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Dokumentenidentifikation DE3923453C2 05.11.1998
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Messen eines kondensierbare Bestandteile, Flüssigkeitsnebel u. dgl. enthaltenden Gasstrom
Anmelder Tokyo Keiso Co., Ltd., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Sugi, Tokio, Tokio/Tokyo, JP;
Takahashi, Yugi, Chigasaki, Kanagawa, JP;
Mori, Yasuo, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Beyer, W., Dipl.-Ing.; Jochem, B., Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 60323 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 15.07.1989
DE-Aktenzeichen 3923453
Offenlegungstag 25.01.1990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.11.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.11.1998
IPC-Hauptklasse G01F 15/08
IPC-Nebenklasse G01P 5/12   G01F 1/68   F02B 77/08   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines kondensierbare Bestandteile, Flüssigkeitsnebel und dgl. enthaltenden Gasstroms, z. B. des Durchblasgemisches, welches in einem Verbrennungsmotor aus den Zylindern in das Kurbelgehäuse entweicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bisher haben die Kolben in Kraftfahrzeugmotoren normalerweise drei Kolbenringe gehabt. Es sind jedoch in letzter Zeit Untersuchungen vorgenommen worden mit dem Ziel, die Zahl der Kolbenringe auf zwei zu reduzieren, um die Leistung und Wirtschaftlichkeit der Motoren zu verbessern. Weiterhin ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zu berücksichtigen, daß großvolumige Dieselmotoren, wie sie in Busse und Lastkraftwagen eingebaut werden, bis an die äußerste Grenze ihrer Lebensdauer im Einsatz bleiben. In beiden Fällen kann das Gasvolumen, welches von den Verbrennungskammern der Zylinder in das Kurbelgehäuse entweicht, d. h. das sog. Durchblasgemisch, zu einem schwierigen sozialen Problem werden. Daher stellt sich die Aufgabe, ein Meßverfahren und eine Meßanordnung zu schaffen, mit deren Hilfe der Leckagestrom des Durchblasgemischs möglichst genau gemessen werden kann. Das Durchblasgemisch besteht im wesentlichen aus Verbrennungsgas, enthält aber auch kondensierbare Bestandteile und Flüssigkeitsnebel, bestehend aus durch Dampfkondensation entstandenen Wassertröpfchen sowie weiterhin Schmieröltröpfchen, Treibstofftröpfchen usw.

Bisher standen zu Messung des Leckagestroms des Durchblasgemischs mit einer Flüssigkeit arbeitende Gasstrommesser zur Verfügung, diese haben jedoch verschiedene Nachteile. Sie seien nachstehend anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 4 der Zeichnung erläutert, worin der Strom des Durchblasgemischs mit 1, eine Ölfalle mit 2, ein Ausgleichsbehälter mit 3, ein Naß-Gasstrommesser mit 4 und eine Flüssigkeitsauslaßöffnung mit 5 bezeichnet sind. In einer solchen Meßanordnung wird das aus einem nicht gezeigten Motor abgeleitete Durchblasgemisch 1 zunächst in die Ölfalle 2 geleitet, in deren kastenförmigen Behälter die Strömungsgeschwindigkeit des Gases 1 im wesentlichen auf Null reduziert wird, so daß die in dem Gas enthaltenen, aus Wasser- und Öltröpfchen bestehenden Flüssigkeitsnebel infolge Schwerkraft ausgefällt werden und sich am Boden der Ölfalle 2 sammeln. Das von den Flüssigkeitsnebeln befreite Gas wird dann zum Strömungsmesser 4 weitergeleitet, um dort die Strömungsgeschwindigkeit zu messen.

Die bekannten Naß-Strömungsmesser 4 werden jedoch infolge eines großen Druckabfalls im Meßgerät 4 beeinflußt von Druckänderungen in den Zylindern des Motors und damit auch des Durchblasgemischs, woraus eine Instabilität der Anzeigen des Meßgeräts 4 resultiert. Um die Anzeigen zu stabilisieren, muß der Ausgleichsbehälter 3 ein großes Volumen haben. Da jedoch der Naß-Strömungsmesser 4 ein volumetrischer Strömungsmesser ist, werden bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten auch die Druckverluste im Meßgerät groß. Daher müssen, um aus den Anzeigen des Meßgeräts die tatsächlichen Strömungsmengen zu ermitteln, die angezeigten Werte in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck im Strömungsmesser 4 korrigiert werden. Weil letzterer darüber hinaus jeweils nur eine innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls angesammelte Gasmenge mißt, kann er keine brauchbaren Messungen während sich ändernder Strömungsbedingungen ausführen, wie z. B. während einer Beschleunigung oder Verzögerung der Maschine. Außerdem haben derartige Naß-Strömungsmesser nur einen schmalen Strömungsmengen-Meßbereich. Sie können daher nicht verwendet werden zum Messen der Strömungsmengen von Leckageströmen bei Motoren mit unterschiedlichem Hubraum. Vor allem wird die Messung des Durchblasgemischs von Dieselmotoren, von denen die meisten einen großen Hubraum mit normalerweise mehr als 6.000 cm3 haben, sehr ungenau. Gerade für Dieselmotoren, die viele Jahre in Einsatz waren, wäre jedoch eine Überprüfung des Verschleißes ohne Zerlegung des Motors allein durch Messung der Menge des Durchblasgemisches sehr zweckmäßig. Leider versagen hier aus den obengenannten Gründen die bekannten Naß-Strömungsmesser.

