DE102008009494A1 - Device for measuring concentration and/or size distribution of soot particles in diesel exhaust gas of diesel vehicle in workshops, has magnets exhibiting magnetic field to deflect particles to electrodes dependent on size - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration und/oder der Größenverteilung von elektrisch geladenen Partikeln in Gasströmen, insbesondere von Rußpartikeln in Dieselabgasen gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a device for detecting the concentration and / or the size distribution of electrically charged Particles in gas streams, in particular of soot particles in diesel exhaust gases according to the preamble of the claim 1.
Bei Verbrennungsprozessen und insbesondere bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff in Dieselmotoren kommt zunehmend die unvermeidliche Erzeugung von Verbrennungspartikeln wie etwa von Rußpartikeln in die umweltpolitische Diskussion, da derartige Partikel gesundheitsschädigende Wirkung haben können. Es entsteht daher ein hoher Druck zur Reduzierung derartiger Emissionen, die sich in der Schaffung von Umweltzonen zur Reduzierung der Feinstaubbelastung in Städten sowie eine Nachrüstungspflicht bestehender Fahrzeuge und einer Ausrüstung neuer Fahrzeuge mit Partikelfiltern niederschlagen kann. Aber auch bei der Überprüfung von Kaminöfen oder dgl. Feuerstätten, die sich etwa mit Holz oder Pellets als Brennstoff betreiben lassen, hat sich heraus gestellt, dass hierbei hohe Feinstaubemissionen auftreten, die zu der allgemeinen Feinstaubbelastung hinzu kommen und diese noch einmal deutlich erhöhen.at Combustion processes and especially in the combustion of diesel fuel in diesel engines, the inevitable generation of Combustion particles such as soot particles in the Environmental discussion, since such particles harmful to health Can have effect. It therefore creates a high pressure to reduce such emissions, resulting in the creation of environmental zones to reduce particulate matter in cities as well as a retrofit obligation of existing vehicles and precipitation of equipment of new vehicles with particulate filters can. But also in the review of stoves or the like. Fireplaces, for example, with wood or pellets run as fuel, it turned out that In this case, high particulate emissions occur, which are the general Fine dust pollution come and this increase again significantly.
Da gleichzeitig die Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen und der Einsatz von Dieselfahrzeugen aus anderen Gründen Vorteile aufweisen und daher grundsätzlich gefördert werden sollen, kommt der Erfassung und Minderung der daraus resultierenden Feinstaubbelastungen eine hohe Priorität zu. Es sind daher vielfältige Messverfahren entwickelt worden, wie insbesondere die auftretenden Rußpartikel bei Emissionen von Dieselmotoren erfasst und damit Regelgrößen für eine Reduzierung der Emissionen des Verbrennungsprozesses gewonnen werden können. Auch sind umfangreiche Untersuchungen über die Konzentration und die Partikelgrößenverteilung in Dieselabgasen angestellt worden.There at the same time the use of renewable raw materials and the Use of diesel vehicles for other reasons advantages and therefore be funded in principle should come, the capture and reduction of the resulting Fine particulate pollution is a high priority. It is therefore Various measuring methods have been developed, in particular the resulting soot particles in emissions from diesel engines recorded and thus controlled variables for a Reduction of emissions of the combustion process can be obtained can. Also, extensive research is on the concentration and the particle size distribution been hired in diesel exhaust.
Die meisten der in Dieselabgasen enthaltenen Rußpartikel liegen in einem Größenbereich zwischen 0,05 und 1,0 μm Partikeldurchmesser, dem sog. Akkumulationsmodus, wobei kleinere Partikel im Größenbereich zwischen 0,005 und 0,05 μm je nach den Verbrennungsparametern im sog. Nukleationsmodus entstehen und, etwa abhängig vom Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffen, durchaus auch in hohen Anteilen im Abgas enthalten sein können. Grobere Partikel mit Durchmessern von mehr als 1,0 μm werden ebenfalls abgegeben, wobei es sich hierbei typischerweise um Rußwandablagerungen handelt, die sich in der Abgasanlage bilden und durch den Abgasstrom gelöst und mitgerissen werden können. Zur Messung derartiger Partikelzahlen und -verteilungen sind verschiedene Messverfahren bekannt.The Most of the soot particles contained in diesel exhaust gases are in a size range between 0.05 and 1.0 microns Particle diameter, the so-called accumulation mode, with smaller Particles in the size range between 0.005 and 0.05 microns depending on the combustion parameters in the so-called nucleation mode and, depending on the sulfur content of the diesel fuel, can be contained in the exhaust even in high proportions. Become coarse particles with diameters greater than 1.0 μm also discharged, which are typically Rußwandablagerungen acts, which form in the exhaust system and through the exhaust stream can be solved and carried away. For measurement Such particle numbers and distributions are different measuring methods known.
