KR102162573B1

KR102162573B1 - 내연 기관 배기 가스용 응축핵 계수기를 위한 디바이스

Info

Publication number: KR102162573B1
Application number: KR1020167008118A
Authority: KR
Inventors: 마틴 크래프트; 알렉산더 베르그만
Original assignee: 아베엘 리스트 게엠베하
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2020-10-08
Also published as: CN105492885B; AT514774B1; WO2015028553A1; EP3039402B1; JP6355740B2; CN105492885A; EP3039402A1; JP2016532113A; US9897527B2; US20160202166A1; AT514774A1; KR20160052601A

Abstract

원자 수 n 이 10, 11 또는 12인 일반 화학식 C_nH_2n ₊ ₂을 가지는 n-알케인이 내연 기관(4)으로부터의 배기 가스용 응축핵 계수기를 위한 작동 매질(7)로서 사용되고, 이에 의해서 배기 가스 중에 포함된 개별 입자가 계수될 수 있다.

Description

내연 기관 배기 가스용 응축핵 계수기를 위한 디바이스 {DEVICE FOR A CONDENSATION NUCLEUS COUNTER FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE EXHAUST GASES}

본 발명은 연소 기관으로부터 내부 배기 가스용 응축핵 계수기를 위한 작동 매질 및 본 발명에 따른 작동 매질를 가지는 응축핵 계수기에 관한 것이다.

내연 기관으로부터의 배기 가스는 nm 범위인 고체 입자를 포함하며, 이들을 광학적 수단에 의해 직접적으로 검출하는 것이 가능하기에는 너무 작다. 그러한 고체 입자를 측정 가능하도록 하기 위해, 배기 가스가 과포화된 분위기를 통과되는 소위, 응축핵 계수기가 종종 사용된다. 과포화된 분위기는 예를 들어 작동 매질로부터의 배기가스를 증기를 사용하여 포화시키고 이후 냉각시킴으로써 생성된다. 이후 고체 입자는 과포화된 작동 매질가 응축되는 응축핵으로서 역할을 하고, 이는 응축핵의 성장을 야기한다. 그러한 응축핵 계수기는 예를 들어 US 4,790,650 A 또는 WO 12/142297 A1로부터 공지되어 있다. 상기 응축 공정이 발생하는 고체 입자의 크기는 과포화에 의존하고 켈빈 직경(Kelvin diameter)으로서 지정된다. 특정 과포화에 있어서 켈빈 직경이 더 작을수록, 고체 입자는 더 작을 수 있고, 이는 작동 매질의 응축을 야기한다. 배기 가스에 대한 지침, 예를 들어 법적 요구 사항에 따라, 20 nm 초과, 전형적으로 23 nm, 내지 2.5 μm의 입자 크기 범위가 검출될 것이고 배기 가스는 포화기 이전에 < 35℃의 온도로 조절될 것이다. 응축으로 인해 입자의 크기는 증가하고 (대략 5 μm까지), 이후 입자는 예를 들어 광학 입자 계수기로써, 개별적으로 광학적으로 검출될 수 있다. 개별 입자의 검출 및 계수를 위해, 입자는 μm 범위의 충분한 크기를 가져야 한다.

내연 기관으로부터의 배기 가스 내 고체 입자의 측정을 위한 응축핵 계수기에 대한 현재 표준 작동 매질는 1- 뷰탄올 (n-뷰탄올)이며, 예를 들어 EP 2 208 983 B1에 기재되어 있다. 이러한 작동 매질의 주된 단점은 배기 가스와의 화학 반응성이다. 산성 배기 가스 성분과 함께 알코올은 에스터를 형성하고 결과적으로 이는 응축핵 계수기의 심지 부분에 농축되고 가스 포화의 감소를 야기한다. 또 다른 실제적인 단점은 규정된 온도의 범위 내, 즉 ~ 37 ℃인 인화점이다.