Auch aus dem US 4,468,962 ist eine Vorrichtung zum Messen eines Gasstroms bekannt. Eine Meßvorrichtung mit einem Kondensator zum Erfassen von Anteilen in Gasgemischen ist aus dem US 4,739,647 bekannt.

Schließlich darf auch nicht übersehen werden, daß große Mengen von Motoren abgegebener Leckagegase eine Umweltverschmutzung darstellen. Auch, um an dieses Problem heranzukommen, ist zunächst ein zuverlässiges Meßverfahren und eine geeignete Meßvorrichtung unerläßlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen sich besser als bisher Gasströme, wie der Leckagestrom des Durchblasgemischs eines Verbrennungsmotors, über einen großen Bereich der Strömungsmenge und auch während Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen sehr genau messen lassen.

Vorstehende Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß zunächst das Gas auf Prallwände geleitet wird und dadurch kondensierbare Bestandteile und Flüssigkeitsnebel abgeschieden werden, anschließend die in dem Gas verbliebenen kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel durch Abkühlen des Gases bis nahe der Umgebungstemperatur kondensiert und abgeschieden werden und dann mittels eines Gas- Strömungsmessers die Strömungsgeschwindigkeit des in den vorherigen Verfahrensschritten von kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln befreiten Gases in einem bestimmten Querschnitt gemessen wird.

Das neue Meßverfahren kann zur Festellung benutzt werden, ob ein bestimmter Motor noch brauchbar ist. Außerdem kann es bei Untersuchungen eingesetzt werden, ob die Zahl der Kolbenringe, z. B. von drei auf zwei verringert werden kann.

Schließlich bestehen weitere Anwendungsmöglichkeiten im Umweltschutz.

Die zur Durchführung des vorstehend gekennzeichneten Verfahrens erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung besteht aus einer Einrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen aus einem Gasstrom, einer Einrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und einer Rohrverbindung zwischen diesen beiden Einrichtungen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen ein aufrecht stehendes, turmartiges Gefäß aufweist, welches in seinem unteren Bereich mit einem horizontalen Einlaß für den Flüssigkeitsnebel und kondensierbare Bestandteile enthaltenden Gasstrom versehen ist, welcher in einen oben geschlossenen, unten offenen, zylindrischen Ringraum mündet, dessen Innenwand eine Einlaß-Prallwand für Flüssigkeitsnebel bildet, oberhalb derer in dem Gefäß eine innere Prallwand für Flüssigkeitsnebel und ein Flüssigkeitssammler, über diesen ein Kondensator und darüber ein Filter angeordnet sind, daß die Einrichtung zur Messung des Gasstroms Mittel zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen befreiten Gasstroms aufweist und daß die Rohrverbindung mit ihrem Einlaß am Auslaß des Filters an das Gefäß angeschlossen ist, im mittleren Teil mit dem Gas-Strömungsmesser verbunden ist und mit ihrem Auslaß an ein Auslaßreservoir anschließbar ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsmesser ein solcher mit Wärmeröhrchen im Gasstrom. In weiterer bevorzugter Ausführung ist am Ende der Rohrverbindung ein Gebläse angeordnet, an dessen Auslaß einerseits sowie den Einlaß des Gefäßes andererseits ein Differenzdruckmesser angeschlossen ist, welcher das Gebläse derart steuert, daß der Druck an dessen Auslaß im wesentlichen gleich dem Druck am Einlaß des Gefäßes ist.

Die vorgeschlagene Verwendung eines Strömungsmessers mit Wärmeröhrchen gestattet es, den Leckagestrom eines Durchblasgemischs auch dann sehr genau zu messen, wenn er sich während der Beschleunigung oder Verzögerung eines Benzin- oder Dieselmotors verändert.

Der Verbesserung der Meßgenauigkeit dient auch die weitere vorgeschlagene Maßnahme, daß der Gasstrom, nachdem aus ihm Flüssigkeitsnebel und ein Teil der kondensierbaren Bestandteile durch Kühlung mit Wasser oder Luft mit atmosphärischer Temperatur abgeschieden worden sind, durch eine wärmeisolierte Rohrleitung zu dem Strömungsmesser mit Wärmeröhrchen geleitet wird, welcher vorzugsweise mit einer Zeitkonstanten von ungefähr 1 sec arbeitet und mit einer Kompensation zum Ausgleich von Temperaturänderungen versehen ist.

Die Erfindung bietet darüber hinaus auch noch die Möglichkeit, die Flüssigkeitsnebel und kondensierbaren Bestandteile auf Umgebungstemperatur abzukühlen und am Boden des oben genannten Gefäßes zu sammeln, wobei durch Messung der abgeschiedenen Menge mit bestimmten Zeitabständen festgestellt werden kann, wie groß die Strömungsmenge der betreffenden flüssigen Bestandteile im Leckagestrom ist. Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung eines Flüssigkeitsnebel und kondensierbare Bestandteile enthaltenden Gasstroms;

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem auf der Abszisse das Drehmoment eines Dieselmotors und auf der Ordinate der mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 ermittelte Prozentsatz des Durchblasgemischs mit Bezug auf das Volumen der Ansaugluft dargestellt sind;

Fig. 3 in einer Ansicht entsprechend Fig. 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Prinzipschaubild einer herkömmlichen Meßanordnung zum Messen des Durchblasgemisch-Leckagestroms eines Motors.

