DE2911317C2 - Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors - Google Patents
Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines KraftfahrzeugmotorsInfo
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Description
Es ist bekannt, daß man durch Kombination eines Sauerstoffanalysators mit einem HC/CO (»Kohlenwasserstoff/
Kohlenmonoxyd«) Analysator signifikante Informationen für die Analyse des Auspuffgases eines
Kraftfahrzeugmotors für Zwecke der Motordiagnostik gewinnen kann. Überschußsauerstoff im Auspuffgas von
Kraftfahrzeiigmotoren mit katalytischen Konvertern
wurde als eine Hauptursache erhöhter Sulfatemissionen ausgemacht. Das Vorliegen überschüssigen Sauerstoffs
im Auspuffgas von Kraftfahrzeugen ist häufig das Ergebnis von Fehlzündungen oder von Fahren mit zu
magerem Gemisch.
Dieser Zustand läßt sich dadurch nachweisen, daß man eine Teilprobe des Auspuffgases aus dem
Kraftfahrzeug entnimmt und die Probe einem Sauerstoffmeßfühler zuführt. Indem man an den Meßfühler
Schaltungsmittel zur Differentiation seines Ausgangssignals anschließt, läßt sich sowohl die Menge als auch die
Änderungsgeschwindigkeit von Sauerstoff im Auspuffgas ermitteln. Es können dann Vorrichtungen zur
Anzeige der Menge und der Änderungsgeschwindigkeit oder zur Alarmgabe, falls diese Werte außerhalb
vorgegebener Grenzen liegen, vorgesehen wurden. Ein Techniker kann diese Information zur Einstellung des
Leerlaufgemischs eines Kraftfahrzeugmotors auswerten, zur Vermeidung eines Fahrzustands mit zu
magerem Gemisch.
Eine Motorabgaseanalyseapparatur mit einem Sauerstoffmeßfühler und Vorrichtungen zur Probenentnahme
aus dem Auspuffgas sowie zur Zuleitung der Probe zu dem Meßfühler ist in der US-Patentschrift 40 30 349 der
Anmelderin beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift wird ein mit einer Sonde verbundener Sauerstoffmeßfühler
in die Auspuffleitung eines Kraftfahrzeugs eingeführt, derart, daß ein Teil des Auspuffgases dem
Meßfühler zugeführt wird. Der Sauerstoffmeßfühier weist im allgemeinen zwei Elektioden auf, die in einem
Körper angeordnet und elektrisch durch einen Elektrolyten miteinander verbunden sind, von der Auspuffgasprobe
jedoch mittels einer Membran getrennt sind, welche für Sauerstoff durchlässig, jedoch für den
Elektrolyten undurchlässig ist.
Sobald die Auspuffgasprobe in Kontakt mit der Membran gelangt, diffundiert Sauerstoff durch die
Membran hindurch zur Berührung mit einer der Elektroden in Gegenwart des Elektrolyten. Dies hat
einen Stromfluß zur Folge, der linear proportional zum
Partialdruck des Sauerstoffs in der vermessenen Probe ist. Der Strom kann gemessen und zur Sauerstoffmenge
in der Probe in Beziehung gesetzt werden. Derartige Meßfühler haben ein sehr rasches Ansprechverhalten,
sind einfach in ihrer Betriebsweise und eignen sich insbesondere zur Bestimmung sowohl von gasförmigem
wie von gelöstem Sauerstoff in Flüssigkeiten oder Gasen.
Das Auspuffgas aus einem Kraftfahrzeugmotor ist ziemlich heiß, typischerweise besitzt es eine Temperatur
im Bereich von 350 bis 500° F. Außerdem enthält das Auspuffgas einen verhältnismäßig hohen Feuchtigkeitsgehalt,
typischerweise einen h^O-Gehalt von 12 bis
16%. Sobald das heiße Auspuffgas auf den kalten Sauerstoffmeßfühier auftrifft, kondensiert die darin
enthaltene Feuchtigkeit und überzieht häufig den empfindlichen Bereich des Meßfühlers. Es hat sich
ergeben, daß hierdurch Änderungen der Sauerstoffkonzentration der Probe überdeckt und insgesamt die
Wirksamkeit einer derartigen Auspuffgas^nalyseapparatur wesentlich beeinträchtigt wird.
