CN111766182B - 检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法 - Google Patents

检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法，其中该系统包括取样装置，与发动机的尾气排放管路连接，用于吸取所述尾气排放管路中的尾气；颗粒物捕集装置，与所述取样装置连接，用于对所述尾气中的颗粒物进行捕集；以及颗粒物检测装置，与所述颗粒物捕集装置连接，用于对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。根据本发明的系统，具有结构简单，操作便捷，实验周期短，检测结果准确可靠等优点。

Description

检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法
技术领域
本发明一般地涉及颗粒物检测技术领域，更具体地，涉及一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法。
背景技术
颗粒物(particulate matter，简称PM)是柴油机排放的主要污染物之一。目前，我国排放法规中常用的排气颗粒物检测方法主要是烟度法和滤纸称重法，例如发动机的颗粒物排放检测标准中常采用的国标《GB 3847-2018车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》和国标《GB 17691—2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》。
目前常采用的烟度法是依据排气中的颗粒物的光吸收效应原理，采用烟度计检测排气的吸光度，从而判断排气中的颗粒物含量。该方法仪器成本低，操作方法简单，但检测结果可靠性和重复性较差，因此常用于在用汽车排放检测等要求较为宽松的检测情况，对新生产发动机(或汽车)的检测，烟度法仅可以作为辅助方法，无法提供准确可靠的检测结果。
而目前常采用的滤纸称重法采用稀释通道等设备将按工况运行的发动机或汽车排放的颗粒物以一定规范采集在滤纸上，通过滤纸增重判断颗粒物排放量。该方法检测结果准确，但稀释通道成本很高(大于100万元)，且操作步骤繁多。例如包括：实验前滤纸恒温恒湿处理，稳定并称量其重量；在排气检测系统中用滤纸进行颗粒物取样；再将滤纸进行恒温恒湿处理，稳定并称取其重量等。该方法实验周期长，需要长达数天的实验周期，无法满足快速、大批量检测实验的要求。
另外，以上两种现有技术只能分析排气中的总颗粒物含量，无法分别得出颗粒物中不同种类颗粒物的含量，例如颗粒物中可溶性有机物(SOF)和干碳(SOOT)的含量。因此，研究一种简单快捷的检测颗粒物排放量的设备或方法具有重要意义。
发明内容
为了至少解决在上述背景技术所描述的现有技术缺陷，本发明的技术方案在多个方面提供了一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统及方法。
在一个方面中，本发明提供一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统，包括：取样装置，与发动机的尾气排放管路连接，用于吸取所述尾气排放管路中的尾气；颗粒物捕集装置，与所述取样装置连接，用于对所述尾气中的颗粒物进行捕集；以及颗粒物检测装置，与所述颗粒物捕集装置连接，用于对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。
根据本发明的一个实施例，进一步包括第一恒温装置，布置于所述颗粒物捕集装置上，用于控制所述颗粒物捕集装置的温度。
根据本发明的另一个实施例，所述颗粒物捕集装置包括：过滤器，与所述取样装置连接，用于对所述尾气进行过滤，以捕集所述尾气中的所述颗粒物。
根据本发明的又一个实施例，所述颗粒物检测装置包括：反应器，与所述颗粒物捕集装置连接，用于对所述颗粒物进行化学反应，以产生二氧化碳气体；以及二氧化碳传感器，与所述反应器连接，用于感测流经气体中的二氧化碳浓度。
根据本发明的一个实施例，所述反应器包括：氧化催化器，用于对所述颗粒物进行催化氧化反应；以及第二恒温装置，布置于所述氧化催化器上，用于控制所述氧化催化器的温度。
根据本发明的另一个实施例，所述取样装置包括：取样管，其一端插入到所述尾气排放管路中，其另一端与所述颗粒物捕集装置连接；以及第一阀门，布置于所述取样管上，用于控制所述取样管的开度；气体流量计，布置于所述尾气排放管路上，用于检测所述尾气排放管路中的尾气排放流量。
根据本发明的又一个实施例，所述取样装置进一步包括：空气进气管，其一端用于吸取外界空气，其另一端与所述取样管的所述另一端连接，并使所述外界空气与所述取样管中的所述尾气混合；第二阀门，布置于所述空气进气管上，用于控制所述空气进气管的开度；以及第一气体流量控制器，布置于所述空气进气管上，用于检测和控制所述空气进气管中的空气流量。
根据本发明的一个实施例，还包括：第二气体流量控制器，与所述颗粒物检测装置连接，用于检测和控制流经所述颗粒物捕集装置和所述颗粒物检测装置的气体流量；以及抽气装置，与所述第二气体流量控制器连接，用于提供所述系统内气体流动的动力。
根据本发明的另一个实施例，还包括控制单元，所述控制单元至少与所述取样装置、所述颗粒物检测装置连接，用于控制各装置的运行，并根据相关数据对所述颗粒物进行定量分析。
在另一个方面中，本发明提供一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的方法，包括：将取样装置与发动机的尾气排放管路连接，以吸取所述尾气排放管路中的尾气；将颗粒物捕集装置与所述取样装置连接，并对所述尾气中的颗粒物进行捕集；以及将颗粒物检测装置与所述颗粒物捕集装置连接，以对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。