Die in Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung gliedert sich in einen Teil 20, welcher dazu dient, die in einem Durchblasgemisch enthaltenden kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel aus dem Gas zu entfernen, einen Teil 30, mit welchem die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge pro Zeiteinheit des durch den Teil 20 geleiteten und dabei von den kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln befreiten Gases gemessen wird, sowie schließlich eine Rohrverbindung 40, welche die Teile 20 und 30 miteinander verbindet.

Der Teil 20 besteht aus einem aufrecht stehenden, säulen-artigen Gefäß 21 mit einem Einlaß 211, durch den das Durchblasgemisch B in das Gefäß 21 eingeführt wird. Innerhalb des Gefäßes 21 befindet sich gegenüber dem Einlaß 211 eine Einlaß-Prallwand 22 für Flüssigkeitsnebel. Sie hat eine zylindrische Form, welche oben geschlossen und unten geöffnet ist, so daß das in das Gefäß 21 eingeleitete Durchblasgemisch hinter dem Einlaß 211 zunächst auf die Außenseite der Prallwand 22 auftrifft. Dadurch wird der größte Teil des im Gas enthaltenden Flüssigkeitsnebels ausgefällt, fließt auf der Außenseite der Prallwand 22 herab und wird in einer ringförmigen Rinne 211 gesammelt, die in horizontaler Anordnung am unteren Umfang der Prallwand 22 angebracht ist und einen V-förmigen Querschnitt hat. Der sich in der Rinne 221 sammelnde, niedergeschlagene Flüssigkeitsnebel fließt dann weiter durch eine sich senkrecht vom Boden der Rinne 221 erstreckende Abflußleitung 222 in einen Sumpf 23, welcher das aus Kondensat und Flüssigkeitsnebel gebildete Flüssigkeitsvolumen F aufnimmt.

Mitten im Gefäß 21 befindet sich über dem oberen, offenen, inneren Bereich der zylindrischen Einlaß-Prallwand 22 eine horizontal ausgerichtete, kegelförmige Schale 24 mit V-förmigem Querschnitt, welche ebenfalls zum Sammeln der Flüssigkeitsnebel dient. Der äußere Umfang der Schale 24 hat einen Abstand von der Innenseite der Prallwand 22, welche an ihrem oberen Ende mit der Wand des Gefäßes 21 verbunden ist, so daß zwischen beiden Wänden ein oben geschlossener Ringraum gebildet ist. Die Schale 24 sitzt am oberen Ende einer im wesentlichen senkrechten Abflußleitung 241, welche demselben Zweck dient wie die Abflußleitung 222, die mit der Rinne 22 verbunden ist. Das sich in der Schale 24 sammelnde Kondensat sowie die sich darin niederschlagenden Flüssigkeitsnebel fließen also durch die Abflußleitung 241 ebenfalls in den Sumpf 23.

Weiterhin befindet sich in koaxialer Anordnung in dem Gefäß 21 über dem Ringraum zwischen dem Außenumfang der Schale 24 und der Innenseite der Prallwand 22 ein horizontaler, ringförmiger, innerer Flüssigkeitsnebel-Abweiser 25 mit einem im wesentlichen umgekehrt V-förmigen Querschnitt. Somit trifft das durch den Einlaß 211 in das Gefäß 21 eingeführte Durchblasgemisch zunächst auf die Einlaß-Prallwand 22, wird von dieser nach unten umgelenkt, kehrt dann um die Rinne 221 um 180° um und steigt längs der Innenseite der zylindrischen Prallwand 22 auf. Dabei trifft das Durchblasgemisch B auf den inneren Abweiser 25, welcher ebenfalls eine Prallwand darstellt, so daß der größte Teil des im Gas enthaltenen Flüssigkeitsnebels abgefangen wird, in die Rinne 221 und die Schale 24 fällt und anschließend im Sumpf 23 gesammelt wird.

Über dem Abweiser 25 ist in dem Gefäß 21 ein Kondensator 26 montiert. Er besteht aus einer Anzahl aufrecht stehender Rohre, auf deren Außenseite ein durch einen Kühlwassereinlaß 261 einströmendes und durch einen Kühlwasserauslaß 262 abgeleitetes Kühlwasser W strömt. Das Durchblasgemisch B, aus welchem fast alle Flüssigkeitsnebel abgeschieden worden sind, bevor das Gas den Kondensator erreicht, strömt durch diesen hindurch aufwärts, so daß die kondensierbaren Bestandteile, die in dem Gas enthalten sind und bei einer Temperatur nahe der atmosphärischen Temperatur kondensiert werden können, verflüssigt werden. Das dabei gebildete Kondensat tropft unmittelbar in den Sumpf 23 am Boden des Gefäßes 21 oder auf den inneren Abweiser 25, die Schale 24, die Einlaß-Prallwand 22 usw. , um sich in der Schale 24 und der Rinne 221 zu sammeln und dann zusammen mit dem Flüssigkeitsnebel, der sich in der Schale 24 usw. angesammelt hat, über die Abflußleitungen 241, 222 zum Sumpf 23 am Boden des Gefäßes 21 abgeleitet zu werden. Im unteren Bereich des Gefäßes 21 ist ein Flüssigkeits- Auslaßventil 24 angebracht, um die sich im Sumpf 23 ansammelnde Flüssigkeit ausfließen zu lassen, und außerdem eine auf einen maximalen Flüssigkeitsstand im Sumpf 23 ansprechende Warneinrichtung 28, mittels welcher der Flüssigkeitsstand im Sumpf 23 gesteuert werden kann.

