WO2019148229A1 - Kondensationspartikelzähler mit düsenvorrichtung - Google Patents

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WO2019148229A1
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carrier gas
condensation
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Martin Kupper
Martin Kraft
Alexander Bergmann
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AVL List GmbH
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    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/065—Investigating concentration of particle suspensions using condensation nuclei counters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F25/30—Injector mixers
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    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
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    • G01N2001/383—Diluting, dispersing or mixing samples collecting and diluting in a flow of liquid
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    • G01N2015/0038—Investigating nanoparticles
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • the invention relates to a condensation particle counter according to the preamble of claim 1, comprising a main channel, which in measuring operation along a
  • a carrier gas, a saturator for enrichment, in particular for saturation, the carrier gas with a fuel, a along the Hauptströmungspfads after the saturator in a nozzle portion of the main channel opening nozzle device connected to a Messaerosolzutechnisch and for introducing a particle-laden Messaerosols in the enriched carrier gas is arranged, a arranged along the main flow path to the nozzle device condensation region for supersaturation of the mixture containing the carrier gas, the fuel and the Meßaerosol, along the main flow path to the condensation region arranged measuring device for detecting the enlarged by the condensed fuel particles of Messaerosols and a Temperieranssen for temperature control of Shinaerosols.
  • Condensation particle counters are known and published in various embodiments.
  • condensation particle counters an aerosol stream is saturated with a vaporous fuel and subsequently in a
  • the exhaust gas of an internal combustion engine is often used as a metered aerosol, for example to measure the particle emissions of a motor vehicle.
  • Exhaust gases from internal combustion engines contain in addition to the particles to be measured, however, other components such as water vapor, unburned hydrocarbons or sulfuric acid. These other ingredients can interfere with the measurement and even damage the condensation particle counter. For this reason, the metered aerosol is conditioned in conventional condensation particle counters. In this conditioning, the messaerosol example dried, cooled and diluted. However, it has been found in practice that the conditioning of the measurement aerosol impairs the accuracy of the measurement, since during conditioning a considerable part of the particles of the measuring aerosol is lost or filtered out of the measuring aerosol, this problem being particularly acute with nanoparticles, eg Size of under 25nm occurs.
  • the dew point temperature of sulfuric acid is chosen as the minimum temperature, which is approximately in the range of 150 ° C. This prevents substances such as water vapor or vaporous sulfuric acid from condensing in the area of the measuring device and impairing the measurement or damaging the measuring device.
  • the measuring accuracy of the condensation particle counter can be increased, in particular, by using an improved nozzle device for distributed admixing of the measuring aerosol into the carrier gas.
  • Intense studies have also shown that saturation damage to high-temperature condensation particle counters is caused by undesirable reactions of the fuel.
  • Conventional operating materials are usually long-chain esters, in particular dioctyl phthalates, which are supplied in liquid form and taken up or bound in vapor form in the aerosol stream or in the carrier gas by the heating of the saturator.
  • these esters have proven in practice to be insufficiently thermostable.
  • Fluids also known as hydrocarbons. At higher temperatures, however, these hydrocarbons react with the oxygen of the aerosol stream or carrier gas, adversely affecting the molecular structure of the feeds. Moreover, at higher temperatures, so-called “cracking" of the hydrocarbons of the operating material occurs. By-products of this reaction are subsequently deposited in the saturator, which can lead to a laying of the saturator.
  • the measurement accuracy of the condensation particle counter can be improved in particular by using an improved saturator.
  • conditioning means a treatment, in particular filtering, dilution and / or drying, of the meteraerosol stream.
  • the invention relates to a condensation particle counter comprising a main channel, which in measuring operation along a main flow path of a
  • Carrier gas is flowed through, a saturator for enrichment, in particular for
  • Main flow path after the condensation region arranged measuring device for detecting the enlarged by the condensed operating medium particles of Messaerosols, and a tempering for controlling the temperature of the Stromaerosols.
  • the nozzle device comprises a distributor nozzle for the distributed admixing of the metered aerosol into the carrier gas enriched in the measuring mode and flowing through the nozzle portion of the main channel.
  • the distributor nozzle projects at a distance from the wall of the nozzle section, in particular centrally, into the nozzle section of the main channel.
  • the distributor nozzle has an inlet opening with a free inlet cross section for feeding the messaerosol into the distributor nozzle, that the distributor nozzle has at least one outlet opening for distributed admixing of the measuring aerosol into the carrier gas enriched in the measuring mode and through the nozzle section of the main channel has an inlet channel adjoining the inlet opening, and / or that the distributor nozzle per outlet opening branching off from the inlet channel and in the
  • the inlet opening or the inlet channel with its or its free inlet cross section in the course of the distributor nozzle is provided that the inlet opening or the inlet channel with its or its free inlet cross section in the course of the distributor nozzle
  • Messaerosols flowing through Messaerosols is the element with the greatest flow resistance and thus acts as a flow limiting device of Messaerosols or is formed.
  • the free inlet cross section is smaller than the smallest total outlet cross section of all outlet openings or, in the case of a single outlet opening, the outlet opening, and smaller than the smallest total cross section of all distribution channels or, in the case of a single distribution channel, the distribution channel.
  • Pipeline with defined geometry and, if necessary, surface finish and in particular by a pipe section with a circular free cross-section and a free diameter of 0.5-1.5 mm, in particular 0.7 mm; and optionally a length of 10 - 25 mm is formed.
  • Inlet opening with the metered aerosol is directed to the inlet opening, and that in the region of the inlet opening at least one overflow opening for discharging the introduced at the flow not in the inlet opening Messaerosols or the excess Messaerosols is provided.
  • the Messaerosolzu Arthur has a free end, that the free cross section of the free end of Messaerosolzu Arthur is greater than the inlet cross section and / or the inlet opening, wherein the free end of the Messaerosolzutechnisch is directed towards the inlet and / or wherein the
  • Inlet opening projects into the free end.
  • the at least one outlet opening or all outlet openings widens or widened in a funnel shape to the outside.
  • Outwardly means here in particular seen in the flow direction.
  • a plurality of outlet openings are provided, and that the outlet openings distributed, in particular regularly distributed, are arranged on the circumference or on the jacket of the distributor nozzle.
  • the outlet openings are arranged along the jacket of the distributor nozzle, in particular directly next to one another, in a row.
  • the distributor nozzle protrudes into the main channel in the nozzle section along the main flow path and comprises an end section designed as a free end.
  • the end portion of the distributor nozzle along the main flow path in the nozzle portion is formed wedge-shaped or conically converging and thereby forms a tip.
  • the distributor nozzle has a cylindrical shape
  • outlet portion along the circumference, on the lateral surface, the outlet openings are arranged, and that at the outlet portion of the
  • the shape and the course of the main channel in the nozzle portion of the mold and the course of the distributor nozzle are adapted, and that the wall of the main channel in the nozzle portion of the outer contour of the distributor nozzle complains follows, whereby the main channel in the nozzle portion has an annular cross-section or annular gap-shaped is trained.
  • the main channel in the nozzle section and / or in the condensation region along the main flow path is formed conically converging and in particular conical or funnel-shaped.
  • Influencing, controlling or regulating the volume flow of the carrier gas is provided that at least one control device for influencing, controlling or regulating the volume flow of Messaerosols is provided, and that the two control devices form at least a part of a control device for controlling the dilution of Messaerosols by the carrier gas.
  • control device for the adaptation of
  • the introduced particle-laden metered aerosol is preferably surrounded in a ring shape by an essentially particle-free stream.
  • losses of particles on the wetted with the fuel wall of the subsequent condensation region can be avoided and the contamination of the condensation region, for example by reflux of condensate can be reduced.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a
  • FIG. 2 shows a detailed section of the condensation particle counter from FIG. 1,
  • Figure 3 is a further schematic sectional view of a
  • Figure 4 is a schematic oblique view of relevant components of a
  • Condensation particle counter according to at least one of the figures 1 -3 can be used, and
  • Figure 5 is a schematic oblique view of relevant components of a
  • Saturation body such as in a
  • Condensation particle counter according to at least one of the figures 1 -3 can be used.
  • condensation particle counter 1 condensation particle counter 1
  • fuel 2 carrier gas 3
  • main flow path 4 saturator 5
  • nozzle device 6 aerosol supply line 7
  • measuring aerosol 8 condensation region 9
  • measuring device 10 tempering device 11
  • Main channel 12 nozzle section 13
  • end section (of the distributor nozzle) 15, distributor nozzle 16
  • inlet cross section 18 outlet opening 19
  • Inlet channel 20 distribution channel 21, inlet opening 22, overflow opening 23, free end (the meteraerosol supply line) 24, free cross section (of the free end of the
  • Level control device 34 pressure compensation opening 35.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a possible embodiment of a condensation particle counter 1 or an arrangement of a
  • the condensation particle counter 1 flows through a carrier gas 3 during normal operation along a main flow path 4.
  • the carrier gas 3 is a gas-free and oxygen-free gas or gas mixture.
  • the carrier gas 3 flows through a saturator 5, in which the carrier gas 3 is enriched or saturated with a fuel 2.
  • a nozzle device 6 is arranged along the main flow path 4 after the saturator 5.
  • the nozzle device 6 comprises a measuring aerosol feed line 7 for feeding the measuring aerosol 8 into the enriched or saturated carrier gas 3.
  • the measuring aerosol 8 is a
  • Exhaust after-treatment system and / or a motor vehicle which - among other things, has an internal combustion engine.
  • the measuring aerosol 8 is in particular an undiluted, undried and / or directly from a sampling point - for example, in the exhaust system or exhaust - diverted partial flow of the exhaust gas of the test specimen.
  • a condensation area 9 is provided in or along the main flow path 4 downstream of the nozzle device 6.
  • Fuel 2 and the metered aerosol 8 includes, which in the Messaerosol 8
  • a measuring device 10 is arranged downstream of the main flow path 4.
  • This measuring device 10 can be, for example, a conventional measuring device 10 of a condensation particle counter, which has, for example, a separating nozzle for separating the particles of the measuring aerosol 8.
  • the measuring device 10 comprises an optical measuring device for the detection of particles.
  • the condensation particle counter 1 comprises a tempering arrangement 11, which is suitable and / or adapted to carry out a heating and optionally a cooling. In particular, extends through the entire
  • Condensation particle counter 1 a main channel 12 through which initially only the
  • Carrier gas 3 and subsequently also the fuel 2 and the measuring aerosol 8 are conveyed through.
  • the tempering arrangement 11 may for example be designed such that a part, in the present case, the saturator 5, is heated.
  • the condensation region 9 may for example have a temperature which is lower than the temperature in the region of the saturator 5, with which the physical
  • Framework conditions in the course of the main channel 12 are modified such that first an enrichment or saturation of the carrier gas 3 with the fuel 2 takes place, and that then in the condensation region 9, for example by an active or passive cooling, comes to a supersaturation.
