden, über die ein Teil des in ihm strömenden Gasgemisches mit Hilfe einer Analysenpumpe P2 abgesaugt wird, um festzustellen, ob im Gasgemisch Kohlenmonoxide (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) oder Stickoxide (NO ) vorhanden sind.

Die Vorrichtung ist ferner so ausgebildet, daß im Innern des Mischungskanals 6 eine Sonde 9 angeordnet ist, welche gleichmäßig einen Teil des mit Luft vermischten Abgases mit einer Geschwindigkeit, die gleich der Strömungsgegeschwindigkeit des Abgases im Strömungskanal 6 ist, mit Hilfe einer Ansaugpumpe P3 absaugt. Zwischen der Sonde 9 und der Ansaugpumpe P3 ist ein Filter 10 angeordnet, mit dem im Abgas vorhandene feinkörnige Teilchen aufgefangen werden können, so daß die Gesamtzahl der im Abgas vorhandenen feinkörnigen Teilchen, ausgehend von der Menge der durch das Filter 10 aufgefangenen feinkörnigen Teilchen, bestimmbar ist.

Die bereits oben erwähnte Detektoreinrichtung A zur Detektion von Rußteilchen ist in Figur 2 genauer dargestellt. Sie besitzt eine Elektrodenanordnung (12, 13), die an einer Stelle innerhalb des Mischungskanals 6 angeordnet ist, an der der Gasstrom die Sonde 9 noch nicht erreicht hat. Die Elektrodenanordnung besteht aus einer nadeiförmigen, als Kathode dienenden Elektrode 12, die mittels eines Isolierkörpers 11a, der in der Wand des Mischunggkanals 6 fest angeordnet ist, gehalten wird. Die

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nadeiförmige Elektrode 12 ist dabei so positioniert, daß sie parallel zum Gasstrom, vorzugsweise koaxial zum Mischungskanal 6, verläuft. Um die Elektrode 12 herum ist eine hohlzylinderförmige und als Anode arbeitende Elektrode 13 angeordnet, die über einen in ihrer Wandung befindlichen zweiten Isolierkörper 11b mit der Zuleitung zur Elektrode 12 mechanisch fest verbunden ist. Dabei liegt die Elektrode 12 auf der Zylinderachse P der Elektrode 13. Beide Elektroden sind gegeneinander durch den zweiten Isolierkörper 12b und gegenüber der Wandung 6a des Mischungskanals 6 durch den Isolierkörper 11a elektrisch isoliert. Dabei verläuft die elektrische Verbindung zur Elektrode 13 ebenfalls durch den Isolierkörper 11a. Zur Erzeugung einer zwischen den Elektroden 12, 13 liegenden Spannung bzw. eines zwischen ihnen fließenden Stromes ist die Elektrode 12 mit dem negativen Pol einer Spannugnsquelle 14 verbunden. Der positive Pol der Spannungsquelle 14 sowie die zylinderförmige Elektrode 13 sind mit unterschiedlichen Eingängen eines Verstärkers 15 zur Verstärkung des zwischen den Elektroden fließenden Stromes verbunden, dessen Ausgang über eine Linearisierungsschaltung 16 zum Eingang eines Anzeigegerätes 17 führt.

Strömt ein Abgas eines Dieselmotors zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 hindurch, so fließt zwischen ihnen ein schwacher elektrischer Strom, der proportional zur Menge der Rußpartikel im Abgasstrom ist, da die Rußpartikel eine sehr viel größere elektrische Leitfähigkeit als die bereits oben erwähnten Kohlenmonoxide, Kohlen-Wasserstoffe oder Stickoxide, etc. besitzen, die ebenfalls im Abgasstrom vorhanden sind. Beispielsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit dieser zuletzt genannten Substanzt weniger als 10 S/m, während die elektrische Leitfähigkeit der Rußpartikel etwa bei 30 S/m liegt.

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Die eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit besitzenden Rußpartikel treffen auf ihrem Weg durch die Elektrodenanordnung auf die Kathode 12 auf, wodurch sie elektrisch aufgeladen werden. Die Zahl der so aufgeladenen Rußpartikel steigt infolge der Elektronendiffusion bzw. der Kollision der Rußteilchen untereinander. Schließlich kommt ein schwacher elektrischer Strom zwischen den beiden Elektroden 12 und 13 zustande, in dem die elektrifizierten Rußteilchen a auf die Elektrode 13 auftreffen, wie Figur 3 zeigt.

Die Änderung dieses schwachen elektrischen Stromes bedeutet hauptsächlich eine Änderung der Leitfähigkeit der Rußpartikel a zwischen den Elektroden 12, 13. Diese Änderung der Leitfähigkeit ist proportional zur Änderung der Anzahl der Rußpartikel a, so daß es möglich ist, die Anzahl der zwischen den Elektroden 12, 13 hindurchströmenden Rußpartikel mit Hilfe einer Leitfähigkeitsmessung kontinuierlich zu erfassen. Das Meßergebnis wird auf dem Anzeigegerät 17 angezeigt. Es ist ferner möglich, im Mischungskanal 6 die Konzentration der Rußpartikel a kontinuierlich zu messen, indem die Geschwindigkeit der Abgas-Strömung und die Menge bzw. Anzahl der Rußteilchen bestimmt werden, wobei der Querschnitt der hohlzylinderförmigen Elektrode 13 konstant ist.