Im oberen Bereich befindet sich in koaxialer Lage im Gefäß 21 ein zylindrischer Filter 29 über dem Kondensator 26. Der Filter 29 hat einen Abstand von der Innenwand des Gefäßes 21. Das durch den Kondensator 26 strömende Durchblasgemisch B wird in den inneren zylindrischen Raum des Filters 29 geleitet, strömt radial nach außen durch das Filtermaterial und erreicht die zylindrische Außenfläche, wobei im Durchblasgemisch B zurückgebliebene Mikropartikel vom Filtermaterial festgehalten werden. Das Gas wird dann als von kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln befreites Gas B0 über einen Auslaß 212 nahe dem obersten Ende des Gefäßes 21 aus diesem herausgeleitet.

Die insgesamt mit 30 bezeichnete Meßeinrichtung besteht aus einem rohrförmigen Körper 31, welcher einer Rohrleitung 41, die zur Rohrverbindung 40 gehört, angepaßt ist und denselben Durchmesser wie die Rohrleitung 41 hat. Der rohrförmige Körper 31 enthält in seinem Inneren einen Gasstrommesser 32 mit Wärmeröhrchen, welcher rechtwinklig zur Mittellängsachse der Rohrleitung 41 angeordnet ist. Das elektrische Ausgangssignal des Gasstrommessers 32 wird über einen elektrischen Steckanschluß 33 abgegeben, der am rohrförmigen Körper 31 montiert ist.

Der Gasstrommesser 32 mit Wärmeröhrchen ist im einzelnen beschrieben in dem japanischen Patent 1 096 114 (japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-39 427) mit dem Titel "Ein Strömungsmeßgerät". Er hat als wesentliche Komponenten zwei abgedichtete kleine Metallröhrchen gleicher Wärmeleitfähigkeit, von denen das eine mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist, während das andere nicht vom elektrischem Strom durchflossen wird. Die beiden Röhrchen werden in dem Gasstrom angeordnet, dessen Strömungsgeschwindigkeit oder Strömungsmenge pro Zeiteinheit gemessen werden soll, und zwar rechtwinklig zur Strömungsrichtung. Beide Röhrchen enthalten die gegenseitig verbundenen Detektorbereiche eines Thermofühlers. Im vorliegenden Fall hat der Gasstrommesser 32 eine Zeitkonstante von ungefähr einer Sekunde, so daß er hochfrequente Veränderungen infolge des zyklischen Gasausstoßes aus den Zylindern des Motors nicht wahrnimmt, aber die Änderungen der Strömungsmenge des Durchblasgemisches B in Phasen der Beschleunigung oder Verzögerung des Motors anzeigt.

Im übrigen stellt die Rohrverbindung 40 über die Rohrleitung 41 eine Verbindung her zwischen der Einrichtung 20 zur Abscheidung kondensierbarer Bestandteile und Flüssigkeitsnebel und der Meßeinrichtung 30, wobei das mit 411 bezeichnete vordere Ende der Rohrleitung 41 mit dem Auslaß 212 nahe dem oberen Ende des Gefäßes 21 verbunden ist. Im mittleren Bereich der Rohrleitung 41 befindet sich die Meßeinrichtung 30, und das mit 412 bezeichnete hintere Ende der Rohrleitung 41, welches sich hinter der Meßeinrichtung 30 befindet, ist mit einem Auslaßtank 42 verbunden, an welchen einerseits ein Auslaßrohr 43 für das Durchblasgemisch und andererseits ein Auslaßventil 44 für Flüssigkeit Anschluß haben. Die Rohrleitung 41 ist vorzugsweise wärmeisoliert, so daß kondensierbare Bestandteile usw. , die in dem durch die Rohrleitung strömenden Durchblasgemisch B0 enthalten sind, zwischen dem im Gefäß 21 montierten Filter 29 und der Meßeinrichtung 30 kondensieren. Flüssigkeitsnebel und kondensierbare Bestandteile sind vielmehr vorher mittels der beschriebenen Einrichtungen im Gefäß 21, zuletzt auch noch durch den dort montierten Filter 29, abgeschieden worden. Nur das Gas B0, welches übriggeblieben ist, nachdem aus dem Durchblasgemisch B die kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel im wesentlichen vollständig entfernt worden sind, wird über die Rohrleitung 41 zum Gasstrommesser 32 mit Wärmeröhrchen geleitete. Nur um eventuell doch noch im Gasstrom B0 vorhandene kondensierbare Bestandteile daran zu hindern, an der Innenwand der Rohrleitung 41 zu kondensieren, ist an deren Außenseite eine Isorlierschicht 45 angebracht.

Nachdem die Strömungsmenge pro Zeiteinheit des von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen befreiten Ausblasgemischs mittels der Meßeinrichtung 30 gemessen worden ist, wird dieses über den Auslaßtank 42 und das Auslaßrohr 43 ausgestoßen. Die im Auslaßtank 42 angesammelte Flüssigkeit kann über das Auslaßventil 44 abgelassen werden.