  • the carrier gas 3 is tempered during measurement operation of the temperature control assembly 11 in the saturator 5 to a saturation temperature, wherein the saturation temperature is greater than the temperature of the carrier gas 3 in the condensation region 9 and in particular greater than 200 ° C or 210 ° C. Accordingly, the carrier gas 3 in Measuring operation of the temperature control assembly 11 in the condensation region 9 to a condensation temperature of about 150 ° C, preferably tempered above 190 ° C.
  • Messaerosols 8 are held in the condensation particle counter 1 above a certain minimum value, so that a condensation of contained in the metered aerosol
  • the minimum temperature is above the dew point temperature of water and / or above the dew point temperature of sulfuric acid.
  • the temperature of the carrier gas 3 and / or the Meßaerosols 8 in the condensation region 9 is smaller than the saturation temperature but greater than 180 ° C, in particular greater than 190 ° C.
  • the Messaerosolstrom the Messaerosols 8 is heated so that the temperature of the Messaerosolstroms at each point of
  • Main channel 12 is greater than the acid dew point of the optionally contained in Messaerosolstrom acids, in particular sulfuric acid, wherein the acid dew point temperature is in particular in the range of 120 ° C to 150 ° C.
  • condensation particle counter 1 is designed as HT-CPC.
  • condensation particle counter is the minimum temperature of the
  • the acid dew point temperature is usually in the range of 120 ° C to 150 ° C.
  • the saturator 5 in the present embodiment comprises a saturation body 27, which comprises a plurality of saturation channels 28 along the main flow path 4.
  • the saturation channels 28 are separated from each other by saturation channel walls 29.
  • the saturator 5 comprises a saturation space 31 with a trough-shaped section 30.
  • the shape and / or course of the saturation space 31 in the saturator 5 is adapted to the shape and / or the course of the saturation body 27.
  • the saturation space 31 is formed tubular along the main flow path 4. In - geodetic at its intended use - upper area, above the trough-shaped portion 30, a pressure compensation opening 35 is provided.
  • the saturation body 27 is in the present embodiment in the
  • the saturation body 27 is according to a preferred embodiment, a porous body which is at least partially filled with the fuel 2 or impregnated and / or filled or impregnated. As it flows through the saturation channels 28, the carrier gas 3 is enriched or saturated with the fuel 2.
  • a fuel supply line 32 is provided, which is connected to a fuel reservoir 33.
  • the saturator 5 comprises the above-mentioned pressure equalizing port 35.
  • the trough-shaped portion 30 may be partially or completely filled with the fuel 2.
  • the trough-shaped section 30 is delimited by the lower part of the saturation space 31, which additionally comprises a step or shoulder along the main flow path before and after the saturation body 27, so that a trough is formed in which the preferably liquid-supplied operating material 2 is arranged can.
  • the saturable body 27 also preferably protrudes into this trough-shaped section 30, as a result of which, through its porous structure, the operating material 2 soaks the entire saturable body 27, for example by capillary action.
  • the nozzle device 6 For introducing the Meßaerosols 8 in the enriched with fuel 2 carrier gas 3, the nozzle device 6 is provided.
  • the nozzle device 6 comprises a
  • Distributor nozzle 16 which is arranged in a nozzle portion 13 of the main channel 12. In particular, the distribution nozzle 16 is spaced from the wall 17 of the
  • Nozzle section 13 is arranged, which results in the present embodiment, an annular gap into which the messaerosol 8 is introduced.
  • the distributor nozzle 16 protrudes in the nozzle section 13 along the main flow path 4 projecting into the main channel 12 and comprises a free end formed as an end portion 15.
  • the end portion 15 of the distributor nozzle 16 is along the main flow path 4 in
  • Nozzle section 13 formed wedge-shaped or conically converging and thereby forms a tip.
  • Shape and course of the main channel 12 in the nozzle section 13 are adapted shape and shape of the distributor nozzle 16. This is how the wall of the Main channel 12 in the nozzle portion 13 of the outer contour of the distributor nozzle 16 objected, whereby the main channel 12 in the nozzle portion 13 has an annular cross-section or is formed annular gap-shaped.
  • the annular gap begins already upstream of the nozzle device 6 in the region of the meteraerosol feed line 7.
  • the condensation particle counter 1 is as
  • Condensation particle counter 1 has the technical advantage that the messaerosol 8 can be supplied substantially unconditioned. Since the minimum temperature of Messaerosols 8 in the course of the relevant components of
  • Condensation particle counter 1 is above the dew point temperature of water and optionally also sulfuric acid, measurement errors are reduced, although the exhaust gas may be a substantially undried and substantially unfiltered exhaust gas of an internal combustion engine.
  • an alkane with the structural formula CnH 2n + 2 and an atomic number n between 16 and 24 is advantageously used as the fuel 2. Its isomers are also used. According to the present embodiment, an alkane having the structural formula C2oH 4 2, in particular eicosan, is used.
  • the carrier gas used is an inert gas, in particular nitrogen. This prevents that despite the high temperature of the fuel 2 in the saturator 5 is oxidized, cracked or otherwise undesirable changes its molecular structure.
  • Messaerosols 8 after the saturator 5 is additionally prevented that components of Messaerosols 8 affect the function of the saturator 5.
  • a specially configured nozzle device can be provided.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a detail of the nozzle device 6, in particular of the nozzle device 6 from FIG. 1.
  • the main channel 12 comprises a nozzle section 13 with a wall 17.
  • the distributor nozzle 16 is arranged at a distance from the wall 17. The distributor nozzle 16 thus protrudes in the illustrated embodiment, centrally in the nozzle section 13 of the main channel 12. Die
  • Distributor nozzle 16 extends substantially along the main flow path 4 and has, as already explained above, an end portion 15 which in the
  • present embodiment is designed as a free end.
  • the wall 17 of the nozzle portion 13 is substantially the course of
  • Distributor nozzle 16 adapted.
  • an annular channel is formed between the distributor nozzle 16 and the wall 17 of the nozzle portion 13, which is flowed through in the intended operation of the enriched carrier gas 3.
  • the Meßaerosol 8 is mixed by the nozzle device 6.
  • the distributor nozzle 16 has an inlet opening 22 or an inlet channel 20 with a free inlet cross-section 18. Through this inlet opening 22, the messaerosol 8 is introduced into the distribution nozzle 16. Furthermore, the
  • Distributor nozzle 16 at least one outlet opening 19 for the distributed admixture of Messaerosols 8 in the enriched carrier gas.
  • Distribution channel 21 is provided.
  • a plurality of outlet openings 19 are provided, of which in each case a distributor channel 21 runs in the direction of the inlet channel 20, in order thereby to pass through the inlet channel 20
  • the outlet openings 19 are embodied in an outlet section 26 of the distributor nozzle 16 on the circumference or on the jacket of the distributor nozzle 16.
  • the outlet openings along the circumference of the shell of the distributor nozzle 16 in a row, in particular arranged directly adjacent to each other, as partially in Fig. 4 can be seen.
  • At the outlet section 26 of the end portion 15 includes - in particular directly - to.
  • Messaerosolzu Arthur 7 a free end 24, which is directed to the inlet opening 22.
  • the inlet opening 22 or the inlet channel 20 projects into the free end 24 of the measuring aerosol feed line 7.
  • an overflow opening 23 is provided. Excess messaerosol 8, which is not introduced into the inlet opening 22 and the inlet channel 20 is over the
  • the inlet cross section 18 of the inlet opening 22 and the inlet channel 20 is designed such that the inlet cross section 18 that element in the course of the flow in the distributor nozzle 16, which is the largest
  • the inlet cross section 18 thereby acts as a throttle or as a flow regulator.
  • the free inlet cross section 18 is smaller than the smallest total outlet cross section of all outlet openings 19.
  • the free inlet cross section 18 is smaller than the smallest overall cross section of all
  • the free inlet cross section 18 is formed by a pipeline with a defined geometry.
  • the free diameter can be 0.5 - 1, 5 mm, preferably 0.7 mm.
  • the length is provided with 10 - 25 mm.
  • the volume flow of the measuring aerosol 8 actually conveyed through the distributor nozzle 16 is essentially defined by the pressure difference between the inlet opening 22 and the outlet opening 19 due to this configuration.
  • the volumetric flow of the metered aerosol can be determined and, in particular, controlled or regulated by the likewise known throttling effect of the inlet cross section 18.
  • the inlet channel 20 may be configured in all embodiments, in particular as a capillary, or comprise a capillary.
  • the pressure in the region of the outlet opening 19 essentially corresponds to the ambient pressure.
  • the pressure in the region of the inlet opening 22 corresponds to the back pressure of the through the metered aerosol. 8
  • the pressure corresponds to the
  • Outlet opening 19 with respect to the ambient pressure of a negative pressure, wherein the pressure in the region of the inlet opening 22 substantially corresponds to the ambient pressure.
  • the condensation particle counter is designed such that at least one control device for influencing, controlling or regulating the
  • volume flow of the carrier gas 3 is provided that at least one
  • Control device for influencing, controlling or regulating the volume flow of Messaerosols 8 is provided, and that the two control devices at least part of a control device for controlling the dilution of the
  • the condensation particle counter is designed such that the
  • Control device to adjust the dilution of Messaerosol 8 under
  • a control device for influencing, controlling or regulating a
  • Volume flow may, for example, include or be a controllable valve and / or a controllable delivery device such as a fan or a suction fan.
  • a controllable valve By such a control device, the volume flow and thereby possibly also the pressure conditions in the course of the flow can be influenced.
  • the dilution of the measuring aerosol 8 by the carrier gas 3 can be regulated.
  • the two control devices are part of such a configuration
  • the flow or the volume flow of Messaerosols 8 can be determined by the inlet channel 20 at known flow conditions, taking into account the pressure difference before and after the distributor nozzle 16 and thus optionally regulated by adjusting the pressure difference.
  • the carrier gas 3 can be conveyed through the main channel 12 in such a way that substantially ambient pressure prevails in the main channel 12 and thereby also in the region of the outlet openings 19 of the distributor nozzle 16.
  • the dynamic pressure in the region of the inlet opening 22 can be controlled or regulated by means of a control or regulation of the volume flow of the supplied metering aerosol 8. The resulting pressure difference allows a
  • Main duct 12 are sucked, the suction fan preferably after the
  • Measuring device 10 is provided. About one or more control valves can now be set in the main channel 12 a suppression. For example, in that
  • a flow regulator or flow valve may be provided.
  • Outlet opening (s) 19 of the distributor nozzle 16 differ from the ambient pressure, but be known or measurable, so that the pressure difference and the dilution can be determined.
  • the control device may be connected directly or indirectly to the measuring device 10. In particular, measurement data of the measuring device are processed by the control device or
  • the dilution can be adapted, for example, to the particle content of the measuring aerosol 8. If the messaerosol has a high particle content, the dilution can be increased. If the metered aerosol has a low particle content, the dilution can be reduced. This improves the measurement accuracy of the condensation particle counter. A change in the dilution can be made as described above.
