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Diese
Erfindung betrifft einen Partikelprobenehmer zur Verwendung in der
Analyse von Partikelmaterial im Abgas einer Emissionsquelle, wobei
der Probenehmer umfasst:
- – eine Übertragungsrohranordnung mit
einer Sonde, die zumindest teilweise eine Abgasprobenleitung begrenzt
und die einen ersten Endabschnitt mit einer Öffnung zur Aufnahme des Abgases
von der Emissionsquelle besitzt und sich bis zu einem zweiten Endabschnitt
erstreckt,
- – einen
Mischer, der den zweiten Endabschnitt aufnimmt, wo dem Abgas ein
Verdünnungsgas zugeführt wird,
- – einen
Tunnel, der mit dem Mischer verbunden ist und einen konischen Endabschnitt
aufweist.
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US 5,337,595 A offenbart
proportionale und isokinetische Unterschall-Venturi-Probenahmeverfahren
und Vorrichtungen zur Verwendung bei der Beurteilung von Abgasemissionen
einer Abgasquelle, die ein Paar kalibrierter Unterschall-Venturiverengungen
zur Messung der jeweiligen Durchflussgeschwindigkeiten eines Hauptstroms
und einer entnommenen Probe verwenden. Abgas aus einem Auspuffendrohr
wird durch ein Abgasansaugrohr in einen den Hauptfluidstrom begrenzenden
Weg geleitet, der ein Mischrohr umfasst, das mit einem Luftschacht
verbunden ist, welcher durch eine Filteranordnung Ansaugluft aus
der Umgebung erhält.
Durch eine kalibrierte Unterschall-Venturiverengung wird aus einer
Probenahmezone in dem Hauptdurchflussweg eine Probe des Gemisches
entnommen.
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Das
Dokument
US 5,419,178
A beschreibt einen Abgasanalysator zur Emissionsprüfung von Kraftfahrzeugmotoren,
der ein Probenahmerohr aufweist, in das durch Gasleitungen ein Gemisch
aus Abgas und Umgebungsluft eingespeist wird. Stromabwärts des
Probenahmerohrs ist eine Gasförderpumpe
angeordnet.
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EP 0 042 800 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Sammeln eines Gasgemisches und zur Probenahme
hinsichtlich einer Analyse der Bestandteile des Gemisches, die insbesondere
zur Messung der von Kraftfahrzeugen ausgestoßenen Schadstoffe verwendbar
ist. Die Vorrichtung umfasst ein Mischerrohr, in welches das Auspuffrohr
mündet,
sowie ein Sauggebläse,
das mit dem stromabwärtigen
Ende des Mischerrohrs verbunden ist, um das Gemisch einem Ableitrohr
zuzuliefern. Das Mischerrohr dient als Verdünnungskammer und auch als Wärmetauscher.
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Die
Vorrichtung umfasst außerdem
eine Sonde zur Probenahme aus dem Gemisch von Gas und Luft, die
sich in dem stromabwärtigen
Teil des Rohres befindet, welches die Verdünnungskammer bildet. Der stromaufwärtige Endteil
des Mischerrohrs umgibt den stromabwärtigen Endteil des Auspuffrohrs,
wobei ein freier Raum zwischen den Rohren gebildet wird, um einen
Zutritt von Verdünnungsluft zu
ermöglichen.