Auf der anderen Seite wird die flüssige Phase der Kondensate und Flüssigkeitsnebel F, die sich im Sumpf 23 angesammelt hat, durch das Flüssigkeit-Auslaßventil 17 in bestimmten zeitlichen Abständen abgelassen, und durch Messung des angesammelten bzw. abgelassenen Flüssigkeitsvolumens kann auch die Strömungsmenge der kondensierbaren und flüssigen Bestandteile des Durchblasgases bestimmt werden. Die erwähnte Warneinrichtung 28 hat in diesem Zusammenhang den Zweck, zu vermeiden, daß die Flüssigkeit im Sumpf 23 über ein bestimmtes Niveau hinaus zu weit ansteigt.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, wird erfindungsgemäß zur genauen Messung der Strömungsmenge eines in die Meßapparatur eingeleiteten Gases, welches Flüssigkeitsnebel, kondensierbare Bestandteile u. dgl. enthält, zunächst für ausreichende Abscheidung der Flüssigkeitsnebel gesorgt und dann das Gas B durch den Kondensator 26 geleitet, so daß der Gasstrommesser 32 mit Wärmeröhrchen nahe der atmosphärischen Temperatur betrieben werden kann. Das durch den Kondensator strömende Gas wird bereits dort auf eine Temperatur nahe der atmosphärischen Temperatur abgekühlt, wobei gleichzeitig die Bestandteile, die bei einer solchen Temperatur kondensieren, aus dem Gas B abgeschieden werden. Infolgedessen kann danach die Strömungsmenge pro Zeiteinheit des von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen befreiten Gases B0 sehr genau gemessen werden.

Nachstehend werden einige Zahlenbeispiele von Messungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.

Die Messungen der Strömungsmenge eines Durchblasgemischs wurden ausgeführt an einem wassergekühlten Zwei-Zylinder-Dieselmotor mit einem Hubraum von etwa 1.200 cm3, einem Verdichtungsverhältnis von 20 : 1, einer Leistung von 25,5 PS bei 2.600 Upm und einem maximalen Drehmoment von 70 Nm bei 2.000 Upm. Die abgegebene Leistung des Motors wurde gemessen mit einem elektrischen Wirbelstrom-Dynamometer.

Die Messungen wurden ausgeführt bei einer konstanten Drehzahl von 2.000 Upm, während das Drehmoment verändert wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt, wobei die gemessenen Strömungsmengen des Durchblasgemischs als Prozentsatz des Lufteinlaßvolumens dargestellt und über dem jeweiligen Drehmoment aufgetragen sind. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß der Anstieg des Drehmoments durch einen Anstieg des Drucks in den Zylindern infolge einer Vergrößerung der Treibstoffzufuhr bewirkt wird, zeigt das Diagramm nach Fig. 2, daß die Strömungsmenge des Durchblasgemischs mit steigendem Gasdruck in den Zylindern größer wird. Daraus geht hervor, daß die mit der erfindungsgemäßen Meßapparatur durchgeführten Messungen verläßlich sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfährt das in die Meßapparatur eingeführte Durchblasgemisch während des Durchgangs durch die Apparatur einen Druckabfall, da die eingebauten Einrichtungen Strömungswiderstände darstellen. Der Gasdruck am Gaseinlaß 211 ist im allgemeinen höher als am Gasausgang 412. Diese Druckdifferenz muß nicht notwendigerweise zu ernsthaften Problemen beim Messen der Durchflußmenge des Gases führen, wenn es nur um praktische Zwecke geht. Wenn jedoch eine genauere Messung der Strömungsmenge des Gases gewünscht ist, kann der Gasdruck am Gaseinlaß und -auslaß auch ausgeglichen werden. Für diesen letzteren Fall ist die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung vorgesehen, welche im übrigen weitgehend der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht.

Die Vorrichtung nach Fig. 3 besteht ebenfalls aus einer Einrichtung 20' zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen aus einem Gas, einer Meßeinrichtung 30' zum Messen der Strömungsmenge des Gases nach dem Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen beim Durchgang durch die Einrichtung 20' sowie einer Rohrverbindung 40', welche die Einrichtung 20' mit der Meßeinrichtung 30' verbindet.

Die Einrichtung 20' zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen besteht aus einem aufrechtstehenden, säulenartigen Hauptgefäß 21'1 und einem in ähnlicher Weise aufrechtstehenden, säulenartigen Nebengefäß 21'2, welches nahe seinem Boden mit einem oberen Ausgang des Hauptgefäßes 21'1 verbunden ist. Im unteren Bereich des Hauptgefäßes 21'1 ist ein Einlaß 22' für das zu messende Durchblasgemisch B angebracht. Eine erste Einrichtung 23'1 zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln befindet sich in horizontaler Anordnung in dem Hauptgefäß 21'1 über dem Einlaß 22'. Sie besteht aus Metallgitter verschiedener Abmessungen und Strukturen und dient zur Trennung von Verbrennungsgas, dem Hauptbestandteil des Durchblasgemisches B, und Schmieröl sowie andern Bestandteilen kondensierbarer Dämpfe. Die in dem eingeleiteten Durchblasgemisch B enthaltenen Flüssigkeitsnebeln werden also beim Durchgang durch die Einrichtung 23'1 entfernt, und die sich in flüssiger Phase ansammelnden Flüssigkeitsnebel F1 werden in einem Sumpf 24'1 am Boden des Hauptgefäßes 21'1 gesammelt. In dem Sumpf 24'1 ist eine Warneinrichtung 25' montiert, welche ein Warnsignal erzeugt, wenn der Flüssigkeitsstand im Sumpf einen bestimmten Höchstwert überschreitet. Außerdem ist ein Flüssigkeits-Auslaßventil 26' am Boden des Hauptgefäßes 21'1 angebracht.

