用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质的制作方法
用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质的制作方法
【专利说明】用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质
[0001]本发明涉及用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质和具有根据本发明的工作介质的凝结核计数器。
[0002]内燃机的废气包含在nm范围的固体颗粒，所述固体颗粒太小因此不能以光学方式直接进行检测。然而，为了使所述固体颗粒能够测量，通常使用所谓的凝结核计数器，其中使废气穿过过饱和气氛。所述过饱和气氛例如通过如下方式产生:用工作介质的蒸气使废气饱和然后冷却。固体颗粒则充当凝结核，过饱和的工作介质凝结在所述凝结核上，这造成凝结核的生长。所述凝结核计数器例如由US 4,790,650 A或W0 12/142297 A1已知。凝结过程开始发生的固体颗粒的尺寸取决于过饱和度并且被称为开尔文直径。对于一定的过饱和度，开尔文直径越小，则造成工作介质的凝结的固体颗粒也可以越小。根据规定(例如法定要求)，对于废气而言要检测大于20nm(典型地为23nm)至2.5μπι的颗粒尺寸范围并且需要在饱和器之前将废气调节至<35°C的温度。由于凝结使得颗粒尺寸增大(至约5μπι)，则所述颗粒尺寸可以单独进行光学检测，例如使用基于散射光的光学颗粒计数器。为了对单独的颗粒进行检测并且计数，所述颗粒必须具有在μπι范围内的足够尺寸。
[0003]目前用于测量内燃机的废气中的固体颗粒的凝结核计数器的标准工作介质为1-丁醇(正丁醇)，例如于ΕΡ 2 208 983 Β1中所描述。这样的工作介质的主要缺点在于其与废气的化学反应性。醇与酸性废气组分形成酯，所述酯依次在凝结核计数器的灯芯状元件中富集并且造成气体饱和度的降低。另一个实践上的缺点是?37°C的闪点，即在目标温度的范围内。
[0004]ffO 01/31312 A1中研究了用于凝结核计数器的大量可能的工作介质，其中，焦点在此指向检测极小的分子(小于3nm)从而对化学物质进行化学分析。在此为了实现尽可能小的检验极限，所述系统的目的是尽可能小的开尔文直径。比W0 01/31312 A1中研究的分子明显更大的炭黑或其它废气颗粒在此并不重要。其中宣称乙二醇对于所述应用来说是最合适的工作介质，因为其能够实现最小的开尔文直径。此外，除了大量其它原则上可想到的化学物质之外还提及烷烃(特别是己烷、庚烷、辛烷和壬烷)作为工作介质，但是它们统统实现较差的开尔文直径，因此在W0 01/31312 A1中对于所述应用而言并未被描述成优选的工作介质。
[0005]W0 01/31312 A1还描述了可以从一个群组的化学物质(例如烷烃)中选择工作介质作为最合适的工作介质的方法。为此，应当考虑工作介质的相对介电常数并且选择所述化学群组中的具有最大介电常数的工作介质。相对介电常数在此为各个物质的例如由相应的表格或规格已知的参数。根据该标准，根据W0 01/31312 A1的烷烃被归入最不合适的工作介质，因为其k?2um的相对介电常数比更优选的工作介质乙二醇(er?41)或甘油(er?47)的相对介电常数小不止一个数量级。
[0006]在大气研究的领域内使用的一个替代方案是使用水作为工作介质(也参见例如W001/31312 A1)。但是对于内燃机废气的具体应用情况来说，水是不可使用的，因为水不能足够可靠地在废气中的炭黑颗粒上生长。此外，水由于水蒸气在空气中的高扩散性使得必需其它的基本系统结构，因此水在用于废气的常规凝结核计数器中不可使用。因此水不是所述具体应用情况的工作介质的有利的替代方案。
[0007]通过US 7,777,867 B2已知例如使用全氟化合物，特别是全氟_N_三烷基胺(例如全氟-N-三丁胺、全氟三丁胺FC-43)作为凝结核计数器的工作介质。所述工作介质的优点是出色的化学惰性和不可燃性。然而所述工作介质的缺点是高密度，由于高密度因此不能实现凝结核计数器中的以一定方式(例如使用竖直灯芯状元件)进行的输送(和相应的气体饱和度)，这使得所述化合物只能有限地使用。此外，全氟化的化合物昂贵并且还可能不环保，这使得所述化合物的处理较为复杂。
