CN110261286A - 一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置及方法 - Google Patents

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刘军恒
孙平
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唐程
范义
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Abstract

本发明提供了一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置和方法。具体装置为柴油机排气颗粒带电试验平台。主要方法为将在试验平台上进行过荷电处理的柴油机排气颗粒捕集后分散于电解质溶液中；在试验平台加电和不加电时，利用电位仪分别得出颗粒的Zeta电位；通过Gouy‑Chapman公式计算颗粒表面的电荷密度；用排气粒径谱仪测量颗粒粒径；根据球形颗粒带电量计算公式得出加电和不加电时的电量，两者差值即为单个颗粒在相应电压下的带电量。通过本发明测出单个排气颗粒带电量，有利于研究电晕放电条件下排气颗粒的带电过程，对进一步研究带电后的颗粒的动力学性能，及其运动和凝并过程有很大帮助，可以为降低柴油机的排放提供支持。

Description

一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置及方法
技术领域
本发明涉及柴油机排气颗粒物荷电凝并领域，特别涉及一种测量柴油机单个颗粒带电量的装置及方法。
背景技术
荷电凝并技术是对放电电极施加高压电，从而在狭小的局部区域产生极强的电场，气体介质可以在电场中发生局部自持放电。颗粒通过与带电粒子的碰撞吸附等物理现象被荷以电荷。颗粒带电后，碰撞凝并成较大的颗粒物，从而在一定程度上降低了柴油机排气中的微纳米颗粒的数量。
柴油机颗粒在电场中进行荷电时，颗粒带电量的大小直接影响其运动、碰撞、凝并等环节。为了进一步对荷电后的柴油机颗粒进行动力学分析，对其运动及凝并过程进行深入研究，需要探究柴油机颗粒在电晕放电条件下的荷电特性。目前广泛使用的测量颗粒带电量的装置为法拉第筒，然而法拉第筒只能够测量颗粒所带的总带电量，无法测量出柴油机单个颗粒的带电量，对于颗粒的荷电性能无法进行正确评估，因此不能对柴油机颗粒荷电凝并过程的改善提供基础数据和技术支持。
发明内容
本发明提供了一种测量柴油机单个排气颗粒的带电量的装置及方法，以克服现有测试方法无法测量单个颗粒带电量的缺点。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，包括依次串联在柴油机排气管路上的压力阀、荷电凝并装置，以及设在荷电凝并装置后的颗粒物粒径分级采样系统、柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置；
所述荷电凝并装置包括带有高压电源的荷电凝并筒；
所述颗粒物分级采样系统包括串联在荷电凝并筒出气管路上的带有惯性冲击器的颗粒物粒径分级采样装置；
所述柴油机排气粒径数目测量装置包括串联在颗粒物粒径分级采样装置的出气端管路中的稀释器和并联在稀释器上的排气粒径谱仪；
所述Zeta电位测量装置包括电解质溶液容器、粘度计、电导率仪、高压泵、多孔陶瓷复合膜管、压力传感器、毫伏表和电解质溶液收集装置，电解质溶液容器通过管路连接于稀释器管路末端，电解质溶液容器上设有恒温器、粘度计和电导率仪用于检测特定温度下电解质溶液容器中吸附了带电颗粒的电解液的粘度及电导率，多孔陶瓷复合膜管通过高压泵连接在电解质溶液容器下游的管路上，在多孔陶瓷复合膜管的两端连接有压力传感器和毫伏表。
进一步地，所述高压电源使用输出负直流电压的高压电源。
进一步地，在所述压力阀和荷电凝并筒之间布置有流量计。
进一步地，在所述柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置之间设置有压力调节阀。
进一步地，所述多孔陶瓷复合膜管的出液口设置有电解质溶液的收集装置。
测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，包括以下步骤：
S1：启动柴油机，调节压力阀将排气管中的气体流量控制在可测试范围内，柴油机排气颗粒经荷电凝并装置处理后，通过颗粒物粒径分级采样装置，在惯性冲击器的作用下，对于不同颗粒粒径的颗粒进行分级捕集。将相同粒径dp的排气颗粒通入稀释器，通过柴油机排气粒径谱仪测量出相同粒径dp下颗粒的数目N；