Das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Bestimmung der Partikelkonzentration ist die sog. Gravimetrie, wobei der die Partikel enthaltende Gasstrom durch ein geeignetes Filtermaterial hindurch geleitet wird und die sich darin ansammelnden Partikel gewogen werden. Dieses aufwendige, an sich aber recht gut beherrschbare Verfahren weist allerdings einige Einflussfaktoren auf, die dazu führen, dass es sich ausschließlich für den Laborbetrieb eignet, mit dem etwa auf Messständen die Partikelemissionen von Dieselmotoren ermittelt werden können. So sind hochgenau zu kalibrierende Messeinrichtungen wie eine Partikelwaage erforderlich, die Filtermaterialien reagieren unter Umständen mit dem zu filternden Abgas oder den darin befindlichen Partikeln und der zu messende Gasstrom muss sehr fein geregelt werden, um eine entsprechend repräsentative Messung zu erhalten. Daher eignet sich dieses hochgenaue und kalibrierfähige Messverfahren nicht für den Feldeinsatz.The most commonly used method for the determination of Particle concentration is the so-called gravimetry, whereby the particles containing gas stream passed through a suitable filter material will be weighed and the particles accumulating in it. This elaborate, but in itself quite well controllable method has however, some influencing factors that cause that it is only suitable for laboratory use, with about the particle emissions of at Diesel engines can be determined. So are highly accurate measuring equipment to be calibrated, such as a particle scale, The filter materials may react with the to be filtered exhaust gas or the particles therein and the To be measured gas flow must be very finely controlled to a corresponding to obtain representative measurement. Therefore, this is suitable highly accurate and calibratable measuring methods not for the Field use.
Daher sind in den letzten Jahren eine Reihe von alternativen Messverfahren, teilweise auch für den Feldeinsatz entwickelt worden, die nachfolgend kurz erwähnt werden sollen.Therefore have been a number of alternative measuring methods in recent years, partly also developed for field use, the briefly mentioned below.
Die genaueste Bestimmung der Partikelmenge erreicht man durch Verbrennung der Partikel auf einem Filter im Sauerstoffstrom, wobei das dabei entstehende Kohlendioxid mittels IR-Spektroskopie gemessen werden kann.The The most accurate determination of the amount of particles is achieved by combustion the particle on a filter in the oxygen flow, while the case resulting carbon dioxide are measured by IR spectroscopy can.
Eine andere Methode besteht in der Nutzung der trägen Masse der Partikel. Beim TEOM (Tapered Element Oscillation) und bei der QCM (Quartz Crystal Microbalance) wird die Verstimmung eines mit dem Partikelstrom beaufschlagten Quarzoszillators gemessen, die durch die zusätzliche Partikelmasse erzeugt wird.A Another method is to use the inert mass the particle. In the TEOM (Tapered Element Oscillation) and in the QCM (Quartz Crystal Microbalance) will be the detuning one with the Particle current impinged quartz oscillator measured by the additional particle mass is generated.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Gasstrom stark zu beschleunigen und so die geringen Trägheitskräfte der einzelnen Partikel zu verstärken. Sog. Niederdruckimpaktoren arbeiten nach diesem Prinzip. In der Regel werden die mit dem Partikelstrom beaufschlagten Impaktorstufen gewogen, wodurch die Partikelmassengrößenverteilung kumulativ über die Messdauer bestimmt werden kann. Das Auswiegen der Impaktorstufen setzt bei den niedrigen Partikelemissionen, die z. B. bei Euro4-Fahrzeugen auftreten, allerdings längere Messzeiten voraus. Dieser Nachteil kann beim ELPI (Electrical Low Pressure Impactor) dadurch vermieden werden, indem die Partikel vor Eintritt in den Impaktor elektrisch aufgeladen und der auf der Impaktorstufe eintreffende Strom mit einem Elektrometer gemessen wird. Dies ermöglicht die Bestimmung der aerodynamischen Partikelanzahlgrößenverteilung bei geringer zeitlicher Auflösung.A Another possibility is to greatly increase the gas flow accelerate and so the low inertial forces reinforce the single particle. So-called. Niederdruckimpaktoren work on this principle. In general, those with the particle flow weighed impactor stages, whereby the particle mass size distribution can be determined cumulatively over the duration of the measurement. The weighing The impactor stages rely on the low particulate emissions, the z. B. occur in Euro4 vehicles, but longer Measuring times ahead. This disadvantage can be seen in ELPI (Electrical Low Pressure Impactor) can be avoided by removing the particles electrically charged before entering the impactor and the on the Impactor stage incoming current measured with an electrometer becomes. This allows the determination of the aerodynamic particle number size distribution at low temporal resolution.
Ein anderer Ansatz geht davon aus, die Rußpartikel optisch nachzuweisen, da diese das Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich nahezu vollständig absorbieren. Es gibt eine Reihe von Opazimetern und Extinktionsmeßgeräten, die zur Rußpartikelmessung verwendet werden. Ein Nachteil dieser Verfahren ist allerdings, dass die Empfindlichkeit der Lichtabsorption vom Durchmesser der Partikel abhängt. Daher werden etwa Partikel unterhalb eines Grenzdurchmessers künstlich vergrößert, um diese vergrößerten Partikel dann optisch nachweisen zu können. Dies ist das Prinzip der Kondensationskernzähler (CNC/CPC), die mit sehr guter Zeitauflösung Gesamtpartikelanzahlen messen.One Another approach assumes the soot particles optically prove that they are the light in the visible wavelength range absorb almost completely. There are a number of Opacimeters and Extinktionsmeßgeräten to the Soot particle measurement can be used. A disadvantage of this However, the process is that the sensitivity of light absorption depends on the diameter of the particles. Therefore, about Particles artificially enlarged below a limit diameter, to optically detect these enlarged particles to be able to. This is the principle of the condensation nucleus counter (CNC / CPC), which with very good time resolution Gesamtpartikelanzahlen measure up.