Aus der DE-OS 21 51 435 ist eine Analysevorrichtung
für Gase, insbesondere Autoabgase, bekannt, bei welcher das Probengas durch eine Probeneintrittsleitung
in eine Kammer geführt wird, von welcher mehrere Prüfröhrchen, die jeweils auf verschiedene zu überprüfende
Gase (beispielsweise CO, CO2, nitrose Gase und aromatische Kohlenwasserstoffe) ansprechen, abzweigen,
durch welche das Probengas aus der Kammer mittels eines Pumpsystems wahlweise selektiv hindurch-
b5 gesaugt werden kann. Im Zuge der Probeneintrittsleitung
vor der Kammer ist ein zur Kühlung des Probengases dienender Wärmetauscher vorgesehen,
sowie ein Wasserabscheider /.wischen diesem Kühler
und der Kammer.
Aus der DE-OS 2) 15 619 ist, im Rahmen einer
Regelvorrichtung für einen Nachbrenner, ein elektrochemischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts
in Kraftfahrzeugabgasen bekannt, der mit einer eine Heizwicklung und ein Thermoelement und
zugeordnetem Regelkreis aufweisenden gesonderten Aufheizvorrichtung versehen ist. Diese Notwendigkeit
einer gesonderten elektrischen Aufheizung für den Meßfühler mit Heizwicklung, gesonderter Stromquelle
und Regelvorrichtung hierfür ist ersichtlich aufwendig.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors
mit Leitungen zur Probenentnahme aus dem Auspuffgas, durch die die Probe über einen ersten Wärmetauscher
zur Kühlung der Auspuffgase einem Gasmeßfühler zugeleitet wird, der in normalem Betrieb nicht
aufgeheizt werden muß.
Der Erfindung .liegt als Aufgabe die Schaffung eines
Probenentnahmesystems der vorstehend genannten Art für eine Kraftfahrzeugauspuffgas-Analyseapparatur mit
Meßfühler zugrunde, bei welchem ohne nennenswertem Aufwand eine restliche Kondensationsabscheidung von
Feuchtigkeit auf dem Meßfühler zuverlässig vermieden und eine wirtschaftliche, wirksame und rasche Betriebsweise
der Motoranalyseapparatur durch Vermeidung jeglicher Feuchtigkeitsabscheidung auf dem empfindlichen
Bereich des Sauerstoffmeßfühlers gewährleistet wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich eine Analysevorrichtung der vorstehend genannten Art
gemäß der Erfindung durch einen zweiten Wärmeaustauscher, der an der Probenleitung vor dem ersten
Wärmeaustauscher angeordnet und mit dem Meßfühler so verbunden ist, daß dieser aufgeheizt wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, daß der zweite Wärmetauscher einen
Rohrleitungsabschnitt der Probenleitung aus einem wärmeleitenden Material, sowie eine an ihrem einen
Ende mit dem Rohrleitungsstück verbundene Platte aus einem wärmeleitenden Material aufweist, welche eine
Öffnung von eiern Empfindlichkeitsbereich des Meßfühlers entsprechender Abmessung aufweist, und daß der
Meßfühler auf der einen Seite der Platte so angeordnet ist, daß sein empfindlicher Bereich mit der Öffnung in
der Platte ausgerichtet ist, wobei die Anordnung so getroffen sein kann, daß der zweite Wärmetauscher
über der öffnung der Platte ein Siebnetz aus einem wärmeleitenden Materials als Feuchtigkeitsabschirmung
aufweist; vorteilhaft kann die Anordnung so getroffen sein, daß die Probenleitung in ihrem
stromabwärts des ersten Wärmetauschers gelegenen Abschnitt so geführt ist, daß sie auf die andere Seite der
Platte des zweiten Wärmetauschers im Bereich der Öffnung der Platte auftrifft.
Durch die Erfindung wird somit in einfacher, betriebs-
und störsicherer Weise ohne zusätzliche äußere Heizquelle eine Aufheizung des Meßfühlers und einer
gegebenenfalls vor dessen empfindlichen Bereich vorgesehenen Feuchtigkeitsabschirmung gewährleistet.