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Partikelprobenehmer
werden verwendet, um in Abgasen vorkommendes Partikelmaterial zu
sammeln und es einem Filter oder Analysator zuzuführen. Ein
Vollstromverfahren misst die Partikel durch Verdünnung der gesamten von dem
Fahrzeug ausgestoßenen
Abgase. Dieses Verfahren zur Partikelprobenahme ist jedoch sehr
kostspielig. Alternativ ist ein Teilstrom-Partikelprobenahmeverfahren
zum Einsatz gekommen, bei dem eine kleine Sonde in das Auspuffendrohr
eingeführt
wird, um eine kleine Probe der Abgase zu erhalten. Diese kleinere
Abgasfraktion wird dann verdünnt,
um eine Temperatur des Gemisches unter 125°F (52°C) zu erzielen. Das Partikelmaterial
in der verdünnten
Probe wird gemessen, und es werden Berechnungen durchgeführt, um
die Gesamtmenge an Partikelmaterial, die in sämtlichen von dem Fahrzeug ausgestoßenen Abgasen
vorhanden ist, zu bestimmen. Das Teilstromverfahren ist viel kostengünstiger,
aufgrund der Unmöglichkeit
eines genauen Nachweises des gesamten Partikelmaterials in der Abgasprobe
unterliegt es jedoch Schwankungen.
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Die
Struktur der Leitungen im Innern des Partikelprobenehmers wirkt
sich auf die Genauigkeit der Partikelmessung aus. Zum Beispiel kann
sich eine Fraktion des Partikelmaterials auf den Wänden der
Leitungen ansammeln und daher niemals den Filter oder Analysator
erreichen. Folglich wird das gemessene Partikelmaterial geringer
sein als das tatsächliche
Partikelmaterial in den Abgasproben.
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Die
als Probe genommenen Abgase werden typischerweise durch eine Sonde
zu einem Mischer gesaugt, wo den Abgasen Verdünnungsgase zugeführt werden.
Vom Mischer bewegen sich die Abgase und Verdünnungsgase durch eine Leitung,
wo sie homogen gemischt werden. Zur Gewährleistung der Genauigkeit
ist es wünschenswert,
die Abgase möglichst
nahe an ihrer ursprünglichen
Abgastemperatur zu halten. Bei einer typischen Emissionsprüfung schwankt
die Temperatur der Abgase. Folglich ist es wünschenswert, diesen Temperaturschwankungen
in Abgasen während
der Prüfung
Rechnung zu tragen. Das heißt,
es ist wünschenswert,
dass der Partikelprobenehmer die Probe ohne eine Änderung
der Temperatur der Abgase sammelt. Daher ist es wünschenswert,
einen Partikelprobenehmer bereitzustellen, der die Temperatur der
Abgase während
der Prüfung
aufrechterhält
und gleichzeitig das gesamte Partikelmaterial zum Filter oder Analysator
transportiert.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Qualität der Messung
des Partikelmaterials zu steigern.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass der Mischer eine Verdünnungsgasleitung zum Transport
eines Verdünnungsgases
umfasst, wobei die Verdünnungsgasleitung
zur Einführung
des Verdünnungsgases
in das Abgas in Verbindung mit der Abgasprobenleitung steht, und
dass der zweite Endabschnitt angrenzend an den Tunnel angeordnet
ist, wobei der Tunnel eine Gasmischleitung aufweist, die über eine
bestimmte Strecke zum homogenen Mischen der Gase verläuft, und
wobei der konische Endabschnitt der Mischleitung sich gegen den
zweiten Endabschnitt hin verjüngt,
um sicherzustellen, dass sich das Partikelmaterial mit den Gasen
auf der Strecke der Gasmischleitung mischt, ohne sich in einem Rückströmungsbereich
zu sammeln.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Partikelprobenehmer zur Verwendung
in der Analyse von Partikelmaterial in Abgas bereit. Der Probenehmer umfasst
eine Übertragungsrohranordnung
mit einer Sonde, die zumindest teilweise eine Abgasprobenleitung
begrenzt. Die Übertragungsrohranordnung
besitzt einen ersten Endabschnitt mit einer Öffnung zur Aufnahme von Abgas
und erstreckt sich bis zu einem zweiten Endabschnitt. Ein Mischer
nimmt den zweiten Endabschnitt auf und umfasst eine Verdünnungsgasleitung
zum Transport eines Verdünnungsgases. Die
Verdünnungsgasleitung
steht zur Einführung
des Verdünnungsgases
in das Abgas mit der Abgasprobenleitung in Verbindung. Mit dem Mischer
ist ein Tunnel verbunden und weist eine Gasmischleitung auf, die über eine
bestimmte Strecke zum homogenen Mischen der Gase verläuft. Die
Gasmischleitung verjüngt
sich gegen den zweiten Endabschnitt hin, um sicherzustellen, dass
sich das Partikelmaterial mit den Gasen auf der Strecke der Gasmischleitung mischt,
ohne sich in einem Rückströmungsbereich
zu sammeln. Das Übertragungsrohr
umfasst einen Isolierhohlraum, um die Abgasleitung des Probenehmers
zu isolieren und darin die Temperatur der Abgase aufrechtzuerhalten.
