CN102588045B

CN102588045B - 发动机排气微粒采样装置

Info

Publication number: CN102588045B
Application number: CN2012100386614A
Authority: CN
Inventors: 孟忠伟; 干平; 彭俊涵; 杨冬; 康朝国
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2012-02-21
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2032-02-21
Also published as: CN102588045A

Abstract

一种发动机排气微粒采样装置，下盖安装于底座套管内可上下移动；上盖和下盖由弹簧自动压紧；上、下盖之间有滤纸安装盘。在弹簧压紧时，将上盖、滤纸安装盘和下盖进行密封；发动机排气经上盖流入，由滤纸过滤排气微粒，并经下盖和底座套管流出；多个滤纸安装盘放置在一个转盘上，转盘可绕平行于竖向设置的转动轴旋转；当采集到一定量的微粒，再压紧弹簧使上盖、滤纸安装盘和下盖分离，旋转转盘，将放有洁净滤纸的安装盘旋转到上盖与下盖之间，松开弹簧，再次实现滤纸密封，进行微粒采样。本发明具有结构简单、操作方便、能实现滤纸在线连接更换的特点。

Description

发动机排气微粒采样装置

技术领域

本发明属于发动机废气后处理采样设备，具体涉及一种采用滤纸对发动机排气微粒进行过滤采样的装置。

背景技术

目前，汽车排放的颗粒物是大气中可吸入颗粒物的主要来源，对车用发动机排气微粒实现减排、满足排放法规的要求是发动机行业迫切需要解决的关键技术问题之一。发动机排放的颗粒物是由燃料不完全燃烧产生的直径大约在25 nm左右的微小碳基颗粒聚集而成，形成直径不等、形状各异的聚集体，其粒径主要分布在100 nm～300 nm的范围内。这一范围的颗粒物全部为可入肺颗粒。碳基颗粒在表面吸附一层未完全燃烧产生的碳氢类物质（通常指SOF），以及一些由燃油和润滑油中含硫物质产生的硫酸盐。颗粒物具有极大的比表面积，可达100 m²/g以上，通常富集发动机燃烧过程中产生的各种有毒痕量元素（如As、Se、Pb、Cr等）和有机污染物（稠环芳烃PAHs，二恶英PCDD/Fs）等，且吸附多种有机化合物，如C1-C20的烃类、酚类、胺、致癌物苯并芘（BaP）及其他含氧化合物，这些物质具有“三致”性，对人体危害极大。

发动机排气微粒特性分析是研究柴油机燃烧过程的一个重要手段，同时也是颗粒物的后处理装置（如颗粒捕集器）的捕集性能与再生性能研究所必需的一项重要特性参数。目前对微粒的采集通常是将排气进行稀释，并冷却到51.7 ℃，然后采用带聚四氟乙烯树脂的滤纸对颗粒进行采集。这种取样方法存在以下不足：（1）由于排气经过稀释后，微粒浓度降低，通常微粒的采样量不满足微粒分析要；（2）由于气流的稀释会在一定程度上引起微粒特性的改变，造成对微粒特性分析的误差；（3）现有的滤纸的安装装置只能实现一次采集，不能实现滤纸的连续更换；由于根据实验需求要研究的发动机工况点，需要频繁启停采样系统、拆装装置更换滤纸，造成极大的实验工作量和能源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方便，能实现滤纸在线连续更换的一种发动机排气微粒采样装置。

本发明的目的是这样是实现的：一种发动机排气微粒采样装置，用作引入发动机尾气的上盖固定在机架上，上盖的下端面的凹槽内设置有上盖滤纸O型密封圈，用作排出发动机尾气的下盖位于上盖正下方，下盖下部的管节以滑动配合方式伸入底座套管内，且下盖下部的管节与底座套管之间设置有O型密封圈，下盖的上端面的凹槽内设置有下盖滤纸O型密封圈，下盖滤纸O型密封圈与上盖滤纸O型密封圈相同，底座套管上套有弹簧，弹簧被压缩在底座套管与下盖之间，底座套管固定在机架上；轴承安装在竖向设置的固定轴上，转盘安装在轴承上；转盘上开有位于同一圆周上的多个沉头通孔，每个沉头通孔内放置有一个用作安装滤纸的滤纸安装盘，滤纸安装盘上均布有气流通孔；转盘位于上盖与下盖之间，转盘上的滤纸安装盘能够位于上盖的正下方，下盖滤纸O型密封圈的外径小于转盘上沉头通孔的内径；下盖上固定有多个定位销钉，转盘上对应有多个供下盖上的定位销钉插入的定位销孔。