  • the outlet openings 19 are funnel-shaped and expand outwardly from the distribution channel 21.
  • the distribution channel 21 is formed in a first section, subsequent to the inlet channel 20, with a constant cross-section and the cross-section increases in funnel shape at a certain distance from the inlet channel.
  • the distribution nozzle 16 the discharge opening 19 opens obliquely into the main channel 12.
  • the opening angle is about 60 ° in the present embodiment.
  • Diameter of about 1 mm and an inclination of about 50 ° to the vertical axis provided.
  • This configuration is, as is preferred throughout the flow system, designed for a standard flow rate of 1 standard liter / min (1 NL / min, 1,000 sccm) for such systems.
  • 1 standard liter / min (1 NL / min, 1,000 sccm) for such systems.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional illustration of an embodiment of the invention
  • Condensation particle counter in particular of the condensation particle counter of Figure 1, wherein the sectional plane is substantially a normal plane of
  • the sectional plane passes through the saturation body 27, the saturation channels 28, the saturation channel walls 29, the saturation space 31, the trough-shaped portion 30 of the saturation space 31 along the fuel supply line 32 through the operating fluid reservoir 33, Level control device 34 and the pressure compensation opening 35.
  • the level control device 34 is provided for controlling the level of the fuel 2 in the operating fluid reservoir 33 and is set up via the fuel supply line 32 for controlling or controlling the fuel supply to the saturation body 27.
  • the filling level in the trough-shaped section 30 can also be controlled or regulated.
  • Flierzu the fuel supply line 32 is annular and connected from below to the trough-shaped portion 30 and the fuel reservoir 33.
  • the saturation body 27 is in the present embodiment, at least partially, preferably formed entirely of a porous material, in particular of a porous alumina ceramic material.
  • the saturable body 27 protrudes into the trough-shaped section 30, which is at least partially filled with the operating material 2. Due to the porous structure of the saturation body 27 is automatically with the
  • the saturation body 27 comprises a plurality of saturation channels 28, which are flowed through during normal operation of the carrier gas 3.
  • the saturation channel walls 29, through which the saturation channels 28 are formed, or which extend between the saturation channels 28, are also at least partially formed of the porous material and impregnated with the fuel 2. Now, if the saturation space 31 flows through the carrier gas 3, the carrier gas 3 flows through the saturation channels 28 and is thereby enriched or saturated via the saturation channel walls 29 with the fuel 2.
  • Figure 4 shows a schematic oblique view of an embodiment of a
  • the distributor nozzle 16 comprises a plurality of outlet openings 19.
  • the outlet openings 19 are distributed along the circumference or the jacket of the distributor nozzle 16.
  • the outlet openings 19 arranged substantially obliquely radially and evenly spaced distributed on the distributor nozzle 16.
  • the outlet openings 19 are arranged in a row next to one another.
  • the outlet openings 19 are funnel-shaped and extend from the cross section of the distribution channels 21 to the outside. As a result, the outlet openings 19 act as a kind of diffuser, whereby a
  • Good mixing is advantageous in all embodiments, so that the particles can grow separately from each other and thus individually by accumulation of the fuel without coincidence errors. This is promoted in particular by the design measures of a laminar flow, an adapted flow velocity and / or the design of the nozzle device 6.
  • the distributor nozzle 16 has an end portion 15 which serves as the free end of the
  • Distributor nozzle 16 is formed.
  • the present embodiment the
  • End portion 15 formed conically converging, whereby on the
  • End portion 15 is formed a tip.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a saturation body 27, in particular of the saturation body 27, of FIGS. 1 and 3.
  • the saturation body 27 preferably has a shape adapted to the shape of the saturation space 31.
  • the saturation body 27 is cylindrically shaped.
  • Saturation body 27 has a multiplicity of saturation channels 28, which preferably run along the main main flow path 4.
  • the profile of the main flow path 4 is determined by the course of the saturation channels 28.
  • the saturation channels 28 are in the present embodiment by the
  • Saturation channel walls 29 formed. These run in the present
  • Saturation channels 28 of the embodiment of Figure 5 has a substantially rectangular or square cross section.
  • the cross section of the saturation channels 28 in the course of the saturation channels 28 along the Main flow path 4 constant.
  • the saturation channels 28 take in a normal plane of the main flow path 4 more than 70%, preferably more than 80%, of the cross-sectional area of the saturation body 27, wherein incomplete
  • Saturation channels 28 are not taken into account at the edge of the saturation body 27.
  • the saturation body 27 is formed according to a preferred embodiment of a porous alumina ceramic material. This material exists
  • the alumina ceramic contains 45-55% (eg, 51.7%) Al2O3 and / or 38-45% (eg, 42%) S1O2.
  • 3-5% K 2 O, in particular 4.1% K 2 O are additionally present, with further constituents in addition, such as Fe 2 O 3, TIO 2, CaO, MgO and / or Na 2 O, in each case being present in the range of or below 1% can.
  • the alumina ceramic preferably has a density of 2-3, in particular of 2.7 g / cm 3 according to the hydrostatic method DIN VDE 0335/2 and a water absorption of less than 0.1%, in particular of 0% according to the hydrostatic method DIN VDE 0335 / 2 on.
  • the saturable body 27 or the aluminum oxide ceramic material advantageously has a porosity which has a sufficient capillary action for the operating medium or the operating material 2.
  • a saturation body 27 with a diameter of about 2.5 cm should be completely wetted or soaked, for example, if it is about 1/5 deep in the fuel 2.
  • a method for operating a condensation particle counter 1 provides that a carrier gas 3 - in particular an inert gas such as, for example, an inert gas. Nitrogen - is conveyed along a main flow path 4 through the condensation particle counter 1, wherein the carrier gas 3 in the flow through the
  • Temperieran extract 11 is at least partially tempered.
  • main flow path 4 is successively:
  • Carrier gas 3 and 8 Messaerosol be tempered in measuring operation of the temperature control assembly 11 in the condensation region 9 to a condensation temperature of about 150 ° C, preferably from above 190 ° C.
  • FIGS. 1 to 5 preferably relate to a single advantageous embodiment of a condensation particle counter according to the invention or an arrangement according to the invention comprising a condensation particle counter.
  • the nozzle device 6 and in particular the distributor nozzle 16 can also be used to improve the admixture of Messaerosols in a
  • the saturator 5 and in particular the saturation body 27 as well as the control of the filling level in the saturation space can be used in a conventional condensation particle counter.

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Abstract

Kondensationspartikelzähler (1) umfassend einen im Messbetrieb entlang eines Hauptströmungspfads (4) von einem Trägergas (3) durchströmten Hauptkanal (12), einen Sättiger (5) zur Sättigung des Trägergases (3) mit einem Betriebsstoff (2), eine entlang des Hauptströmungspfads (4) nach dem Sättiger (5) in einen Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) mündende Düsenvorrichtung (6), die mit einer Messaerosolzuleitung (7) verbunden ist zur Einbringung eines partikelbeladenen Messaerosols (8) in das angereicherte Trägergas (3), einen entlang des Hauptströmungspfads (4) nach der Düsenvorrichtung (6) angeordneten Kondensationsbereich zur Übersättigung der Mischung aus Trägergas (3), Betriebsstoff (2) und Messaerosol (8), eine entlang des Hauptströmungspfads (4) nach dem Kondensationsbereich (9) angeordnete Messvorrichtung zur Detektion der durch den kondensierten Betriebsstoff vergrößerten Partikel des Messaerosols (8), und eine Temperieranordnung (11) zur Temperierung des Trägeraerosols. Die Düsenvorrichtung (6) umfasst eine Verteilerdüse (16) zur verteilten Beimengung des Messaerosols (8) in das im Messbetrieb angereicherte und den Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) durchströmende Trägergas (3).

Description

Kondensationspartikelzähler mit Düsenvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Kondensationspartikelzähler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , umfassend einen Hauptkanal, der im Messbetrieb entlang eines
Hauptströmungspfads von einem Trägergas durchströmt wird, einen Sättiger zur Anreicherung, insbesondere zur Sättigung, des Trägergases mit einem Betriebsstoff, eine entlang des Hauptströmungspfads nach dem Sättiger in einen Düsenabschnitt des Hauptkanals mündende Düsenvorrichtung, die mit einer Messaerosolzuleitung verbunden und zur Einbringung eines partikelbeladenen Messaerosols in das angereicherte Trägergas eingerichtet ist, einen entlang des Hauptströmungspfads nach der Düsenvorrichtung angeordneten Kondensationsbereich zur Übersättigung der Mischung enthaltend das Trägergas, den Betriebsstoff und das Messaerosol, eine entlang des Hauptströmungspfads nach dem Kondensationsbereich angeordnete Messvorrichtung zur Detektion der durch den kondensierten Betriebsstoff vergrößerten Partikel des Messaerosols und eine Temperieranordnung zur Temperierung des Trägeraerosols.
Kondensationspartikelzähler sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und publiziert. Bei herkömmlichen Kondensationspartikelzählern wird ein Aerosolstrom mit einem dampfförmigen Betriebsstoff gesättigt und in weiterer Folge in einem
Kondensationsbereich derart abgekühlt, dass die im Aerosolstrom enthaltenen Partikel als Kondensationskeime wirken, an denen sich der kondensierende Betriebsstoff anlagert. Dadurch werden die Partikel vergrößert und können mit höherer Genauigkeit von einer Messvorrichtung erfasst, insbesondere gezählt werden. Als Messaerosol wird häufig das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, um beispielsweise die Partikelemissionen eines Kraftfahrzeugs zu messen.
Abgase von Verbrennungskraftmaschinen enthalten neben den zu messenden Partikeln jedoch noch weitere Bestandteile wie beispielsweise Wasserdampf, unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder Schwefelsäure. Diese weiteren Bestandteile können die Messung beeinträchtigen und sogar den Kondensationspartikelzähler beschädigen. Aus diesem Grund wird das Messaerosol bei herkömmlichen Kondensationspartikelzählern konditioniert. Bei dieser Konditionierung wird das Messaerosol beispielsweise getrocknet, gekühlt und verdünnt. Jedoch hat sich in der Praxis herausgestellt, dass die Konditionierung des Messaerosols die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt, da bei der Konditionierung ein beträchtlicher Teil der Partikel des Messaerosols verloren geht bzw. aus dem Messaerosol gefiltert wird, wobei dieses Problem insbesondere bei Nanopartikeln, z.B. in der Größe von unter 25nm auftritt.