[0008]RU 2 237 882 C1描述了通过浊度计确定气体中的芳族化物的颗粒浓度的方法，其中首先借助臭氧使芳族化物转化成凝结核，然后使用十四碳烷或十七碳烷作为工作介质使凝结核通过凝结增长成颗粒。然而其中描述的十四碳烷和十七碳烷不适合作为用于内燃机的废气中的颗粒测量的凝结核计数器的工作介质，因为其在目标工作温度范围内具有低至少一个数量级的蒸气压，因此不能实现规定功能必需的用工作介质充分饱和或过饱和的气氛。虽然升高工作温度从而实现充分的饱和在技术上是有可能的，但是这首先不符合用于内燃机的废气中的颗粒测量的仪器的法律规定和标准规定，其次工作温度需要在各个物质的闪点范围内，这意味着较高的安全风险。除此之外，所述烷烃在凝结核计数器的工作温度范围内为固体或者具有不够低的粘度，同样使其不能用于目标应用。
[0009]因此本发明的目的是提供用于内燃机的废气的凝结核计数器的合适的工作介质。
[0010]通过使用化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为工作介质实现所述目的。
[0011]在W0 01/31312 Α1中，序数η为六(己烷)至九(壬烷)的正烷烃相比于提到的其它工作介质具有最差的性能，并且在烷烃的群组内，具有更高序数的烷烃具有相比于具有更低序数的烷烃更差的性能，例如更大的开尔文直径。然而W0 01/31312 Α1中提出的选择工作介质的方法特别对于烷烃而言遭遇失败，因为不同的烷烃具有非常相似的介电常数，因此不可能基于该标准进行安全的选择。当尽管如此仍然将给定标准应用于烷烃的群组时，作为优选的工作介质则更优选例如具有2.024的相对介电常数的环己烷，而不是相对介电常数比其更低的正烷烃。
[0012]然而出人意料的是，序数η为十(癸烧，HiqC22)碳烧，C11H24)和十二(十二碳烷，C12H26)的正烷烃特别地最适合于内燃机的废气，基于W0 01/31312 A1的公开这是不可预见的。其原因在于，序数为十(癸烷)、十一(十一碳烷)和十二 (十二碳烷)的烷烃在凝结核计数器的目标工作温度下(通常_20°C至50°C)为液体并且对废气组分(特别是对有机酸、水等)基本上无反应性并且与废气成分不发生化学反应(例如酯化等)。此外，烷烃通常不与水(例如以废气中的冷凝物的形式)混溶，这避免或至少减少了工作介质的污染。此外，所述烷烃在室温下具有足够高的闪点，从而避免在室温下形成可点燃或可爆炸的烷烃空气混合物，否则将需要复杂的安全措施或防爆措施。此外，所述烷烃在_20°C至50°C的目标工作温度范围内不发生例如液态-气态的相变。此外，所述烷烃的毒性低于内燃机中使用的燃料的毒性，因此可以简化工作介质的处理。此外所述烷烃还具有足够高的蒸气压，能够实现生长并且因此保证了在废气固体颗粒(特别是炭黑)上的可靠凝结。
[0013]下文参考图1更详细地解释本发明，图1示例性地图示地但非限制性地显示了用于内燃机的废气的凝结核计数器。
[0014]图1图示地显示了凝结核计数器1，其具有用于内燃机4的废气的管道2，所述废气例如从内燃机4的排气管中取出。废气在此也可以是经稀释的废气。废气到达优选在_20°C至50°C的工作温度范围内调温的经调温的饱和单元3，所述饱和单元3例如包括多孔饱和元件5，来自工作介质储存器8的液体工作介质7被供应至所述多孔饱和元件5。废气流过饱和元件5并且在此被工作介质7润湿。通过饱和单元3中的温度和任选的与位于下游的更冷的凝结单元6的温差，可以调节废气中的工作液体7的(过)饱和度，因此调节增大的颗粒的可达到的尺寸。在位于下游的通过合适的冷却剂冷却的冷凝单元6中，废气中的工作液体7凝结在废气中所包含的固体颗粒上。因此可以在颗粒计数器9中对这种优选在μπι范围内的增大的颗粒进行计数。通过管道10再次排出废气。
[0015]由经冷却的凝结单元6通过过滤器16和栗17使水返回至接收容器18。可能滴落的工作介质7直接再次返回饱和单元3。