S2：稀释器排出的相同粒径dp的排气颗粒在压力调节阀的调节作用下以稳定流速通入电解质溶液中形成颗粒胶体溶液，利用恒温器将溶液温度控制在测试温度；
S3：利用多孔陶瓷复合膜管，通过Zeta电位测量装置在线实时测量柴油机排气颗粒胶体溶液的电导率、粘度以及多孔陶瓷复合膜管两端的压力差；
S4：在荷电凝并装置不加电和加电时，通过Helmholtz-Smoluchowski公式计算相同粒径下排气颗粒群的Zeta电位值分别为ζ0N和ζ1N；
S5:根据颗粒群的Zeta电位值和颗粒数目，通过公式可得不加电和加电情况下单个颗粒的Zeta电位ζ0和ζ1；
S6：通过Gouy-Chapman公式计算颗粒表面的电荷密度σ；
S7：假设柴油机颗粒为球形，通过公式得出颗粒带电量q；
S8：根据颗粒带电量的计算公式，分别得出步骤S7所述不加电和加电时的电量q0和q1；
S9：经荷电装置处理后的单个颗粒带电量为q1-q0。
进一步地，S4步骤所述Helmholtz-Smoluchowski公式为
其中ζ为颗粒群的Zeta电位，单位为mv；K0为设备的修正因子；εw为电解质溶液的相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；k为溶液电导率，单位为ms/cm；η为溶液粘度，单位为mpa·s；E为流动电位，单位为mv；ΔP为压力差，单位为kpa。
进一步地，S5步骤所述公式为
ζ0为不加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ0N为不加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；ζ1为加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ1N为加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；N为颗粒的数目。
进一步地，S6步骤所述Gouy-Chapman公式为
其中ζ为单个颗粒的Zeta电位，单位为mv；εw为电解质溶液的相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；n为电解质溶液的摩尔浓度,单位为mol/L；e＝1.6×10-19C为基本电荷量；kB＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数；T为测试温度，单位为K。
进一步地，S7步骤所述颗粒带电量q计算公式为
q＝4π(dp/2)2σ
其中dp为颗粒粒径，单位为nm。
本发明将在试验平台上进行过荷电处理的柴油机排气颗粒捕集后分散于电解质溶液中；在试验平台加电和不加电时，利用流动电位法分别得出颗粒的Zeta电位；通过Gouy-Chapman公式计算颗粒表面的电荷密度；用颗粒物分级采样系统对排气颗粒进行分级采样；用排气粒径谱仪测量出相同粒径下排气颗粒的数目；根据球形颗粒带电量计算公式得出加电和不加电时的电量，两者差值即为单个颗粒在相应电压下的带电量。有明显的优点：
1.本发明对柴油机颗粒荷电凝并过程的改善提供基础数据和技术支持。
2.本发明对于进一步对荷电后的柴油机颗粒进行动力学分析，及其凝并过程进行深入研究有重要意义。
3.本发明的试验对于能源的需求低。
附图说明
图1为本发明所述基于Zeta电位测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置及方法的柴油机单个颗粒荷电测量装置图。
图2为本发明所述不同荷电电压下单个颗粒带电量测量结果。
附图标记：
1-柴油机；2-压力阀；3-高压电源；4-压力调节阀；5-粘度计；6-电导率仪；7-高压泵；8-电极；9-压力传感器；10-多孔陶瓷复合膜管；11-电极；12-电解质溶液收集装置；13-毫伏表；14-恒温器；15-稀释器；16-排气粒径谱仪；17-惯性冲击器；18-颗粒物粒径分级采样装置；19-荷电凝并筒；20-流量计。
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，本发明所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，包括依次串联在柴油机1排气管路上的压力阀2、荷电凝并装置、颗粒物粒径分级采样系统、柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置。