Zur Lösung dieses Problems sind sogenannte Hochtemperatur- Kondensationspartikelzähler bzw. HT-CPCs bekannt. Bei dieser speziellen Bauart eines Kondensationspartikelzählers wird die Temperatur entlang der Strömung des
Messaerosols über den maßgeblichen Taupunkttemperaturen der im Abgas
enthaltenen und dampfförmig gebundenen Bestandteile gehalten. In der Regel wird als Minimaltemperatur die Taupunkttemperatur von Schwefelsäure gewählt, die etwa im Bereich von 150°C liegt. Dadurch wird verhindert, dass Stoffe wie Wasserdampf oder dampfförmige Schwefelsäure im Bereich der Messvorrichtung kondensieren und die Messung beeinträchtigen oder die Messvorrichtung beschädigen.
Jedoch hat sich in der Praxis herausgestellt, dass bei HT-CPCs weitere Probleme auftreten, die keinen stabilen Betrieb ermöglichen. So treten bei herkömmlichen HT- CPCs überraschenderweise bereits nach kurzer Betriebsdauer Beschädigungen am Sättiger auf, wodurch die Messgenauigkeit und die Lebensdauer des HT-CPCs stark herabgesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die Nachteile des Standes der Technik zu
überwinden und einen verbesserten Kondensationspartikelzähler, insbesondere mit dauerhaft erhöhter Messgenauigkeit zu schaffen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des
unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Die Messgenauigkeit des Kondensationspartikelzählers kann insbesondere dadurch erhöht werden, dass eine verbesserte Düsenvorrichtung zur verteilten Beimengung des Messaerosols in das Trägergas eingesetzt wird. Intensive Studien haben überdies ergeben, dass die Beschädigung des Sättigers bei Hochtemperatur-Kondensationspartikelzählern durch unerwünschte Reaktionen des Betriebsstoffs bewirkt wird. Herkömmliche Betriebsstoffe sind meist langkettige Ester, insbesondere Dioctylphthalate, die in flüssiger Form zugeführt und durch die Beheizung des Sättigers dampfförmig im Aerosolstrom oder im Trägergas aufgenommen oder gebunden werden. Diese Ester haben sich in der Praxis aber als nicht ausreichend thermostabil herausgestellt.
Für herkömmliche Niedertemperatur-Kondensationspartikelzähler sind als
Betriebsstoffe auch Kohlenwasserstoffe bekannt. Bei höheren Temperaturen reagieren diese Kohlenwasserstoffe jedoch mit dem Sauerstoff des Aerosolstroms oder des Trägergases, wodurch die molekulare Struktur der Betriebsstoffe in nachteiliger Weise verändert wird. Überdies kommt es bei höheren Temperaturen zum sogenannten „Cracken“ der Kohlenwasserstoffe des Betriebsstoffs. Nebenprodukte dieser Reaktion lagern sich in weiterer Folge im Sättiger ab, was zu einem Verlegen des Sättigers führen kann.
Die Messgenauigkeit des Kondensationspartikelzählers kann insbesondere dadurch verbessert werden, dass ein verbesserter Sättiger eingesetzt wird.
Unter Konditionierung wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Behandlung, insbesondere eine Filterung, Verdünnung und/oder Trocknung, des Messaerosolstroms verstanden.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kondensationspartikelzähler umfassend einen Hauptkanal, der im Messbetrieb entlang eines Hauptströmungspfads von einem
Trägergas durchströmt wird, einen Sättiger zur Anreicherung, insbesondere zur
Sättigung, des Trägergases mit einem Betriebsstoff, eine entlang des
Hauptströmungspfads nach dem Sättiger in einen Düsenabschnitt des Hauptkanals mündende Düsenvorrichtung, die mit einer Messaerosolzuleitung verbunden und zur Einbringung eines partikelbeladenen Messaerosols in das angereicherte Trägergas eingerichtet ist, einen entlang des Hauptströmungspfads nach der Düsenvorrichtung angeordneten Kondensationsbereich zur Übersättigung der Mischung enthaltend das Trägergas, den Betriebsstoff und das Messaerosol, eine entlang des
Hauptströmungspfads nach dem Kondensationsbereich angeordnete Messvorrichtung zur Detektion der durch das kondensierte Betriebsmittel vergrößerten Partikel des Messaerosols, und eine Temperieranordnung zur Temperierung des Trägeraerosols.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Düsenvorrichtung eine Verteilerdüse zur verteilten Beimengung des Messaerosols in das im Messbetrieb angereicherte und den Düsenabschnitt des Hauptkanals durchströmende Trägergas umfasst.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Verteilerdüse beabstandet von der Wand des Düsenabschnitts, insbesondere mittig, in den Düsenabschnitt des Hauptkanals ragt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Verteilerdüse eine Eintrittsöffnung mit einem freien Eintrittsquerschnitt zur Zuleitung des Messaerosols in die Verteilerdüse aufweist, dass die Verteilerdüse mindestens eine Austrittsöffnung zur verteilten Beimengung des Messaerosols in das im Messbetrieb angereicherte und den Düsenabschnitt des Hauptkanals durchströmende Trägergas aufweist, dass die Verteilerdüse einen an die Eintrittsöffnung anschließenden Eintrittskanal aufweist, und/oder dass die Verteilerdüse pro Austrittsöffnung einen von dem Eintrittskanal abzweigenden und in die
Austrittsöffnung mündenden Verteilerkanal aufweist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Eintrittsöffnung oder der Eintrittskanal mit ihrem oder seinem freien Eintrittsquerschnitt im Verlauf des die Verteilerdüse
durchströmenden Messaerosols das Element mit dem größten Strömungswiderstand ist und dadurch als Volumenstrombegrenzer des Messaerosols wirkt oder ausgebildet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der freie Eintrittsquerschnitt kleiner ist als der kleinste Gesamtaustrittsquerschnitt aller Austrittsöffnungen oder, im Falle einer einzigen Austrittsöffnung, der Austrittsöffnung, und kleiner ist als der kleinste Gesamtquerschnitt aller Verteilerkanäle oder, im Falle eines einzigen Verteilerkanals, des Verteilerkanals.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der freie Eintrittsquerschnitt durch eine
Rohrleitung mit definierter Geometrie und gegebenenfalls Oberflächenbeschaffenheit und insbesondere durch einen Rohrabschnitt mit einem kreisrunden freien Querschnitt und einem freien Durchmesser von 0,5 - 1 ,5 mm, insbesondere von 0,7mm; und gegebenenfalls einer Länge von 10 - 25 mm gebildet ist. Die
Oberflächenbeschaffenheit ist beispielsweise durch die Fertigungsmethode,
beispielsweise durch Bohren oder durch Bohren und Polieren definiert.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Messaerosolzuleitung, zum Aufbau eines Staudrucks an oder unmittelbar vor der Eintrittsöffnung durch Anströmung der
Eintrittsöffnung mit dem Messaerosol, auf die Eintrittsöffnung gerichtet ist, und dass im Bereich der Eintrittsöffnung mindestens eine Überlauföffnung zur Ableitung des bei der Anströmung nicht in die Eintrittsöffnung eingebrachten Messaerosols bzw. des überschüssigen Messaerosols vorgesehen ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Messaerosolzuleitung ein freies Ende aufweist, dass der freie Querschnitt des freien Endes der Messaerosolzuleitung größer ist als der Eintrittsquerschnitt und/oder die Eintrittsöffnung, wobei das freie Ende der Messaerosolzuleitung Richtung Eintrittsöffnung gerichtet ist und/oder wobei die
Eintrittsöffnung in das freie Ende ragt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass sich die mindestens eine Austrittsöffnung oder alle Austrittsöffnungen trichterförmig nach außen erweitert bzw. erweitern. Nach außen bedeutet hier insbesondere in Strömungsrichtung gesehen.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mehrere Austrittsöffnungen vorgesehen sind, und dass die Austrittsöffnungen verteilt, insbesondere regelmäßig verteilt, am Umfang oder am Mantel der Verteilerdüse angeordnet sind.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnungen entlang des Mantels der Verteilerdüse, insbesondere unmittelbar nebeneinander, in einer Reihe angeordnet sind. Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Verteilerdüse im Düsenabschnitt entlang des Hauptströmungspfads auskragend in den Hauptkanal ragt und einen als freies Ende ausgebildeten Endabschnitt umfasst.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Endabschnitt der Verteilerdüse entlang des Hauptströmungspfads im Düsenabschnitt keilförmig oder konisch zusammenlaufend ausgebildet ist und dadurch eine Spitze bildet.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Verteilerdüse einen zylinderförmig
ausgebildeten Austrittsabschnitt aufweist, entlang dessen Umfang, an der Mantelfläche, die Austrittsöffnungen angeordnet sind, und dass an den Austrittsabschnitt der
Endabschnitt, insbesondere unmittelbar, anschließt.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Form und der Verlauf des Hauptkanals im Düsenabschnitt der Form und dem Verlauf der Verteilerdüse angepasst sind, und dass die Wand des Hauptkanals im Düsenabschnitt der Außenkontur der Verteilerdüse beanstandet folgt, wodurch der Hauptkanal im Düsenabschnitt einen ringförmigen Querschnitt aufweist oder ringspaltförmig ausgebildet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Hauptkanal im Düsenabschnitt und/oder im Kondensationsbereich entlang des Hauptströmungspfads konisch zusammenlaufend ausgebildet und insbesondere kegelförmig oder trichterförmig ausgebildet ist.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass mindestens eine Steuervorrichtung zur
Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Trägergases vorgesehen ist, dass mindestens eine Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Messaerosols vorgesehen ist, und dass die beiden Steuervorrichtungen zumindest einen Teil einer Regelvorrichtung zur Regelung der Verdünnung des Messaerosols durch das Trägergas bilden.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die Regelvorrichtung, zur Anpassung der
Verdünnung des Messaerosols unter Berücksichtigung der im Messaerosol enthaltenen Partikelanzahl oder Partikeldichte Messdaten der Messvorrichtung verarbeitet oder berücksichtigt.
Durch die spezielle Ausgestaltung der Düsenvorrichtung wird das eingebrachte partikelbeladene Messaerosol bevorzugt ringförmig von einem im Wesentlichen partikelfreien Strom umgeben. Hierdurch können Verluste von Partikeln an der mit Betriebsstoff benetzten Wand des nachfolgenden Kondensationsbereichs vermieden und die Kontamination des Kondensationsbereichs, beispielsweise durch Rückfluss von Kondensat, kann verringert werden.
In weiterer Folge wird die Erfindung anhand einer exemplarischen, nicht
einschränkenden, Ausführungsform weiter beschrieben, die in den Figuren dargestellt ist. Darin zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines
Kondensationspartikelzählers,
Figur 2 einen Detailausschnitt des Kondensationspartikelzählers aus Figur 1 ,
Figur 3 eine weitere schematische Schnittdarstellung eines
Kondensationspartikelzählers, insbesondere des
Kondensationspartikelzählers aus Figur 1 ,
Figur 4 eine schematische Schrägansicht maßgeblicher Komponenten einer
Verteilerdüse, wie sie beispielsweise in einem
Kondensationspartikelzähler gemäß mindestens einer der Figuren 1 -3 eingesetzt werden kann, und
Figur 5 eine schematische Schrägansicht maßgeblicher Komponenten eines
Sättigungskörpers, wie er beispielsweise in einem
Kondensationspartikelzähler gemäß mindestens einer der Figuren 1 -3 eingesetzt werden kann.