Über der ersten Einrichtung 23'1 zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln ist ein Kondensator 27' angeordnet, der aus einer Anzahl aufrecht stehender Rohre besteht, durch die das Gas gekühlt wird, nachdem der wesentliche Teil der Flüssigkeitsnebel bereits durch die Einrichtung 23'1 abgeschieden worden ist. Die Abkühlung im Kondensator 27' erfolgt bis nahe der atmosphärischen Temperatur, indem die Rohre des Kondensators auf ihrer Außenseite durch einen von einem Gebläse 27'1 erzeugten Luftstrom gekühlt werden, welches außerhalb des Gefäßes 21'1 angebracht und von einem ebenfalls außerhalb des Gefäßes gelagerten Motor 27'2 angetrieben ist. Infolge der Kühlung werden die meisten bis dahin noch im Gasstrom enthaltenen kondensierbaren Bestandteilen kondensiert und fallen in flüssiger Phase in den Sumpf 24'1.

Das aus dem Kondensator 27' herausströmende Gas, welches immer noch einen Rest unkondensierter Bestandteile enthält, wird durch eine Verbindungsöffnung 21'0 zwischen dem oberen Bereich des Hauptgefäßes 22'1 und dem unteren Bereich des Nebengefäßes 21'2 hindurch zu einer zweiten Einrichtung 23'2 zum Abscheiden unkondensierter Bestandteile geleitet, die sich in horizontaler Anordnung im Nebengefäß 21'2 über der Öffnung 21'0 befindet. Der unkondensierte Flüssigkeitsnebel im Gas wird durch die Einrichtung 23'2 als Flüssigkeitsnebel abgefangen und in einem weiteren Sumpf 24'2 am Boden des Nebengefäßes 21'2 in Form eines Flüssigkeitsvolumens F2 gesammelt. Dieses Flüssigkeitsvolumen F2 kann durch ein Auslaßventil 28' am Boden des Nebengefäßes 21'2 abgelassen werden. Die Konstruktion der zweiten Abscheideeinrichtung 23'2 entspricht im wesentlichen derjenigen der ersten Abscheideeinrichtung 23'1.

Das Gas, aus dem die kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel in der beschriebenen Weise im wesentlichen entfernt worden sind, wird danach aus einer Auslaßöffnung 29' am oberen Ende des Nebengefäßes 21'2 als ein Gasstrom B0 abgeführt, welcher im wesentlichen keine kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel mehr enthält.

Die Meßeinrichtung 30' für die Strömungsmenge des Gases umfaßt einen rohrförmigen Körper 31', der denselben Querschnitt hat wie eine Rohrleitung 41', welche die Rohrverbindung 40' bildet, und mit einem Teil der Rohrleitung 41' verbunden werden kann. Der rohrförmige Körper 31' trägt in horizontaler Anordnung einen Gasstrommesser 32' mit Wärmeröhrchen, welches sich rechtwinklig zur Mittelachse der Rohrleitung 41' erstreckt. Das elektrische Ausgangssignal des Strömungsmessers 32' wird über eine elektrische Ausgangs-Steckverbindung 33' am rohrförmigen Körper 31' abgeleitet. Der Gas-Strömungsmesser 32' mit Wärmeröhrchen ist derselbe wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel und hat ebenfalls eine Zeitkonstante von ungefähr nur 1 Sekunde, um damit denselben Zweck zu erreichen wie bei der ersten Ausführung. Schließlich ist auch die Rohrverbindung 40' entsprechend ausgebildet wie die Rohrverbindung 40 der oben zuerst beschriebenen Ausführungsform.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Auslaßreservoir 42 mit dem Auslaßende 412 der Rohrleitung 41 verbunden, so daß das Gas B0, dessen Strömungsgeschwindigkeit gemessen worden ist, aus dem Reservoir 42 unmittelbar zur Außenatmosphäre abgelassen wird. Wegen der Abscheideeinrichtungen 22 und 25, welche den Abscheideeinrichtungen 23'1 und 23'2 des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 entsprechen, sowie wegen des Filters 29 erfährt das Gas bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einen Druckabfall während des Durchgangs durch das Gefäß 21. Dies bedeutet, daß dann, wenn der Gasstrom B0, welcher gerade zuvor durch den Strömungsmesser 32 mit Wärmeröhrchen ist, unmittelbar aus der Meßapparatur 10 zur Außenatmosphäre abgeleitet wird, der Druck des Durchblasgemischs B am Eingang der Meßapparatur 10 höher ist als der Druck des Gases B0 am Ausgang der Meßapparatur, wodurch möglicherweise die Eigenschaften des Motors und die Strömungsmenge des Durchblasgemischs beeinflußt werden. Ein entsprechender Druckabfall oder Druckverlust könnte auch bei der Meßapparatur 10' im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 auftreten infolge der ersten und zweiten Abscheideeinrichtungen 23'1 und 23'2 sowie der weiteren Strömungswiderstände im Strömungsweg des Gases. Um dies zu vermeiden, ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, welches im übrigen mit dem ersten Ausführungsbeispiel weitgehend übereinstimmt, am Ausgang der Meßapparatur 10' eine Ausgleichseinrichtung 50 angeordnet. Diese besteht gemäß Fig. 3 aus einer Saugpumpe bzw. einem Sauggebläse 52, welches über ein Einlaßrohr 51 an das Auslaßende 41'2 der Rohrleitung 41' hinter der Gasstrom-Meßeinrichtung 30' angeschlossen ist. Die Auslaßseite des Gebläses 52 ist über ein Auslaßrohr 55 mit einem Puffer- bzw. Ausgleichsbehälter 56 verbunden. Durch geeignete Steuerung des Gebläses 52 kann der Gasdruck im Auslaßrohr 55 oder dem Ausgleichsbehälter 56 auf den Druck des Durchblasgemischs am Einlaß 22' angehoben werden, so daß der Gasdruck im Auslaßrohr 55 oder dem Ausgleichsbehälter 56 mit dem Druck des Gases B am Einlaß 22' für das Durchblasgemisch übereinstimmt. Um diese Steuerung automatisch durchzuführen, wird der Druck des Durchblasgemischs B beim Eintritt in die Meßapparatur 10' über eine Meßöffnung 22'1 am Gaseinlaß 22' abgenommen und über eine Meßleitung 531 zu einem für sich bekannten Differenzdruckmesser 54 geleitet. Gleichzeitig wird der Gasdruck im Ausgleichsbehälter 56 über eine dort angebrachte Meßöffnung 561 abgegriffen und über eine Meßleitung 532 ebenfalls an den Differenzdruckmesser 54 geleitet. Somit wirken die Gasdrücke an den Meßöffnungen 22'1 und 561 über die Meßleitungen 531 bzw. 532 jeweils auf getrennte Druckkammern 57 bzw. 58 im Differenzdruckmesser 50. Die Druckdifferenz zwischen beiden Drücken wird von einem zu dem Differenzdruckmesser 54 gehörenden Umsetzer 59 ermittelt und ein entsprechendes Ausgangssignal über eine Leitung 60 an einen Verstärker 61 geleitet, dessen Ausgangssignal das Gebläse 52 in der Weise steuert, daß der Druck in beiden Druckkammern 57 und 58 ausgeglichen wird. Das von kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln befreite Durchblasgemisch B0, dessen Strömungsmenge gemessen worden ist, wird dann am Ende über den Ausgleichsbehälter 56 aus der Meßapparatur 10' ausgestoßen.

