DE3800219C2 - - Google Patents

Description

Für die Ermittlung der in Abgasströmen anzutreffenden Schadstoffmengen bedarf es einerseits einer Bestimmung der je Zeiteinheit strömenden Abgasmenge und andererseits einer Gasanalyse. Die Bestimmung der Abgasmenge erfordert neben der Ermittlung von Temperatur und Druck die Ermittlung des strömenden Abgasvolumens.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich lediglich mit der Volumenbestimmung strömender Abgase. Dieser Volumenbestimmung kommt insbesondere bei den bekannten Autoabgas-Untersuchungen insofern Bedeutung zu, als Brennkraftmaschinen sehr unterschiedlicher Leistung hinsichtlich ihres Abgasverhaltens zu untersuchen sind und über den Lastbereich einer bestimmten Brennkraftmaschine je Zeiteinheit sehr unterschiedliche Abgasmengen und auch beträchtlich unterschiedliche Abgastemperaturen auftreten. Dies ist insbesondere für eine dynamische Bestimmung der Schadstoffmassen von Bedeutung, weil letztere vom Gesetzgeber limitiert sind. Mit der derzeitigen Technik können nur integrale Massenbestimmungen durchgeführt werden, während dynamische Bestimmungen nur unzureichend oder gar nicht möglich sind.

Es ist bereits eine Meßvorrichtung zur Autoabgas-Volumenbestimmung bekannt, bei der mittels eines sogenannten Rootsgebläses Motorabgase und gefilterte Umgebungsluft in einem Mischungsverhältnis von beispielsweise zwischen 1/4 bis 1/10 über einen Mischer angesaugt und in Abhängigkeit von der Gebläsedrehzahl das Volumen der je Zeiteinheit strömenden - verdünnten Abgase - ermittelt wird. Temperatur und Druck der infolge Luftbeimengung verdünnten Abgase sollen dabei am Gebläseeingang erfaßt und durch Umrechnung in einem Auswertegerät berücksichtigt werden.

Unbefriedigend bei dem mit dem vorbekannten Meßgerät durchführbaren Meßverfahren ist, daß Kurzzeitmessungen nur recht ungenaue Daten liefern, weil verfahrens- und anlagebedingt recht große Todvolumina vorhanden sind. Auch wirkt sich die "Verdünnung" der zu untersuchenden Abgase mit Umgebungsluft ungünstig auf die parallel zur Volumenbestimmung durchzuführende Gasanalyse aus. Eine Messung im unverdünnten Abgas erhöht die Nachweisgrenzen zur Konzentrationsbestimmung.

Unbefriedigend für die Ermittlung der in Abgasströmen anzutreffenden Schadstoffmengen ist auch eine in der DE 37 07 622 A1 beschriebene Vorrichtung, bei der ein Abgas-Teilstrom als Meßgas durch eine Meßzelle gesaugt wird. Diese Vorrichtung dient zur Bestimmung von Abgaskonzentrationen.

Bekannt ist auch schon eine Strömungsmeßeinrichtung für Fluide (DE 32 39 126 A1), bei der sich innerhalb einer durchströmten Meßkammer ein umströmter Körper befindet und in der sich stromabwärts von diesem Körper bildenden Wirbelstraße ein mit einem Datenverarbeitungsgerät wirkverbundener Druckfühler angeordnet ist. Das Datenverarbeitungsgerät ist mit einem Druckschwankungen in elektrische Meßgrößen verwandelnden Druckwandler und mit einem aus diesen Meßgrößen die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit und gegebenenfalls auch den Massenfluß des Fluids berechnenden Rechner ausgerüstet.

Der vorbekannte Strömungsmesser und das dabei verwirklichte Abtastverfahren mittels Druckwandler ist zur Volumenbestimmung von Abgasströmen, insbesondere zur Autoabgas-Volumenbestimmung, nicht geeignet, weil die Gefahr der Verschmutzung des Druckfühlers besteht und keine hinreichende Meßdynamik gewährleistet ist.