In dem Isolierhohlraum kann ein Isoliermaterial angeordnet sein
oder es kann Abgas durch den Isolierhohlraum geleitet werden, um die
Abgasprobenleitung zu isolieren.
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Folglich
stellt die obige Erfindung einen Partikelprobenehmer bereit, der
die Temperatur der Abgase während
der Prüfung
aufrechterhält
und gleichzeitig das gesamte Partikelmaterial zum Filter-Analysator
transportiert.
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Endung werden durch Bezugnahme auf die
folgende ausführliche
Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erkennbar,
wobei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Partikelprobenehmers ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Mischers und einer Übertragungsrohranordnung
ist;
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3 eine
Querschnittansicht einer Ausführungsform
der Übertragungsrohranordnung
ist; und
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4 eine
teilweise ausgebrochene perspektivische Ansicht eines Tunnels der
vorliegenden Erfindung ist.
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Ein
Partikelprobenehmer 10 umfasst vorzugsweise mehrere Teile,
die lösbar
aneinander befestigt sind. Die Teile sind typischerweise aus rostfreiem
Stahl hergestellt, welcher der rauhen Umgebung der Fahrzeugabgase
standhält.
Der Probenehmer 10 umfasst eine Übertragungsrohranordnung 12 mit
einer Sonde 14. Die Sonde 14 umfasst typischerweise einen
gekrümmten
oder geraden Endabschnitt, der quer in einem Auspuffendrohr 13 angeordnet
ist. Die Sonde 14 sammelt eine kleine Abgasprobe, die Partikelmaterial
enthält.
Die Sonde 14 befördert
die Abgasprobe zu einem Mischer 16, wo den Abgasen Verdünnungsgas
zugeführt
wird. Die Verdünnungs-
und Abgase werden durch einen Tunnel 18 befördert, wo sie
homogen gemischt werden. An einem Ende des Tunnels 18 kann
ein Filter angeschlossen sein, um das Partikelmaterial an einem
Filter oder einer ähnlichen
Vorrichtung zu sammeln. Alternativ kann mit dem Ende des Tunnels 18 ein
Analysator zur Analyse der Abgasprobe verbunden sein.
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Bezug
nehmend auf 2 umfasst die Sonde 14 einen
ersten Endabschnitt 22 mit einer Öffnung 24 zur Aufnahme
des Abgases. Die Sonde erstreckt sich bis zu einem zweiten Endabschnitt 26,
der an den Tunnel 18 angrenzt, wenn die Übertragungsrohranordnung 12 und
der Tunnel 18 aneinander befestigt sind. Die Sonde 14 begrenzt
zumindest teilweise eine Abgasprobenleitung 27. Der Mischer
umfasst eine Verdünnungsgaskammer 30,
die Zuleitungsrohre 32 aufweist, welche mit dieser in Fluidverbindung stehen,
um das Verdünnungsgas
zur Verdünnungsgaskammer 30 zu
befördern.
Vorzugsweise ist ein Diffusorkegel 28 an dem zweiten Endabschnitt 26 befestigt
und verjüngt
sich gegen den Tunnel 18 hin, um die Verdünnungsgase
an der Außenfläche des
Kegels 28 entlang und in den Tunnel 18 zu leiten.