WO 01/31312 A1에서 응축핵 계수기를 위한 다수의 가능한 작동 매질가 조사되고, 이러한 경우의 주요 초점은 화학 물질의 화학 분석을 위해 (3 nm보다 작은) 매우 작은 분자의 검출에 맞춰져 있다. 이러한 경우 최소 가능한 검출 한계를 달성하기 위해, 시스템이 가능한 최소 켈빈 직경으로 설계된다. WO 01/31312 A1에서 연구된 분자보다 현저히 큰 수트(soot) 또는 다른 배기 가스 입자는 여기서 어떠한 역할도 하지 않는다. 이러한 경우 글리콜이 최소 켈빈 직경을 허용하기 때문에, 상기 적용에 있어 가장 적합한 작동 매질로 명시된다. 원칙적으로 고려할 수 있는 다수의 또 다른 화학 물질 이외에, 알케인, 특히 헥세인, 헵테인, 옥테인 및 노네인이, 작동 매질로서 언급되지만, 이들 모두는 더 열악한 켈빈 직경을 가능하게 해, 이러한 적용을 위한 바람직한 작동 매질로서 WO 01/31312 A1에 기재되지 않는다.

게다가 WO 01/31312 A1는 가장 적합한 작동 매질로서 화학 물질 (예를 들어 알케인) 군으로부터 작동 매질를 선택하는 방법을 기재한다. 이러한 목적을 위해 작동 매질의 비유전율(relative dielectric constant) ε_r 가 사용되어야 하고 화합물 군에서 최대 유전율을 가지는 작동 매질가 선택된다. 비유전율은 예를 들어 해당하는 표 또는 사양으로부터 개별 물질에 대해 공지된 파라미터이다. 또한 이러한 기준에 의해 WO 01/31312 A1 에 따르면 알케인은 이의 ε_r ~ 2에서의 비유전율이 바람직한 작동 매질인 글리콜 (ε_r ~ 41) 또는 글리세롤 (ε_r ~ 47)의 비유전율보다 한 자릿수가 낮기 때문에 가장 덜 적합한 작동 매질로서 분류된다.

대기 연구의 분야에서 사용되는 대안은 작동 매질로서 물을 사용하는 것이다 (또한 예를 들어 WO 01/31312 A1를 참조한다). 그러나, 물은 배기 가스 중의 수트 입자 상에서 성장하지 않기 때문에, 본 적용을 위해서 내연 기관으로부터의 배기 가스에서는 물이 사용될 수 없다. 또한, 공기 중의 수증기의 높은 확산성으로 인해, 물은 종래의 배기 가스용 응축핵 계수기에서 물이 사용될 수 없는 근본적으로 상이한 시스템을 필요로 할 것이다. 이에 따라 물은 본 적용을 위한 작동 매질로서 합리적인 대안을 구성하지 않는다.

응축핵 계수기를 위한 작동 매질로서 퍼플루오르화된 화합물, 특히 퍼플루오로-N-트리알킬아민 (예를 들어 퍼플루오로-N-트리뷰틸아민, Fluorinert FC-43)의 사용은 예를 들어 US 7,777,867 B2로부터 공지되어 있다. 이러한 작동 매질의 이점은 훌륭한 화학적 불활성 및 비-가연성이다. 그러나, 이러한 작동 매질의 단점은 예를 들어 수직 심지 부분을 가지는, 특정 설계의 응축핵 계수기에서의 전달 (및 상응하는 가스 포화)이 불가능함으로 인한 고밀도이며, 이는 상기 화합물을 제한적으로만 사용할 수 있도록 만든다. 게다가, 퍼플루오르화된 화합물은 고가이며 또한 잠재적으로 환경적으로 유해하여, 상기 화합물의 취급을 어렵게 만든다.

RU 2 237 882 C1는 비탁계(nephelometer)를 사용하여 가스 중의 방향족 화합물의 입자 농도를 측정하는 방법을 기재하며, 여기서 방향족 화합물은 초기에 오존을 사용하여 응축핵으로 전환되고 이는 이후 응축에 의해 작동 매질로서 테트라데케인 또는 헵타데케인의 사용에 의해 입자로 확대된다. 그러나, 상기 명세서에 기재된 테트라데케인 및 헵타데케인은 내연 기관으로부터의 배기 가스 중의 입자 측정용 응축핵 계수기를 위한 작동 매질로서 부적합하며, 이는 원하는 작동 온도 범위에서 자릿수까지 매우 낮은 증기압을 가져 작동 매질로 충분히 포화된 또는 과포화된 분위기를 생성하도록 하고, 이는 적절한 기능에 필수적이기 때문이다. 충분한 포화를 달성하기 위한 작동 온도의 증가는 기술적으로는 가능할 수 있지만, 첫째로, 내연 기관으로부터의 배기 가스 중의 입자 측정을 위한 그러한 기기의 법적 및 규범적 요구 사항을 준수하지 않고, 두번째로, 각각의 물질의 인화점의 범위 내의 작동 온도가 필수적일 것이며, 이는 실질적인 안전을 위협할 것이다. 그 외에도, 응축핵 계수기의 작동 온도 범위에서 이러한 알케인은 고체이거나 충분히 낮은 점도를 가지지 않아, 원하는 적용을 위해 이의 사용을 마찬가지로 제외된다.