Um Informationen über die Größenverteilung zu gewinnen, existiert neben dem Impaktor das sog. SMPS (= Scanning Mobility Particle Sizer), bei dem vor den Kondensationskernzähler ein elektrischer Klassierer (DMA = Differential Mobility Analyser) geschaltet ist. Dabei werden die Partikel elektrisch geladen und dann scherungsfrei als Hüllstrom auf einen Reinluftstrom gegeben. Dieser Gasstrom wird durch ein elektrisches Feld geführt, in dem die Partikel gemäß ihrer Ladung und Größe abgelenkt werden. Liegt eine definierte Spannung an, können nur Partikel einer bestimmten Größenklasse den DMA verlassen. Dieser Ausschnitt aus dem Partikelgrößenspektrum wird dann im Kondensationskernzähler quantifiziert. Eine Variante besteht darin, die ohnehin geladenen Partikel mit einem Elektrometer zu messen. Im Gegensatz zum Impaktor wird mit diesem Messprinzip die elektrodynamische Anzahlgrößenverteilung ermittelt. Ein anderes System kombiniert Klassierer und Detektor in einem Gerät. Das DMA ist hierbei abschnittsweise aufgeteilt, wobei die einzelnen Abschnitte gegeneinander elektrisch isoliert und mit einem Elektrometer verbunden sind. Für jeden Abschnitt, der dann einer Größenklasse entspricht, wird der auftreffende elektrische Strom gemessen, der proportional zur Partikelanzahl ist.Around Information about the size distribution too win, exists next to the impactor so-called SMPS (= scanning Mobility Particle Sizer), in front of the condensation nucleus counter an electric classifier (DMA = Differential Mobility Analyzer) is switched. The particles are electrically charged and then scherungsfrei as sheath flow to a clean air flow where. This gas stream is passed through an electric field, in which the particles according to their charge and size to get distracted. If a defined voltage is applied, you can only particles of a certain size class Leave DMA. This section of the particle size spectrum is then quantified in the condensation nucleus counter. A Variant consists in the already charged particles with a To measure electrometer. In contrast to the impactor is with this Measuring principle determines the electrodynamic number size distribution. Another system combines classifier and detector in one device. The DMA is divided in sections, with the individual Sections electrically isolated against each other and with an electrometer are connected. For each section, then a size class corresponds, the impinging electric current is measured, which is proportional to the particle number.
Eine andere Methode, Partikel zu messen, besteht darin, die unterschiedlich schnelle Diffusion der Partikel aufgrund der Brown'schen Molekularbewegung auszunutzen. Dabei diffundieren kleinere Partikel schneller als große. In den sog. Diffusionsbatterien werden Netze oder Blenden hintereinander geschaltet. In jeder Stufe der Diffusionsbatterie werden die kleineren Partikel anteilig am stärksten zurückgehalten, da diese durch Diffusion mit dem Netz oder der Blende kollidieren und so dem Messgas entzogen werden. Aus der Partikelabnahme von einer Stufe zur nächsten lässt sich dann die Größenverteilung bestimmen. Die Partikel werden i. d. R. wieder mit Kondensationskernzählern nachgewiesen.A Another way to measure particles is to use different ones rapid diffusion of the particles due to Brownian molecular motion exploit. In doing so, smaller particles diffuse faster than size. In the so-called diffusion batteries are networks or Apertures connected in series. In each stage of the diffusion battery the smaller particles are retained most proportionally, because they collide by diffusion with the net or the aperture and thus be withdrawn from the sample gas. From the particle decrease of From one step to the next, the size distribution can then be determined determine. The particles are i. d. R. again with condensation nucleus counters demonstrated.
Daneben existieren oberflächenbasierende Messverfahren, in denen die Partikeloberfläche geladen wird. Die Ladungen werden gemessen und liefern so das Messsignal. Erhältlich sind Geräte, in denen das Laden der Partikel durch Diffusion von Gasionen (DC) oder durch Licht (PAS) geschieht.Besides exist surface-based measuring methods in which the particle surface is loaded. The charges will be measured and thus deliver the measuring signal. Are available Devices in which the loading of the particles by diffusion of gas ions (DC) or by light (PAS) happens.
Die derzeit eingesetzte Partikelanzahlmesstechnik mit Geräten, wie z. B. SMPS und ELPI, ist nur zur Gewinnung von qualitativen Aussagen zu Partikelanzahl und Größenverteilung geeignet, jedoch von der Möglichkeit der quantitativen, also absoluten Messung dieser Eigenschaften, weit entfernt. Darüber hinaus muss man feststellen, dass die gemessene Partikelanzahl stark von den Testbedingungen abhängt.The currently used particle number measurement technology with devices, such as B. SMPS and ELPI, is only for the production of qualitative Statements on particle number and size distribution suitable, however, from the possibility of quantitative, so absolute measurement of these properties, far from it. About that In addition, one has to realize that the measured particle number is strong depends on the test conditions.
Es zeigt sich, dass für die Messung der Masse der Partikel nur die Gravimetrie direkt kalibrierbar ist. Andere Verfahren sind indirekt über die Gravimetrie oder Coulometrie kalibrierbar. Eine Kalibrierung zur Messung der Partikelanzahl ist zur Zeit nicht möglich. Weiterhin bestehen Zweifel bezüglich der Reproduzierbarkeit, die für Zulassungsmessungen von entscheidender Bedeutung ist. Hier ist für die meisten Geräte noch der Nachweis einer hinreichenden Übereinstimung mit den Anforderungen zu führen.It shows up that for measuring the mass of particles only the gravimetry can be calibrated directly. Other methods are Can be calibrated indirectly via gravimetry or coulometry. A calibration to measure the number of particles is currently not possible. Furthermore, there are doubts regarding the reproducibility, which is crucial for registration measurements is. Here is the most for most devices Proof of sufficient compliance with the requirements respectively.
