CN103712828B

CN103712828B - 一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统与方法

Info

Publication number: CN103712828B
Application number: CN201310695135.XA
Authority: CN
Inventors: 王莉; 裴毅强; 安彦召; 秦静; 李万众; 李翔; 刘懿
Original assignee: Tianjin University; Tianjin Agricultural University
Current assignee: Tianjin Agricultural University
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: CN103712828A

Abstract

本发明涉及一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统与方法。采集系统，包括：ECU；第一采样探头，然后依次串接的第一电磁阀、金属管，第二采样探头、第二电磁阀、多环芳香烃固相采集装置、第三电磁阀、第一多环芳香烃气相采集装置、第四电磁阀、第一气体流量计、第二调节阀、真空泵；保温探头，然后依次串接的第一调节阀、夹层空腔；与金属管连通的稀释探头，然后，依次串接第三调节阀、第三气体流量计、氮气存储器；与金属管连通的第三采样探头，然后依次串接的第五电磁阀、第二多环芳香烃气相采集装置、第二气体流量计、第三调节阀；第六电磁阀。本发明可以利用一套尾气采集装置对发动机尾气中的固相多环芳香烃和气相多环芳香烃进行采集。

Description

一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统与方法

技术领域：

本发明涉及一种发动机尾气排放检测技术，进一步涉及一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统与方法。

背景技术：

汽车除了大量消耗石油能源以外，其尾气也是大气环境的主要污染源之一，尾气中的颗粒物会进一步影响天气形成雾霾，对人体健康具有严重的危害，同时尾气中的多环芳香烃具有强烈的致癌、致畸和致突变性，并且其毒性随着苯环数量的增多而增加。在城市大气中，机动车排气是多环芳香烃排放的主要来源之一。多环芳香烃对颗粒物的形成与演化有重要影响，通常认为多环芳香烃是发动机排气颗粒物的前驱物，对颗粒物的生成起决定性作用。为了能够准确地采集并检测发动机尾气排放并使其满足环境保护的要求，很多国家的研究机构及设备制造公司都在进行尾气排放的采集及分析设备的研究和开发。现有的尾气采集分析装置主要包括针对CO、HC、NOx、CO₂、O₂以及λ过量空气系数的尾气分析仪；以及针对发动机颗粒物排放的发动机颗粒物粒径分布仪，柴油机尾气排放的烟度计等。

然而，目前的尾气采集装置大多是针对CO、HC、NOx、CO₂、颗粒物以及一些醛酮类物质进行采集检测，很少涉及到多环芳香烃的采集，随着大气雾霾的持续污染，急需一种能够对发动机尾气中的多环芳香烃进行采集的装置，为颗粒物的形成与演化提供有效的技术支持；同时随着混合燃料发动机研究的深入，在缸内燃烧不同的燃料组分及比例的燃料的燃烧特性和排放特性已经成为当前发动机研究的主要方向之一，混热燃料的使用能够减少发动机颗粒物的排放，必须深入研究发动机排气颗粒物的前驱物多环芳香烃的形成路径以及影响因素，因此需要一种能够对发动机尾气中的多环芳香烃进行采集的装置。因此，一种能够对多缸发动机后处理器前后尾气进行选择切换并采集的尾气多环芳香烃采集装置就成为了发动机尾气排放研究的需求，并越来越受到人们的关注。

发明内容：

本发明是针对传统发动机尾气装置不能进行多环芳香烃采集而提出的一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统及方法，其目的就是通过一套设备能够快速实现不同试验工况的切换并采集发动机尾气中的固相多环芳香烃和气相多环芳香烃。

本发明的技术方案如下：

一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统，包括：

ECU25；第一采样探头30，第一采样探头一端与排气管1连通，然后与第一采样探头另一端依次串接的第一电磁阀31、金属管29，第二采样探头8、第二电磁阀9、多环芳香烃固相采集装置10、第三电磁阀12、第一多环芳香烃气相采集装置13、第四电磁阀14、第一气体流量计17、第二调节阀16、真空泵15；保温探头28，保温探头一端与排气管1连通，然后与保温探头另一端依次串接的第一调节阀27、夹层空腔4，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；与金属管连通的稀释探头26，然后，与稀释探头依次串接第三调节阀II24、第三气体流量计23、氮气存储器22；与金属管连通的第三采样探头7，然后与第三采样探头依次串接的第五电磁阀18、第二多环芳香烃气相采集装置19、第二气体流量计21、第三调节阀I20，第三调节阀另一端连通真空泵；并联于多环芳香烃固相采集装置与第一气体流量计之间的第六电磁阀11；所述ECU分别与第一调节阀27、第二调节阀16、第三调节阀I20、第三调节阀II24、第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、第五电磁阀18、第六电磁阀11连接。

