DE3317215C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung von partikelförmigen Verbrennungsrückständen von Verbrennungskraftmaschinen.

Bei bekannten derartigen Verfahren bzw. Einrichtungen zu deren Durchführung wird beispielsweise die Änderung der Lichtreflexion von mit den Probenpartikeln geschwärztem Filtermaterial, oder die Lichtschwächung beim Durchgang durch ein die Probenpartikel in einem gasförmigen Träger enthaltendes Meßvolumen, gemessen. Ebenfalls bekannt ist beispielsweise die quantitative Bestimmung von Probenpartikeln durch Wägung der auf einem Probenträger angelagerten Partikel. Die Nachteile dieser bekannten Verfahren liegen einerseits in ihrer relativ geringen Genauigkeit - so ist beispielsweise bei den genannten optischen Meßverfahren die Schichtdicke bzw. auch die Partikelgröße ein die Messung sehr wesentlich beeinflussender Parameter - und andererseits im relativ großen zeitlichen Aufwand zum Ermitteln einzelner Meßwerte - so beispielsweise bei dem angeführten Wägeverfahren - was wiederum die Anwendung für eine kontinuierliche bzw. quasikontinuierliche Bestimmung der Partikelmenge verhindert.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE-OS 28 36 787 ein Abgasanalysator für Dieselmotoren bekannt geworden, welcher ein elektrostatisches Filter aufweist, mit welchem die im Abgas mitgeführten Partikeln aufgefangen werden. Ein Hinweis auf die quantitative Bestimmung der Partikel wird jedoch nicht angegeben.

Weiter ist aus der US-PS 40 42 879 eine Vorrichtung bekannt geworden, mit welcher der Aerosolgehalt eines Gases bestimmt werden kann. Das Gas wird dabei durch ein Filter geleitet, welches das Aerosol herausfiltert. Das Filter befindet sich in einem Hohlraumresonator, dessen sich ändernde Resonanzfrequenz einen Rückschluß auf die Filterbeladung zuläßt.

Aufgbe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches auf einfache, genaue und auch für kontinuierliche Messungen ausreichend schnelle Art und Weise aussagen über die vorhandene Menge von partikelförmigen Verbrennungsrückständen erlaubt.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Probenpartikel unmittelbar an einem Mikrowellenstrahlung schwach absorbierenden Teil einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine angelagert werden, und daß dieser Teil in das von einem Mikrowellen-Generator erzeugte elektromagnetische Feld gebracht wird, worauf zumindest ein sich aufgrund der Probenpartikel ändernder Parameter des elektromagnetischen Feldes gemessen wird, so daß aus den gemessenen Änderungen auf die Menge der Probenpartikel geschlossen werden kann. Aufgrund der Schnelligkeit und Einfachheit, mit der Messungen von Parametern eines elektromagnetischen Feldes durchgeführt werden können, ist eine kontinuierliche Messung an den eingebrachten Probenpartikeln möglich, wobei durch die Verwendung von Mikrowellen (als solche ist elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 MHz bis GHz zu verstehen) sehr genaue quantitative Messungen möglich sind, und auch die Partikelbelegung von optisch undurchlässigen Körpern gemessen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Mikrowellenstrahlung schwach absorbierender Teil eine Partikelfalle in Form eines keramischen Filters (25) verwendet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist auf sehr einfache Weise erstmals die kontinuierliche Beobachtung der Partikelbeladung in Abgasnachbehandlungseinrichtungen möglich. Dabei kann die Partikelfalle im Innenraum eines Hohlraum-Resonators liegen, auf dessen Resonanzeigenschaften die augenblickliche Partikelbelegung der Partikelfalle (z. B. des Filters) bestimmt werden kann. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser Partikelbelegung kann auch die Menge der pro Zeiteinheit von der Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Partikel bestimmt werden. Ebenso kann damit die Wirkung von Reinigungs- bzw. Regenerationsverfahren (z. B. Nachverbrennen der Partikeln in einem keramischen Filter) beobachtet werden.

Die Abgasnachbehandlungseinrichtung oder der die Partikelfalle beinhaltende Teil dieser Einrichtung kann statt in einen Hohlraum-Resonator natürlich auch in eine Übertragungsstrecke des Mikrowellenfeldes gebracht werden. Aus der Änderung des Über­ tragungsverhaltens dieser Strecke kann ebenfalls die augenblickliche Partikelbelegung bestimmt werden.