Ist die Geschwindigkeit der Gasströmung überall konstant, können die Anzahl und die Konzentration der Rußpartikel a innerhalb der Abgasströmung direkt am Anzeigegerät 17 abgelesen worden. Ändert sich dagegen die Geschwindigkeit des Abgasstromes fortlaufend, so können die Anzahl und die konzentration der Rußpartikel a in digitaler Weise ·, kontinuierlich angegeben werden, indem beispielsweise zuvor die jeweils gemessene Geschwindigkeit der Abgasströmung zu einem bestimmten Zeitpunkt und die jeweils

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zugeordnete Leitfähigkeit, beispielsweise der aus der Linearisierungsschaltung 16 ausgegebene Wert, einem Computer zugeführt werden. Dieser gibt die momentanen Werte der Konzentration bzw. Anzahl der Rußpartikel im Abgasstrom an die erwähnte digitale Anzeigeeinheit weiter.

Statt einer hohlzylinderförmigen Elektrode 13 kann die Detektoreinrichtung auch eine hohlkegelförmige Elektrode 13a besitzen, auf deren Kegelachse P¹ die als Kathode arbeitende nadeiförmige Elektrode 12a angeordnet ist, wie die Figur 4 zeigt. Die äußere Elektrode 13a ist dabei so positioniert, daß der parallel zur inneren Elektrode 12a verlaufende Abgasstrom durch die größere Öffnung der hohlkegelartig ausgebildeten Elektrode 13a in diese eintritt und aus der kleineren Öffnung wieder heraustritt.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Elektrodenanordnung 12, 13 direkt im Abgasrohr der Diesel-Maschine, beispielsweise im Auspuffrohr 2 eines dieselgetriebenen Autos, anzuordnen. Die Elektrodenanordnung kann darüberhinaus auch im Abgaszuführungsrohr 3 positioniert werden. Beide Anordnungsmöglichkeiten lassen ebenfalls eine einwandfreie und kontinuierliche Messung der Anzahl bzw. Konzentration von Rußpartikeln im jeweiligen Diesel-Abgasstrom zu. Dabei ist es nicht unbedingt erforderlich, den Abgasstrom zusätzlich mit zum Beispiel Luft zu vermischen.

Wie bereits oben näher erläutert, beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Leitfähigkeit von Rußpartikeln im Abgasstrom einer Diesel-Maschine erheblich größer ist, als die Leitfähigkeit anderer Substanzen, wie etwa Kohlenmonoxide, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Ebenso wurde festgestellt, daß die Änderung der elektrischen Leitfähigkei

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der Rußpartikel proportional zur Änderung der Anzahl dieser Rußpartikel ist. Dies ermöglichte die Konstruktion einer Meßvorrichtung zur kontinuierlichen und exakten Messung der Anzahl und/oder Konzentration von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren bis hinab zu kleinsten Konzentrationen.

•41-

Leerseite

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Claims

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PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister Dipl.-Ing, F. E. Müller . . ... , „

Triftstrasse A, Artur-Ladebeck-Strasse

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD

Mü/Ur/b
Case: HO-132

17. April 1984

Horiba, Ltd. 2 Miyanohigashi-machi, Kissyoin, Minami-ku, Kyoto, Japan

Vorrichtung zur Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren

Priorität: 30. April 1983, Japan, Ser.No. (P) 58-76783

PATENTANSPRÜCHE

( 1.^Vorrichtung zur Messung des Anteils von Rußpartikeln im Abgas von Diesel-Motoren, mit einem von Abgas durchströmten Abgaskanal, gekennzeichnet durch

- eine innerhalb des Abgaskanals (6) und gegenüber diesem isolierte Elektrodenanordnung mit zwei vom Abgas umströmten Elektroden (12, 13),

- eine Spannungsquelle (14) zum Anlegen einer Spannung ■ zwischen den Elektroden, und

- eine Schaltungsanordnung (15, 16) bzw. Anzeigeeinheit (17) zur Verarbeitung bzw. zur Anzeige eines zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Stroms.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (6) ein Strömungsmischkanal ist, an dessen einem Ende sowohl das Abgas als auch ein Mischgas, z.B. Luft, eingeführt wird, und an dessen anderem Ende eine Pumpe (P₁) zum Ansaugen des Abgas-Mischgas-Gemisches angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stromungsmischkanal in Strömungsrichtung gesehen stirnseitig ein Filter (4) zur Filterung des Mischgases, ein koaxial angeordneten Einlaß (3a) zum Eintritt des ι Abgases in den Kanal und eine koaxiale Blende (5) zur Erzeugung einer Staurandöffnung besitzt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskanal (6) das Auspuffrohr eines Diesel-Motors (1) ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus einer äußeren hohlzylinderförmigen Elektrode (13) und einer koaxial zur Zylinderachse (P) im Zylinderinnern liegenden nadeiförmigen Elektrode (12) besteht und beide Elektroden so angeordnet sind, daß der Abgasstrom parallel zu ihnen verläuft.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus einer äußeren hohlkegelförmigen Elektrode (13a) und einer im Hohlkegel koaxial zur Kegelachse (P¹) liegenden nadeiförmigen Elektrode (12a) besteht, wobei die Elektroden so angeordnet sind, daß die innere Elektrode (12a) parallel zum Abgasstrom liegt und dieser

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durch die größere Öffnung der äußeren Elektrode (13a) in diese eintritt.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Abgaskanal (6) zusätzlich eine Meßeinrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases angeordnet ist.