본 발명은 도 1에 관하여 아래 더욱 상세하게 설명되고, 이는 예시로서, 개략적으로 제한 없이, 내연 기관으로부터의 배기 가스용 응축핵 계수기를 나타낸다.
도 1은 개략적으로 공급 라인(2)을 가지는, 내연 기관(4)으로부터의 배기 가스용 응축핵 계수기(1)를 나타내며, 이는 내연 기관(4)의 배기 파이프로부터 추출된다. 배기 가스는 또한 희석된 배기 가스일 수 있다. 배기 가스는 바람직하게 -20 ℃ 내지 50 ℃의 작동 온도 범위에서 온도-제어되는, 온도-제어 포화 유닛(3)에 들어가고, 상기 유닛은 예를 들어 다공성 포화 요소(5)를 포함하고 액체 작동 매질(7)가 작동 매질 리저버(8)로부터 이로 전달된다. 배기 가스는 포화 요소(5)를 통해 흐르고 작동 매질(7)에 의해 습윤된다. 배기 가스 중의 작동 매질(7)의 포화 또는 과포화의 정도, 및 이에 따라 확대된 입자의 성취할 수 있는 크기는 포화 유닛(3) 내의 온도에 의해, 및 선택적으로 후속의 더 냉각된 응축 유닛(6)과의 온도차에 의해 설정될 수 있다. 적합한 냉각제에 의해 냉각된 후속 응축 유닛(6)에서, 배기 가스 중의 작동 매질(7)는 배기 가스 중에 포함된 고체 입자 상에 응축된다. 이러한 방식으로, 바람직하게 μm 범위로 확대된 입자는 이후 입자 계수기(9)에서 계수될 수 있다. 배기 가스는 배출 라인(10)을 통해 다시 배출된다.
냉각된 응축 유닛(6)으로부터 물은 필터(16) 및 펌프(17)에 의해, 수용 용기(18) 내로 돌아온다. 한 방울씩 떨어지는 임의의 작동 매질(7)는 다시 포화 유닛(3)으로 직접 통과한다.
입자 계수기(9)는 여기서 레이저 다이오드(19)를 포함하고, 상기 레이저 다이오드7의 빛은 집속 유닛(20)에 의해 작동 매질로 과포화되고 입자로 채워진 배기 가스 스트림의 배출 지점에 집중되고, 수집되어 수집기(21)에 의해 검출기(22)로 전달된다. 이에 따라 배출 지접에서 나온 각각의 개별 입자는 검출되고 계수될 수 있고 이에 따라 배기 가스 중의 입자의 총 농도가 결정될 수 있다.

따라서 본 발명의 목적은 내연 기관 배기 가스용 응축핵 계수기를 위한 적합한 작동 매질를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 원자 수 n이 10, 11 또는 12인 일반 화학식 C_nH_2n ₊ ₂을 가지는 n-알케인의 작동 매질로서 사용에 달성된다.

WO 01/31312 A1에서 6 (헥세인) 내지 9 (노네인)의 원자 수 n을 가지는 n-알케인이 언급되는 다른 작동 매질에 반해 가장 열악한 특성을 가지며, 알케인의 군 내에서 더 큰 원자 수를 가지는 것들이 더 낮은 원자 수를 가지는 알케인보다 더 열악한 특성, 예를 들어 더 큰 켈빈 직경을 가진다. 그러나, 작동 매질의 선택을 위해 WO 01/31312 A1에서 제안된 방법은 상이한 알케인이 매우 유사한 유전율을 가져, 이러한 기준에 기초한 신뢰성 있는 선택을 불가능하도록 만들기 때문에 특히 알케인에 부적합하다. 그럼에도 특정 기준이 알케인의 군에 적용되는 경우, 바람직한 작동 매질로서, 예를 들어 2.024의 비유전율을 가지는 사이클로헥세인이 그 이하의 비유전율을 가지는 n-알케인보다 바람직할 것이다.