Wenn nicht anders angegeben, so entsprechen die Bezugszeichen der Figuren folgenden Komponenten: Kondensationspartikelzähler 1 , Betriebsstoff 2, Trägergas 3, Hauptströmungspfad 4, Sättiger 5, Düsenvorrichtung 6, Messaerosolzuleitung 7, Messaerosol 8, Kondensationsbereich 9, Messvorrichtung 10, Temperieranordnung 11 , Hauptkanal 12, Düsenabschnitt 13, Endabschnitt (der Verteilerdüse) 15, Verteilerdüse 16, Wand (des Düsenabschnitts) 17, Eintrittsquerschnitt 18, Austrittsöffnung 19,
Eintrittskanal 20, Verteilerkanal 21 , Eintrittsöffnung 22, Überlauföffnung 23, freies Ende (der Messaerosolzuleitung) 24, freie Querschnitt (des freien Endes der
Messaerosolzuleitung) 25, Austrittsabschnitt (der Verteilerdüse) 26, Sättigungskörper 27, Sättigungskanal 28, Sättigungskanalwand 29, wannenförmiger Abschnitt 30, Sättigungsraum 31 , Betriebsstoffzuleitung 32, Betriebsstoffreservoir 33,
Füllstandsregelvorrichtung 34, Druckausgleichsöffnung 35.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer möglichen Ausführungsform eines Kondensationspartikelzählers 1 bzw. einer Anordnung eines
Kondensationspartikelzählers 1 mit einem Betriebsstoff 2, einem Trägergas 3 und/oder einem Messaerosol 8.
Der Kondensationspartikelzähler 1 wird im bestimmungsgemäßen Betrieb entlang eines Hauptströmungspfads 4 von einem Trägergas 3 durchströmt. Bei dem Trägergas 3 handelt es sich um ein abgasfreies und sauerstofffreies Gas oder Gasgemisch.
Dabei durchströmt das Trägergas 3 einen Sättiger 5, in dem das Trägergas 3 mit einem Betriebsstoff 2 angereichert oder gesättigt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist entlang des Hauptströmungspfads 4 nach dem Sättiger 5 eine Düsenvorrichtung 6 angeordnet. Die Düsenvorrichtung 6 umfasst eine Messaerosolzuleitung 7 zur Zuleitung des Messaerosols 8 in das angereicherte oder gesättigte Trägergas 3. In einer vorteilhaften Ausführung handelt es sich bei dem Messaerosol 8 um einen
unkonditionierten Teilstrom des Abgases eines Prüflings wie z.B. einer
Verbrennungskraftmaschine, einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Abgasnachbehandlungsanlage und/oder eines Kraftfahrzeugs, das - unter anderem, einen Verbrennungsmotor aufweist. Das Messaerosol 8 ist dabei insbesondere ein unverdünnter, ungetrockneter und/oder direkt von einer Entnahmestelle - beispielsweise im Abgassystem bzw. Auspuff - abgezweigter Teilstrom des Abgases des Prüflings. In der vorliegenden Ausführungsform ist in oder entlang des Hauptströmungspfads 4 nach der Düsenvorrichtung 6 ein Kondensationsbereich 9 vorgesehen. In dem
Kondensationsbereich 9 werden die physikalischen Parameter derart angepasst, dass es zu einer Übersättigung des Gemischs kommt, welches das Trägergas 3, den
Betriebsstoff 2 und das Messaerosol 8 umfasst, womit die im Messaerosol 8
enthaltenen Partikel durch den kondensierenden Betriebsstoff 2 vergrößert werden.
Nach dem Kondensationsbereich 9 ist entlang des Hauptströmungspfads 4 eine Messvorrichtung 10 nachgeordnet. Diese Messvorrichtung 10 kann beispielsweise eine herkömmliche Messvorrichtung 10 eines Kondensationspartikelzählers sein, die beispielsweise eine Vereinzelungsdüse zur Vereinzelung der Partikel des Messaerosols 8 aufweist. Insbesondere umfasst die Messvorrichtung 10 ein optisches Messgerät zur Detektion von Partikeln.
Ferner umfasst der Kondensationspartikelzähler 1 eine Temperieranordnung 11 , die dazu geeignet und/oder eingerichtet ist, eine Beheizung und gegebenenfalls eine Kühlung vorzunehmen. Insbesondere erstreckt sich durch den gesamten
Kondensationspartikelzähler 1 ein Hauptkanal 12, durch den anfänglich nur das
Trägergas 3 und in weiterer Folge auch der Betriebsstoff 2 und das Messaerosol 8 hindurchgefördert werden. Die Temperieranordnung 11 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass ein Teil, im vorliegenden Fall der Sättiger 5, beheizt ist. Der Kondensationsbereich 9 kann beispielsweise eine Temperatur aufweisen, die geringer ist als die Temperatur im Bereich des Sättigers 5, womit die physikalischen
Rahmenbedingungen im Verlauf des Hauptkanals 12 derart abgeändert werden, dass zuerst eine Anreicherung bzw. eine Sättigung des Trägergases 3 mit dem Betriebsstoff 2 erfolgt, und dass es anschließend im Kondensationsbereich 9, beispielsweise durch eine aktive oder passive Kühlung, zu einer Übersättigung kommt.
Günstigerweise wird das Trägergas 3 im Messbetrieb von der Temperieranordnung 11 im Sättiger 5 auf eine Sättigertemperatur temperiert, wobei die Sättigertemperatur größer ist als die Temperatur des Trägergases 3 im Kondensationsbereich 9 und insbesondere größer ist als 200°C oder 210°C. Demnach wird das Trägergas 3 im Messbetrieb von der Temperieranordnung 11 im Kondensationsbereich 9 auf eine Kondensationstemperatur von über 150°C, vorzugsweise von über 190°C temperiert.
Insbesondere kann durch die Temperieranordnung 11 die Temperatur des
Messaerosols 8 im Kondensationspartikelzähler 1 über einem gewissen Minimalwert gehalten werden, sodass eine Kondensation von im Messaerosol enthaltenem
Wasserdampf oder Schwefelsäuredampf vermieden wird. Bevorzugt liegt in allen Ausführungsformen des Kondensationspartikelzählers die Minimaltemperatur oberhalb der Taupunkttemperatur von Wasser und/oder oberhalb der Taupunkttemperatur von Schwefelsäure. Günstigerweise ist die Temperatur des Trägergases 3 und/oder des Messaerosols 8 im Kondensationsbereich 9 kleiner als die Sättigertemperatur aber größer als 180°C, insbesondere größer als 190°C.
Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass der Messaerosolstrom des Messaerosols 8 derart beheizt wird, dass die Temperatur des Messaerosolstroms an jeder Stelle des
Hauptkanals 12 größer ist als die Säuretaupunkttemperatur der gegebenenfalls im Messaerosolstrom enthaltenen Säuren, insbesondere der Schwefelsäure, wobei die Säuretaupunkttemperatur insbesondere im Bereich von 120°C bis 150°C liegt.
Demnach ist der erfindungsgemäße Kondensationspartikelzähler 1 als HT-CPC ausgeführt. Bei einem als HAT-CPC bzw. Hochtemperatur-Kondensationspartikelzähler ausgebildeten Kondensationspartikelzähler liegt die Minimaltemperatur des
Messaerosols insbesondere über der Säuretaupunkttemperatur von Schwefelsäure.
Die Säuretaupunkttemperatur liegt in der Regel im Bereich von 120°C bis 150°C.
Der Sättiger 5 umfasst in der vorliegenden Ausführungsform einen Sättigungskörper 27, der entlang des Hauptströmungspfads 4 mehrere Sättigungskanäle 28 umfasst. Die Sättigungskanäle 28 sind jeweils durch Sättigungskanalwände 29 voneinander getrennt. Der Sättiger 5 umfasst einen Sättigungsraum 31 mit einem wannenförmigen Abschnitt 30. Form und/oder Verlauf des Sättigungsraums 31 im Sättiger 5 ist an die Form und/oder den Verlauf des Sättigungskörpers 27 angepasst. Der Sättigungsraum 31 ist entlang des Hauptströmungspfads 4 rohrförmig ausgebildet. Im - bei bestimmungsgemäßer Verwendung geodätisch - oberen Bereich, oberhalb des wannenförmigen Abschnitts 30 ist eine Druckausgleichsöffnung 35 vorgesehen.
Der Sättigungskörper 27 ist in der vorliegenden Ausführungsform in dem
Sättigungsraum 31 angeordnet und ragt in den wannenförmigen Abschnitt 30. Der Sättigungskörper 27 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein poröser Körper, der zumindest teilweise mit dem Betriebsstoff 2 befüllt bzw. getränkt und/oder befüllbar bzw. tränkbar ist. Beim Durchströmen der Sättigungskanäle 28 wird das Trägergas 3 mit dem Betriebsstoff 2 angereichert oder gesättigt. Zur Zuführung des Betriebsstoffs 2 ist eine Betriebsstoffzuleitung 32 vorgesehen, die mit einem Betriebsstoffreservoir 33 verbunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Sättiger 5 überdies die oben erwähnte Druckausgleichsöffnung 35. In der vorliegenden Ausführungsform kann der wannenförmige Abschnitt 30 teilweise oder vollständig mit dem Betriebsstoff 2 gefüllt werden. Hierzu ist der wannenförmige Abschnitt 30 durch den unteren Teil des Sättigungsraums 31 begrenzt, der zusätzlich entlang des Hauptströmungspfads vor und nach dem Sättigungskörper 27 eine Stufe bzw. eine Schulter umfasst, sodass eine Wanne gebildet ist, in der der bevorzugt flüssig zugeführte Betriebsstoff 2 angeordnet sein kann. Auch der Sättigungskörper 27 ragt bevorzugt in diesen wannenförmigen Abschnitt 30, wodurch, durch seine poröse Struktur, der Betriebsstoff 2 beispielsweise durch Kapillarwirkung den gesamten Sättigungskörper 27 tränkt.
