CN110044664A - 一种基于热泳效应的颗粒物采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热泳效应的颗粒物采样装置，包括并联在主排气管的支排气管，设在支排气管上的采样系统和真空泵，以及冷却装置；采样系统包括采集装置、设置在采集装置与支排气管之间的滤膜；采集装置为内部设有采样片的壳体，采样片设在壳体的底部；冷却装置设在采集装置外部、采样片的正下方。冷却装置扩大采样片与发动机尾气之间的温度梯度，提升采集效率。本发明利用热泳效应，根据需要通过更换滤膜，直接采集发动机排气管路内不同粒径颗粒物，对粒径较小的核膜态颗粒有着较好的采集效率，并且可以避免因稀释比、稀释温度和停留时间等因素对颗粒物微观形貌的影响，最大限度保持颗粒物原貌，为研究颗粒物的理化特性提供采集方法。

Description

一种基于热泳效应的颗粒物采样装置

技术领域

本发明涉及发动机排放测试技术领域，特别涉及一种基于热泳效应的颗粒物采样装置。

背景技术

化石柴油和生物柴油燃烧产生的颗粒物排放大多是粒径小于2.5μm的细颗粒物，其比表面积较大，易成为吸附有毒物质的运载体，并经过呼吸系统沉积在人体肺部而具有更大的危害性。当前对机动车尾气中颗粒物排放的控制越来越严格，根据中华人民共和国《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(以下简称国六法规)规定，颗粒物粒子数量已被纳入污染物控制项目。在柴油机排气颗粒中，90％的颗粒数都以粒径小于50nm的核模态颗粒存在，为减少核模态颗粒的数量就必须对其进行采样来了解核模态颗粒的理化特性。在目前已经公开的专利中，使用较为广泛的采样方法主要是排气稀释采样，排气稀释采样过程是对发动机排气排出后被大气稀释的一种模拟，低温稀释空气将排气中可能进行的化学反应终止，并将高温排气冷却至大气环境温度，潘锁柱在的《一种柴油机排气颗粒物分级采样装置及其控制方法》(专利申请号CN201810030622.7)中，已公开通过稀释排气，并将颗粒物附上电荷，使用带磁场的分离器对不同粒径颗粒物进行分离采样，但是在排气稀释过程中，部分未燃烃会凝结，成为排气颗粒的一部分，且研究发现稀释温度、稀释比、停留时间和静电力均对尾气中颗粒物形成产生重要影响，直接影响测量结果的准确性。因此，发明一种能够在发动机排气管路中固化颗粒，并能根据需要直接在排气管路中采集不同粒径的颗粒物的装置显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种基于热泳效应的颗粒物采样装置，对发动机排气管中的颗粒物能够进行采样。本发明能够在发动机排气管路中固化颗粒，并能根据需要直接在排气管路中采集不同粒径的颗粒物。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于热泳效应的颗粒物分级采样装置，包括并联在主排气管的支排气管，设在所述支排气管上的采样系统和真空泵，以及冷却装置；

所述采样系统包括采集装置、设置在采集装置与支排气管之间的滤膜；所述采集装置为内部设置有采样片的壳体，所述采样片设置在壳体的底部；

所述冷却装置设置在采集装置外部、采样片的正下方。

进一步地，所述支排气管上还设有流量控制阀、气体流量计。

进一步地，所述冷却装置包括第一水箱、喷嘴、水泵、第二水箱，所述第一水箱位于采集装置壳体的正下方，第二水箱的底部通过水泵与喷嘴相连通，所述喷嘴位于第一水箱的内部、且正对采样片。

进一步地，所述第一水箱与第二水箱之间有导管相连通。

进一步地，所述采集装置壳体底面外部设置挡板，所述挡板位于喷嘴与采集装置壳体之间。

进一步地，所述滤膜设置在连接采集装置与支排气管的法兰内部，所述滤膜由托网固定，且托网与法兰之间设置密封圈。

进一步地，所述排气管路外周使用隔热材料覆盖。

进一步地，所述采集装置的壳体使用传热系数高的金属制成，两侧设有透明窗。

进一步地，所述采样片使用铜栅网制成。

进一步地，所述第二水箱内设置用于放置冷媒的隔板。

本发明与现行使用其他采样方法相比，具有显著的优点：

1.传统采样装置使用物理吸附原理，对小粒径颗粒采集效果不佳，本发明所述装置基于热泳效应，可进一步提高对小粒径颗粒物的采集效率。冷却装置扩大采样片与发动机尾气之间的温度梯度，提升采集效率。

