Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Messgas, insbesondere von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welches Druck- und Partikelkonzentrationsänderungen unterliegt. Dabei ist zur Führung des Messgases zumindest eine Messgasleitung und zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft des Messgases zumindest eine, mit der Messgasleitung verbundene Analyseeinheit vorgesehen.

Sowohl für mobile Anwendungen als auch auf Prüfständen, oder in Werkstätten, werden Auswerteeinrichtungen, z.B. Partikelmessgeräte genutzt, durch welche z.B. die Anzahl, Größe, Masse von Partikeln im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine ausgewertet bzw. ana- lysiert werden sollen. Derartige Analysen sind beispielsweise im Zuge regelmäßiger Prüfungen von in Gebrauch stehenden Verbrennungskraftmaschinen erforderlich, beispielsweise im Rahmen der wiederkehrenden Begutachtung von Kraftfahrzeugen. Selbstverständlich nehmen entsprechende Abgasanalysen auch im Zuge der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen hohen Stellenwert ein. Derartige Analysen werden natürlich auch im Zusammen- hang mit Kaminen, Rauchfängen und unterschiedlichsten Verbrennungsanlagen durchgeführt.

Problematisch ist, dass eine Analyse bei hochdynamischen Veränderungen im Abgas bzw. im Messgas, also beispielsweise bei entsprechenden Schwankungen bezüglich Druck- und Partikelkonzentration, oftmals nicht zufriedenstellend möglich ist. Als hochdynamisch werden in diesem Zusammenhang in der Regel Änderungen oder Schwankungen in Zeiträumen der Größenordnung 0,1 bis 1 Sekunden bezeichnet. Dazu ist anzumerken, dass viele der verwendeten Analysegeräte auf Druckschwankungen an deren Eingangsseite, wo also Messgas zur Analyse zugeführt wird, sehr empfindlich reagieren. In den oftmals verwendeten Verdünnungsstufen, welche das entnommene Abgas vor der eigentlichen Analyse verdün- nen, kommt es in Folge der Druckschwankungen zur Schwankungen in der Verdünnungsrate und somit zu fehlerhaften Messergebnissen bei der Analyse des Messgases. Weiters ist bei derartigen Partikelmesssystemen üblich Blenden zur Druckreduzierung zu nutzen, da das Druckniveau an jener Stelle, an welcher das Abgas entnommen wird, beispielsweise am Auspuff eines Kraftfahrzeuges, für die Mess- bzw. Analysegeräte oftmals zu hoch ist, um die genauen Messanforderungen zu erfüllen.