Zur Einbringung des Messaerosols 8 in das mit Betriebsstoff 2 angereicherte Trägergas 3 ist die Düsenvorrichtung 6 vorgesehen. Die Düsenvorrichtung 6 umfasst eine
Verteilerdüse 16, die in einem Düsenabschnitt 13 des Hauptkanals 12 angeordnet ist. Insbesondere ist die Verteilerdüse 16 beabstandet von der Wand 17 des
Düsenabschnitts 13 angeordnet, womit sich in der vorliegenden Ausführungsform ein Ringspalt ergibt, in den das Messaerosol 8 eingebracht wird. Die Verteilerdüse 16 ragt dabei im Düsenabschnitt 13 entlang des Hauptströmungspfads 4 auskragend in den Hauptkanal 12 und umfasst einen als freies Ende ausgebildeten Endabschnitt 15. Der Endabschnitt 15 der Verteilerdüse 16 ist entlang des Hauptströmungspfads 4 im
Düsenabschnitt 13 keilförmig oder konisch zusammenlaufend ausgebildet und bildet dadurch eine Spitze. Form und Verlauf des Hauptkanals 12 im Düsenabschnitt 13 sind Form und Verlauf der Verteilerdüse 16 angepasst. Derart folgt die Wand des Hauptkanals 12 im Düsenabschnitt 13 der Außenkontur der Verteilerdüse 16 beanstandet, wodurch der Hauptkanal 12 im Düsenabschnitt 13 einen ringförmigen Querschnitt aufweist oder ringspaltförmig ausgebildet ist. Der Ringspalt beginnt schon stromaufwärts der Düsenvorrichtung 6 im Bereich der Messaerosolzuleitung 7.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Kondensationspartikelzähler 1 als
Hochtemperaturkondensationspartikelzähler ausgebildet. Dieser
Kondensationspartikelzähler 1 hat den technischen Vorteil, dass das Messaerosol 8 im Wesentlichen unkonditioniert zugeführt werden kann. Da die Minimaltemperatur des Messaerosols 8 im Verlauf der maßgeblichen Komponenten des
Kondensationspartikelzählers 1 oberhalb der Taupunkttemperatur von Wasser und gegebenenfalls auch Schwefelsäure liegt, werden Messfehler verringert, obwohl das Abgas ein im Wesentlichen ungetrocknetes und im Wesentlichen ungefiltertes Abgas einer Verbrennungskraftmaschine sein kann.
Um trotz der hohen Temperaturen einen stabilen Betrieb aufrechterhalten zu können, wird als Betriebsstoff 2 günstigerweise ein Alkan mit der Strukturformel CnH2n+2 und einer Ordnungszahl n zwischen 16 und 24 verwendet. Dabei kommen auch dessen Isomere zur Anwendung. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Alkan mit der Strukturformel C2oH42, insbesondere Eicosan, verwendet. Als Trägergas wird ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, verwendet. Dadurch wird verhindert, dass trotz der hohen Temperatur der Betriebsstoff 2 im Sättiger 5 oxidiert, crackt oder in sonstiger Weise seine molekulare Struktur ungewünscht ändert. Durch die Zuleitung des
Messaerosols 8 nach dem Sättiger 5 wird zusätzlich noch verhindert, dass Bestandteile des Messaerosols 8 die Funktion des Sättigers 5 beeinträchtigen. Um trotz der späten Beimengung des Messaerosols 8 eine ausreichende Durchmischung des Messaerosols 8 mit dem angereicherten oder gesättigten Trägergas 3 zu bewirken, kann eine speziell ausgestaltete Düsenvorrichtung vorgesehen sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Details der Düsenvorrichtung 6, insbesondere der Düsenvorrichtung 6 aus Fig. 1. Der Hauptkanal 12 umfasst einen Düsenabschnitt 13 mit einer Wand 17. Innerhalb des Hauptkanals 12, insbesondere im Düsenabschnitt 13, ist beabstandet von der Wand 17 die Verteilerdüse 16 angeordnet. Die Verteilerdüse 16 ragt damit im dargestellten Ausführungsbeispiel mittig in den Düsenabschnitt 13 des Hauptkanals 12. Die
Verteilerdüse 16 verläuft im Wesentlichen entlang des Hauptströmungspfads 4 und weist, wie schon weiter oben erläutert, einen Endabschnitt 15 auf, der in der
vorliegenden Ausführungsform als freies Ende ausgebildet ist.
Die Wand 17 des Düsenabschnitts 13 ist im Wesentlichen dem Verlauf der
Verteilerdüse 16 angepasst. Durch die vorliegende Konfiguration ist zwischen der Verteilerdüse 16 und der Wand 17 des Düsenabschnitts 13 ein Ringkanal gebildet, der im bestimmungsgemäßen Betrieb von dem angereicherten Trägergas 3 durchströmt wird. In diesen Ringkanal wird durch die Düsenvorrichtung 6 das Messaerosol 8 beigemischt. Hierzu weist die Verteilerdüse 16 eine Eintrittsöffnung 22 bzw. einen Eintrittskanal 20 mit einem freien Eintrittsquerschnitt 18 auf. Durch diese Eintrittsöffnung 22 wird das Messaerosol 8 in die Verteilerdüse 16 eingebracht. Ferner weist die
Verteilerdüse 16 mindestens eine Austrittsöffnung 19 zur verteilten Beimengung des Messaerosols 8 in das angereicherte Trägergas auf. Zur Verbindung der Eintrittsöffnung 22 mit der Austrittsöffnung 19 sind ein Eintrittskanal 20 und mindestens ein
Verteilerkanal 21 vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform sind mehrere Austrittsöffnungen 19 vorgesehen, von denen jeweils ein Verteilerkanal 21 Richtung Eintrittskanal 20 verläuft, um dadurch das den Eintrittskanal 20 durchströmende
Messaerosol 8 über die Verteilerkanäle 21 an alle Austrittsöffnungen 19 zu verteilen.
Die Austrittsöffnungen 19 sind dabei in einem Austrittsabschnitt 26 der Verteilerdüse 16 am Umfang bzw. am Mantel der Verteilerdüse 16 ausgeführt. Bevorzugt sind die die Austrittsöffnungen entlang dem Umfang des Mantels der Verteilerdüse 16 in einer Reihe, insbesondere unmittelbar nebeneinander angeordnet, wie teilweise in Fig. 4 erkennbar ist. An den Austrittsabschnitt 26 schließt der Endabschnitt 15 - insbesondere unmittelbar - an.
Die Zuführung des Messaerosols 8 zur Verteilerdüse 16 erfolgt über die
Messaerosolzuleitung 7. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die
Messaerosolzuleitung 7 ein freies Ende 24, das auf die Eintrittsöffnung 22 gerichtet ist. Insbesondere ragt die Eintrittsöffnung 22 bzw. der Eintrittskanal 20 in das freie Ende 24 der Messaerosolzuleitung 7. Ferner ist in der vorliegenden Ausführungsform eine Überlauföffnung 23 vorgesehen. Überschüssiges Messaerosol 8, das nicht in die Eintrittsöffnung 22 bzw. den Eintrittskanal 20 eingebracht wird, wird über die
Überlauföffnung 23 abgeführt. Insbesondere weist das freie Ende 24 der
Messaerosolzuleitung 7 einen freien Querschnitt 25 auf, der größer ist, als der
Eintrittsquerschnitt 18 und/oder die Eintrittsöffnung 22.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Eintrittsquerschnitt 18 der Eintrittsöffnung 22 bzw. des Eintrittskanals 20 derart ausgestaltet, dass der Eintrittsquerschnitt 18 jenes Element im Verlauf der Strömung in der Verteilerdüse 16 ist, das den größten
Strömungswiderstand aufweist. Der Eintrittsquerschnitt 18 wirkt dadurch als Drossel bzw. als Durchflussregler. Im dargestellten Fall mehrere Austrittsöffnungen 19 ist der freie Eintrittsquerschnitt 18 kleiner als der kleinste Gesamtaustrittsquerschnitt aller Austrittsöffnungen 19. Im nicht dargestellten Fall einer einzigen Austrittsöffnung 19 ist der freie Eintrittsquerschnitt 18 kleiner als der kleinste Gesamtquerschnitt aller
Verteilerkanäle 21 oder, im Fall eines einzigen Verteilerkanals 21 , dieses
Verteilerkanals 21.
Günstigerweise ist der freie Eintrittsquerschnitt 18 durch eine Rohrleitung mit definierter Geometrie gebildet. Insbesondere ist ein Rohrabschnitt mit kreisrundem freien
Querschnitt vorgesehen, wobei der freie Durchmesser 0,5 - 1 ,5 mm, bevorzugt 0,7 mm betragen kann. Die Länge ist mit 10 - 25 mm vorgesehen.
Der tatsächlich durch die Verteilerdüse 16 geförderte Volumenstrom des Messaerosols 8 ist durch diese Konfiguration im Wesentlichen durch den Druckunterschied zwischen der Eintrittsöffnung 22 und der Austrittsöffnung 19 definiert. Bei bekannten Drücken kann durch den ebenfalls bekannten Drosseleffekt des Eintrittsquerschnitts 18 der Volumenstrom des Messaerosols bestimmt und insbesondere gesteuert oder geregelt werden. Der Eintrittskanal 20 kann in allen Ausführungsformen, insbesondere als Kapillare ausgestaltet sein, oder eine Kapillare umfassen. So entspricht der Druck im Bereich der Austrittsöffnung 19 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Wesentlichen dem Umgebungsdruck. Der Druck im Bereich der Eintrittsöffnung 22 entspricht dem Staudruck der durch das Messaerosol 8
angeströmten Eintrittsöffnung 22.
In einer alternativen Ausführungsform entspricht der Druck im Bereich der
Austrittsöffnung 19 bezüglich dem Umgebungsdruck einem Unterdrück, wobei der Druck im Bereich der Eintrittsöffnung 22 im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht.
Bevorzugt ist der Kondensationspartikelzähler derart ausgestaltet, dass mindestens eine Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des
Volumenstroms des Trägergases 3 vorgesehen ist, dass mindestens eine
Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Messaerosols 8 vorgesehen ist, und dass die beiden Steuervorrichtungen zumindest einen Teil einer Regelvorrichtung zur Regelung der Verdünnung des
Messaerosols durch das Trägergas 3 bilden.
Bevorzugt ist der Kondensationspartikelzähler derart ausgestaltet, dass die
Regelvorrichtung, zur Anpassung der Verdünnung des Messaerosols 8 unter
Berücksichtigung der im Messaerosol 8 enthaltenen Partikelanzahl oder Partikeldichte, Messdaten der Messvorrichtung 10 verarbeitet.
Eine Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung eines
Volumenstroms kann beispielsweise ein steuerbares Ventil und/oder eine steuerbare Fördervorrichtung wie beispielsweise ein Gebläse oder ein Sauggebläse umfassen oder sein. Durch eine derartige Steuervorrichtung können der Volumenstrom und dadurch gegebenenfalls auch die Druckverhältnisse im Verlauf der Strömung beeinflusst werden. Über die spezielle Ausgestaltung der Verteilerdüse 16 kann hierdurch die Verdünnung des Messaerosols 8 durch das Trägergas 3 geregelt werden. Die beiden Steuervorrichtungen sind bei einer derartigen Ausgestaltung ein Teil einer
Regelvorrichtung zur Regelung der Verdünnung des Messaerosols 8. Insbesondere kann der Durchfluss bzw. der Volumenstrom des Messaerosols 8 durch den Eintrittskanal 20 bei bekannten Strömungsverhältnissen unter Berücksichtigung der Druckdifferenz vor und nach der Verteilerdüse 16 bestimmt und somit gegebenenfalls durch eine Einstellung der Druckdifferenz geregelt werden.