[0016]颗粒计数器9在此包括激光二极管19，所述激光二极管19的光线通过聚焦单元20聚焦在颗粒负载的用工作介质过饱和的废气流的流出位置上并且通过集光器21连同检测器22传导。因此可以确定在流出位置溢出的每个单独的颗粒并且进行计数，因此检测废气中的颗粒的总浓度。
[0017]作为工作介质7，在此使用癸烷(C1QH22)、i^一碳烷(CnH24)或十二碳烷(C12H26)，或癸烷(C1QH22)、i^一碳烷(CnH24)或十二碳烷(C12H26)的相应的二元混合物或三元混合物。
【主权项】
1.化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为用于内燃机(4)的废气的凝结核计数器(1)的工作介质(7)的用途，通过所述凝结核计数器(1)对废气中所包含的单独的颗粒进行计数。2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，使用序数η为10、11或12的正烷烃的二元混合物作为工作介质(7)。3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，使用序数η为10、11或12的正烷烃的三元混合物作为工作介质(7)。4.凝结核计数器，其具有化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为工作介质(7)。5.根据权利要求4所述的凝结核计数器，其具有序数η为10、11或12的正烷烃的二元混合物或三元混合物作为工作介质。
【专利摘要】使用化学通式为CnH2n+2并且序数n为10、11或12的正烷烃作为用于内燃机(4)的废气的凝结核计数器的工作介质(7)，通过所述凝结核计数器对废气中所包含的单独的颗粒进行计数。
【IPC分类】G01N15/06, G01N15/02
【公开号】CN105492885
【申请号】CN201480047220
【发明人】M·克拉夫特, A·伯格曼
【申请人】Avl里斯脱有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月28日
【公告号】EP3039402A1, US20160202166, WO2015028553A1
【专利说明】用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质
[0001]本发明涉及用于内燃机的废气的凝结核计数器的工作介质和具有根据本发明的工作介质的凝结核计数器。
[0002]内燃机的废气包含在nm范围的固体颗粒，所述固体颗粒太小因此不能以光学方式直接进行检测。然而，为了使所述固体颗粒能够测量，通常使用所谓的凝结核计数器，其中使废气穿过过饱和气氛。所述过饱和气氛例如通过如下方式产生:用工作介质的蒸气使废气饱和然后冷却。固体颗粒则充当凝结核，过饱和的工作介质凝结在所述凝结核上，这造成凝结核的生长。所述凝结核计数器例如由US 4,790,650 A或W0 12/142297 A1已知。凝结过程开始发生的固体颗粒的尺寸取决于过饱和度并且被称为开尔文直径。对于一定的过饱和度，开尔文直径越小，则造成工作介质的凝结的固体颗粒也可以越小。根据规定(例如法定要求)，对于废气而言要检测大于20nm(典型地为23nm)至2.5μπι的颗粒尺寸范围并且需要在饱和器之前将废气调节至<35°C的温度。由于凝结使得颗粒尺寸增大(至约5μπι)，则所述颗粒尺寸可以单独进行光学检测，例如使用基于散射光的光学颗粒计数器。为了对单独的颗粒进行检测并且计数，所述颗粒必须具有在μπι范围内的足够尺寸。
[0003]目前用于测量内燃机的废气中的固体颗粒的凝结核计数器的标准工作介质为1-丁醇(正丁醇)，例如于ΕΡ 2 208 983 Β1中所描述。这样的工作介质的主要缺点在于其与废气的化学反应性。醇与酸性废气组分形成酯，所述酯依次在凝结核计数器的灯芯状元件中富集并且造成气体饱和度的降低。另一个实践上的缺点是?37°C的闪点，即在目标温度的范围内。