Einen entsprechenden Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 967 481 A2, wobei mittels einer konstant laufenden Vakuumpumpe das zu analysierende Abgas durch einen Analysator gefördert wird. Um ein möglichst konstantes Druckniveau für die Analyse im Analysator gewährleisten zu können, ist im Leitungssystem, über welches das Abgas dem Analysator zu- geführt wird, ein Druckregler vorgesehen, der die Regelung durch das Zuführen von Fehlluft durchführt. Nachteilig ist dabei jedoch, dass Änderungen in der Partikelkonzentration, während einer schnellen Druckänderung vom nachfolgenden Analysesystem nur verzögert oder verzerrt erfasst werden. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass bei der Entnahme des Messgases, beispielsweise aus einem Auspuffrohr einer Verbrennungskraftmaschine, an der Entnahmestelle üblicherweise hohe Gegendrücke auftreten. Mess- bzw. Analysegeräte arbeiten jedoch, wie bereits erwähnt, bei einem wesentlich geringeren Druckniveau. Zur Druckreduzierung werden, wie üblich, entsprechende Blenden genutzt. Diese führen aber dazu, dass dynamische Vorgänge, wie beispielsweise Druckschwankungen, entsprechend verzerrt werden. Außerdem ist das durch Blenden reduzierte Druckniveau oftmals weiterhin zu hoch, um eine optimale Funktion der genutzten Analysegeräte zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst repräsentative Entnahme von Analysegas zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Messgasleitung ein Expansionsvolumen in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung vorgesehen ist. Aus dem Ex- pansionsvolumen ist das Messgas der zumindest einen Analyseeinheit zuführbar. Weiters ist eine Pumpe mit dem Expansionsvolumen verbunden, mittels welcher im Expansionsvolumen ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten wird. Im Expansionsvolumen ist zumindest ein Drucksensor vorgesehen, welcher mit einer Regeleinheit verbunden ist. Zur Regelung der Pumpe, in Abhängigkeit des vom Drucksensor bestimmten Druckniveaus, ist die Regeleinheit mit der Pumpe verbunden. Unter einem Expansionsvolumen wird in der vorliegenden Offenbarung ein Bereich mit einem Querschnitt bzw. einer Querschnittsfläche verstanden, der bzw. die gegenüber der Messgasleitung vor oder nach dem Expansionsvolumen, insbesondere stromaufwärts des besagten Bereichs, vergrößert ist. In einer Variante der Erfindung ist der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche des Expansionsvolumens doppelt so groß wie der Querschnitt der Messgasleitung. Bei einer hohen Dynamik und kleinen Flussraten des Messgases kann auch ein kleinerer Querschnitt des Expansionsvolumens günstig sein. Die Nutzung eines Expansionsvolumens erlaubt bei gleichzeitiger Druckreduzierung eine entsprechende Durchmischung des Messgases, wodurch Inhomogenitäten reduziert bzw. vermieden werden. Wird das zu analysierende Messgas aus dem Expansi- onsvolumen entnommen und der Analyseeinheit zugeführt, stellt das zur Analyse zugeführte Messgas eine für das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine repräsentative Probe beispielsweise hinsichtlich der Partikelverteilung dar. Da das Druckniveau direkt im Expansionsvolumen bestimmt wird und in Abhängigkeit dessen, jene Pumpe geregelt wird, welche für ein konstantes Druckniveau sorge trägt, ergibt sich ein kompakter Regelkreis, mittels wel- chem auf dynamische Druckschwankungen bestmöglich reagiert werden kann. Insbesondere bei schnellen und starken Druckschwankungen (ab 2 bar/s) des Messgases bzw. schnellen und starken Änderungen der Partikelkonzentration im Messgas zeigt sich diese Realisierung vorteilhaft. Es ist jedoch auch eine Anwendung bei weitaus geringeren und weniger dynamischen Schwankungen des Drucks möglich, beispielsweise bei Rauchfängen, Kesseln oder Heizwerken. Um Kondensation zu verhindern, kann zudem eine Beheizung des Expansionsvolumens vorgesehen sein. Damit kann ein Kondensieren des Messgases verhindert werden, was z.B. durch Abkühlung des Messgases bei der Ausdehnung in das Expansionsvolumen auftreten kann. Die Beheizung kann dabei auf verschiedene Arten, beispielsweise Heizschlangen an der Außen- oder Innenseite des Expansionsvolumens oder Anordnung des Expansionsvo- lumens innerhalb eines beheizten, abgeschlossenen Bereichs erfolgen.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Druckniveaus an einer Entnahmestelle, an welcher das Messgas der Messgasleitung zugeführt wird, zumindest ein weiterer Drucksensor vorgesehen ist, und dass der weitere Drucksensor mit der Regeleinheit verbunden ist. Der Regeleinheit werden somit zwei Druckwerte, jener an der Entnahmestelle und jener im Expansionsvolumen von welchem das Messgas zur Analyseeinheit geführt wird, zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann auf bereits erwähnte Druckschwankungen noch besser reagiert werden. Das halten eines konstanten Druckniveaus im Expansionsvolumen wird somit nochmals erleichtert.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Messgasleitung in einer Strömungsrichtung vom Mess- gas durchströmt ist und die Pumpe in Strömungsrichtung gesehen nach dem Expansionsvolumen angeordnet ist. Negative Einflüsse auf das Messgas, welche sich durch die Pumpe ergeben können, werden auf diese Weise verhindert.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass in der Messgasleitung in Strömungsrichtung gesehen vor dem Expansionsvolumen eine Blende zur Druckreduzierung vorgesehen ist. Als Blende wird im Wesentlichen eine beliebig ausgeführte Querschnittsverengung verstanden. Eine derartige Querschnittsverengung kann sowohl verjüngend, als auch sprunghaft ausgeführt sein. Auf diese Weise wird der Druck bereits vor dem Expansionsvolumen„vorreduziert". Dies erlaubt es, das Expansionsvolumen vorrangig dahingehend dimensionieren zu können, dass es zu einer möglichst homogenen Partikelverteilung kommt. Die notwendige Druckreduzie- rung, welche eine weitere Aufgabe des Expansionsvolumens ist, kann in Abstimmung mit der vorgelagerten Blende erfolgen und hat somit keinen vorrangigen Einfluss auf die Dimensionierung des Expansionsvolumens.