Aus
der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiter zu entwickeln, dass eine genauere und stabilere Messung der Partikelkonzentration und der Partikelgrößenverteilung möglich wird.task The present invention is therefore a generic Device further develop such that a more accurate and more stable measurement of particle concentration and particle size distribution becomes possible.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbe griffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Solution of the problem of the invention arises from the characterizing features of claim 1 in Interaction with the characteristics of Oberbe handle. Further advantageous Embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration und/oder der Größenverteilung von elektrisch geladenen Partikeln in Gasströmen, insbesondere von Rußpartikeln in Dieselabgasen, aufweisend eine Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Partikel und eine in Strömungsrichtung hinter der Einrichtung zur elektrischen Aufladung angeordnete Ablenkeinrichtung, mit der die Partikel zu mindestens einer in Strömungsrichtung des Gasstromes nachgeschalteten Messeinrichtung hin abgelenkt werden. Eine derartige gattungsgemäße Vorrichtung wird dadurch weiter entwickelt, dass die Ablenkeinrichtung eine ein Magnetfeld erzeugende Anordnung aus einem Permanentmagneten und/oder einem Elektromagneten aufweist, deren Magnetwirkung die Partikel abhängig von ihrer jeweiligen Größe unterschiedlich stark aus ihrer normalen Flugbahn und zu der mindestens einen Messeinrichtung ablenkt, wobei die auf die Messeinrichtung auftreffenden Partikel ihre jeweilige Ladung an die Messeinrichtung abgeben. Durch Verwendung eines Magnetfeldes zur Ablenkung der Partikel aus ihrer normalen Flugbahn durch die Vorrichtung sowie die Kombination eines Permanentmagneten mit gleichbleibender und einem Elektromagneten mit veränderlich einstellbarer Magnetwirkung kann erreicht werden, dass einerseits die Ablenkung der elektrisch vorgeladenen Partikel nahezu vollständig erfolgt und daher die Ablagerung dieser Partikel auf der Messeinrichtung ebenfalls mit einem hohen Wirkungsgrad vonstatten geht. Andererseits wird dadurch vermieden, dass nicht bestimmungsgemäß abgelenkte Partikel, die bei der Einrichtung aus dem Stand der Technik an der Messeinrichtung zwar vorbeifliegen, gleichwohl aber die Messung durch eine Ladungsverschiebung beeinflussen, nicht mehr auftreten können und dadurch die Messung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich genauer und zutreffender ist. Auch wird aufgrund der Magnetfeldwirkung die Trennung der Partikel nach ihrer Größe wesentlich verbessert, wodurch eine Klassifizierung der Partikel nach ihren jeweiligen Größen einfacher und zuverlässiger wird. Damit wird sowohl die Erfassung der Partikelzahl als auch gleichzeitig die Erfassung der Größenverteilung der Partikel im Abgasstrom verbessert und vereinfacht. Ebenfalls ist ein im wesentlichen wartungsfreier Betrieb möglich, da die Vorrichtung ohne anfällige Verschleißteile auskommt. Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur auf den Einsatz zur Rußerfassung an Dieselmotoren begrenzt, sondern immer da, wo Feinstäube bei Verbrennungsprozessen auftreten, ggf. unter entsprechender Modifikation eingesetzt werden kann.The The invention is based on a device for detecting the concentration and / or the size distribution of electrically charged Particles in gas streams, in particular of soot particles in diesel exhaust, comprising a device for electrical charging the particle and one downstream of the device arranged for electrical charging deflection, with the the particles to at least one in the flow direction of the Gas flow downstream measuring device are deflected out. Such a generic device is further developed by the fact that the deflecting a magnetic field generating arrangement of a permanent magnet and / or a Electromagnets whose magnetic effect depends on the particles different in size from their respective size from their normal trajectory and to the at least one measuring device deflects, wherein the incident on the measuring device particles deliver their respective load to the measuring device. By using a magnetic field for deflecting the particles from their normal Trajectory through the device and the combination of a permanent magnet with constant and an electromagnet with variable adjustable magnetic effect can be achieved, on the one hand the deflection of the electrically preloaded particles almost completely takes place and therefore the deposition of these particles on the measuring device also with a high degree of efficiency. on the other hand is avoided by being misappropriated Particles which in the device of the prior art at the Although measuring device fly past, but nevertheless the measurement influence by a charge shift, no longer occur can and thereby the measurement with the inventive Device is much more accurate and accurate. Also is due the magnetic field effect the separation of the particles according to their size significantly improved, resulting in a classification of the particles easier and more reliable according to their respective sizes becomes. This will both the detection of the number of particles as well at the same time recording the size distribution the particle in the exhaust stream is improved and simplified. Also a substantially maintenance-free operation is possible, because the device without susceptible wearing parts gets along. It goes without saying that the inventive Device not only on the use for Rußerfassung limited to diesel engines, but always there where fine dust occur during combustion processes, if necessary with appropriate modification can be used.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann die das Magnetfeld erzeugende Anordnung aus einem Permanentmagneten und/oder einem Elektromagneten die Partikel in einer Ebene ablenken, entlang der die Messeinrichtung oder die Messeinrichtungen hintereinander in Strömungsrichtung des Gasstromes angeordnet sind. Durch die vorteilhaft linienförmige und parallele Ausrichtung der Messeinrichtungen kann durch die damit kleinflächig mögliche Ausgestaltung der Messeinrichtung oder der mehreren Messeinrichtungen eine hohe Genauigkeit des Messverfahrens erreicht werden.In In a first advantageous embodiment, the magnetic field generating arrangement of a permanent magnet and / or a Electromagnets divert the particles in a plane along the the measuring device or the measuring devices one behind the other in Flow direction of the gas stream are arranged. By the advantageous linear and parallel alignment The measuring devices can thus be of small area possible embodiment of the measuring device or more Measuring devices achieved a high accuracy of the measurement method become.