Wie ersichtlich, funktioniert das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 in ähnlicher Weise wie das nach Fig. 1. Um den Druck des Gases B0 am Ausgang der Meßapparatur 10' und den Druck des Gases B am Eingang der Meßapparatur 10' auszugleichen, ist aber zusätzlich hinter dem Gasstrommesser 32 mit Wärmeröhrchen eine Saugpumpe bzw. das Gebläse 52 angeordnet, dessen Antrieb so geregelt ist, daß der Gasdruck am Eintritt in die Meßapparatur 10' gleich ist dem Gasdruck am Ausgang des Gasstrommessers 32 mit Wärmeröhrchen, so daß die Messung der Strömungsmenge des Durchblasgemischs B ausgeführt werden kann, ohne den Betrieb des Motors zu beeinflussen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die Erfindung eine genaue Messung der Strömungsmenge eines Gases, wie z. B. eines Durchblasgemischs, mit darin enthaltenen kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln gestattet, und zwar aus folgenden Gründen:

  • 1. Wegen der Verwendung eines Gas-Strömungsmessers mit Wärmeröhrchen zum Messen eines Gasstroms, wie z. B. eines Durchblasgemischs eines Motors, welches kondensierbare Bestandteile und Flüssigkeitsnebel enthält, läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge des Gases sehr genau und in einem weiten Geschwindigkeitsbereich messen;
  • 2. Indem die Zeitkonstante des Strömungsmessers mit Wärmeröhrchen genügend kurz, in der Größenordnung von etwa 1 sec, gewählt wird, reagiert der Strömungsmesser nicht auf Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit des Durchblasgemischs, die aus dem Arbeitszyklus der Zylinder des Motors resultieren, spricht aber sehr genau auf eine Beschleunigung oder Verzögerung des Motors an, so daß die Möglichkeit besteht, die Strömungsmenge des Durchblasgemischs bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors, also auch bei unterschiedlichen Drehzahlen zu messen;
  • 3. Da das Durchblasgemisch als Hauptbestandteil verbrannten Treibstoff mit kondensierbaren Bestandteilen, wie z. B. Wasserdampf u. dgl. enthält, werden, um genaue Messungen durchführen zu können, die kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel aus dem Gas abgeschieden, so daß praktisch ein reines Gas erhalten wird, dessen Strömungsgeschwindigkeit bzw. -menge mittels eines Strömungsmessers mit Wärmeröhrchen sehr genau gemessen werden können. Außerdem läßt sich dann auch die in einem bestimmten Gasvolumen enthaltene Menge an kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln genau ermitteln.