Das Verhältnis zwischen Innendurchmesser der Messgasleitung und geringstem Querschnitt der Blende kann im Bereich von 1 :2 bis 1 :100 liegen, je nach gewünschtem Dynamikumfang. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Pumpe als Venturipumpe in Kombination mit einem Regelventil ausgeführt ist. Auf diese Weise ist die Anzahl an bewegten Teilen auf ein Minimum reduziert. Mögliche Verunreinigungen stellen ein geringeres Problem dar, als beispielsweise bei Pumpen mit rotierenden Bauteilen. Auch Hinsichtlich möglicher Bildung von Kondensat und damit verbundenen, möglichen Schäden, stellt die Venturipumpe eine wesentlich robustere Vorrichtung im Vergleich zu üblichen Pumpensystemen dar.

Wie bereits eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Analyse von Messgas, insbesondere von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Messgas zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft durch eine Messgasleitung zu einer damit verbundenen Analyseeinheit geführt wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Messgas einem Expansionsvolumen in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung zugeführt wird, dass das Messgas dem Expansionsvolumen entnehmbar und der zumindest einen Analyseeinheit zuführbar ist. Dabei wird mittels einer, mit dem Expansionsvolumen verbundenen Pumpe im Expansionsvolumen ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten, wobei das Druckniveau im Expansionsvolumen mittels zumindest eines, mit einer Regeleinheit verbundenen, Drucksensors bestimmt wird, und die Pumpe mittels der Regeleinheit, in Abhängigkeit des vom Drucksensor bestimmten Druckniveaus, geregelt wird.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig.1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Analyse von Messgas,

Fig.2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung.

Wie bereits eingangs erwähnt, spielen Untersuchungen bzw. Analysen von Abgasen in ver- schiedensten Zusammenhängen eine tragende Rolle. Zum einen sind bei Abgabe von Abgasen an die Umwelt unterschiedlichste Auflagen zu erfüllen, zum anderen lässt die Analyse der emittierten Stoffe auch einen Rückschluss auf vorangegangene Verbrennungsvorgänge zu. Zur Analyse wird dazu üblicherweise ein Teil des zu untersuchenden bzw. analysierenden Abgases als Abgasprobe entnommen. Diese Abgasprobe, wird im Weiteren als Mess- gas bezeichnet.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas. Die dargestellte Vorrichtung 1 kann selbstverständlich bei der Analyse unterschiedlichster Gase bzw. Abgase zur Anwendung kommen und dabei beispielsweise im Zusammenhang mit Kaminen und Rauchfängen unterschiedlichster Verbrennungsanlagen genutzt werden. Insbesondere findet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas im Zusammenhang mit der Analyse von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welches starken Druck- und Partikelkonzentrationsänderungen unterliegt, Anwendung.

Dabei ist zur Führung des Messgases zumindest eine Messgasleitung 2 und zur Bestim- mung zumindest einer Eigenschaft des Messgases zumindest eine, mit der Messgasleitung 2 verbundene Analyseeinheit 3 vorgesehen. Wie Figur 1 erkennen lässt, ist in der Messgasleitung 2 ein Expansionsvolumen 4 in Form einer kammerförmigen Erweiterung der Messgasleitung 2 vorgesehen. Wie in Figur 1 und in weiterer Folge auch in Figur 2 durch einen Pfeil dargestellt, wird erfindungsgemäß aus diesem Expansionsvolumen 4 zumindest ein Teil des Messgases der zumindest einen Analyseeinheit 3 zugeführt. Weiters ist eine Pumpe 5 mit dem Expansionsvolumen 4 verbunden, mittels welcher im Expansionsvolumen 4 ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten wird. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen, in Bezug auf den Umgebungsdruck um einen geringfügigen Unterdruck, beispielsweise im Bereich von etwa -10 bis -30 mbar. Selbstverständlich ist dieses Druckniveau lediglich beispielhaft und kann sich, je nach Anwendungsgebiet und den sich daraus ergebenden Erfordernissen, vom eben angegebenen Wert unterscheiden. Erfindungsgemäß ist im Expansionsvolumen 4 zumindest ein Drucksensor 6 vorgesehen, welcher mit einer Regeleinheit 7 verbunden ist. Zur Regelung der zuvor erwähnten Pumpe 5, in Abhängigkeit des vom Drucksensor 6 bestimmten Druckniveaus, ist die Regeleinheit 7 mit der Pumpe 5 verbunden.