作为优选方案，还包括：与金属管分别连通的第一压力传感器5、第一温度传感器6；与排气管分别连通的第二压力传感器2、第二温度传感器3。在上述优选系统上实现的一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，过程如下：

采集之前，首先打开第一调节阀27，对金属管进行预热，通过第一压力传感器5和第一温度传感器6监测金属管内的温度和压力；当达到合适的温度后，

当进行串联方式采集时，打开第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、真空泵15；关闭第五电磁阀18、第六电磁阀11；调节第三调节阀II24、第二调节阀16，读取第一气体流量计17、第三气体流量计23的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置10、第一多环芳香烃气相采集装置13进行采集，最后通过真空泵15排放至大气中；

当进行并联方式采集时，打开第一电磁阀31、第二电磁阀9、第六电磁阀11、第五电磁阀18、真空泵15；关闭第三电磁阀12、第四电磁阀14；调节第三调节阀II24、第二调节阀16、第三调节阀I20；读取第一气体流量计17、第二气体流量计21、第三气体流量计23的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置10把尾气中的固相多环芳香烃采集，通过多环芳香烃第二气相采集装置19把尾气中的气相多环芳香烃采集，最后通过真空泵15排放至大气中；

当完成一个工况点的发动机尾气中多环芳香烃采集，进行不同工况点发动机尾气中多环芳香烃采集的切换时，关闭第一电磁阀31和第三调节阀II24，打开第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、第六电磁阀11、第五电磁阀18、真空泵15；调节第二调节阀16、第三调节阀I20；对管路内的残余尾气进行清除；

然后，打开第三调节阀II24，充入氮气，对系统进行再次清洗；

打开第一调节阀27，对金属管进行预热；对金属管进行预热，通过第一压力传感器5和第一温度传感器6监测金属管内的温度和压力；当达到合适的温度后，

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置10把尾气中的固相多环芳香烃采集，通过多环芳香烃第二气相采集装置19把尾气中的气相多环芳香烃采集，最后通过真空泵15排放至大气中。

一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，采集所涉及的硬件包括：ECU25；第一采样探头30，一端与排气管1连通，然后依次串接的第一电磁阀31、金属管29，第二采样探头8、第二电磁阀9、多环芳香烃固相采集装置10、第三电磁阀12、第一多环芳香烃气相采集装置13、第四电磁阀14、第一气体流量计17、第二调节阀16、真空泵15；保温探头28，一端与排气管1连通，然后依次串接的第一调节阀27、夹层空腔4，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；过程如下：

采集之前，首先打开第一调节阀27，对金属管进行预热；然后，打开第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、真空泵15，调节第一调节阀27、第二调节阀16，读取第一气体流量计17的读数，实现串联方式采集。

一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，采集所涉及的硬件包括：ECU25；第一采样探头30，第一采样探头一端与排气管1连通，然后与第一采样探头另一端依次串接的第一电磁阀31、金属管29，第二采样探头8、第二电磁阀9、多环芳香烃固相采集装置10、第三电磁阀12、第一多环芳香烃气相采集装置13、第四电磁阀14、第一气体流量计17、第二调节阀16、真空泵15；保温探头28，保温探头一端与排气管1连通，然后与保温探头另一端依次串接的第一调节阀27、夹层空腔4，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；与金属管连通的稀释探头26，然后，与稀释探头依次串接第三调节阀II24、第三气体流量计23、氮气存储器22；所述ECU分别与第一调节阀27、第二调节阀16、第三调节阀II24、第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14连接。采集过程如下：

采集之前，首先打开第一调节阀27，对金属管进行预热；然后，

打开第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、真空泵15，调节第三调节阀II24、第二调节阀16，读取第一气体流量计17、第三气体流量计23的读数，利用公式

当完成一个工况点的发动机尾气中多环芳香烃采集，进行不同工况点发动机尾气中多环芳香烃采集的切换时，关闭第一电磁阀31和第三调节阀II24，打开第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、真空泵15，调节第二调节阀16，对管路内的残余尾气进行清除；