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Magnetfeld für die Ablenkung der Partikel derart ausgebildet wird, dass kleine Partikel, vorzugsweise im Bereich zwischen 1 bis 5 nm, stärker und größere Partikel, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 bis 10 nm, schwächer abgelenkt werden. Durch eine solche Ablenkung abhängig von der Partikelgröße ist es möglich, die verschiedenen im zu erfassenden Teilstrom befindlichen Partikel aufgrund ihrer Massenträgheit gezielt so abzulenken, dass sie auf der oder den nachgeordneten Messeinrichtungen auftreffen und dort ihre Ladung so abgeben, dass die Ladungsveränderung messtechnisch gut erfasst werden kann. Die Magnetfeldwirkung sorgt, vorteilhaft in Kombination mit einer Fokussierung des Teilstroms der Partikel etwa über eine vorgeschaltete Blende dann dafür, dass sich die Bewegungsbahn der Partikel in die Messeinrichtung genau festlegen und justieren lässt. Hierdurch werden nahezu alle Partikel auf die Messeinrichtung hin abgelenkt und dort aufgefangen. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung kann hierbei das Magnetfeld die Partikel senkrecht zur Strömungsrichtung des Gasstromes ablenken. Dabei ist die an die Messeinrichtung abgegebene Ladung der auf der Messeinrichtung auftreffenden Partikel ein Maß für die Konzentration der Partikel im Gasstrom.Especially It is advantageous if the magnetic field for the deflection the particle is formed such that small particles, preferably in the range between 1 to 5 nm, stronger and larger Particles, preferably in the range between 5 to 10 nm, weaker to get distracted. Dependent on such a distraction from the particle size it is possible the various particles in the sub-stream to be detected due to their inertia targeted to distract so that they hit the downstream measuring device (s) and there deliver their charge so that the charge change can be detected well by measurement. The magnetic field effect ensures advantageous in combination with a focusing of the partial flow the particle about an upstream aperture then that the trajectory of the particles in the measuring device accurately set and adjust. This will be almost all particles are deflected towards the measuring device and caught there. In a particularly advantageous embodiment, in this case, the magnetic field the particles perpendicular to the flow direction of the gas stream distracted. In this case, the charge delivered to the measuring device the particles impinging on the measuring device are a measure of the concentration of the particles in the gas stream.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann nur eine Messeinrichtung in Strömungsrichtung des Gases hinter der Ablenkeinrichtung angeordnet sein. Eine solche kostengünstige und einfach aufgebaute Vorrichtung, die z. B. als einfache Nachrüstlösung an vorhandenen Dieselmotoren ausgelegt werden kann, kann dabei so betrieben werden, dass die Ablenkeinrichtung die Partikel mit einer veränderlichen Magnetfeldwirkung aus ihrer Flugbahn ablenkt. Eine solche veränderliche Magnet feldwirkung sorgt dabei dafür, dass in Abhängigkeit von dem jeweils gerade wirkenden Magnetfeld jeweils nur eine Teilmenge der durchtretenden Partikel mit einer definierten Partikelgröße genau zu der Messeinrichtung hin abgelenkt wird und auf die Messeinrichtung auftrifft. Partikel anderer Partikelgrößen werden zu stark oder nicht stark genug abgelenkt und verfehlen die eine Messeinrichtung. Diese werden dadurch nicht erfasst. Verändert man die Stärke der Magnetfeldwirkung nun aber vorzugsweise periodisch, also z. B. periodisch gleitend oder auch periodisch bereichsweise taktend über einen vorgebbaren Magnetfeldstärkebereich, so wird jeweils ein anderer Teil der verschieden großen Partikel zu der Messeinrichtung hin abgelenkt und kann dort gemessen werden. Kombiniert man nun abhängig von der jeweiligen Magnetfeldstärke und der sich daraus ergebenden Ablenkung der Partikel die jeweils erfasste Partikelgröße, so hat man einen Aussage über die Anzahl der sich jeweils auf der einen Messeinrichtung ablagernden Partikel einer bestimmten Größe oder eines bestimmten Größenbereiches bestimmt. Bei hinreichend schneller Durchstimmung des Magnetfeldstärkebereiches kann neben der ebenfalls ermittelbaren Partikelkonzentration eine zeitnahe Aussage über die Größenverteilung der Partikel gewonnen werden, die dann etwa zur Regelung des Verbrennungsverhaltens des Partikelerzeugers wie etwa eines Dieselmotors genutzt werden kann.In a first advantageous embodiment, only one measuring device can be arranged in the flow direction of the gas behind the deflecting device. Such a low-cost and simply constructed device, the z. B. can be designed as a simple retrofit solution to existing diesel engines, it can be operated so that the deflection deflects the particles with a variable magnetic field effect from their trajectory. Such a variable magnetic field effect ensures that in each case only a subset of the penetrating particles is deflected with a defined particle size exactly to the measuring device depending on the currently acting magnetic field and incident on the measuring device. Particles of other particle sizes are deflected too strong or not strong enough and miss the one measuring device. These are not him summarizes. If one changes the strength of the magnetic field effect but now preferably periodically, so z. B. periodically sliding or periodically in some regions clocking a predetermined magnetic field strength range, then each other part of the different sized particles is deflected to the measuring device out and can be measured there. If the respectively detected particle size is then combined depending on the particular magnetic field strength and the resulting deflection of the particles, then a statement has been made about the number of particles of a particular size or a specific size range deposited on the one measuring device. With sufficiently fast tuning of the magnetic field strength range, in addition to the likewise determinable particle concentration, a timely statement about the size distribution of the particles can be obtained, which can then be used for example for controlling the combustion behavior of the particle generator, such as a diesel engine.