Im Zuge des Verfahrens zur Analyse von Messgas, bei welchem die eben beschriebene Vorrichtung 1 zur Anwendung kommt, wird das Messgas zur Bestimmung zumindest einer Eigenschaft durch die Messgasleitung 2 zu der damit verbundenen Analyseeinheit 3 geführt. Dabei wird das Messgas dem Expansionsvolumen 4, welches durch eine kammerförmige Erweiterung der Messgasleitung 2 gebildet wird, zugeführt. Das Messgas ist dann dem Expansionsvolumen entnehmbar und der zumindest einen Analyseeinheit 3 zuführbar. Mittels der, mit dem Expansionsvolumen 4 verbundenen Pumpe 5 wird im Expansionsvolumen 4 ein zumindest annähernd konstantes Druckniveau gehalten, wobei das Druckniveau im Expansionsvolumen 4 mittels zumindest eines, mit einer Regeleinheit 7 verbundenen, Druck- sensors 6 bestimmt wird. Die Pumpe 5 wird mittels dieser Regeleinheit 7, in Abhängigkeit des vom Drucksensor 6 bestimmten Druckniveaus, geregelt.

In einer erwähnten Analyseeinheit 3 wird das Messgas beispielsweise auf chemische Zusammensetzung, Größe der enthaltenen Partikel, Partikelkonzentration usw., untersucht. Diese Aufzählung ist jedoch lediglich beispielhaft zu sehen, da, je nach Anwendungsgebiet, unterschiedlichste Messgrößen bzw. deren Messwerte von Interesse sein können. Selbst- verständlich kann dabei auch eine Mehrzahl an Analyseeinheiten 3 für die Bestimmung der jeweiligen Messgrößen bzw. deren Messwerte vorgesehen sein.

Bei der zuvor angesprochenen Entnahme des Messgases, beispielsweise aus einem schematisch angedeuteten Auspuffrohr 8 einer Verbrennungskraftmaschine, treten an der Entnahmestelle 10 üblicherweise hohe Gegendrücke auf. Mess- bzw. Analysegeräte, wie die bereits erwähnte Analyseeinheit 3, arbeiten jedoch bei einem wesentlich geringeren Druckniveau. Üblicherweise werden zur Druckreduzierung entsprechende Blenden genutzt. Wie bereits eingangs erwähnt, führt deren Verwendung jedoch dazu, dass dynamische Vorgänge, wie beispielsweise Druckschwankungen, entsprechend verzerrt werden. Weiters ist das durch Blenden reduzierte Druckniveau oftmals weiterhin zu hoch, um eine optimale Funktion der genutzten Analyseeinheit 3 zu gewährleisten.

Die Nutzung des Expansionsvolumens 4 erlaubt bei gleichzeitiger Druckreduzierung eine entsprechende Durchmischung des Messgases, wodurch Inhomogenitäten reduziert bzw. vermieden werden. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise eine erwünschte, möglichst homogene Verteilung von z.B. Rußpartikel im Messgas erwähnt. Wird das zu analysierende Messgas aus dem Expansionsvolumen 4 entnommen und der Analyseeinheit 3 zugeführt, stellt das zur Analyse zugeführte Messgas somit eine, für das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, repräsentative Probe hinsichtlich der Partikelverteilung dar. Da das Druckniveau mittels des Drucksensors 6 direkt im Expansionsvolumen 4 bestimmt wird und in Abhängigkeit dessen, jene Pumpe 5 geregelt wird, welche für ein konstantes Druckniveau sorge trägt, ergibt sich ein kompakter Regelkreis mittels welchem auf dynamische Druckschwankungen bestmöglich reagiert werden kann. Wie in Figur 1 weiters erkennbar, kann jener Anteil des Messgases, welcher nicht der Analyseeinheit 3 zugeführt wurde über eine Abgabestelle 20 der Pumpe 5 beispielsweise über ein nachgeschaltetes Filtersystem an die Umgebung abgegeben werden.

Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung 1 . Dabei ist vorgesehen, dass zur Bestimmung des Druckniveaus an der Entnahmestelle 10, an welcher das Messgas der Messgasleitung 2 zugeführt wird, zumindest ein weiterer Drucksensor 9 vorgesehen ist und, dass der weitere Drucksensor 9 mit der Regeleinheit 7verbunden ist.

Da somit mittels des weiteren Drucksensors 9, welcher mit der Regeleinheit 7 verbunden ist, das Druckniveau an der Entnahmestelle 10, an welcher das Messgas der Messgasleitung 2 zugeführt wird, bestimmt wird, werden der Regeleinheit 7 somit zwei Druckwerte zur Verfügung gestellt. Ein derart, in Bezug auf den Drucksensor 6 vorgelagerter, weiterer Drucksensor 9 erlaubt es der Regeleinheit noch besser auf Druckschwankungen an der Entnah- mestelle 10 zu reagieren. Das Halten eines konstanten Druckniveaus im Expansionsvolumen 4 wird somit nochmals erleichtert.