打开第一调节阀27，对金属管进行预热；

之后，关闭第三调节阀II24，打开第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、真空泵15，调节第三调节阀II24、第二调节阀16，读取第一气体流量计17、第三气体流量计23的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置10、第一多环芳香烃气相采集装置13进行采集，最后通过真空泵15排放至大气中；实现串联方式采集。

本发明相对于现有技术的优点在于：

可以利用一套尾气采集装置对发动机尾气中的固相多环芳香烃和气相多环芳香烃进行采集。通过ECU可以实现不同试验工况的切换并采集发动机尾气中的固相多环芳香烃和气相多环芳香烃，简化了人工转换机安装操作，提高了工作效率及便捷性。本发明的优选方案将并联采集方式和串联采集方式集成在一套采集系统中，一方面提高了数据的一致性和对比性，另一方面方便布置且节约了使用成本。

附图说明：

图1为本发明实施例的系统组成示意图。图中，1代表排气管、2代表第二压力传感器、3代表第二温度传感器、4代表夹层空腔、5代表第一压力传感器、6代表第一温度传感器、7代表第三采样探头、8代表第二采样探头、9代表第二电磁阀、10代表多环芳香烃固相采集装置、11代表第六电磁阀、12代表第三电磁阀、13代表第一多环芳香烃气相采集装置、14代表第四电磁阀、15代表真空泵、16代表第二调节阀、17代表第一气体流量计、18代表第五电磁阀、19代表第二多环芳香烃气相采集装置、20代表第三调节阀I、21代表第二气体流量计、22代表氮气存储器、23代表第三气体流量计、24代表第三调节阀II、25代表ECU、26代表稀释探头、27代表第一调节阀、28代表保温探头、29代表金属管、30代表第一采样探头、31代表第一电磁阀。

具体实施方式：

实施例：

一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统，包括：

ECU25；第一采样探头30，第一采样探头一端与排气管1连通，然后与第一采样探头另一端依次串接的第一电磁阀31、金属管29，第二采样探头8、第二电磁阀9、多环芳香烃固相采集装置10、第三电磁阀12、第一多环芳香烃气相采集装置13、第四电磁阀14、第一气体流量计17、第二调节阀16、真空泵15；保温探头28，保温探头一端与排气管1连通，然后与保温探头另一端依次串接的第一调节阀27、夹层空腔4，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；与金属管连通的稀释探头26，然后，依次串接第三调节阀II24、第三气体流量计23、氮气存储器22；与金属管连通的第三采样探头7，然后与稀释探头依次串接的第五电磁阀18、第二多环芳香烃气相采集装置19、第二气体流量计21、第三调节阀I20，第三调节阀另一端连通真空泵；并联于多环芳香烃固相采集装置与第一气体流量计之间的第六电磁阀11；与金属管分别连通的第一压力传感器5、第一温度传感器6；与排气管分别连通的第二压力传感器2、第二温度传感器3；所述ECU分别与第一调节阀27、第二调节阀16、第三调节阀I20、第三调节阀II24、第一电磁阀31、第二电磁阀9、第三电磁阀12、第四电磁阀14、第五电磁阀18、第六电磁阀11连接。

在上述系统上实现的一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，过程如下：

多环芳香烃固相采集装置包含一个涂有碳氟化合物的耐热型硼硅玻璃纤维标准滤膜，选用美国PALLFLEX公司、FiberfilmT60A20型、直径47mm。采样结束后，玻璃纤维滤膜则用30mL二氯甲烷浸湿,超声提取30min。将得到的提取液旋转蒸发定容至1mL,在固相萃取装置上进行萃取。先加入15mL正己烷淋洗非极性组分,再用10mL甲醇淋洗极性组分,最后将萃取液旋转蒸发后定容至1mL。

多环芳香烃气相采集装置用聚氨基甲酸乙酯泡沫(PUF)+XAD-20采集尾气排放物中的气相多环芳香烃，用二氯甲烷索氏提取72h，将得到的提取液旋转蒸发定容至1mL,在固相萃取装置上进行萃取。先加入15mL正己烷淋洗非极性组分,再用10mL甲醇淋洗极性组分,最后将萃取液旋转蒸发后定容至1mL。