In einer anderen Ausgestaltung ist es denkbar, dass mehr als eine Messeinrichtung in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordnet wird. Eine solche, messtechnisch aufwändigere, aber parallel und daher zeitnäher arbeitende Messeinrichtung misst dabei jeweils zeitgleich einen definierten Bereich der Größenverteilung der zu erfassenden Partikel und kann daher auch genauer arbeiten. Dabei wird vorteilhaft die Ablenkeinrichtung die Partikel bei einer im wesentlichen konstanten Magnetfeldwirkung ablenken, so dass aufgrund ihres Beharrungsvermögens gleichzeitig Partikel aller vorkommenden Partikelgrößen sich auf verschiedene Teilbereich der Messeinrichtung oder eine Anzahl hintereinander angeordneter einzelner Messeinrichtungen ablagern. Wird nun die Anzahl und die räumliche Anordnung der derart gestaffelten Messeinrichtungen geeignet gewählt, so kann über einen größeren Messbereich eine genaue Aufteilung in Kollektive etwa gleichgroßer Partikel erfolgen. Eine solche Vorrichtung kann dabei etwa als Werkstattsystem zur Einstellung von Dieselmotoren genutzt werden, wobei die Vorrichtung nur temporär mit dem Abgassystem des Dieselmotors verbunden wird. Auch ist es denkbar, eine solche auf wändigere Vorrichtung etwa für Dieselmotoren hochpreisiger Fahrzeuge dauerhaft an deren Abgassystem anzubringen.In In another embodiment, it is conceivable that more than one measuring device arranged one behind the other in the flow direction of the gas becomes. Such, metrologically more complex, but parallel and therefore more timely measuring device measures it each time a defined range of size distribution the particle to be detected and therefore can work more accurately. In this case, the deflection device is advantageous, the particles in a to deflect substantially constant magnetic field effect, so due to their persistence at the same time particles of all occurring Particle sizes affect different subrange the measuring device or a number of consecutively arranged depositing individual measuring devices. Now the number and the spatial arrangement of the staggered measuring devices chosen appropriately, so can have a larger Measuring range a precise division into collectives about the same size Particles take place. Such a device can be used as a workshop system used for adjusting diesel engines, the device only temporarily connected to the exhaust system of the diesel engine becomes. It is also conceivable to use such a device on a wanderer about for diesel engines of high-priced vehicles permanently to attach to their exhaust system.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass das resultierende Magnetfeld sich aus einer Überlagerung eines konstanten permanentmagnetischen Magnetfeld und eines einstellbaren elektromagnetischen Magnetfeldes erzeugen lässt. Das permanentmagnetische Magnetfeld kann dabei so gewählt werden, dass es allein eine ausreichende Ablenkung der größten Partikel derart erzeugt, dass diese Partikel sich auf den am weitesten von der vorgeschalteten Blende entfernten Messeinrichtung einer mit mehreren Messeinrichtungen ausgestatteten Vorrichtung ablagern. Die Ablenkung kleinerer Partikel erfordert dann die zusätzliche Aufbringung der Magnetfeldwirkung des einstellbaren elektromagnetischen Magnetfeldes, die damit stärker abgelenkt werden und sich auf den näher an der Blende befindlichen Messeinrichtungen ablagern. Bei Verwendung nur einer Messeinrichtung kann das elektromagnetische Magnetfeld zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert periodisch geregelt werden und die vorstehend beschriebene unterschiedliche Ablenkung jeweils unterschiedlicher Partikelgrößen bewirken.Especially it is advantageous here that the resulting magnetic field from a superposition of a constant permanent magnetic Magnetic field and an adjustable electromagnetic magnetic field can generate. The permanent magnetic magnetic field can be chosen so that it alone sufficient Deflection of the largest particles produced in such a way that these particles are on the farthest from the upstream aperture distant measuring device one with several measuring devices Deposited equipped device. The distraction of smaller particles then requires the additional application of the magnetic field effect of the adjustable electromagnetic magnetic field making it stronger be distracted and located on the closer to the aperture Deposit measuring devices. When using only one measuring device The electromagnetic field can be between a maximum value and a minimum value are periodically controlled and the above described different deflection in each case different Effect particle sizes.
Besonders günstig zur Erzielung einer hohen und gleichbleibenden Magnetfeldstärke ist es, wenn der Querschnitt der Vorrichtung für den Durchtritt des Gasstromes im Bereich der Magnetfeldwirkung rechteckig ausgebildet ist, um eine hohe Magnetfeldstärke in einem relativ kleinen Luftspalt zu erzeugen.Especially favorable for achieving a high and consistent Magnetic field strength is when the cross-section of the device for the passage of the gas stream in the field of magnetic field effect rectangular is designed to be a high magnetic field strength in one to produce a relatively small air gap.