所述荷电凝并装置包括带有高压电源3的荷电凝并筒19；所述高压电源3使用负直流电源。在所述压力阀2和荷电凝并筒19之间布置有流量计20，用于显示管路内的气流量，调节压力阀2将排气管路内的流量调节到可测试范围内。
所述颗粒物分级采样系统包括串联在荷电凝并筒19出气管路上的带有惯性冲击器17的颗粒物粒径分级采样装置18；所述柴油机排气粒径数目测量装置包括串联在颗粒物粒径分级采样装置18的出气端管路中的稀释器15和并联在稀释器15上的排气粒径谱仪16；所述Zeta电位测量装置包括电解质溶液容器、粘度计5、电导率仪6、高压泵7、多孔陶瓷复合膜管10、压力传感器9和毫伏表13，电解质溶液容器通过管路连接于稀释器15的出气端，电解质溶液容器上设有恒温器14，粘度计5和电导率仪6用于检测电解质溶液容器中吸附了带电颗粒的电解液的粘度及电导率，多孔陶瓷复合膜管10通过高压泵7连接在电解质溶液容器下游的管路上，在多孔陶瓷复合膜管10的两端连接有压力传感器9和毫伏表13，压力传感器9用于测量多孔陶瓷复合膜管10两端的压力差，毫伏表13用于测量多孔陶瓷复合膜管10两端的流动电位。
在所述柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置之间设置有压力调节阀4，用于调节进入到Zeta电位测量装置内的气流流量。
所述多孔陶瓷复合膜管10的出液口设置有电解质溶液的收集装置12，用于收集出液口排出的电解质溶液。
组装Zeta电位测量装置：在电解质溶液容器上游布置好带有压力调节阀4的进气管、带有信号采集装置的粘度计5和电导率仪6，在电解质溶液容器下游布置好带有高压泵7的出液管，并且在电解质溶液容器下部布置恒温器14；将多孔陶瓷复合膜管10一端通过输液管连接高压泵7，在多孔陶瓷复合膜管10的两端通过电极8和11连接上压力传感器9和毫伏表13，在多孔陶瓷复合膜管10的末端连接电解质溶液收集装置12；然后组装柴油机排气粒径数目测量装置：将排气粒径谱仪16连接到稀释器15上；颗粒物粒径分级采样系统由颗粒物粒径分级采样装置18和惯性冲击器17装配而成，将颗粒物粒径分级采样装置连接到荷电凝并筒19的出气口，并将柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置串联到颗粒物粒径分级采样系统出气端，然后将荷电凝并筒19的进气口连接好流量计20和压力阀2后与柴油机1的排气管连接在一起。荷电凝并筒19上连接上高压电源3。
使用测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置对排气颗粒测试的方法包括以下步骤：
S1：启动搭建好的柴油机颗粒物荷电试验平台，调整柴油机1在额定转速2600r/min满负荷工况下稳定运行，调节压力阀2，读取流量计20读数，将排气流量控制在500～600kg/h的读数范围内。
S2：调节高压电源3的电压依次为0kV和-5kV，待荷电凝并装置19电压稳定10分钟后，柴油机排气通过颗粒物粒径分级采样装置18，在惯性冲击器17的作用下，对于不同粒径的颗粒进行分级捕集。
S2：排气粒径谱仪16的稀释比在稀释器15中设定。根据稀释器15的设置要求将一级系统的稀释比设定为100:1，二级稀释系统的稀释比设为2:1；排气粒径谱仪16采样时间设置为180s，将相同粒径dp排气颗粒通入稀释器15，由柴油机排气粒径谱仪16测量出相同粒径dp下颗粒的数目N。在压力调节阀4的调节作用下，相同粒径的排气颗粒以10L/min的稳定流速通入NaCl溶液中形成颗粒胶体溶液。利用电加热恒温器14调节水温保持在25℃左右。
S3：利用多孔陶瓷复合膜管10,通过流动电位法在线测量柴油机排气颗粒的Zeta电位。在高压泵7的驱动作用下，柴油机排气颗粒胶体溶液被压入多孔陶瓷复合膜管10，由于正电荷吸引负电荷，带有负电荷的颗粒吸附在带有正电荷的陶瓷复合膜管10的内壁上，在陶瓷复合膜与颗粒胶体溶液间形成双电层结构。扩散层中的负电荷离子在水压作用下流经膜孔，在复合膜管一端积聚，从而产生电势差，即流动电流I-。多孔陶瓷复合膜管10的另一端由于正电荷离子聚集形成反向电场，产生反向传导电流I+。在稳态平衡时，多孔陶瓷复合膜管10内离子流完全平衡，即I-＝I+。将毫伏表13连接在多孔陶瓷复合膜管10的两端，毫伏表的示数即为当前情况下的流动电位值E。利用粘度计5和电导率仪6分别得出胶体溶液的粘度η和电导率k。采用压力传感器9通过电极8和11接入多孔陶瓷复合膜管10两端，可得出两端压力差ΔP。