Da die Feuchtigkeitsabschirmung und der Meßfühler nunmehr heißer als das auf sie auftreffende Auspuffgas
sind, wird jegliche Feuchtigkeitskondensation auf dem empfindlichen Bereich des Meßfühlers zuverlässig
vermieden. Nach dem Grundgedanken der Erfindung ist βί
somit vorgesehen, daß man dem heißen Auspuffgas
selbst Wärmeenergie zur Aufheiziing des Meßfühlers bzw. einer ihn tragenden und seinem empfindlichen
Bereich zugeordneten Feuchtigkeitsabschirmung entzieht, und zwar durch einen in der Probenleitung vor
dem ersten, zur Kühlung des Probengases dienenden Wärmetauscher vorgesehenen weiteren Wärmetauscher,
mit welchem der Meßfühler bzw. eine dessem empfindlichen Bereich zugeordnete Feuchtigkeitsabschirmung
wärmeleitend verbunden ist bzw. sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser
zeigt
F i g. 1 in perspektivischer Ansicht ein Probenentnahmesystem für eine Motorabgas-Analyseapparatur gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 in vergrößerter perspektivischer Ansicht den ersten Wärmetauscher des Systems aus Fi g. 1,
F i g. 3 in vergrößerter perspektivischer Ansicht einen Teil der Apparatur aus Fig. 1,
Fig.4 eine Schnittansicht im Schnitt längs der Linie
4-4 in Fig.3.
Wie insbesondere aus F i g. 1 ersichtlich, dient das als Ganzes mit JO bezeichnete Probenentnahmesystem zur
Verwendung in einer Motorabgas-' >ialyseapparatur,
weiche einen Meßfühler 11 aufweist, den- ein Teil des
aus der Austritts- bzw. Auspuffleitung 12 eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs austretenden Auspuffgases
zugeführt wird. In der nachfolgenden Beschreibung ist der Meßfühler 11 ein Sauerstoffühler. Für den
Fachmann ist jedoch klar, daß es sich bei dem Meßfühler 11 auch um einen HC-Fühler, einen CO-Fühler, einen
NOx-Fühler oder einen beliebig anderweitigen für
Abgasdiagnoseapparaturen brauchbaren Meßfühler handeln kann.
F i g. 4 veranschaulicht in stark vereinfachter Darstellung den Aufbau eines im wesentlichen herkömmlichen
amperometrischen Sauerstoffmeßfühlers 11 mit einem einen Hohlraum 14 bildenden Gehäuse 13. In dem
Gehäuse in dem Hohlraum 14 ist ein Halterungsteil 15 zur Halterung einer (nicht dargestellten) Kathode
angeordnet. Über eine Öffnung 16 in einer im offenen Ende des Körpers 13 angeordneten Kappe 17 isi eine
(nicht dargestellte) Membran gespannt, die an ihrem Umfang mit dem Gehäusekörper 13 verbunden ist. Der
Hoh:;aum 14 ist mit einem Elektrolyten 18 gefüllt. In dem Hohlraum 14 ist in Kontakt mit dem Elektrolyten
18 eine Anode 19 angeordnet. Aus dem Körper 13 erstrecken sich zur Verbindung mit einer (nicht
dargestellten) Spannungsquelle elektrische Zuleitungen 20 und 21, die mit der Kathode und der Anode 19
verbunden sind.
Bei der Herstellung eines derartigen Meßfühlers zur Verwendung als amperemetrischer Sauerstoffühler
besteht die Kathode typischerweise aus Gold, die Anode 19 typischerweise aus Silber, die Membran aus
Polytetrar'luoräthylen, und der Elektrolyt 18 ist typischerw-iire
eine gepufferte oder ungepufferte 5°/oige KCI-Lösung. Zwischen der Kathode und der Anode 19
liegt typischerweise ein Potential von 75OmV. Wird durch die Öffnung 16 in der Kappe 17 eine Probe zum
Kontakt mit der Membran gebracht, so diffundiert Sauerstoff aus der Probe durch die Membran hindurch
und wird an der Kathode reduziert. Hierbei fließt ein Strom, der linear proportional zum Partialdruck des
gemessenen Sauerstoffs ist. Dieser Strom kann gemessen und zu der Saucrstoffmcnge in de.· Probe in
Beziehung gesetzt werden.
Die ordnungsgemäße Funktion des Meßfühlers 11 kann durch i-'ciiehligktitskortdcnsation im Bereich ücr
Öffnung 16 in der Kappe 17 beeinträchtigt werden. Dies
29 Il 317
ist hei den bekannten Meßfühleranwcndungen dieser
Art regelmäßig eingetreten, da das aus dem Auspuffrohr
12 austretende Gas typischerweise eine Temperatur im
Bereich von 330 bis 300 F-" I .-sitzt und stark feuchtig·
keitshahig ist. mit einem typischen H>O-Geh.ilt von 12
bis lbn/l>.