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Beim
bisherigen Stand der Technik war die Sonde aus einem langen, dicken
Rohr mit einer Wanddicke von etwa 0,040 Inch hergestellt; dieses Rohr
war nicht isoliert, sondern wurde auf eine Temperatur von 150 bis
180°C erwärmt. Die
Sonde der vorliegenden Erfindung verwendet eine Wanddicke von etwa
0,020 Inch oder darunter und ist von der Stelle, wo sie aus dem
Auspuffendrohr 13 austritt, bis zum Tunnel erheblich kürzer, um
den Einfluss des Partikelprobenehmers auf die Abgastemperatur zu verringern.
Das heißt,
durch die Verwendung einer Sonde mit einer größeren Wanddicke, wie die des bisherigen
Stands der Technik, wird eine größere Menge
der thermischen Energie des Abgases absorbiert. Infolgedessen wird
die dynamische Prüfung
beeinträchtigt,
da die Temperatur der Abgasprobe hinter der tatsächlichen Abgastemperatur zurückbleiben wird. Überdies
verlängert
die größere Wanddicke
die statische Prüfung
insofern, als der Probenehmer länger "aufgewärmt" werden muss, um
die Temperatur der Abgase zu erreichen.
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Die
Verwendung einer erheblich kürzeren Sonde
als beim Stand der Technik kann bewirken, dass der Probenehmer 10 empfindlicher
gegenüber im
Auspuffendrohr auftretenden Druckschwankungen ist. Verbrennungsmotoren
verursachen zyklische Druckschwankungen bei der Hin- und Herbewegung der
Motorkolben. Während
eines Druckabfalls könnte Abgasprobe
und Verdünnungsgas
unerwünschterweise
aus der Sonde und zurück
in das Auspuffendrohr gesaugt werden, wodurch das Verdünnungsverhältnis in
unkontrollierter Weise verändert
wird. Bezug nehmend auf 3 könnte der im Auspuffendrohr 13 befindliche
Teil der Sonde 14 verlängert
werden, um die Auswirkungen der Druckschwankungen zu minimieren.
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Die Übertragungsrohranordnung
der vorliegenden Erfindung erhält
die Temperatur der Abgasprobe besser aufrecht, so dass der Einfluss
des Probenehmers 10 und der Umgebungsluft auf die Temperatur
der Probe verringert wird. Weiterhin bezugnehmend auf 3 umfasst
die Übertragungsrohranordnung 12 ein
Außenrohr 34,
das die Sonde 14 umgibt, um einen Isolierhohlraum 36 zu
schaffen. Der Isolierhohlraum 36 isoliert die Abgasprobenleitung 27 von
der die Übertragungsrohranordnung 12 umgebenden
Umgebungsluft und dem Verdünnungsgas
in der Verdünnungsgaskammer 30,
um die Temperatur der Abgasprobe aufrechtzuerhalten. Vorzugsweise ist
die Sonde 14 von dem Auspuffendrohr bis zum Tunnel 18,
wo die Gase homogen gemischt werden, isoliert. In dem Isolierhohlraum 36 kann
wie in 3 dargestellt Isoliermaterial 38 angeordnet
werden oder es kann einfach die in dem Isolierhohlraum 36 eingeschlossene
Luft verwendet werden. Der Kegel 28 trennt das Außenrohr 34 und
die Sonde 14, um die Abgasprobe weiter zu isolieren, bis
sie mit dem Verdünnungsgas
gemischt wird. Der Kegel 28 kann aus keramischem Werkstoff
gefertigt sein, um eine verbesserte Isolation zu gewährleisten.