S4：电加热恒温器14调控胶体溶液温度稳定在25℃左右，通过Helmholtz-Smoluchowski公式计算排气颗粒群的Zeta电位值ζ，在试验平台施加电压0kV和-5kV时，计算出排气颗粒群的Zeta电位值分别为ζ0N和ζ1N。
其中ζ为颗粒群的Zeta电位，单位为mv；K0为设备的修正因子；εw为NaCl溶液的相对介电常数，εw＝70；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；k为溶液电导率，单位为ms/cm；η为溶液粘度，单位为mpa·s；E为流动电位，单位为mv；ΔP为压力差，单位为kpa。
S5:根据颗粒群的Zeta电位值和颗粒数目，通过公式可得不加电和加电情况下单个颗粒的Zeta电位ζ0和ζ1；
ζ0为不加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ0N为不加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；ζ1为加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ1N为加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；N为颗粒的数目。
S6：通过Gouy-Chapman公式计算颗粒表面的电荷密度σ。
其中ζ为单个颗粒的Zeta电位，单位为mv；εw为NaCl溶液的相对介电常数，εw＝70；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；n为NaCl溶液的摩尔浓度,单位为mol/L；e＝1.6×10-19C为基本电荷量；kB＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数；T为测试温度，单位为K。
S7：假设柴油机颗粒为球形，通过以下公式计算出单个颗粒带电量q。
q＝4π(dp/2)2σ
其中，dp为颗粒粒径，单位为nm。
S8：根据颗粒带电量的计算公式，分别得出电压在0kV和-5kV时的电量q0和q1。
S9：两次测得的带电量差值q1-q0为-5kV时的单个排气颗粒的带电量。
S10：调节高压电源3的电压依次为-10kV、-15kV和-20kV，重复步骤S3-S9，可以得到在-10kV、-15kV和-20kV时单个排气颗粒的带电量。图2是本实施例中测试的不同粒径排气颗粒分别在-5Kv、-10kV、-15kV和-20kV的带电量。
本发明提供的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置及方法，是基于Zeta电位的，可以测得柴油机单个颗粒带电量。该方法还可以在线对排气颗粒的Zeta电位进行实时测量，以对后续荷电凝并机理进行深入研究；并且该方法能耗低，在0kV～-20kV电压下电极中的电流范围为0mA～-0.42mA，荷电装置消耗功率范围仅为0W～8W。
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)

1.一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，其特征在于，包括依次串联在柴油机(1)排气管路上的压力阀(2)、荷电凝并装置、颗粒物粒径分级采样系统、柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置；
所述荷电凝并装置包括带有高压电源(3)的荷电凝并筒(19)；
所述颗粒物分级采样系统包括串联在荷电凝并筒(19)出气管路上的带有惯性冲击器(17)的颗粒物粒径分级采样装置(18)；
所述柴油机排气粒径数目测量装置包括串联在颗粒物粒径分级采样装置(18)的出气端管路中的稀释器(15)和并联在稀释器(15)上的排气粒径谱仪(16)；
所述Zeta电位测量装置包括电解质溶液容器、粘度计(5)、电导率仪(6)、高压泵(7)、多孔陶瓷复合膜管(10)、压力传感器(9)和毫伏表(13)，电解质溶液容器通过管路连接于稀释器(15)的出气端，电解质溶液容器上设有恒温器(14)、粘度计(5)和电导率仪(6)用于检测特定温度下电解质溶液容器中吸附了带电颗粒的电解液的粘度及电导率，多孔陶瓷复合膜管(10)通过高压泵(7)连接在电解质溶液容器下游的管路上，在多孔陶瓷复合膜管(10)的两端连接有压力传感器(9)和毫伏表(13)。