上述上盖和下盖的外表面上均设有加热保温层：由电加热器埋设在保温材料内构成；上盖内设置有温度传感器。

上述上盖为大口朝下的喇叭形管，下盖为大口朝上的喇叭形管。

上述O型密封圈为两个。

上述上盖、下盖、底座套管、滤纸安装盘以及转盘的材质均为耐高温的316不锈钢。

上述两个O型密封圈，上盖滤纸O型密封圈和下盖滤纸O型密封圈均为全氟橡胶O型密封圈，耐温达310℃。

上述滤纸为玻璃纤维滤纸，耐温达500℃。

上述弹簧为耐高温的圆柱弹簧，耐温达500℃。

上述转盘上安装的滤纸安装盘数量为2～6个。

本装置包括上盖和下盖，下盖安装于底座套管内可上下移动；上、下盖由弹簧进行自动压紧；上、下盖之间有滤纸安装盘，滤纸放置在安装盘上；上、下盖上分别安装有O型密封圈，在弹簧压紧时，将上盖、滤纸、滤纸安装盘和下盖进行密封；发动机排气经上盖流入，由滤纸过滤排气中的微粒，并经下盖、底座套管流出；滤纸安装盘被放置在一个转盘上，可绕平行于上、下盖中轴线的固定轴旋转；转盘上放置有多个滤纸安装盘；当采集到一定量的微粒，继续压紧弹簧使上盖、滤纸、滤纸安装盘和下盖分离，旋转转盘，将放有洁净滤纸的安装盘旋转到上、下盖之间，松开弹簧，再次实现滤纸的密封，进行微粒采样，并取下已采集了微粒的滤纸以备分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、结构简单、有效、成本低。本发明的目的是对发动机排气微粒进行采集，无取样稀释及控制系统，结构简单，降低了设备成本。

2、拆装方便。本发明可以在实验过程中在线更换滤纸，无需频繁启停采样系统，节约时间；而且也降低了实验工作量和能源消耗。

3、可高温采样，提高分析精度。本发明的各主要部件均由采用耐高温的材料，可以实现在较高的排气温度下，对微粒进行直接采样，减少了因微粒特性的改变而造成的分析误差。

4、提高采样速度和采样量。由于本发明具有高温采样的特点，可以直接将该采样装置安装于发动机排气管的旁通管上，调节排气管的背压，可以调节进入装置的排气流量，在较短的时间内可以实现大量微粒的采集，以备分析使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是转盘的俯视图。

具体实施方式

图1中：1、入口；2、上盖； 3、下盖； 4、滤纸安装盘；5、滤纸；6、上盖滤纸O型密封圈；7、转盘； 8、定位销钉；9、固定轴；10、轴承；11、O型密封圈；12、底座套管；13、弹簧；14、出口；15、（上下盖的）加热保温层；16、温度传感器。17、下盖滤纸O型密封圈。

图1示出，本发动机排气微粒采样装置，用作引入发动机尾气的上盖2固定在机架上，上盖的下端面的凹槽内设置有上盖滤纸O型密封圈6，用作排出发动机尾气的下盖3位于上盖正下方，下盖下部的管节以滑动配合方式伸入底座套管12内，且下盖下部的管节与底座套管之间设置有O型密封圈11，下盖的上端面的凹槽内设置有下盖滤纸O型密封圈17，下盖滤纸O型密封圈17与上盖滤纸O型密封圈6相同，底座套管12上套有弹簧13，弹簧13被压缩在底座套管与下盖之间，底座套管12固定在机架上；轴承10安装在竖向设置的固定轴9上，转盘7安装在轴承10上；转盘7上开有位于同一圆周上的多个沉头通孔，每个沉头通孔内放置有一个用作安装滤纸5的滤纸安装盘4，滤纸安装盘上均布有气流通孔；转盘7位于上盖与下盖之间，转盘上的滤纸安装盘4能够位于上盖的正下方，下盖滤纸O型密封圈17的外径小于转盘上沉头通孔的内径；下盖上固定有多个定位销钉8，转盘7上对应有多个供下盖3上的定位销钉8插入的定位销孔7-1。上盖2为大口朝下的喇叭形管，下盖3为大口朝上的喇叭形管。O型密封圈11为两个（参见图2）。