Gemäß einer ersten möglichen Betriebsart kann das Trägergas 3 derart durch den Hauptkanal 12 gefördert werden, dass im Hauptkanal 12 und dadurch auch im Bereich der Austrittsöffnungen 19 der Verteilerdüse 16 im wesentlichen Umgebungsdruck herrscht. Über eine Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des zugeführten Messaerosols 8 kann der Staudruck im Bereich der Eintrittsöffnung 22 gesteuert oder geregelt werden. Die sich daraus ergebende Druckdifferenz ermöglicht eine
Bestimmung des Volumenstroms des in das Trägergas 3 eingebrachten Messaerosols 8. Bei bekanntem Volumenstrom des Trägergases kann dadurch die Verdünnung des Messaerosols 8 bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Betriebsart kann das Trägergas 3 durch den
Hauptkanal 12 gesaugt werden, wobei das Sauggebläse bevorzugt nach der
Messvorrichtung 10 vorgesehen ist. Über ein oder mehrere Steuerventile kann nun im Hauptkanal 12 ein Unterdrück eingestellt werden. Beispielsweise kann in jenem
Bereich, in dem das Trägergas in den Kondensationspartikelzähler 1 und dadurch auch in den Hauptkanal 12 eintritt, ein Durchflussregler oder Durchflussventil vorgesehen sein. Die Zuführung des Messaerosols 8 durch die Messaerosolzuleitung 7 kann, beispielsweise bei ausreichend großer Dimensionierung der Überlauföffnung 23, im Wesentlichen bei Umgebungsdruck erfolgen. Durch diese Konfiguration ist die
Druckdifferenz vor und nach der Verteilerdüse 16 bekannt, womit die Verdünnung des Messaerosols 8 im Trägergas 3 bestimmt werden kann.
Gemäß einer weiteren möglichen Betriebsart kann sowohl der Druck im Bereich der Eintrittsöffnung 22 der Verteilerdüse 16 als auch der Druck im Bereich der
Austrittsöffnung(en) 19 der Verteilerdüse 16 vom Umgebungsdruck abweichen, aber bekannt oder messbar sein, sodass auch die Druckdifferenz und die Verdünnung bestimmt werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Regelvorrichtung direkt oder indirekt mit der Messvorrichtung 10 verbunden sein. Insbesondere werden dabei Messdaten der Messvorrichtung von der Regelvorrichtung verarbeitet oder
berücksichtigt. Dadurch kann die Verdünnung beispielsweise an den Partikelgehalt des Messaerosols 8 angepasst werden. Weist das Messaerosol einen hohen Partikelgehalt auf, so kann die Verdünnung erhöht werden. Weist das Messaerosol einen niedrigen Partikelgehalt auf, so kann die Verdünnung verringert werden. Hierdurch wird die Messgenauigkeit des Kondensationspartikelzählers verbessert. Eine Veränderung der Verdünnung kann wie oben beschrieben erfolgen.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen 19 trichterförmig ausgeführt und erweitern sich ausgehend von dem Verteilerkanal 21 nach außen.
Günstigerweise ist dabei der Verteilerkanal 21 in einem ersten Abschnitt, anschließend an den Eintrittskanal 20, mit konstantem Querschnitt ausgebildet und der Querschnitt nimmt ab einem gewissen Abstand vom Eintrittskanal trichterförmig zu.
In der vorliegenden Ausführungsform der Verteilerdüse 16 mündet die Austrittsöffnung 19 schräg in den Hauptkanal 12. Der Öffnungswinkel beträgt in der vorliegenden Ausführungsform etwa 60°. Es sind insbesondere acht Bohrungen mit einem
Durchmesser von jeweils etwa 1 mm und einer Neigung von etwa 50° zur Vertikalachse vorgesehen. Diese Konfiguration ist, wie bevorzugt das gesamte Strömungssystem, auf einen für derartige Systeme üblichen Volumenstrom von 1 Norm-Liter/min (1 NL/min, 1.000 sccm) ausgelegt. Selbstverständlich ist, im Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine Anpassung an andere Volumenströme durch entsprechende konstruktive
Adaptierungen möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des
Kondensationspartikelzählers, insbesondere des Kondensationspartikelzählers aus der Figur 1 , wobei die Schnittebene im Wesentlichen eine Normalebene des auf
Strömungskanals im Bereich des Sättigers 5 ist. Die Schnittebene verläuft durch den Sättigungskörper 27, die Sättigungskanäle 28, die Sättigungskanalwände 29, den Sättigungsraum 31 , den wannenförmigen Abschnitt 30 des Sättigungsraums 31 entlang der Betriebsstoffzuleitung 32 durch das Betriebsstoffreservoir 33, die Füllstandsregelvorrichtung 34 und durch die Druckausgleichsöffnung 35. Die Füllstandsregelvorrichtung 34 ist dabei zur Regelung des Füllstands des Betriebsstoffs 2 im Betriebsstoffreservoir 33 vorgesehen und ist über die Betriebsstoffzuleitung 32 zur Regelung oder Steuerung der Betriebsstoffzufuhr an den Sättigungskörper 27 eingerichtet.
Durch die spezielle Anordnung der Betriebsstoffzuleitung 32 sind der wannenförmige Abschnitt 30 und das Betriebsstoffreservoir 33 als kommunizierende Gefäße
ausgebildet bzw. wirken als kommunizierende Gefäße. Über eine Füllstandsregelung im Betriebsstoffreservoir 33 kann dadurch auch der Füllstand in dem wannenförmigen Abschnitt 30 gesteuert bzw. geregelt werden. Flierzu ist die Betriebsstoffzuleitung 32 ringförmig ausgebildet und jeweils von unten an den wannenförmigen Abschnitt 30 und an das Betriebsstoffreservoir 33 angeschlossen.
Der Sättigungskörpers 27 ist in der vorliegenden Ausführungsform zumindest teilweise, bevorzugt vollständig aus einem porösen Material, insbesondere aus einem porösen Aluminiumoxidkeramikwerkstoff, gebildet. Der Sättigungskörper 27 ragt in den wannenförmigen Abschnitt 30, der zumindest teilweise mit dem Betriebsstoff 2 gefüllt ist. Durch die poröse Struktur wird der Sättigungskörper 27 selbsttätig mit dem
Betriebsstoff 2 getränkt. Der Sättigungskörper 27 umfasst mehrere Sättigungskanäle 28, die im bestimmungsgemäßen Betrieb von dem Trägergas 3 durchströmt werden.
Die Sättigungskanalwände 29, durch die die Sättigungskanäle 28 gebildet sind, oder die zwischen den Sättigungskanäle 28 verlaufen, sind ebenfalls zumindest teilweise aus dem porösen Material gebildet und mit dem Betriebsstoff 2 getränkt. Wird nun der Sättigungsraum 31 von dem Trägergas 3 durchströmt, so strömt das Trägergas 3 durch die Sättigungskanäle 28 und wird dabei über die Sättigungskanalwände 29 mit dem Betriebsstoff 2 angereichert oder gesättigt.
Figur 4 zeigt eine schematische Schrägansicht einer Ausführungsform einer
Verteilerdüse 16, insbesondere der Verteilerdüse 16, aus den Figuren 1 und 2. Die Verteilerdüse 16 umfasst mehrere Austrittsöffnungen 19. In dieser Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen 19 entlang des Umfangs bzw. des Mantels der Verteilerdüse 16 verteilt angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Austrittsöffnungen 19 im Wesentlichen schräg radial verlaufend und gleichmäßig beabstandet verteilt an der Verteilerdüse 16 angeordnet. Insbesondere sind die Austrittsöffnungen 19 in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Die Austrittsöffnungen 19 sind trichterförmig ausgebildet und erweitern sich vom Querschnitt der Verteilerkanäle 21 nach außen. Dadurch wirken die Austrittsöffnungen 19 als eine Art Diffusor, wodurch eine
verbesserte Durchmischung bei der Beimengung des Messaerosols in das Trägergas bewirkt wird.
Eine gute Durchmischung ist in allen Ausführungsformen vorteilhaft, damit die Partikel ohne Koinzidenz-Fehler getrennt voneinander und damit individuell durch Anlagerung des Betriebsstoffes wachsen können. Dies wird insbesondere durch die konstruktiven Maßnahmen einer laminaren Strömung, einer angepassten Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Ausgestaltung der Düsenvorrichtung 6 begünstigt.
Die Verteilerdüse 16 weist einen Endabschnitt 15 auf, der als freies Ende der
Verteilerdüse 16 ausgebildet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der
Endabschnitt 15 kegelförmig zusammenlaufend ausgebildet, wodurch an dem
Endabschnitt 15 eine Spitze gebildet ist.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform eines Sättigungskörpers 27, insbesondere des Sättigungskörpers 27, der Figuren 1 und 3. Der Sättigungskörpers 27 weist bevorzugt einen der Form des Sättigungsraums 31 angepasste Form auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Sättigungskörper 27 zylinderförmig ausgebildet. Der
Sättigungskörper 27 weist eine Vielzahl an Sättigungskanälen 28 auf, die bevorzugt entlang des Flauptströmungspfads 4 verlaufen. Insbesondere ist der Verlauf des Flauptströmungspfads 4 durch den Verlauf der Sättigungskanäle 28 bestimmt. Die Sättigungskanäle 28 sind in der vorliegenden Ausführungsform durch die
Sättigungskanalwände 29 gebildet. Diese verlaufen in der vorliegenden
Ausführungsform waben- oder rasterförmig entlang des Flauptströmungspfads 4 durch den Sättigungskörper 27. Dadurch weisen die waben- oder rasterförmigen
Sättigungskanäle 28 der Ausführungsform der Figur 5 einen im Wesentlichen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt auf. Bevorzugt ist der Querschnitt der Sättigungskanäle 28 im Verlauf der Sättigungskanäle 28 entlang des Hauptströmungspfads 4 konstant. Die Sättigungskanäle 28 nehmen in einer Normalebene des Hauptströmungspfads 4 mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80%, der Querschnittsfläche des Sättigungskörpers 27 ein, wobei unvollständige
Sättigungskanäle 28 am Rand des Sättigungskörpers 27 nicht berücksichtigt sind.