In weiterer Ausgestaltung ist es denkbar, dass die Messeinrichtungen Heizeinrichtungen aufweisen, mit der die auftreffenden Partikel periodisch wieder abgebrannt und die Messeinrichtungen dadurch gereinigt werden können. Durch Aufheizung der Messeinrichtung können die sich ansonsten dauerhaft ablagernden Partikel, die auf Dauer die Wirkung der Messeinrichtungen beeinträchtigen würden, so weit erhitzt werden, dass diese verbrennen und dadurch die Oberfläche der Messeinrichtungen gereinigt wird. Durch eine Abstimmung dieser Heizvorgänge mit der periodischen Durchstimmung der Magnetfeldstärke kann eine etwa allein vorhandene Messeinrichtung vor der Messung in jedem Bereich der Partikelgröße vorher von den sich jeweils vorab angelagerten Partikeln eines anderen Größenbereiches gesäubert werden.In Further embodiment, it is conceivable that the measuring devices Have heating devices with which the impinging particles periodically burned again and the measuring devices thereby cleaned can be. By heating the measuring device can the otherwise permanently depositing particles, in the long run would affect the effect of the measuring equipment, so be heated far, that these burn and thereby the surface the measuring equipment is cleaned. By a vote of this Heating processes with the periodic tuning of the magnetic field strength can be a stand alone measuring device before the measurement in each range of particle size before from each pre-deposited particles of a different size range be cleaned.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Einrichtung zur elektrischen Aufladung der Partikel eine Ionisationseinrichtung aufweist. Eine derartige Ionisationseinrichtung kann beispielsweise aus gegengleich geladenen Flächen gebildet werden, zwischen denen die Partikel hindurchtreten müssen und in denen sie dann vorteilhaft einfache Elektronenladungen aufnehmen, die sie dann später wieder an die Messeinrichtungen abgeben.From It is also advantageous if the device for electrical Charging the particles has an ionization device. A Such ionization device can be charged, for example, from the same Are formed surfaces between which pass through the particles and in which they then advantageous simple electron charges They then later return to the measuring equipment submit.
Denkbar ist es hierbei, dass vor und/oder hinter der Ionisationseinrichtung mindestens eine Blende angeordnet ist, die nur einen fokussierten Gasstrom und insbesondere einen auf eine konstante Durchflussmenge von Partikeln begrenzten Gasstrom durchlässt. Eine solche Fokussierung sorgt dafür, dass im Bereich der Messeinrichtungen nur eine definierte Anzahl von Partikeln von den Messeinrichtungen oder der Messeinrichtung verarbeitet werden müssen und sorgt dabei für vorgebbare und definierte Messverhältnisse. Hierbei kann in weiterer Ausgestaltung die Blende vor der Ionisationseinrichtung eine überkritische Düse aufweisen.It is conceivable in this case that at least one aperture is arranged in front of and / or behind the ionization device, which passes only a focused gas flow and in particular a limited to a constant flow rate of particles gas stream. Such a focus ensures that only a defined number of particles have to be processed by the measuring devices or the measuring device in the area of the measuring devices and thereby ensures definable and defined measuring conditions. In this case, in another embodiment, the aperture in front of the ionization device have a supercritical nozzle.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Vorrichtung im Bypass zu dem eigentlichen Gasstrom angeordnet werden kann und dann nur ein Teilstrom des Gasstromes durch die Vorrichtung strömt. Hierdurch wird vermieden, dass die Messeinrichtungen den gesamten Partikelstrom z. B. der Abgasanlage eines Dieselmotors verarbeiten müssen und dadurch die Partikelströme auf messtechnisch sinnvolle Teilströme begrenzt werden können. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn hierbei die Vorrichtung über eine isokinetische Entnahmevorrichtung an den Hauptstrom des Gasstromes angebunden ist. Hierdurch ist dafür gesorgt, dass die Entnahmevorrichtung eine Teilmenge des Gasstromes entnimmt, in der gleichverteilt alle Partikelgrößen und Partikelverteilungen wie in dem ursprünglichen Gasstrom vorhanden sind. Damit ist der Teilstrom, der die Vorrichtung durchtritt, repräsentativ für den Hauptabgasstrom und kann daher für Regelungszwecke bei der Erzeugung des Hauptabgasstromes herangezogen werden.From It is particularly advantageous that the device in the bypass to the actual gas flow can be arranged and then only a partial flow of the Gas flow through the device flows. This will avoided that the measuring devices the entire particle flow z. B. have to process the exhaust system of a diesel engine and thereby the particle flows on metrologically meaningful Partial flows can be limited. Advantageous it is still, if this device via a Isokinetic removal device to the main flow of the gas stream is connected. As a result, it is ensured that the removal device a subset of the gas stream takes in the equally distributed all Particle sizes and particle distributions as in the original gas stream are present. This is the Partial flow passing through the device, representative for the main exhaust stream and therefore can for regulatory purposes be used in the generation of the main exhaust gas stream.
Weiterhin kann eine Auswerteeinrichtung funktional mit den Messeinrichtungen verbunden sein, die vorzugsweise anhand von Verstärkerschaltungen die Anzahl und/oder Verteilung der auftreffenden Partikel bzw. deren Ladungen auf den verschiedenen Messeinrichtungen registriert und auswertet. Eine solche Auswerteeinrichtung kann darüber hinaus die Betriebsweise der Vorrichtung, also etwa die Mag netfeldstärke und sonstige möglicherweise sinnvolle Sensoren ansteuern oder abfragen, um die verschiedenen Einstellparameter der Vorrichtung optimal miteinander zu kombinieren.Farther an evaluation device can be functional with the measuring devices be connected, preferably based on amplifier circuits the number and / or distribution of the impinging particles or their Charges registered on the various measuring devices and evaluates. Such evaluation can about it In addition, the operation of the device, so about the Mag netfeldstärke and other possibly useful sensors or query to the various setting parameters of the device optimally to combine with each other.