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Der
Durchmesser der Sonde 14 beträgt typischerweise etwa 0,25
Inch im Durchmesser. Das Außenrohr 34 kann
einen Durchmesser von etwa 0,75 Inch oder darüber aufweisen. Folglich kann
ein wünschenswertes
Verhältnis
von Außenrohr 34 zu
Sonde 14 etwa 3:1 betragen, was einen genügend großen Isolierhohlraum
bietet, es versteht sich jedoch, dass in Abhängigkeit von dem Aus maß der Isolation
und anderen Parametern ein anderes Verhältnis verwendet werden kann.
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Bei
Tunneln des bisherigen Stands der Technik kommt es zu Problemen
mit Partikelmaterial, das sich in den inneren Leitungen ansammelt,
wodurch die Genauigkeit der Partikelmessung beeinträchtigt wird.
Speziell Tunnel des bisherigen Stands der Technik verwendeten lange
zylindrische Rohre. Der Innendurchmesser der Rohre war größer als
der Innendurchmesser der mit dem Tunnel verbundenen Sonde. Infolgedessen
entstand ein Rückströmungsbereich,
in dem sich angrenzend an die Sonde im Innern des Tunnels Partikelmaterial
sammeln würde. Der
Tunnel 18 der vorliegenden Erfindung umfasst, wie in 4 im
Detail dargestellt, angrenzend an den Mischer 16 einen
konischen Endabschnitt 52. Der Tunnel 18 umfasst
vorzugsweise ein äußeres Rohr 54 von
etwa 1,25 Inch Außendurchmesser
(1,125 Inch Innendurchmesser) und 2½ Fuß Länge. Koaxial mit dem äußeren Rohr 54 ist
ein inneres Rohr 56 angeordnet und begrenzt eine Gasmischleitung 57.
Der konische Endabschnitt 52, der einen Winkel von 8° bis 12° aufweist,
verjüngt
sich gegen den Mischer 16 hin, um eine kegelstumpfartige
Form zu bilden, die einen Venturieffekt erzeugt, welcher verhindert,
dass sich Partikelmaterial in der Gasmischleitung 57 ansammelt.
Die Rohre 54 und 56 sind auf jede geeignete Weise
befestigt. Die Öffnung
in dem konischen Endabschnitt 52, die einen Durchmesser
von 0,3 bis 0,5 Inch aufweist, bildet die Mischöffnung und ist mit dem zweiten
Endabschnitt 26 der Sonde ausgerichtet. Der Tunnel 18 und
der Mischer 16 umfassen Flansche 58, die mit einer
Klemme 60 aneinander befestigt sind.
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Das
Abgas wird durch die Sonde 14 aufgenommen, und der Mischer 16 führt der
Abgasprobe Verdünnungsgas
zu. Beim Strömen
der Abgasprobe durch die Sonde 14 wird die Auswirkung der
Sonde auf die Temperatur der Abgasprobe durch die verringerte Wanddicke
minimiert. Überdies
wird die Temperatur der Abgasprobe beim Durchströmen der Übertragungsrohranordnung 12 durch
den Isolierhohlraum 36 aufrechterhalten. Das Verdünnungsgas und
das Abgas strömen
in den Tunnel 18, wo sie homogen gemischt werden. Der Tunnel 18 verjüngt sich gegen
die Übertragungsrohranordnung 12 hin,
so dass sich kein Partikelmaterial in dem Tunnel 18 ansammelt.
Die Abgasprobe kann dann in einem Filter gesammelt oder zur genaueren
Analyse an einen Analysator geschickt werden.
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Die
Erfindung wurde in erläuternder
Weise beschrieben, und es versteht sich, dass die verwendete Terminologie
in der Eigenschaft von Beschreibungsworten und nicht als Beschränkung aufzufassen
ist. Natürlich
sind im Lichte der obigen Lehre viele Modifikationen und Abänderungen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Es versteht sich daher, daß die
Erfindung im Rahmen der beigefügten
Ansprüche anders
als spezifisch beschrieben ausgeübt
werden kann.