그러나 놀랍게도, 10 (데케인, H₁₀C₂₂), 11 (운데케인, C₁₁H₂₄) 및 12 (도데케인, C₁₂H₂₆)의 원자 수 n을 가지는 n-알케인이 내연 기관으로부터의 배기 가스에 가장 적합하며, 이는 WO 01/31312 A1의 개시에 기초해서는 예측되지 않았다. 그 이유는 응축핵 계수기의 원하는 작동 온도, 전형적으로 -20 ℃ 내지 50 ℃에서 10 (데케인), 11 (운데케인) 및 12 (도데케인)의 원자 수를 가지는 알케인이 액체이며 실질적으로 배기 가스 성분, 특히 유기산, 물, 등에 대해 비반응성이고, 배기 가스 성분과의 어떠한 화학 반응, 예를 들어 에스터화 등에 참여하지 않기 때문이다. 게다가, 알케인은 일반적으로 물과 예를 들어 배기 가스 중의 응축물이 형태로 혼합하지 않아, 작동 매질의 오염을 예방하거나 적어도 감소시킨다. 또한, 그러한 알케인은 실온에서 발화성 또는 폭발성 알케인/공기 혼합물의 형성을 막기 위해 실온에서 충분히 높은 인화점을 가져, 고가의 안전 및/또는 폭발 보호 대책을 필요로 할 것이다. 게다가, 이러한 알케인과 함께 상전이 예를 들어, 액체-기체 전이가 -20 ℃ 내지 50 ℃의 원하는 작동 온도 범위에서 발생한다. 게다가, 그러한 알케인의 독성은 내연 기관에 사용되는 연료의 독성보다 낮아, 작동 매질의 취급이 더욱 간편해질 수 있다. 마지막으로 덧붙이자면, 이러한 알케인은 또한 성장을 촉진하고 또한 이에 따라 배기 가스 고체 입자, 특히 수트 상에 신뢰성 있는 응축을 보장하기 위해서 충분히 높은 증기압을 가진다.

데케인 (C₁₀H₂₂), 운데케인 (C₁₁H₂₄) 또는 도데케인 (C₁₂H₂₆). 또는 상응하는 데케인 (C₁₀H₂₂), 운데케인 (CnH₂₄) 또는 도데케인 (C₁₂H₂₆)의 이원 또는 삼원 혼합물이 작동 매질(7) 로서 사용될 수 있다.

Claims

응축핵 계수기(1)에 대한 작동 매질로서 원자 수 n이 10, 11 또는 12인 일반 화학식 C_nH_2n+2을 가지는 n-알케인을 사용하는 것을 포함하는, 응축핵 계수기(1)에 의하여 내연 기관(4)의 배기 가스 중에 포함된 단일 수트 입자를 계수하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 10, 11 또는 12의 원자 수 n을 가지는 n-알케인의 이원 혼합물이 작동 매질(7)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 10, 11 또는 12의 원자 수 n을 가지는 n-알케인의 삼원 혼합물이 작동 매질(7)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
내연 기관으로부터의 배기 가스 중의 단일 수트 입자를 계수하기 위한 응축핵 계수기로서,
포화 요소를 포함하는 포화 유닛,
n이 10, 11 또는 12인 일반 화학식 C_nH_2n+2을 가지는 적어도 하나의 알케인으로 이루어진 작동 매질을 포함하는 리저버, 상기 리저버는 상기 작동 매질을 포화 요소로 전달하기 위해 포화 유닛에 연결된 전달 라인을 포함함,
작동 매질에 의한 습윤화를 위해 단일 수트 입자를 포함하는 배기 가스를 포화 유닛으로 전달하기 위한 공급 라인,
상기 작동 매질이 배기 가스 내 단일 수트 입자 상에서 응축하여 상기 단일 수트 입자를 확대시키는 응축 유닛, 및
배기 가스 내 상기 확대된 단일 수트 입자를 계수하는 입자 계수기를 포함하는 응축핵 계수기.
제4항에 있어서, 10, 11 또는 12의 원자 수 n을 가지는-알케인의 이원 또는 삼원 혼합물이 작동 매질로서 사용되는 응축핵 계수기.