Schließlich ist auch schon eine Apparatur zur Bestimmung des Schadstoffausstoßes in Abgasen unter Zumischung von Frischluft bekannt (DE 32 04 456 A1). Bei dieser Apparatur wird die Einstellung der Abgastemperatur durch Zumischung von heißer Frischluft herbeigeführt. Angesichts der dadurch verwirklichten Verdünnung der Abgase ist dieses Verfahren für die Volumenbestimmung von Abgasströmen völlig ungeeignet.

Angesichts dieser Unzulänglichkeiten des Standes der Technik besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Schaffung eines verbesserten Meßvorrichtung für die Volumenbestimmung von Abgasströmen, die insbesondere für die Abgasvolumenbestimmung bei Brennkraftmaschinen geeignet sein soll.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Eine derart beschaffene Vorrichtung ist im Aufbau einfach und führt zu genauen Meßwerten, wobei besonders günstige Ergebnisse dann erzielt werden, wenn die Vorlaufkammer so bemessen ist, daß vor dem Eintritt der Gasströmung in die eigentliche Meßkammer eine präzise Temperatureinstellung auf das gewünschte Temperaturniveau erreicht wird.

Die apparative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit der Vorlaufkammer und der Meßkammer aus langgestreckten Rohren, die in Parallellage zueinander verlaufen und über einen sich über 180° erstreckenden Umlenkungsbereich zu einer Meßapparatur zusammengefaßt sind, führt zu einer äußerst kompakt bauenden Meßapparatur, bei der die Meßeinrichtung zur Ermittlung der geschwindigkeitsproportionalen Wirbelablösefrequenz in der abströmseitigen Hälfte der Meßkammer, also in einem Bereich angeordnet ist, in dem äußere Einflüsse auf die Strömung ausgeschaltet sind und somit letztere beruhigt ist. Demgemäß werden lediglich die an einem in die Strömung hineinragenden Hindernis der Meßeinrichtung sich ablösenden Strömungswirbel erfaßt.

Der besondere Vorteil der Meßvorrichtung liegt in deren hoher Ansprechgenauigkeit auf sich ändernde Gasdurchsätze, wobei eine Umrechnung der Gasvolumina beispielsweise auf 20°C und Atmosphärendruck bezogene Normalkubikmeter erfolgen kann. Eine besonders hohe Genauigkeit ist gewährleistet, wenn der Mittelwert der auftretenden Strömungswirbel in Zeitintervallen Δt≦1,0 s errechnet wird.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Meßeinrichtung zum Ermitteln der Ablösefrequenz auftretender Strömungswirbel in einem etwa dem zwanzigfachen Durchmesser der Meßkammer entsprechenden Abstand vom Einlaß der Meßkammer angeordnet ist.

Als gleichfalls vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn sich innerhalb des die Vorlaufkammer bildenden Rohrs eine elektrische Widerstandsheizung in Form eines Heizstabes entlang erstreckt, der von sich radial bis an die Rohrwandung reichenden und im übrigen in Strömungsrichtung verlaufenden Wärmeleitblechen umgeben ist, während der Umlenkungsbereich und das die Meßkammer bildende Rohr mit rohraußenseitigen Begleitheizungen versehen sind.

Anhand der beigefügten Zeichnung soll nachstehend eine Ausführungsform der Meßvorrichtung zur Volumenbestimmung von Abgasströmen erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:

Fig. 1 einen Übersichtsplan einer Meßvorrichtung zur Bestimmung der Schadstoffimmissionen in den Abgasen von Brennkraftmaschinen,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer Meßapparatur mit einer Vorlaufkammer zum Einleiten und Einstellen unverdünnter Abgase auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau und mit einer der Vorlaufkammer in Strömungsrichtung der Abgase nachgeschalteten Meßkammer,

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 2 durch die Meßapparatur

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie IV-IV in Fig. 2 durch die mit einer Heizung versehene Vorlaufkammer in vergrößerter Darstellung, und

Fig. 5 einen Querschnitt durch das Rohr der Vorlaufkammer.