[0004]ffO 01/31312 A1中研究了用于凝结核计数器的大量可能的工作介质，其中，焦点在此指向检测极小的分子(小于3nm)从而对化学物质进行化学分析。在此为了实现尽可能小的检验极限，所述系统的目的是尽可能小的开尔文直径。比W0 01/31312 A1中研究的分子明显更大的炭黑或其它废气颗粒在此并不重要。其中宣称乙二醇对于所述应用来说是最合适的工作介质，因为其能够实现最小的开尔文直径。此外，除了大量其它原则上可想到的化学物质之外还提及烷烃(特别是己烷、庚烷、辛烷和壬烷)作为工作介质，但是它们统统实现较差的开尔文直径，因此在W0 01/31312 A1中对于所述应用而言并未被描述成优选的工作介质。
[0005]W0 01/31312 A1还描述了可以从一个群组的化学物质(例如烷烃)中选择工作介质作为最合适的工作介质的方法。为此，应当考虑工作介质的相对介电常数并且选择所述化学群组中的具有最大介电常数的工作介质。相对介电常数在此为各个物质的例如由相应的表格或规格已知的参数。根据该标准，根据W0 01/31312 A1的烷烃被归入最不合适的工作介质，因为其k?2um的相对介电常数比更优选的工作介质乙二醇(er?41)或甘油(er?47)的相对介电常数小不止一个数量级。
[0006]在大气研究的领域内使用的一个替代方案是使用水作为工作介质(也参见例如W001/31312 A1)。但是对于内燃机废气的具体应用情况来说，水是不可使用的，因为水不能足够可靠地在废气中的炭黑颗粒上生长。此外，水由于水蒸气在空气中的高扩散性使得必需其它的基本系统结构，因此水在用于废气的常规凝结核计数器中不可使用。因此水不是所述具体应用情况的工作介质的有利的替代方案。
[0007]通过US 7,777,867 B2已知例如使用全氟化合物，特别是全氟_N_三烷基胺(例如全氟-N-三丁胺、全氟三丁胺FC-43)作为凝结核计数器的工作介质。所述工作介质的优点是出色的化学惰性和不可燃性。然而所述工作介质的缺点是高密度，由于高密度因此不能实现凝结核计数器中的以一定方式(例如使用竖直灯芯状元件)进行的输送(和相应的气体饱和度)，这使得所述化合物只能有限地使用。此外，全氟化的化合物昂贵并且还可能不环保，这使得所述化合物的处理较为复杂。
[0008]RU 2 237 882 C1描述了通过浊度计确定气体中的芳族化物的颗粒浓度的方法，其中首先借助臭氧使芳族化物转化成凝结核，然后使用十四碳烷或十七碳烷作为工作介质使凝结核通过凝结增长成颗粒。然而其中描述的十四碳烷和十七碳烷不适合作为用于内燃机的废气中的颗粒测量的凝结核计数器的工作介质，因为其在目标工作温度范围内具有低至少一个数量级的蒸气压，因此不能实现规定功能必需的用工作介质充分饱和或过饱和的气氛。虽然升高工作温度从而实现充分的饱和在技术上是有可能的，但是这首先不符合用于内燃机的废气中的颗粒测量的仪器的法律规定和标准规定，其次工作温度需要在各个物质的闪点范围内，这意味着较高的安全风险。除此之外，所述烷烃在凝结核计数器的工作温度范围内为固体或者具有不够低的粘度，同样使其不能用于目标应用。
[0009]因此本发明的目的是提供用于内燃机的废气的凝结核计数器的合适的工作介质。
[0010]通过使用化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为工作介质实现所述目的。
[0011]在W0 01/31312 Α1中，序数η为六(己烷)至九(壬烷)的正烷烃相比于提到的其它工作介质具有最差的性能，并且在烷烃的群组内，具有更高序数的烷烃具有相比于具有更低序数的烷烃更差的性能，例如更大的开尔文直径。然而W0 01/31312 Α1中提出的选择工作介质的方法特别对于烷烃而言遭遇失败，因为不同的烷烃具有非常相似的介电常数，因此不可能基于该标准进行安全的选择。当尽管如此仍然将给定标准应用于烷烃的群组时，作为优选的工作介质则更优选例如具有2.024的相对介电常数的环己烷，而不是相对介电常数比其更低的正烷烃。