Sowohl in Figur 1 als auch in Figur 2 ist schematisch erkennbar, dass die Messgasleitung 2 in einer Strömungsrichtung 1 1 vom Messgas durchströmt ist und die Pumpe 5 in Strömungs- richtung 1 1 gesehen nach dem Expansionsvolumen 4 angeordnet ist. Je nach Art der verwendeten Pumpe 5 kann das Messgas durch die Pumpe 5 negativ beeinflusst werden. Je nach Inneren Aufbau der Pumpe 5 können sich Partikel an unterschiedlichen Stellen ablagern und so zu einer Entmischung des Messgases führen. In umgekehrter Weise besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass sich beispielsweise zuvor abgelagerte Partikel wieder lösen und auf diese Weise das Messgas bzw. dessen aktuelle Zusammensetzung entsprechend verfälschen. Wird die Pumpe 5 entsprechend vorteilhaft in Strömungsrichtung 1 1 gesehen nach dem Expansionsvolumen 4 angeordnet, werden derartige negative Einflüsse auf das Messgas verhindert.

Wie in Figur 2 weiters erkennbar ist, kann es vorteilhaft sein, dass in der Messgasleitung 2 in Strömungsrichtung 1 1 gesehen vor dem Expansionsvolumen 4, eine Blende 12 zur Druckreduzierung vorgesehen ist. Zwar ist die Verwendung von Blenden 12 zur Druckreduktion mit den bereits erwähnten Nachteilen verbunden, diese Nachteile kommen aber je nach Differenz der Druckniveaus mehr oder weniger stark zum tragen. Die verwendete Blende 12, welche selbstverständlich auch durch die Aneinanderreihung mehrerer Blenden 12 gebildet werden kann, dient vorrangig einer„Vorreduzierung" des Druckniveaus. Darunter ist zu verstehen, dass der Druck, welcher an der Entnahmestelle 10 vorliegt, nicht vollständig durch die Blende 12 auf jenes Druckniveau reduziert wird, welches, wie zuvor erwähnt, eine optimale Messung bzw. Analyse in der Analyseeinheit 3 ermöglicht. Die zuvor erwähnten, möglichen Verzerrungen, beispielsweise von Druckschwankungen können somit auf ein geringes Maß reduziert werden, obwohl die Blende das Druckniveau, welches zuvor an der Entnahmestelle 10 vorliegt, bereits reduziert. Diese„Vorreduzierung" des Druckniveaus erlaubt es, das Expansionsvolumen vorrangig dahingehend dimensionieren zu können, dass es zu einer möglichst homogenen Partikelverteilung kommt. Die notwendige, weitere Druckreduzierung, welche eine weitere Aufgabe des Expansionsvolumens ist, kann in Abstimmung mit der vor- gelagerten Blende erfolgen und hat somit keinen vorrangigen Einfluss auf die Dimensionierung des Expansionsvolumens.

Die Pumpe 5 kann vorteilhafter Weise als Venturipumpe in Kombination mit einem Regelventil 51 ausgeführt sein. Auf diese Weise ist die Anzahl an bewegten Teilen auf ein Minimum reduziert. Mögliche Verunreinigungen, wie beispielsweise die zuvor erwähnte Ablagerung von Rußpartikel, stellen ein geringeres Problem dar, als bei entsprechenden Pumpensystemen beispielsweise mit rotierenden Bauteilen. Auch Hinsichtlich möglicher Bildung von Kon- densat und damit verbundenen, möglichen Schäden, stellt die Venturipumpe eine wesentlich robustere Vorrichtung im Vergleich zu üblichen Pumpensystemen dar. Das erwähnte Regelventil 51 , welches in Figur 2 lediglich schematisch angedeutet ist, kann beispielsweise durch ein Nadelventil gebildet sein, wobei, je nach Volumenstrom und sonstigen Anforderungen natürlich auch andere, geeignete Ventile zur Anwendung kommen können. Es ist auch denkbar, dass das Regelventil 51 in die Regeleinheit 7 integriert ist.

Die beschriebene Vorrichtung 1 zur Analyse von Messgas erlaubt insbesondere bei schnellen und starken bzw. hochdynamischen Druckschwankungen bzw. sich ändernden Partikelkonzentrationen eine möglichst repräsentative Entnahme von Analysegas zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit von Messergebnissen insbesondere bei der Analyse von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine wesentlich verbessert.