参见图1，发动机排气从入口1进入上盖2在滤纸5上实现对排气微粒的采集，然后流入下盖3和底座套管12，由出口14排出本装置；在安装滤纸5时，上盖2和底座套管12的位置固定，下盖3的底部插入底座套管12内并由下盖滤纸O型密封圈17进行密封；下盖3可以在底座套管12内上下移动；弹簧13安装在下盖3和底座套管12的中间，并一直处于压缩状态，顶着下盖3自动向上移动；下盖3上的下盖滤纸O型密封圈17将滤纸安装盘4顶着向上移动，使得滤纸5的上表面与上盖2的上盖滤纸O型密封圈6接触，此时在弹簧力的作用下，上、下盖上的两个滤纸O型密封圈处于压缩状态，实现上盖2、滤纸5、滤纸安装盘4和下盖3的密封；滤纸安装盘4放置于转盘7上；固定轴9位置固定，通过轴承10与转盘7联接，使其能绕固定轴9旋转；转盘7选装到所需位置后由定位销钉8与下盖3进行定位，保证滤纸安装盘4处于下盖3的正上方（二者中心在同一竖直方向上），以便实现对滤纸5的密封。

若滤纸5采集了一定了微粒后，需要改变工况、更换滤纸再次进行微粒采样，则将弹簧13压紧，使得下盖3、滤纸安装盘4以及滤纸5向下移动；移动到一定程度，滤纸安装盘4及滤纸5落回转盘7上；继续压缩弹簧13，使得定位销钉8与转盘7脱离；选装转盘7，使其上面备用的洁净过滤纸和安装盘旋转至定位销钉8的位置，松开弹簧13，即可密封洁净的滤纸，完成滤纸的更换，可实现对改变工况后的微粒进行采样；最后，将已采集了微粒的滤纸从滤纸安装盘上取下，以备分析使用。

在上盖2和下盖3的外部包裹有加热作用的加热保温层15（上盖2和下盖3的外表面上均设有加热保温层：由电加热器埋设在保温材料内构成；上盖2内设置有温度传感器16），防止因壳体散热而造成排气温度降低；同时还在上盖2的内部、滤纸5的上方安装有温度传感器（热电偶），以便对过滤温度进行监测。

图2中：4、滤纸安装盘；5、滤纸； 7、转盘；7-1、定位销孔；9、固定轴；10、轴承。

参见图2，转盘7共安装了四个滤纸安装盘4，以及相应的四个定位销孔7-1，可以一次对四张滤纸进行采样；若在完成一次采样后，将已采集微粒的滤纸取下，并换上洁净的滤纸，则可以实现连续多次（大于四次）的微粒采集。

上盖2、下盖3、底座套管12、滤纸安装盘4以及转盘7的材料为耐高温的316不锈钢。滤纸5为玻璃纤维滤纸，耐温可达500 ℃。弹簧13为耐高温的圆柱弹簧，耐温可达500 ℃。转盘7上安装的滤纸安装盘4个数为2～6个。滤纸安装盘底面为筛孔结构，便于气流通过，同时可以对滤纸起到支撑作用，防止滤纸在较大的气流速度下破损。下盖3和转盘7的边缘开有销钉孔，由销钉进行定位，以便旋转转盘时能及时找到滤纸安装盘的位置。上盖的位置固定，当其与滤纸、滤纸安装盘和下盖密封时，弹簧松开，下盖向上移动，下盖上的O型圈顶住滤纸安装盘一起向上移动（使得滤纸安装盘脱离转盘），使得滤纸顶面与上盖的O型圈接触，在弹簧力的作用下，压紧O型圈，实现这四个部件的密封。固定轴的位置固定，转盘与固定轴采用轴承进行联接，实现绕固定轴的旋转。上盖和下盖的外部包裹有加热作用的加热保温层，防止因壳体散热而造成排气温度降低；同时还在上盖的内部、滤纸的上方安装有温度传感器，以便对过滤温度进行监测。

下面以采集柴油机排气颗粒物为例，对装置各部件的要求为：滤纸选取直径为150mm，材料为玻璃纤维的耐高温滤纸，耐温可达500℃。

两个O型密封圈11，上盖滤纸O型密封圈6和下盖滤纸O型密封圈17均为全氟橡胶O型密封圈，耐温达310℃。

在滤纸安装盘的底面，在直径为118mm的范围内，均匀开设直径3mm，间距为5mm的通孔，形成筛板结构，以方便气流通过，且可以支撑滤纸，滤纸的实际过滤面直径为105mm左右。

滤纸安装盘的外径设计为154mm，在转盘上开设外径为155mm、内径为150mm的沉头通孔，以便安置滤纸安装盘。

转盘的直径设计为500mm，开设四个滤纸安装盘的沉头通孔。

转盘及下盖上开设的销钉孔直径为10mm，用于安装直径为8mm的定位销钉。

将本装置直接安装于柴油机排气管的旁通管路上，排气管上设置有节流阀，以方便调节排气背压。

柴油机的排气工况为：排温250℃，排气流量为80m³/h，排气微粒浓度为0.1g/m³。

调节上、下盖加热保温层的加热功率，将上盖内部温度加热至250℃，并保持稳定。

调节节流阀的位置，使得40%左右的排气，约32m³/h的流量进入本装置，对排气微粒进行采集。采集时间为30分钟，则采集的微粒量约为1.6g，足够进行常规的可溶性有机物组份（SOF）、微粒氧化特性、粒径以及密度等测量的需要。