采用具有良好的分离特性的气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术对GDI汽油机颗粒物中的PAHs进行定性和定量分析。

分析仪器为美国安捷伦公司生产的Agilent7890A－5975CMSD型气相色谱-质谱联用仪和G1030-90201-MSD型化学工作站。衬管为开口多折流衬管；色谱柱为AgilentHP-5型，30m×250μm×0.25μm；色谱柱升温程序为：初始温度30℃，保持7.5min，接着以30℃/min的升温速率升至280℃，此阶段时间为8min，然后以60℃/min的升温速率升至300℃，此阶段时间为6min；质谱离子源为电子轰击源，离子源温度为280℃；四极杆温度为150℃；载气为高纯氦气，流量1.0mL/min；进样方式为大体积进样(进样量为25μL)；质谱调谐标准物质为全氟三丁胺(BFTBA)；全扫描+选择离子(SelectedIonMonitoring，SIM)扫描方式，扫描质量范围为30～310amu；质谱检索谱库为美国国家标准局NIST05数据库；采用外标法对多环芳香烃进行定量。

采用外标法进行定量分析时需要绘制峰面积对样品浓度的标准曲线。

标准曲线的绘制过程如下，首先将标准样品原液用CH₂Cl₂溶液分别稀释到0.4μg/mL、0.2μg/mL、0.08μg/mL、0.04μg/mL、0.01μg/mL、0.004μg/mL和0.001μg/mL，并在色谱-质谱联用仪中进行检测分析，得到各种浓度的多环芳香烃所对应的峰面积。然后以多环芳香烃浓度(μg/mL)为横坐标(x)，峰面积为纵坐标(y)进行不过原点的线性回归，求得标准曲线方程，以线性方程系数作为计算因子。

空白试验：为了避免空白滤膜、溶剂、玻璃仪器、样品前处理过程和样品分析过程对分析结果的干扰，造成人为误差或使检测基线升高，必须在上述的样品前处理条件和GC-MS分析条件下进行空白试验分析，确定其对检测结果的影响。空白试验过程如下：空白滤膜经稳定化处理后，对其进行严格的萃取、浓缩和定容等样品前处理，然后在设定的GC-MS分析条件下对其进行检测，确定其空白值。

回收率试验：为了检验样品前处理过程中16种多环芳香烃的分离洗脱效率，采用加标回收的方法对滤膜进行了16种多环芳香烃的回收率试验。试验方法为：在滤膜中加入16种多环芳香烃的标准样品，按着前述的样品前处理方法进行严格的萃取、浓缩和定容，然后在设定的条件下对其进行平行检测3次，由检测结果计算16种多环芳香烃的平均回收率。

精确度试验：为了验证GC-MS在设定条件对16种多环芳香烃的检测精确性、稳定性以及检测结果的重复性，选取浓度为0.2μg/mL的标准样品进行平行测定6次验证GC-MS的检测精确度。

Claims

1.一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统，其特征在于，包括：

ECU(25)；

第一采样探头(30)，第一采样探头一端与排气管(1)连通，然后与第一采样探头另一端依次串接的第一电磁阀(31)、金属管(29)，第二采样探头(8)、第二电磁阀(9)、多环芳香烃固相采集装置(10)、第三电磁阀(12)、第一多环芳香烃气相采集装置(13)、第四电磁阀(14)、第一气体流量计(17)、第二调节阀(16)、真空泵(15)；

保温探头(28)，保温探头一端与排气管(1)连通，然后与保温探头另一端依次串接的第一调节阀(27)、夹层空腔(4)，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；

与金属管连通的稀释探头(26)，然后，与稀释探头依次串接第三调节阀II(24)、第三气体流量计(23)、氮气存储器(22)；

与金属管连通的第三采样探头(7)，然后与第三采样探头依次串接的第五电磁阀(18)、第二多环芳香烃气相采集装置(19)、第二气体流量计(21)、第三调节阀I(20)，第三调节阀另一端连通真空泵；

并联于多环芳香烃固相采集装置与第一气体流量计之间的第六电磁阀(11)；

所述ECU分别与第一调节阀(27)、第二调节阀(16)、第三调节阀I(20)、第三调节阀II(24)、第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、第五电磁阀(18)、第六电磁阀(11)连接。