Denkbar ist es weiterhin, dass das ausgewertete Signal der Partikelzahl und/oder der Größenverteilung der Partikel als Regelgröße bei der Erzeugung der Partikel, insbesondere als Regelgröße bei der Abgasregelung eines Dieselmotors oder auch als Kontrollwert für eine laufende Partikelfilterung genutzt wird, um schon die Entstehung der Partikel günstig zu beeinflussen oder zu erkennen, wann die Wirkung eines Partikelfilters nicht ordnungsgemäß gegeben ist.Conceivable it is also that the evaluated signal of the number of particles and / or the size distribution of the particles as Controlled variable in the generation of the particles, in particular as a control variable in the exhaust gas control of a diesel engine or as a control value for a current particulate filter is used, already favorable to the emergence of the particles to influence or recognize when the effect of a particulate filter is not given properly.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass die Vorrichtung etwa bei einer werksseitigen Eichung, aber auch bei möglicherweise notwendigen Kontrollen gravimetrisch kalibriert werden kann.From Another advantage is that the device is approximately at a factory Calibration, but also with possibly necessary controls can be calibrated gravimetrically.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt die Zeichnung.A particularly preferred embodiment of the invention Device shows the drawing.
Es zeigen:It demonstrate:
Am
Auspuffrohr
Der
Teilstrom
Die
so aufgeladenen Partikel
Nach
der Ablenkung der Partikel
Bei
geeigneter Anordnung der Elektroden
Der
Querschnitt des Rohres
Um
die eventuelle starke Belegung der Elektroden
Auf
diese Art und Weise wird insbesondere auch eine Online-Messung der
Emission von Rußpartikeln
Die Vorrichtung weist dabei die folgenden Vorzüge auf:
- 1) einfacher Aufbau, die Vorrichtung kann mit
zwei Flanschen
2 in jedes Abgassystem1 aller Fahrzeuge eingebaut werden, - 2) weitgehende Wartungsfreiheit,
- 3) vollständige Information über Partikelanzahl bei verschiedenen Partikelmassen,
- 4) die Vorrichtung kann als kostengünstige Version mit wenigen Messelektroden in alle Fahrzeuge eingebaut werden, aber auch als hochgenaues Messgerät mit entsprechend vielen Messelektroden und Kanälen zum Einsatz z. B. in Werkstätten konzipiert werden,
- 5) die Vorrichtung kann auch mit nur einer Elektrode betrieben
werden, und die Daten über die Anzahl der Partikel
18 ,19 mit unterschiedlichen Massen über eine Variation des von der Spule15 erzeugten Magnetfeldes14 erreicht werden, - 6) Kalibrierbarkeit der Vorrichtung mittels Gravimetrie.
- 1) Simple construction, the device can with two flanges
2 in every exhaust system1 all vehicles are installed, - 2) extensive freedom from maintenance,
- 3) complete information about the number of particles at different particle masses,
- 4) the device can be installed as a low-cost version with few measuring electrodes in all vehicles, but also as a highly accurate measuring device with a corresponding number of measuring electrodes and channels for use z. B. be designed in workshops,
- 5) The device can also be operated with only one electrode, and the data on the number of particles
18 .19 with different masses over a variation of the coil15 generated magnetic field14 be achieved - 6) Calibratability of the device by means of gravimetry.
- 11
- Auspuffrohrexhaust pipe
- 22
- Flanschflange
- 33
- Abgasstrom/StrömungsrichtungExhaust stream / flow direction
- 44
- entnommener Teilstrom aus Abgasstromof removed Partial flow from exhaust gas flow
- 55
- Entnahmeeinrichtungremoval device
- 66
- Bypassbypass
- 77
- Blende/überkritische DüseAperture / supercritical jet
- 88th
- Ionisationsstreckeionization probe
- 99
- Zufuhr Hochspannungsupply high voltage
- 1010
- Durchführungexecution
- 1111
- Drahtelektrodewire electrode
- 1212
- Magnetfeldrichtung resultierendes Magnetfeldmagnetic field direction resulting magnetic field
- 1313
- strahlbegrenzende Blendebeam- cover
- 1414
- resultierendes Magnetfeldresulting magnetic field
- 1515
- stromdurchflossene Spulecurrent-carrying Kitchen sink
- 1616
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1717
- Stromzufuhr stromdurchflossene Spulepower current-carrying coil
- 1818
- kleine Partikelsmall particle
- 1919
- große Partikelsize particle
- 2020
- Messelektrodenmeasuring electrodes
- 2121
- Verstärkeramplifier
- 2222
- Auswerteeinrichtungevaluation
- 2323
- ausgewertetes Signalunevaluated signal
- 2424
- Heizungheater
- 2525
- Rohrpipe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Römpp: Chemie lexikon, Zhieme Verlag, Stuttgart, 10. Aufl. (1996), S. 2543-2546 Mätzing H. u.a.: Massenspektrometrie und Größenanalyse von elektrisch geladenen Rußpartikeln, Chemie Ingenieur Technik (2004), 76, Nr. 9, S. 1285 |
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