Der Sättigungskörpers 27 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einem porösen Aluminiumoxidkeramikwerkstoff gebildet. Dieser Werkstoff besteht
vorzugsweise zu über 80 % aus einer Mischung aus AI2O3 und S1O2. Günstigerweise enthält der Aluminiumoxidkeramikwerkstoff 45-55% (z.B. 51 ,7%) AI2O3 und/oder 38- 45% (z.B. 42% ) S1O2. In einer Variante der Erfindung ist zusätzlich auch 3-5% K2O, insbesondere 4,1 % K2O, enthalten, wobei zusätzlich weitere Bestandteile wie Fe203, T1O2, CaO, MgO und/oder Na20, jeweils im Bereich von oder unterhalb 1 % enthalten sein können. Dabei weist der Aluminiumoxidkeramikwerkstoff bevorzugt eine Dichte von 2-3, insbesondere von 2,7g/cm3 nach der hydrostatischen Methode DIN VDE 0335/2 und eine Wasserabsorption von kleiner als 0,1 % insbesondere von 0% nach der hydrostatischen Methode DIN VDE 0335/2 auf.
Der Sättigungskörper 27 bzw. der Aluminiumoxidkeramikwerkstoff weist günstigerweise eine Porosität auf, die eine ausreichende Kapillarwirkung für das Betriebsmittel bzw. den Betriebsstoff 2 aufweist. Beispielsweise sollte ein Sättigungskörper 27 mit einem Durchmesser von etwa 2,5cm zur Gänze benetzt oder getränkt werden, wenn er beispielsweise etwa 1/5 tief im Betriebsstoff 2 steht.
Ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Kondensationspartikelzählers 1 sieht dabei vor, dass ein Trägergas 3 - insbesondere ein Inertgas wie z.B. Stickstoff - entlang eines Hauptströmungspfads 4 durch den Kondensationspartikelzähler 1 gefördert wird, wobei das Trägergas 3 bei der Durchströmung des
Kondensationspartikelzählers 1 entlang des Hauptströmungspfads 4 von einer
Temperieranordnung 11 zumindest abschnittsweise temperiert wird. Entlang des Hauptströmungspfads 4 wird nacheinander:
- das Trägergas 3 durch einen Sättiger 5 mit einem Betriebsstoff 2 - insbesondere ein Alkan mit der Strukturformel CnH2n+2 und einer Ordnungszahl n zwischen 16 und 24 bzw. zugehörige Isomere, z.B. mit Strukturformel C2oH42 und insbesondere Eicosan - angereichert oder gesättigt;
- dem angereicherten Trägergas 3 durch eine Düsenvorrichtung 6 ein Messaerosol 8 beigemengt;
- die Mischung enthaltend das Trägergas 3, den Betriebsstoff 2 und das Messaerosol 8 in einem Kondensationsbereich 9 übersättigt; und
- die durch das kondensierte Betriebsmittel vergrößerten Partikel des Messaerosols 8 in einer Messvorrichtung 10 detektiert.
Trägergas 3 und Messaerosol 8 werden im Messbetrieb von der Temperieranordnung 11 im Kondensationsbereich 9 auf eine Kondensationstemperatur von über 150°C, vorzugsweise von über 190°C temperiert.
Die Figuren 1 -5 betreffen bevorzugt eine einzige vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensationspartikelzählers bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung umfassend einen Kondensationspartikelzähler.
Grundsätzlich können die Düsenvorrichtung 6 und insbesondere die Verteilerdüse 16 jedoch auch zur Verbesserung der Beimengung des Messaerosols in einem
herkömmlichen Kondensationspartikelzähler eingesetzt werden.
Grundsätzlich kann auch der Sättiger 5 und insbesondere der Sättigungskörper 27 sowie die Steuerung des Füllstands im Sättigungsraum in einem herkömmlichen Kondensationspartikelzähler eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kondensationspartikelzähler (1 ) umfassend:
- einen Hauptkanal, der im Messbetrieb entlang eines Hauptströmungspfads (4) von einem Trägergas (3) durchströmt wird,
- einen Sättiger (5) zur Anreicherung, insbesondere zur Sättigung, des
Trägergases (3) mit einem Betriebsstoff (2),
- eine entlang des Hauptströmungspfads (4) nach dem Sättiger (5) in einen Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) mündende Düsenvorrichtung (6), die mit einer Messaerosolzuleitung (7) verbunden und zur Einbringung eines partikelbeladenen Messaerosols (8) in das angereicherte Trägergas (3) eingerichtet ist,
- einen entlang des Hauptströmungspfads (4) nach der Düsenvorrichtung (6) angeordneten Kondensationsbereich zur Übersättigung der Mischung enthaltend das Trägergas (3), den Betriebsstoff (2) und das Messaerosol (8),
- eine entlang des Hauptströmungspfads (4) nach dem Kondensationsbereich (9) angeordnete Messvorrichtung zur Detektion der durch den kondensierten
Betriebsstoff vergrößerten Partikel des Messaerosols (8),
- und eine Temperieranordnung (11 ) zur Temperierung des Trägeraerosols, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Düsenvorrichtung (6) eine Verteilerdüse (16) zur verteilten Beimengung des Messaerosols (8) in das im Messbetrieb angereicherte und den Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) durchströmende Trägergas (3) umfasst.
2. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilerdüse (16) beabstandet von der Wand des Düsenabschnitts (13), insbesondere mittig, in den Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) ragt.
3. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Verteilerdüse (16) eine Eintrittsöffnung (22) mit einem freien
Eintrittsquerschnitt (18) zur Zuleitung des Messaerosols (8) in die Verteilerdüse aufweist,
- dass die Verteilerdüse mindestens eine Austrittsöffnung (19) zur verteilten Beimengung des Messaerosols (8) in das im Messbetrieb angereicherte und den Düsenabschnitt (13) des Hauptkanals (12) durchströmende Trägergas (3) aufweist,
- dass die Verteilerdüse (16) einen an die Eintrittsöffnung (22) anschließenden Eintrittskanal (20) aufweist,
- und dass die Verteilerdüse (16) pro Austrittsöffnung (19) einen von dem
Eintrittskanal (20) abzweigenden und in die Austrittsöffnung (19) mündenden Verteilerkanal (21 ) aufweist.
4. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Eintrittsöffnung (22) oder der Eintrittskanal (20) mit ihrem oder seinem freien Eintrittsquerschnitt (18) im Verlauf des die Verteilerdüse (16) durchströmenden Messaerosols (8) das Element mit dem größten Strömungswiderstand ist und dadurch als Volumenstrombegrenzer des Messaerosols (8) wirkt oder ausgebildet ist.
5. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der freie Eintrittsquerschnitt (18)
- kleiner ist als der kleinste Gesamtaustrittsquerschnitt aller Austrittsöffnungen (19) oder, im Falle einer einzigen Austrittsöffnung (19), der Austrittsöffnung (19),
- und kleiner ist als der kleinste Gesamtquerschnitt aller Verteilerkanäle (21 ) oder, im Falle eines einzigen Verteilerkanals (21 ), des Verteilerkanals (21 ).
6. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der freie Eintrittsquerschnitt (18) durch eine Rohrleitung mit definierter Geometrie und insbesondere durch einen Rohrabschnitt mit einem kreisrunden freien
Querschnitt und einem freien Durchmesser von 0,5 - 1 ,5 mm, insbesondere von 0,7mm; und gegebenenfalls einer Länge von 10 - 25 mm gebildet ist.
7. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messaerosolzuleitung (7), zum Aufbau eines Staudrucks an oder unmittelbar vor der Eintrittsöffnung (22) durch Anströmung der Eintrittsöffnung (22) mit dem Messaerosol (8), auf die Eintrittsöffnung (22) gerichtet ist,
- und dass im Bereich der Eintrittsöffnung (22) mindestens eine Überlauföffnung (23) zur Ableitung des bei der Anströmung nicht in die Eintrittsöffnung (22) eingebrachten Messaerosols (8) bzw. des überschüssigen Messaerosols (8) vorgesehen ist.
8. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Messaerosolzuleitung (7) ein freies Ende (24) aufweist,
- dass der freie Querschnitt (25) des freien Endes (24) der Messaerosolzuleitung (7) größer ist als der Eintrittsquerschnitt (18) und/oder die Eintrittsöffnung (22),
- wobei das freie Ende (24) der Messaerosolzuleitung (7) Richtung Eintrittsöffnung (22) gerichtet ist
- und/oder wobei die Eintrittsöffnung (22) in das freie Ende (24) ragt.
9. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die mindestens eine Austrittsöffnung (19) oder alle Austrittsöffnungen (19) trichterförmig nach außen erweitert bzw. erweitern.
10. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass mehrere Austrittsöffnungen (19) vorgesehen sind,
- und dass die Austrittsöffnungen (19) verteilt, insbesondere regelmäßig verteilt, am Umfang oder am Mantel der Verteilerdüse (16) angeordnet sind.
11. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (19) entlang des Mantels der Verteilerdüse (16), insbesondere unmittelbar nebeneinander, in einer Reihe angeordnet sind.
12. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilerdüse (16) im Düsenabschnitt (13) entlang des Hauptströmungspfads (4) auskragend in den Hauptkanal (12) ragt und einen als freies Ende
ausgebildeten Endabschnitt (15) umfasst.
13. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Endabschnitt (15) der Verteilerdüse (16) entlang des Hauptströmungspfads (4) im Düsenabschnitt (13) keilförmig oder konisch zusammenlaufend ausgebildet ist und dadurch eine Spitze bildet.
14. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verteilerdüse (16) einen zylinderförmig ausgebildeten Austrittsabschnitt (26) aufweist, entlang dessen Umfang, an der Mantelfläche, die Austrittsöffnungen (19) angeordnet sind, und dass an den Austrittsabschnitt (26) der Endabschnitt (15), insbesondere unmittelbar, anschließt.
15. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Form und der Verlauf des Hauptkanals (12) im Düsenabschnitt (13) der Form und dem Verlauf der Verteilerdüse (16) angepasst sind,
- und dass die Wand des Hauptkanals (12) im Düsenabschnitt (13) der
Außenkontur der Verteilerdüse (16) beanstandet folgt, wodurch der Hauptkanal (12) im Düsenabschnitt (13) einen ringförmigen Querschnitt aufweist oder ringspaltförmig ausgebildet ist.
16. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (12) im Düsenabschnitt (13) und/oder im Kondensationsbereich (9) entlang des Hauptströmungspfads (4) konisch zusammenlaufend ausgebildet und insbesondere kegelförmig oder trichterförmig ausgebildet ist.
17. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
- dass mindestens eine Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Trägergases (3) vorgesehen ist,
- dass mindestens eine Steuervorrichtung zur Beeinflussung, Steuerung oder Regelung des Volumenstroms des Messaerosols (8) vorgesehen ist,
- und dass die beiden Steuervorrichtungen zumindest einen Teil einer
Regelvorrichtung zur Regelung der Verdünnung des Messaerosols (8) durch das Trägergas (3) bilden.
18. Kondensationspartikelzähler (1 ) nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Regelvorrichtung, zur Anpassung der Verdünnung des Messaerosols (8) unter Berücksichtigung der im Messaerosol (8) enthaltenen Partikelanzahl oder
Partikeldichte Messdaten der Messvorrichtung (10) verarbeitet oder berücksichtigt.
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