下盖3安装于底座套管12内可上下移动，并由两个O型密封圈进行密封；上盖2和下盖3由弹簧13进行自动压紧；滤纸安装盘4放置在上盖2与下盖3之间，滤纸5放置在滤纸安装盘4上；上、下盖上分别安装有滤纸O型密封圈，在弹簧13的作用下，将上盖2、滤纸5、滤纸安装盘4和下盖3进行密封；发动机排气经上盖入口1流入，由滤纸5过滤排气中的微粒，并经下盖3、底座套管4，从出口14流出；滤纸安装盘4被放置在一个转盘7上，转盘7可绕平行于上、下盖中轴线的固定轴9进行旋转；转盘7上放置有多个滤纸安装盘4；当采集到一定量的微粒，压紧弹簧13使上盖2、滤纸5、滤纸安装盘4和下盖3分离，旋转转盘，将放有洁净滤纸的安装盘旋转到上、下盖之间，松开弹簧，再次实现滤纸的密封，进行微粒采样，并取下已采集了微粒的滤纸以备分析。滤纸安装盘4在密封状态（弹簧13自动压紧时）与转盘7处于分离状态；而在更换滤纸5时，再次压紧弹簧13，滤纸安装盘4又回落到转盘7上开设的沉头通孔内。

若需要更换一张滤纸重复采集微粒，则按照上述拆装方法对滤纸进行在线更换；更换滤纸前，需要调节节流阀的位置，将旁通管路的流量调至最小，防止大量高温排气从拆卸口流出，灼伤操作人。整个滤纸更换过程所需的时间在1分钟内即可完成。

本发明结构简单，拆装方便，能在高温排气条件下工作，并能实现滤纸的在线连续更换，节约时间，同时也降低了采样的能源消耗，具有较大的应用前景。

Claims

1.一种发动机排气微粒采样装置，其特征是，用作引入发动机尾气的上盖（2）固定在机架上，上盖的下端面的凹槽内设置有上盖滤纸O型密封圈（6），用作排出发动机尾气的下盖（3）位于上盖正下方，下盖下部的管节以滑动配合方式伸入底座套管（12）内，且下盖下部的管节与底座套管之间设置有O型密封圈（11），下盖的上端面的凹槽内设置有下盖滤纸O型密封圈（17），下盖滤纸O型密封圈（17）与上盖滤纸O型密封圈（6）相同，底座套管（12）上套有弹簧（13），弹簧（13）被压缩在底座套管与下盖之间，底座套管（12）固定在机架上；轴承（10）安装在竖向设置的固定轴（9）上，转盘（7）安装在轴承（10）上；转盘（7）上开有位于同一圆周上的多个沉头通孔，每个沉头通孔内放置有一个用作安装滤纸（5）的滤纸安装盘（4），滤纸安装盘上均布有气流通孔；转盘（7）位于上盖与下盖之间，转盘上的滤纸安装盘（4）能够位于上盖的正下方，下盖滤纸O型密封圈（17）的外径小于转盘上沉头通孔的内径；下盖上固定有多个定位销钉（8），转盘（7）上对应有多个供下盖（3）上的定位销钉（8）插入的定位销孔（7-1）。

2.根据权利要求1所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述上盖（2）和下盖（3）的外表面上均设有加热保温层：由电加热器埋设在保温材料内构成；上盖（2）内设置有温度传感器（16）。

3.根据权利要求2所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述上盖（2）为大口朝下的喇叭形管，下盖（3）为大口朝上的喇叭形管。

4.根据权利要求3所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述O型密封圈（11）为两个。

5.根据权利要求4所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述上盖（2）、下盖（3）、底座套管（12）、滤纸安装盘（4）以及转盘（7）的材质均为耐高温的316不锈钢。

6.根据权利要求5所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述两个O型密封圈（11），上盖滤纸O型密封圈（6）和下盖滤纸O型密封圈（17）均为全氟橡胶O型密封圈，耐温达310℃。

7.根据权利要求6所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述滤纸（5）为玻璃纤维滤纸，耐温达500℃。

8.根据权利要求7所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述弹簧（13）为耐高温的圆柱弹簧，耐温达500℃。

9.根据权利要求1～7任一权利要求所述的发动机排气微粒采样装置，其特征是，所述转盘（7）上安装的滤纸安装盘（4）数量为2～6个。