2.本发明所述装置消除静电力、稀释温度、稀释比和停留时间对颗粒物微观形貌的影响，最大限度保持排气颗粒的原貌。

3.本发明装置内的采样片前的滤膜可拆装，可以对全部粒径颗粒进行采样，也可以更换不同孔径的滤膜，根据不同需求采集不同粒径的颗粒。

4.本发明采集装置使用法兰和排气管路连接，使用简单方便。

附图说明

图1为本发明所述基于热泳效应的颗粒物直接采样装置的结构示意图。

图2为本发明所述采样装置和冷却装置A-A段剖面图。

图3为本发明所述采样装置和冷却装置B-B段剖面图。

附图标记：

1-发动机；2-主排气管；3-流量控制阀；4-支排气管；5-气体流量计；6-特制法兰；7-采样系统；8-耐高温玻璃；9-采样片；10-采集装置；11-冷却装置；12-普通法兰；13-真空泵；14-第一水箱；15-挡板；16-喷嘴；17-水泵；18-第二水箱；19-隔板；21-密封圈；22-滤膜；23-托网。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明所述的基于热泳效应的颗粒物采样装置，包括并联在主排气管2的支排气管4，设在所述支排气管4上的采样系统7和真空泵13，以及冷却装置11。所述采样系统包括采集装置10、设置在采集装置10与支排气管4之间的滤膜；所述采集装置10为内部设置有采样片9的壳体，所述采样片9设置在壳体的底部。所述冷却装置11设置在采集装置10外部、采样片9的正下方，用冷却装置来冷却采样片9。

具体的，发动机直接排出的尾气温度较高。为保证装置正常运行，所述排气管路使用不锈钢波纹管制作，所述排气管路外周使用传热系数较低的隔热材料覆盖，保证排气在整个采样装置内温度高于190℃，以避免排气中的水分和未燃碳氢成分在管路内壁面上凝结。

为保证支排气管4内流量恒定，所述支排气管4上还设有流量控制阀、气体流量计。通过流量控制阀来控制支排气管内气流量。通过流量控制阀3的开度控制支排气管4内的气体流量，流量大小由气体流量计5显示。体流量计5选用热式气体流量计，可以测量通过支排气管4的瞬时流量和累计流量，并带有液晶显示功能，方便读数。

一部分排气经真空泵13作用沿支排气管流动，排气依次经过流量控制阀3，气体流量计5和滤膜到达采集装置10处。为了更换方便，本实施例中，所述滤膜22设置在连接采集装置10与支排气管4的法兰内部，所述滤膜22由耐高温的托网23固定，且托网23与法兰之间设置密封圈21，如图3所示。所述采集装置使用传热系数高的金属制成，例如铜，采集装置两端使用法兰与支排气管路4连接。两侧有安装耐高温玻璃8为透明窗，以观察采样情况。底部设有方便安装采样片9的凹槽。经过前置滤膜22的过滤，排气中粒径小于滤膜22孔径的颗粒物进入采集装置10，在热泳效应的作用下，高温的排气中的颗粒物吸附在低温的采样片9上。所述采样片9使用铜栅网制成，采样后可直接取下采样片9，进行进一步的表征工作。取样时，用镊子拿取采样片9，减少污染；通过此方式采集的样品可以直接用于电镜检测。

在整个采样过程中，需要控制采样系统7段的迎面速度V为0.90-1.00m/s，根据以下公式计算，需要控制进入支排气管的气体流量约为1.2L/s，气体流量值的误差控制在5％以内。