2.根据权利要求1所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，其特征在于，所述高压电源(3)使用输出负直流电压的高压电源。
3.根据权利要求1所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，其特征在于，在所述压力阀(2)和荷电凝并筒(19)之间布置有流量计(20)。
4.根据权利要求1所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，其特征在于，在所述柴油机排气粒径数目测量装置和Zeta电位测量装置之间设置有压力调节阀(4)。
5.根据权利要求1所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的装置，其特征在于，所述多孔陶瓷复合膜管(10)的出液口设置有电解质溶液的收集装置(12)。
6.一种测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：启动柴油机，调节压力阀(2)将排气管中的气体流量控制在可测试范围内，柴油机排气颗粒经荷电凝并筒(19)处理后，通过颗粒物粒径分级采样装置(18)，在惯性冲击器(17)的作用下，对于不同粒径的排气颗粒进行分级捕集，将相同粒径dp的排气颗粒通入稀释器(15)，通过柴油机排气粒径谱仪(16)测量出相同粒径dp下颗粒的数目N；
S2：稀释器(15)排出的相同粒径dp的排气颗粒经压力调节阀(4)以稳定流速通入电解质溶液中形成颗粒胶体溶液，利用恒温器(14)将溶液温度控制在测试温度；
S3：利用多孔陶瓷复合膜管(10)，通过Zeta电位测量装置在线实时测量柴油机排气颗粒胶体溶液的电导率、粘度以及多孔陶瓷复合膜管(10)两端的压力差；
S4：在荷电凝并装置不加电和加电时，通过Helmholtz-Smoluchowski公式计算相同粒径下排气颗粒群的Zeta电位值分别为ζ0N和ζ1N；
S5:根据颗粒群的Zeta电位值和颗粒数目，通过公式可得不加电和加电情况下单个颗粒的Zeta电位ζ0和ζ1；
S6：通过Gouy-Chapman公式计算颗粒表面的电荷密度σ；
S7：假设柴油机颗粒为球形，通过公式得出颗粒带电量q；
S8：根据颗粒带电量的计算公式，分别得出步骤S7所述不加电和加电时的电量q0和q1；
S9：经荷电装置处理后的单个颗粒带电量为q1-q0。
7.根据权利要求6所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，其特征在于，步骤S4所述Helmholtz-Smoluchowski公式为
其中ζ为颗粒群的Zeta电位，单位为mv；K0为设备的修正因子；εw为电解质溶液的相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；k为电解质溶液电导率，单位为ms/cm；η为溶液粘度，单位为mpa·s；E为流动电位，单位为mv；ΔP为压力差，单位为kpa。
8.根据权利要求6所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，其特征在于，步骤S5所述单个颗粒Zeta电位的公式为
ζ0为不加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ0N为不加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；ζ1为加电时单个颗粒的Zeta电位值，单位mv；ζ1N为加电时排气颗粒群的Zeta电位值，单位为mv；N为颗粒的数目。
9.根据权利要求6所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，其特征在于，步骤S6所述Gouy-Chapman公式为
其中ζ为单个颗粒的Zeta电位，单位为mv；εw为电解质溶液的相对介电常数；ε0为真空介电常数，ε0＝8.86×10-12C/(V×m)；n为电解质溶液的摩尔浓度，单位为mol/L；e＝1.6×10-19C为基本电荷量；kB＝1.38×10-23J/K为玻尔兹曼常数；T为测试温度，单位为K。
10.根据权利要求6所述的测量柴油机单个排气颗粒带电量的方法，其特征在于，颗粒带电量q计算公式为
q＝4π(dp/2)2σ
其中dp为颗粒粒径，单位为nm。
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