[0012]然而出人意料的是，序数η为十(癸烧，HiqC22)碳烧，C11H24)和十二(十二碳烷，C12H26)的正烷烃特别地最适合于内燃机的废气，基于W0 01/31312 A1的公开这是不可预见的。其原因在于，序数为十(癸烷)、十一(十一碳烷)和十二 (十二碳烷)的烷烃在凝结核计数器的目标工作温度下(通常_20°C至50°C)为液体并且对废气组分(特别是对有机酸、水等)基本上无反应性并且与废气成分不发生化学反应(例如酯化等)。此外，烷烃通常不与水(例如以废气中的冷凝物的形式)混溶，这避免或至少减少了工作介质的污染。此外，所述烷烃在室温下具有足够高的闪点，从而避免在室温下形成可点燃或可爆炸的烷烃空气混合物，否则将需要复杂的安全措施或防爆措施。此外，所述烷烃在_20°C至50°C的目标工作温度范围内不发生例如液态-气态的相变。此外，所述烷烃的毒性低于内燃机中使用的燃料的毒性，因此可以简化工作介质的处理。此外所述烷烃还具有足够高的蒸气压，能够实现生长并且因此保证了在废气固体颗粒(特别是炭黑)上的可靠凝结。
[0013]下文参考图1更详细地解释本发明，图1示例性地图示地但非限制性地显示了用于内燃机的废气的凝结核计数器。
[0014]图1图示地显示了凝结核计数器1，其具有用于内燃机4的废气的管道2，所述废气例如从内燃机4的排气管中取出。废气在此也可以是经稀释的废气。废气到达优选在_20°C至50°C的工作温度范围内调温的经调温的饱和单元3，所述饱和单元3例如包括多孔饱和元件5，来自工作介质储存器8的液体工作介质7被供应至所述多孔饱和元件5。废气流过饱和元件5并且在此被工作介质7润湿。通过饱和单元3中的温度和任选的与位于下游的更冷的凝结单元6的温差，可以调节废气中的工作液体7的(过)饱和度，因此调节增大的颗粒的可达到的尺寸。在位于下游的通过合适的冷却剂冷却的冷凝单元6中，废气中的工作液体7凝结在废气中所包含的固体颗粒上。因此可以在颗粒计数器9中对这种优选在μπι范围内的增大的颗粒进行计数。通过管道10再次排出废气。
[0015]由经冷却的凝结单元6通过过滤器16和栗17使水返回至接收容器18。可能滴落的工作介质7直接再次返回饱和单元3。
[0016]颗粒计数器9在此包括激光二极管19，所述激光二极管19的光线通过聚焦单元20聚焦在颗粒负载的用工作介质过饱和的废气流的流出位置上并且通过集光器21连同检测器22传导。因此可以确定在流出位置溢出的每个单独的颗粒并且进行计数，因此检测废气中的颗粒的总浓度。
[0017]作为工作介质7，在此使用癸烷(C1QH22)、i^一碳烷(CnH24)或十二碳烷(C12H26)，或癸烷(C1QH22)、i^一碳烷(CnH24)或十二碳烷(C12H26)的相应的二元混合物或三元混合物。
【主权项】
1.化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为用于内燃机(4)的废气的凝结核计数器(1)的工作介质(7)的用途，通过所述凝结核计数器(1)对废气中所包含的单独的颗粒进行计数。2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，使用序数η为10、11或12的正烷烃的二元混合物作为工作介质(7)。3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，使用序数η为10、11或12的正烷烃的三元混合物作为工作介质(7)。4.凝结核计数器，其具有化学通式为CnH2n+2并且序数η为10、11或12的正烷烃作为工作介质(7)。5.根据权利要求4所述的凝结核计数器，其具有序数η为10、11或12的正烷烃的二元混合物或三元混合物作为工作介质。
【专利摘要】使用化学通式为CnH2n+2并且序数n为10、11或12的正烷烃作为用于内燃机(4)的废气的凝结核计数器的工作介质(7)，通过所述凝结核计数器对废气中所包含的单独的颗粒进行计数。
【IPC分类】G01N15/06, G01N15/02
【公开号】CN105492885
【申请号】CN201480047220
【发明人】M·克拉夫特, A·伯格曼
【申请人】Avl里斯脱有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年8月28日
【公告号】EP3039402A1, US20160202166, WO2015028553A1
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