Wie aus den K i g. I bis 4 ersichtlich, weist d.is
Probenentnahmesystem IO eine erste Leitung, vorzugsweise
ein Rohrleitungsstück JO von großem Durchmesser, auf. das mit seinem einen luidc in das offene Ende
tier Auspuffleitung 12 hineinragt. Auf diese Weise vermag der im Inneren der Auspuffleitung 12 herrschende
Druck ohne Anwendung einer eigenen Pumpe das
Auspuffgas durch das Probenentnahmesystem 10 zu drücken. Das andere Ende der Rohrleitung 30 ist über
ein flexibles Rohrleitiingsstück 31 mit dem einen Ende
eines Rohrsiücks 32 verbunden, das Teil eines als Ganzes mit 33 bezeichneten, vollständig aus einem
wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, hergestellten Wärmetauschers ist. Der Wärmetauscher
1} ,..„;<■ IW.ior orn» PUiIo IA ...f ,!.>,■..„ o,noc PnrU mil
Im folgenden wird die Betriebsweise der Vorrichtung
erläutert. I !her die Rohrleitung 30 und die biegsame Leitung 31 wird das heiße Auspuffgas aus der
AustrittsleitLing 12 durch das Rohrleiuingsstück 32
geleitet. Da das Rohrleitungssiiick 32 irul der iibrige
Teil des Wärmetauschers 3 3 aus einem wärmeleitenden
Material, wie beispielsweise Kupfer, bestehen, erwärmen
die heißen Auspuffgase das Rohrleitungsstück 32. die Plane 34, das Net/ 36 sowie auch den daran
angeordneten Meßfühler 11. Nach dem Durchsetzen des Rohrleitungsstücks 32 wird die heiße Aiisnuffgasprobe
über die biegsame Leitung 37 durch den Kondensator 38 geleitet, in welchem die Aiispuffgasprobe wesentlich
abgekühlt wird. P'e Länge der Rohrleitung 39 und deren Werkstoff sind so gewählt, daß die Temperatur des
Auspuffgase* bei Erreichen der biegsamen Leitung 42 auf einen Wert von etwa 30" F über der Umgebungstemperatur
abgefallen ist. Das gekühlte Auspuffgas tritt sodann in die Kammer 46 ein. wo es durch das Netz 36
hindurch auf den empfindlichen Bereich des Meßfühlers ti ι,ιΓΐι-ifft rVirw.-h Irill siic Λ.ιΐη,ιΓΓ.νκ ,1.,.-,.I, ,1.,.,
dem Rohrleitungsstuck 32 verbunden ist. beispielsweise in der gezeigten Art um dieses Rohrleitungsstück
herumgewickelt ist. Die Platte 34 weist eine Öffnung 35 auf. die annähernd gleich oder etwas größer als die
Öffnung 16 in der Kappe 17 des Meßfühlers 11 ist. in der
Öffnung 35 1St ein feinmaschiges Netz bzw. Sieb 36 aus wärmeleitendem Material angeordnet. Wie aus den
Fig. !. i und 4 ersichtlich, ist der Meßfühler 11 auf der
einen Seite der Platte 34 angeordnet, derart, daß die
Öffnung 16 mit dem Netz 36 ausgerichtet ist.
Das andere Ende des Rohrleitungsstücks 32 ist über eine zweite Leitung, vorzugsweise in Form eines
Stückes biegsamer Leitung 37, mit dem einen Ende des /weiten, als Ganzes mit 38 bezeichneten Wärmetauschers
verbunden. Der Wärmetauscher 38 ist ein Kondensator, der aus einem Stück Metallrohr 39 mit
einer Vielzahl daran angeordneter Rippen 40 bestehen kann. An der tiefsten Stelle ist in der Rohrleitung 39 eine
Abflußöffnung 41 vorgesehen.
Der Wärmetauscher 38 schließlich ist über eine dritte Leitung, vorzugsweise ein Stück biegsame Leitung 42,
mit dem Einlaß 43 eines Gehäuses 44 verbunden. Das Gehäuse 44 weist einen Gehäusekörper 45 auf. der eine
Kammer 46 bildet. Der Einlaß 43 mündet an der einen Stirnseite des Gehäusekörpers 45, der an seiner anderen
Stirnseite offen und mit der das Netz 36 umgebenden anderen Seite der Platte 34 verbunden ist. In der
Seiten« andung des Gehäusekörpers 45 ist ein Auslaß 47 vorgesehen.