Die in Fig. 1 anhand eines Übersichtsplans veranschaulichte Meßvorrichtung besitzt eine Meßapparatur 10, die aus einer Vorlaufkammer 11 mit einem Einlaßstutzen 12 zum Einleiten der zu untersuchenden Abgase und einer sich daran in Strömungsrichtung anschließenden Meßkammer 13 mit einem Strömungsauslaß 14 anschließt. lm Bereich der Meßkammer 13 werden bei 15 der Durchfluß und bei 16 die Temperatur der strömenden Abgase erfaßt und mittels eines Auswertegerätes 17 unter Berücksichti­ gung des statischen Druckes in ein volumenproportio­ nales Analogsignal umgesetzt, das einem nachgeschalte­ ten Auswerterechner 18 - in der Zeichnung nur gestrichelt angedeutet - zugeleitet wird. Im Strömungswege hinter dem Abgriff der geschwindigkeitsproportionalen Durchfluß- und Temperatursignale werden bei 19 aus der Meßkam­ mer 13 unverdünnte Abgasproben entnommen und mittels eines - ebenfalls nur gestrichelt angedeuteten - Analysen­ gerätes 20 die in diesen Proben enthaltenen Schadstoff­ konzentrationen ermittelt. Die mittels des Analysen­ gerätes gewonnen Daten werden ebenfalls dem Auswerte­ rechner 18 zugeführt, der seinerseits anhand dieser Daten und der vom Auswertegerät 17 gelieferten volu­ menproportionalen Analogsignale die jeweiligen Schad­ stoffimmissionen ermittelt.

Bei der in Fig. 2 in einer Gesamtansicht veranschaulich­ ten Meßapparatur 10 besteht die Vorlaufkammer 11 aus einem langgestreckten Rohr 22 mit einem in der Nähe des einen Rohrendes angeordneten Einlaßstutzen 12 zum Ein­ leiten der zu analysierenden Brennkraftmaschinen-Abgase. Parallel zu der rohrförmigen Vorlaufkammer 11 und über dieser ist eine gleichfalls als langgestrecktes Rohr 23 mit definiertem Strömungsquerschnitt ausgebildete Meß­ kammer 13 angeordnet, deren eines Ende mittels eines sich über 180° erstreckenden Umlenkbereichs 24 mit dem vom Einlaßstutzen 12 entfernten Ende des die Vorlauf­ kammer 11 bildenden Rohrs 22 in Strömungsverbindung steht. lm Bereich des Einlaßstutzens 12 erstreckt sich zwischen den Rohren 22 und 24 der Vorlauf- und Meßkammer ein Abstandshalter 21 und das die Vorlaufkammer 11 bil­ dende Rohr 22, der Umlenkungsbereich 24 und das die Meßkammer 13 bildende Rohr 23 sind in bekannter Weise mit einer Isolierung ausgerüstet, die aus einer lso­ lierstoffumhüllung 25 und einem letzteren einschließen­ den Blechmantel 26 besteht, was jedoch hier nicht wei­ ter interessiert.

Zum Aufheizen der über den Einlaßstutzen 12 in die Vorlaufkammer 11 eingeleiteten Abgase erstreckt sich innerhalb des die Vorlaufkammer bildenden Rohrs 22 ein etwa bis an den Umlenkungsbereich 24 heranreichender Heizstab 28, bei dem es sich um eine elektrische Wi­ derstandsheizung handelt. Zwischen dem Heizstab und dem die Vorlaufkammer bildenden Rohr 22 sind Wärmeleit­ bleche 29 angeordnet, die sich radial erstrecken, wie Fig. 4 und 5 zeigen, und im übrigen in Strömungslängsrich­ tung verlaufen. Ferner ist die Vorlaufkammer mit einem hier nicht weiter interessierenden Kondensatablaß 30 ausgerüstet. Der sich an die Vorlaufkammer anschließende Umlenkungsbereich und das die Meßkammer bildende Rohr sind mit einer Rohrbegleitheizung versehen, die in Fig. 2 als die Rohre umschließende Heizwendel 32 an­ gedeutet sind und dazu dienen, die in der Vorlaufkam­ mer auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizten Ab­ gase innerhalb eines vorbestimmten Schwankungsbereichs im wesentlichen auf dem erreichten Temperaturniveau zu halten.