Diese Verfahren haben den großen Vorteil, daß mit ihnen die Funktion von Abgasnachbehandlungseinrichtungen in situ und mit einem Echtzeit-Verfahren überprüft werden können. Da die Partikelfallen häufig aus optisch undurchsichtigen Keramikfiltern bestehen, welche für Mikrowellen aber fast vollkommen durchlässig sind, eignet sich dieses Verfahren hervorragend zur kontinuierlichen Messung der Partikelbelegung dieser keramischen Filter, und es wird das bisher durchgeführte komplizierte und zeitraubende Ausbauen und Abwägen der Filter, welche auch gegen Feuchtigkeitsannahme geschützt werden müssen, vermieden.

Unter einem Hohlraum-Resonator versteht man in diesem Zusammenhang einen leeren oder mit einem dielektrischen Material mit relativ geringen Verlusten erfüllten Raum, der allseitig von elektrisch gut leitenden Wänden begrenzt ist. Über eine Kopplungseinrichtung, z. B. über Öffnungen in den elektrisch leitenden Wänden, wird die elektromagnetische Energie ein- bzw. ausgekoppelt. Von den in den Hohlraum-Resonator eingebrachten Probenpartikeln wird ein Teil der eingekoppelten Mikrowellenenergie absorbiert, bwz. das ursprüngliche, ohne Probenpartikel vorhandene elektromagnetische Feldbild gestört. Über die sich dabei ändernde Parameter des elektromagnetischen Feldes kann auf die Menge der im Hohlraum-Resonator befindlichen Probenpartikel geschlossen werden.

Beispielsweise kann die Änderung der Güte und/oder der Resonansfrequenz einer Resonanz des Hohlraum-Resonators gemessen werden. Ein Hohlraum-Resonator der beschriebenen Art hat eine unendliche Anzahl von Eigenfrequenzen, welche für einen gegebenen Resonator praktisch nur mehr von der Dielektrizitätskonstante des im Innenraum des Resonators befindlichen Materials abhängen. Betrachtet man eine einzelne Resonanzfrequenz, so kommt es durch Änderung der Dielektrizitätskonstante des im Innenraum befindlichen Materials - wie dies durch Einbringung von Probenpartikeln geschieht - zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz. Außerdem ändert sich aufgrund der absorbierenden Eigenschaft der eingebrachten Probenpartikel die Güte Q des Hohlraum-Resonators, die folgendermaßen definiert ist:

mit ω₀ . . . Kreisfrequenz bei Resonanz
W . . . die im Resonator gespeicherte Energie
P_v . . . Verlustleistung

Die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes im Hohlraum-Resonator bei Einbringung von Probenpartikeln kann auch dadurch bestimmt werden, daß die Änderung eines vom Hohlraum-Resonator reflektierten Signals bei einer bestimmten Frequenz gemessen wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist für rasche Messungen vorzuziehen, da damit nicht mehr eine komplette Resonanzkurve aufgezeichnet werden muß, was insbesonders dynamische bzw. kontinuierliche Messungen sehr erleichtert.

Weiter kann die Dämpfung des Ausgangssignals einer Übertragungsstrecke in deren Innenraum die Probenpartikel einbringbar sind, gemessen werden. Es kann dabei ein einfacher Mikrowellen-Generator, der einen bei einer festen Frequenz schwingenden Oszillator hat, verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele für Einrichtungen zur Anwendung des Verfahrens näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Mikrowellen-Generator 1 als sogenannter Wobbelsender ausgebildet, dessen vorzugsweise im X-Band liegende Frequenz (um 10 GHz) und Wobbelgeschwindigkeit eingestellt werden können. Die vom Mikrowellen-Generator 1 gelieferte Mikrowellenenergie gelangt über eine Abschwächereinheit 2 - diese weist in der Regel mehrere einzelne Abschwächer auf, da damit auch große Dämpfungswerte noch präzise einstellbar sind - sowie einen Frequenzmesser 3 zu einem Richtkoppler oder Zirkulator 4. Der Frequenzmesser 3 dient zur exakten Frequenzkalierung und besteht üblicherweise aus einem Hohlleiter mit einem angekoppelten abstimmbaren Resonator, der der Leitung bei seiner Resonanzfrequenz Energie entzieht. Die dadurch entstehenden Einbrüche in der Frequenzkennlinie können als Frequenzmarken in die aufgenommene Frequenz/Leistungs-Kennlinie eingeblendet werden.

Über den Zirkulator 4 wird die Mikrowellenenergie vom Tor 5 zum Tor 6 gekoppelt, von wo ein Hohlraum-Resonator 7 über eine Kopplungseinrichtung 11 (z. B. ein hier nicht dargestelltes Loch in einer der Resonatorwände) angepreist wird. Das vom Hohlraum-Resonator 7 reflektierte Signal wird vom Zirkulator 4 vom Tor 6 zum Tor 8 gekoppelt und einem Detektor 9 zugeführt. Das Ausgangssignal des Detektors 9 sowie ein Referenzsignal des Mikrowellengenerators 1 werden an eine Auswerte- bzw. Re­ gistriereinheit 10 weitergeleitet. Diese ist im einfachsten Fall ein x-y-Schreiber. Zur Echtzeitauswertung ist es jedoch vorteilhafter, die genannten Signale über Analogdigitalwandler einer digitalen Weiterverarbeitung zuzuführen.