其中，V是通过滤膜的迎面速度；Q是通过滤膜的流量；r是滤膜污染部分的半径。

如图2所示，所述冷却装置11包括第一水箱14、喷嘴16、水泵17、第二水箱18，所述第一水箱14位于采集装置10壳体的正下方，第二水箱18的底部通过水泵17与喷嘴16相连通，所述喷嘴16位于第一水箱14的内部、且正对采样片9。所述采集装置10壳体底面外部设置挡板15，所述挡板15位于喷嘴16与采集装置10壳体之间。

冷却装置11使用冰水混合物作为冷却液，通过水泵17，第二水箱18中的冷却水不断从喷嘴16喷射到安装采样片9处的采集装置10的下底面外部。采集装置10下壁面安装挡板15控制冷却水喷射范围，喷射出的冷却水落在第一水箱14。所述第一水箱14与第二水箱18之间有导管相连通，冷却水从第一水箱14回流至第二水箱18。第二水箱18内部设置一个用于放置冷媒的隔板19，隔板19上方放置冰块，流回第二水箱18冷却水均经过冰块降温。通过对采集装置10底部进行降温，从而降低采样片9的温度。基于热泳原理，通过扩大排气与采样片之间的温度梯度提高采样装置对小粒径颗粒物的采集效率。

图3是特制法兰6的剖面图，沿法兰内径外加工有凹槽，用来安装密封圈21、石英滤膜22和耐高温托网23。法兰选用DN32型法兰，其内径φ为42.4mm，以其圆心为基准加工出一个深度3mm，直径为47mm的凹陷的平面，平面上依次安放直径为47mm厚度1mm的耐高温托网23、47mm的滤膜22和内径43mm外径47mm厚度为2.5mm的密封圈21，密封圈21的高度稍高出法兰平面以保证排气全部经过滤膜22过滤，安装密封圈21后滤膜的污染直径至少为38mm。可以根据需要选取不同孔径滤膜采集颗粒物。此密封方式结构简单，更换滤膜简单，密封性能好。

此装置所有与尾气接触的金属零件必须由不与排气成分发生反应的导电材料制成，并且必须接地，以防止静电效应。

本发明基于热泳效应，相比现有的其他采集方法，具有使用方便，影响因素较少，采集效率高等优点，且可以根据需要设置不同孔径前置滤膜，通过扩大采样片与排气温度的温度梯度来提高采样效率，对小粒径颗粒采样效果尤为明显。为更好地观察小粒径颗粒物的微观形貌提供实验基础。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于热泳效应的颗粒物采样装置，其特征在于，包括并联在主排气管(2)的支排气管(4)，设在所述支排气管(4)上的采样系统(7)和真空泵(13)，以及冷却装置(11)；

所述采样系统(7)包括采集装置(10)、设置在采集装置(10)与支排气管(4)之间的滤膜；所述采集装置(10)为内部设置有采样片(9)的壳体，所述采样片(9)设置在壳体的底部；

所述冷却装置(11)设置在采集装置(10)外部、采样片(9)的正下方。

2.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述支排气管(4)上还设有流量控制阀(3)、气体流量计(5)。

3.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述冷却装置(11)包括第一水箱(14)、喷嘴(16)、水泵(17)、第二水箱(18)，所述第一水箱(14)位于采集装置(10)壳体的正下方，第二水箱(18)的底部通过水泵(17)与喷嘴(16)相连通，所述喷嘴(16)位于第一水箱(14)的内部、且正对采样片(9)。

4.根据权利要求3所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述第一水箱(14)与第二水箱(18)之间有导管相连通。

5.根据权利要求3所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述采集装置(10)壳体底面外部设置挡板(15)，所述挡板(15)位于喷嘴(16)与采集装置(10)壳体之间。

6.根据权利要求3所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述滤膜设置在连接采集装置(10)与支排气管(4)的法兰内部，所述滤膜由托网固定，且托网与法兰之间设置密封圈。

7.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述排气管路外周使用隔热材料覆盖。

8.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述采集装置(10)的壳体使用传热系数高的金属制成，两侧设有透明窗。

9.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述采样片(9)使用铜栅网制成。

10.根据权利要求1所述的颗粒物采样装置，其特征在于，所述第二水箱(18)内设置用于放置冷媒的隔板(19)。