Auslaß 47 des Gehäuses 44 aus und kann beispielsweise an Atmosphäre abgelassen werden.
Das Siebnetz 36 arbeitet auf zwei unterschiedlichen Pegeln. Anfänglich, wenn die Rohrleitung 30 zuerst in
das Ende der Auspuffleitung 12 eingeführt wird, sind
sämtliche Elemente des Probenentnahmesystems IO einschließlich dem Siebnetz 36 kalt. Sobald daher das in
der "Kammer 46 eintretende heiße Auspuffgas auf das Siebnf ■/'. 36 auftrifft, kommt es zur Feuchtigkeitskondensation
an dem Siebnetz 36 statt an dem empfindlichen Bereich des Meßfühlers II. Mit fortgesetzter
Strömung des Auspuffgases werden das Rohrleitungsstück 32, die Platte 34 und das Siebnetz 36 erhitzt,
derart, daß eine Wärmeebene gebildet wird, die um einige Grad wärmer als die Temperatur des gleichen
.Auspuffgases ist. wenn es nach dem Durchsetzen des Kondensors 38 auf diese Wärnieebene auftrifft. Daher
verdampft die anfänglich an dem Siebnetz 36 kondensierte Feuchtigkeit und wird von dem Auspuffgas über
den Auslaß 47 aus dem Gehäuse 45 mit fortgeführt. Danach wirkt diese Wärmeebene nunmehr als Feuchtigkeitsabschirmung
und verhindert die Ausbildung einer weiteren Kondensation an oder nahe dem Meßfühler 11.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich, soll das gesamte System in
Richtung zum Kondensator 38 hin nach unten abfallen,
derart, daß Kondenswasser aus irgendeiner der Leitungen in Richtung auf den niedrigsten Punkt des
Systems IO fließt, wo die Abflußöffnung 41 angeordnet
ist.
Hierzu I Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Analyse des Auspuffgases eines Kraftfahrzeugmotors mit Leitungen zur Probenentnahme
aus dem Auspuffgas, durch die die Probe über einen ersten Wärmeaustauscher zur Kühlung der
Auspuffgase einem Gasmeßfühler zugeleitet wird, der in normalem Betrieb nicht aufgeheizt werden
muß, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmeaustauscher (33), der an der Probenleitung
(30, 31, 32) vor dem ersten Wärmeaustauscher (38) angeordnet und mit dem Meßfühler (11) so
verbunden ist, daß dieser aufgeheizt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmetauscher einen
Rohrleitungsabschnitt (32) der Probenleitung (30) aus einem wärmeleitenden Material, sowie eine an
ihrem einen Ende mit dem Rohrleitungsstück (32) verbundene Platte (34) aus einem wärmeleitenden
Material aufweist, welche eine öffnung (35) von dem Empfindticakeitsbereich des Meßfühlers (11) entsprechender
Abmessung aufweist, und daß der Meßfühler (11) auf der einen Seite der Platte (34) so
angeordnet ist, daß sein empfindlicher Bereich (16) mit der öffnung (35) in der Platte ausgerichtet ist
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleiking in ihrem stromabwärts
des ersten Wärmetauschers (38) gelegenen Abschnitt (42, 43, 44) so geführt ist, daß sie auf die
andere Seite der Platte (34) des zweiten Wärmetauschers (33) im Bereich der Öffnung (35) der Platte
auftrifft.
4. Vorrichtung nach Ansp/jch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß dev zweite Wärmetauscher (33) über der Öffnung (35) der PIr *.te (34) ein Siebnetz
(36) aus einem wärmeleitenden Material als Feuchtigkeitsabschirmung
aufweist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Wärmetauscher ein Kondensor (38) ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probenleitung in ihrem in das offene Ende der Kraftfahrzeugauspuffleitung (12) einführbaren
Abschnitt (30) einen hinreichend großen Durchmesser besitzt, damit der in der Auspuffleitung
herrschende Druck die Auspuffgasprobe durch die Probenleitung hindurch zu dem Meßfühler (11)
drückt.
Applications Claiming Priority (1)
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