Die Volumenbestimmung der Abgase basiert darauf, daß in der Meßkammer Druck, Temperatur und Strömungsge­ schwindigkeit der Abgase laufend ermittelt und diese Daten vom Auswertegerät 17 in volumenproportionale Analogsignale umgesetzt sowie einem Auswerterechner zugeleitet werden. Zur Ermittlung geschwindigkeitspro­ portionaler Daten dient eine Meßeinrichtung 34, die in einem vorbestimmten Abstand vom Umlenkungsbereich 24 der Meßkammer zugeordnet ist, und zwar in einem Abstand von der Gaseintrittseite der Meßkammer, der etwa das zwanzigfache des lnnendurchmessers des die Meßkammer bildenden Rohrs 23 beträgt. Die Meßeinrichtung 34 besitzt ein in das die Meßkammer bildende Rohr 23 hineinra­ gendes Hindernis 35 und dient zur Ermittlung der Fre­ quenz von Wirbelablösungen, die an dem genannten Hin­ dernis auftreten. Abströmseitig von der Meßeinrich­ tung 34 ist ein Temperaturfühler 36 angeordnet, der einerseits zur Steuerung der elektrischen Widerstands­ heizung in der Vorlaufkammer 11 dient und andererseits seine Meßdaten in der oben in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Weise an das Auswertegerat 17 liefert. Fer­ ner ist abströmseitig von dem Temperaturfuhler ein nur angedeuteter Stutzen 37 zur Entnahme von Gasproben an­ geordnet, was hier indessen nicht weiter interessiert.

Claims (3)

1. Meßvorrichtung zur Volumenbestimmung von Abgasströomen, insbesondere zur Autoabgas-Volumenhestimmung, mit einer Einheit (17) zur fortlaufenden Erfassung der Dichte, der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit und einer Einrichtung (18) zur Ermittlung des Volumens der strömenden Abgase, mit einer Vorlaufkammer (11) zum Einleiten unverdünnter Abgase, die mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung (28) zum Einstellen der Abgastemperatur auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau ausgerüstet ist, und mit einer sich an die Vorlaufkammer (11) anschließenden, einen definierten Strömungsquerschnitt aufweisenden Meßkammer (13), die mit Mitteln (32) zur Aufrechterhaltung der Abgastemperatur während des Durchströmens und mit einer Meßeinrichtung (34) zum fortlaufenden Ermitteln der Ablösefrequenz von an einem Strömungshindernis (35) Strömungswirbeln als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit versehen ist, wobei die Vorlaufkammer (11) und die Meßkammer (13) aus langgestreckten Rohren (22, 23) bestehen, die in Parallellage zueinander verlaufen und über einen sich über 180° erstreckenden Umlenkungsbereich (24) zu einer Meßapparatur zusammengefaßt sind, die Meßeinrichtung (34) zum Ermitteln der Ablösefrequenz von an dem Strömungshindernis (35) auftretenden Strömungswirbeln in der abströmseitigen Hälfte der Meßkammer (13) angeordnet ist und der Meßeinrichtung (34) ein Auswertegerät (17) zum Erfassen der Wirbelablösefrequenz als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, der Temperatur und der Dichte der Gasströmung in der Meßkammer (13) nachgeschaltet ist und wobei das Auswertegerät (17) auf einen Auswerterechner (18) geschaltet ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (34) zum Ermitteln der Ablösefrequenz auftretender Strömungswirbel in einem Abstand vom Einlaß der Meßkammer (13) angeordnet ist, der etwa dem zwanzigfachen des Durchmessers der Meßkammer (13) entspricht.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb des die Vorlaufkammer (11) bildenden Rohrs (22) eine elektrische Widerstandsheizung in Form eines Heizstabes (28) entlangerstreckt, der von sich radial bis an die Rohrwandung reichenden und in Strömungsrichtung verlaufenden Wärmeleitblechen (29) umgeben ist, während der Umlenkungsbereich (24) und das die Meßkammer (13) bildende Rohr (23) mit rohraußenseitigen Begleitheizungen (32) versehen sind.