2.根据权利要求1所述一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统，其特征在于，还包括：

与金属管分别连通的第一压力传感器(5)、第一温度传感器(6)；

与排气管分别连通的第二压力传感器(2)、第二温度传感器(3)。

3.一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，采集所涉及的硬件包括：ECU(25)；第一采样探头(30)，第一采样探头一端与排气管(1)连通，然后与第一采样探头另一端依次串接的第一电磁阀(31)、金属管(29)，第二采样探头(8)、第二电磁阀(9)、多环芳香烃固相采集装置(10)、第三电磁阀(12)、第一多环芳香烃气相采集装置(13)、第四电磁阀(14)、第一气体流量计(17)、第二调节阀(16)、真空泵(15)；保温探头(28)，保温探头一端与排气管(1)连通，然后与保温探头另一端依次串接的第一调节阀(27)、夹层空腔(4)，所述夹层空腔由金属管外围夹层和金属管形成，夹层空腔另一端与大气连通；与金属管连通的稀释探头(26)，然后，与稀释探头依次串接第三调节阀II(24)、第三气体流量计(23)、氮气存储器(22)；所述ECU分别与第一调节阀(27)、第二调节阀(16)、第三调节阀II(24)、第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)连接；其特征在于，过程如下：

采集之前，首先打开第一调节阀(27)，对金属管进行预热；然后，

打开第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、真空泵(15)，调节第三调节阀II(24)、第二调节阀(16)，读取第一气体流量计(17)、第三气体流量计(23)的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置(10)、第一多环芳香烃气相采集装置(13)进行采集，最后通过真空泵(15)排放至大气中；

当完成一个工况点的发动机尾气中多环芳香烃采集，进行不同工况点发动机尾气中多环芳香烃采集的切换时，关闭第一电磁阀(31)和第三调节阀II(24)，打开第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、真空泵(15)，调节第二调节阀(16)，对管路内的残余尾气进行清除；

然后，打开第三调节阀II(24)，充入氮气，对系统进行再次清洗；

打开第一调节阀(27)，对金属管进行预热；

之后，关闭第三调节阀II(24)，打开第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、真空泵(15)，调节第三调节阀II(24)、第二调节阀(16)，读取第一气体流量计(17)、第三气体流量计(23)的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置(10)、第一多环芳香烃气相采集装置(13)进行采集，最后通过真空泵(15)排放至大气中；实现串联方式采集。

4.在权利要求2所述一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集系统上实现的一种多缸发动机尾气中多环芳香烃采集方法，其特征在于，过程如下：

采集之前，首先打开第一调节阀(27)，对金属管进行预热，通过第一压力传感器(5)和第一温度传感器(6)监测金属管内的温度和压力；当达到合适的温度后，

当进行串联方式采集时，打开第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、真空泵(15)；关闭第五电磁阀(18)、第六电磁阀(11)；调节第三调节阀II(24)、第二调节阀(16)，读取第一气体流量计(17)、第三气体流量计(23)的读数，利用公式

当进行并联方式采集时，打开第一电磁阀(31)、第二电磁阀(9)、第六电磁阀(11)、第五电磁阀(18)、真空泵(15)；关闭第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)；调节第三调节阀II(24)、第二调节阀(16)、第三调节阀I(20)；读取第一气体流量计(17)、第二气体流量计(21)、第三气体流量计(23)的读数，利用公式

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置(10)把尾气中的固相多环芳香烃采集，通过多环芳香烃第二气相采集装置(19)把尾气中的气相多环芳香烃采集，最后通过真空泵(15)排放至大气中；

当完成一个工况点的发动机尾气中多环芳香烃采集，进行不同工况点发动机尾气中多环芳香烃采集的切换时，关闭第一电磁阀(31)和第三调节阀II(24)，打开第二电磁阀(9)、第三电磁阀(12)、第四电磁阀(14)、第六电磁阀(11)、第五电磁阀(18)、真空泵(15)；调节第二调节阀(16)、第三调节阀I(20)；对管路内的残余尾气进行清除；

打开第一调节阀(27)，对金属管进行预热；对金属管进行预热，通过第一压力传感器(5)和第一温度传感器(6)监测金属管内的温度和压力；当达到合适的温度后，

得出此时的稀释比，稀释后的尾气通过多环芳香烃固相采集装置(10)把尾气中的固相多环芳香烃采集，通过多环芳香烃第二气相采集装置(19)把尾气中的气相多环芳香烃采集，最后通过真空泵(15)排放至大气中。