Schließlich seien die durch die Erfindung erreichten Wirkungen noch einmal wie folgt zusammengefaßt:

Da die Meßapparatur den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau hat und damit das ebenfalls beschriebene erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wobei die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsmenge mit einem Strömungsmesser mit Wärmeröhrchen und einer Zeitkonstanten von etwa 1 sec verwendet wird, besteht nunmehr die Möglichkeit, die Strömungsmenge des Durchblasgemischs, welches z. B. bei einem Benzin- oder Dieselmotor aus den Brennkammern der Zylinder an den Kolbenringen entlang in das Kurbelgehäuse entweicht, sehr genau zu messen, und zwar nicht nur bei einer bestimmten Drehzahl des Motors, sondern auch bei Veränderungen der Drehzahl während einer Beschleunigung oder Verzögerung. Darüber hinaus können auch die im Durchblasgemisch enthaltenen kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel, die sich bei einer Abkühlung auf atmosphärische Temperatur niederschlagen, gemessen werden.

Die vorgeschlagene Meßapparatur kann dazu verwendet werden, das aus den Zylindern eines Motors austretende Leckagegas in solchen Fällen zu messen, wo die Zahl der Kolbenringe der zugehörigen Kolben von drei auf zwei reduziert worden ist, oder wo Dieselmotoren während einer Dauer von mehreren Jahren in Einsatz gewesen sind und wo das infolge des Verschleißes verstärkt austretende Leckagegas gemessen werden soll, um zu bestimmen, ob der Motor noch weiter benutzt werden kann. Da das Durchblasgemisch eines Motors normalerweise beträchtliche Mengen umweltverschmutzender Substanzen enthält, wie z. B. Ölnebel, Öldämpfe usw. , kann die Erfindung auch dazu verwendet werden, um gleichzeitig mit der Messung der Strömungsmenge des Durchblasgemischs die Umweltverschmutzung zu studieren oder zu kontrollieren. Die Erfindung kann also dazu beitragen, einer weiteren Verschlechterung der Umweltbedingungen vorzubeugen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Messen eines kondensierbare Bestandteile, Flüssigkeitsnebel u. dgl. enthaltenden Gasstroms, z. B. des Durchblasgemischs, welches in einem Verbrennungsmotor aus den Zylindern in das Kurbelgehäuse entweicht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Gas auf Prallwände geleitet wird und dadurch kondensierbare Bestandteile und Flüssigkeitsnebel abgeschieden werden, anschließend die in dem Gas verbliebenen kondensierbaren Bestandteile und Flüssigkeitsnebel durch Abkühlen des Gases bis nahe der Umgebungstemperatur kondensiert und abgeschieden werden und dann mittels eines Gas-Strömungsmessers die Strömungsgeschwindigkeit des in den vorherigen Verfahrensschritten von kondensierbaren Bestandteilen und Flüssigkeitsnebeln befreiten Gases in einem bestimmten Querschnitt gemessen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit ein Strömungsmesser (30, 30') mit Wärmeröhrchen und einer kurzen Zeitkonstanten verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die aus einer bestimmten Gasmenge abgeschiedene Menge an Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen gemessen wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen aus einem Gasstrom, einer Einrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und einer Rohrverbindung zwischen diesen beiden Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20, 20') zum Abscheiden von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen ein aufrecht stehendes, turmartiges Gefäß (21; 21'1, 21'2) aufweist, welches in seinem unteren Bereich mit einem horizontalen Einlaß (211; 22') für den Flüssigkeitsnebel und kondensierbare Bestandteile enthaltenden Gasstrom versehen ist, welcher in dem Gefäß (21; 21'1, 21'2) unter einer Prallwand (22, 25; 23'1) mündet, oberhalb derer in dem Gefäß (21; 21'1, 21'2) ein Kondensator (26) angeordnet ist, daß die Einrichtung (30, 30') zur Messung des Gasstroms Mittel (31, 32; 31', 32') zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit des von Flüssigkeitsnebeln und kondensierbaren Bestandteilen befreiten Gasstroms (B0) aufweist, und daß die Rohrverbindung (40, 40') mit ihrem Einlaß (421; 41'1) an den Auslaß des Gefäßes (21) angeschlossen ist, im mittleren Teil mit dem Gas-Strömungsmesser (30, 30') verbunden ist und mit ihrem Auslaß (412, 41'2) an ein Auslaßreservoir (42, 56) anschließbar ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichent, daß der Einlaß (211) des Gefäßes (21) in einen oben geschlossenen, unten offenen, zylindrischen Ringraum mündet, dessen Innenwand eine Einlaß-Prallwand (22) für Flüssigkeitsnebel bildet, oberhalb derer in dem Gefäß (21) eine innere Prallwand (25) für Flüssigkeitsnebel und ein Flüssigkeitssammler (24), über diesen der Kondensator (26) und darüber ein Filter (29) angeordnet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-Strömungsmesser (32, 32') ein solcher mit Wärmeröhrchen im Gasstrom ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-Strömungsmesser (32, 32') eine Zeitkonstante von ungefähr 1 sec hat.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des Gefäßes (21, 21'1) ein Sammelbecken (23, 24'1) mit Auslaßventil (27, 26') für niedergeschlagene Flüssigkeitsnebel und kondensierbare Bestandteile vorhanden ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrverbindung (41, 41') wärmeisoliert ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Rohrverbindung (41') ein Gebläse (52) angeordnet ist, an dessen Auslaß (55, 56) einerseits sowie den Einlaß (22') des Gefäßes (21'1) andererseits ein Differenzdruckmesser (54) angeschlossen ist, welcher das Gebläse (52) derart steuert, daß der Druck an dessen Auslaß (55, 56) im wesentlichen gleich dem Druck am Einlaß (22') des Gefäßes (21'1) ist.






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