In den Innenraum des Hohlraum-Resonators 7 sind auf hier nicht dargestellte Weise Probenpartikel, deren Menge bestimmt werden soll, einbringbar. Dadurch wird das ohne Probenpartikel im Hohlraum-Resonator vorhandene ursprüngliche elektromagnetische Feldbild gestört, was über die Messung von Änderungen von Parametern des elektromagnetischen Feldes einen Rückschluß auf die Menge der in den Hohlraum-Resonator eingebrachten Probenpartikel erlaubt. Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann beispielsweise die Güteänderung des Hohlraum-Resonators bestimmt werden. Pro Mengenmessung müssen dabei zwei Resonanzkurven aufgezeichnet werden. Einmal die Resonanzkurve des unbeladenen Resonators - d. h. des Resonators ohne Probenpartikel -und einmal die Resonanzkurve des Resonators mit den zu messenden Probenpartikeln. Aus diesen beiden Kurven können in der Auswerteeinheit die Güte Q₀ des ungestörten Resonators sowie die Güte Q₁ des gestörten Resonators berechnet und z. B. aus dem Quotienten Q₀/Q₁ dieser beiden Größe die Masse der Probenpartikel eventuell mit Hilfe einer vorher bestimmten Zuordnungsfunktion berechnet werden.

Anstelle des in Fig. 1 als Abschlußresonator ausgebildeten Hohlraum-Resonators 7 kann auch ein Durchgangs-Resonator verwendet werden, der neben einer Einkoppelungsvorrichtung auch eine Auskoppelungsvorrichtung für Mikrowellenenergie aufweist, wodurch auch der Zirkulator 4 entfallen könnte.

In Fig. 2 ist eine weitere Möglichkeit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei als Mikrowellen- Generator 1 wiederum ein einfacher Oszillator, der bei einer festen Frequenz schwingt, verwendet werden kann. Über einen Richtkoppler 19 und einen Detektor 20 wird ein Referenzsignal ausgekoppelt und an einen Eingang (+) eines Differenzverstärkers 21 gelegt. Anstelle des bei der Ausführung nach Fig. 1 vorhandenen Hohlraum-Resonators 7 ist hier eine z. B. als Hohlleiter ausgebildete Übertragungsstrecke 22 vorgesehen, welche vom Mikrowellen-Generator 1 angespeist wird und deren Ausgangssignal über einen einstellbaren Abschwächer 23 einem Detektor 24 zugeführt wird. Das Meßsignal des Detektors 24 liegt am anderen Eingang (-) des Differenzverstärkers 21.

Die Probenpartikel werden hier, z. B. in einem Keramikfilter 25, in der Übertragungsstrecke 22 gesammelt, wodurch deren Übertragungseigenschaften beeinflußt werden und eine Dämpfung ihres Ausgangssignals auftritt. Der Abschwächer 23 wird so eingestellt, daß zu einer Zeit t₀ die vom Differenzverstärker 21 festgestellte Signaldifferenz Null wird. Ändert sich nun die Partikelbelegung, so wird sich am Ausgang des Differenzverstärkers 21 ein Meßsignal ergeben, das eine Funktion der Menge nach der Zeit t₀ eingebrachten Probenpartikel ist.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten Möglichkeit der Einbringung der Probenpartikel über ein Keramikfilter ist es auch möglich, die Probenpartikel in Form von Schwebeteilchen über eine Gasströmung in den Hohlraum-Resonator bzw. in die Übertragungsleitung einzubringen. Um Ablagerungen der Probenpartikel in den Mikrowellen-Bauelementen zu verhindern, könnte dabei der Gasstrom auch in einem verlustarmen Füllrohr geführt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung von partikelförmigen Verbrennungsrückständen von Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenpartikel unmittelbar an einen Mikrowellenstrahlung schwach absorbierenden Teil einer Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Ver­ brennungskraftmaschine angelagert werden, und daß dieser Teil in das von einem Mikrowellen-Generator (1) erzeugte elektromagnetische Feld gebracht wird, worauf zumindest ein sich aufgrund der Probenpartikel ändernder Parameter des elektromagnetischen Feldes gemessen wird, so daß aus den gemessenen Änderungen auf die Menge der Probenpartikel geschlossen werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellenstrahlung schwach absorbierender Teil eine Partikelfalle in Form eines keramischen Filters (25) verwendet wird.