通过上述对本发明的技术方案及其多个实施例的描述，本领域技术人员可以理解本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统中的颗粒物捕集装置可以捕集发动机尾气中的颗粒物，以排除尾气中其他成分对颗粒物检测的影响，有利于后续检测的准确性。颗粒物检测装置对捕集到的颗粒物进行一定的处理，使其转化为可检测的气体或其他物质，以便于检测和后续的定量分析。其中颗粒物检测装置可以对不同种类的颗粒物进行不同条件的处理，以便于对其进行区分。或者通过第一恒温装置控制颗粒物捕集装置的温度，以控制不同种类颗粒物的释放时间或者氧化反应，以达到对其进行区分的目的。进一步地，通过本发明的系统对尾气中颗粒物排放量进行检测的操作流程简单便捷，检测时间短。因此，根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统具有操作简单、检测结果可靠等优点，并且可以实现分别得出颗粒物中的不同种类颗粒物排放量的效果。
附图说明
通过结合附图，可以更好地理解本发明的上述特征，并且其众多目的，特征和优点对于本领域技术人员而言是显而易见的，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且其中：
图1是总体上示出根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统的示意框图；
图2是示出根据本发明实施例的第一恒温装置的示意图；
图3-图4是示出根据本发明实施例的颗粒物检测装置的多个示意图；
图5-图6是示出根据本发明实施例的取样装置的多个示意图；
图7是示出根据本发明实施例的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统示意图；以及
图8是示出根据本发明实施例的二氧化碳传感器检测的二氧化碳浓度变化示意图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例。应当理解，为了说明的简单和清楚，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记以指示对应或类似的部件。另外，本申请阐述了许多具体细节以便提供对本文所述实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员在本公开的教导下，可以在没有这些具体细节的情况下实施本文所描述的多个实施例。在其他情况下，本方没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免不必要地模糊本文描述的实施例。而且，该描述不应被视为限制本文描述的实施例的范围。
本发明针对现有技术的不足，提供了一种全新的可实现的解决方案。特别的，本发明通过取样装置取样、颗粒物捕集装置对颗粒物进行捕集、以及颗粒物检测装置对颗粒物进行处理和检测，实现对发动机尾气中颗粒物排放量的检测。进一步地，颗粒物捕集装置可以通过例如过滤器过滤的方式对尾气中的颗粒物进行捕集，以及通过例如第一恒温装置控制颗粒物捕集装置的温度的方式，控制颗粒物捕集装置中捕集的颗粒物的释放或氧化，从而达到区分不同种类颗粒物的目的，有利于后续分别检测不同颗粒物的排放量。进一步地，颗粒物检测装置可以对颗粒物进行化学处理，产生与其具有关联性的二氧化碳气体，并可以通过对产生的二氧化碳浓度的检测，达到确定颗粒物排放量的目的。因此根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统和方法，可以快速得到准确、可靠的检测结果，以及颗粒物中不同种类颗粒物的排放量。
下面将结合附图来详细描述本发明的多个实施例。
图1是总体上示出根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统的示意框图。如图1中所示，本发明提供一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统100可以包括：取样装置110，与发动机的尾气排放管路200连接，用于吸取所述尾气排放管路200中的尾气；颗粒物捕集装置120，与所述取样装置110连接，用于对所述尾气中的颗粒物进行捕集；以及颗粒物检测装置130，与所述颗粒物捕集装置120连接，用于对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。
上文中所述的取样装置110与发动机的尾气排放管路200可以直接连接或者间接连接，直接连接的方式可以是罩接、卡接、螺纹连接等，间接连接的方式可以是插入式非接触连接、通过连接件连接等。取样装置110可以用于在发动机工作时吸取尾气排放管路200中的部分尾气或者全部尾气。例如在一个实施例中，取样装置110可以以罩接的方式与尾气排放管路200连接，以吸取该尾气排放管路200中的全部尾气。在另一个实施例中，取样装置110可以包括取样管，取样管的一端插入到尾气排放管路中，以吸取该尾气排放管路200中的部分尾气(或称尾气样气)，取样管的另一端与颗粒物捕集装置连接。本文中所述的发动机可以是柴油发动机或者汽油发动机等。
上文中所述的颗粒物捕集装置120可以与取样装置110直接连接或者间接连接，例如在一个实施例中，颗粒物捕集装置120与取样装置110之间通过输送管道进行连接。颗粒物捕集装置120用于对取样装置110吸取的尾气中的颗粒物进行捕集，以使该颗粒物与尾气中的气体或液体成分分离，便于后续的检测。所述颗粒物可能根据被检测尾气的不同而不同，例如在一个实施例中，对柴油机产生的尾气进行检测，颗粒物捕集装置120可以捕集到例如可溶性有机物(SOF)、干碳(SOOT)等。颗粒物捕集装置120可以包括一种或多种气固分离或液固分离的设备，颗粒物捕集装置120对尾气中的颗粒物进行捕集的方式可以包括多种，例如可以通过过滤、离心、重力沉降等方式进行捕集。在一个实施例中，颗粒物捕集装置120可以包括过滤器。在另一个实施例中，颗粒物捕集装置120可以包括抽滤机。在又一个实施例中，颗粒物捕集装置120可以包括旋风分离器。在一个实施例中，颗粒物捕集装置120可以包括重力沉降池。在另一个实施例中，颗粒物捕集装置120可以包括超重力机。
进一步地，颗粒物捕集装置120不仅可以对尾气中的颗粒物进行捕集，还可以适时对捕集到的颗粒物进行释放，以便于后续对颗粒物的检测和分析。例如根据颗粒物的性质以及捕集的方式等因素，可以调节颗粒物捕集装置120中的例如环境条件、机械结构等，以实现对颗粒物的释放。颗粒物的性质可以包括颗粒物的物理性质和化学性质等，例如包括气化温度、液化温度、起燃点、黏度、在不同溶剂中的溶解度等性质。捕集的方式包括前述的过滤、离心、重力沉降等。相应地，颗粒物捕集装置120中的环境条件可以包括温度、湿度、压力等。机械结构可以包括设置颗粒物收集设备、溶解池、压滤机、传送机构等。在一个实施例中，通过离心或重力沉降等方式捕集的颗粒物被收集到颗粒物捕集装置120的收集箱中，通过机械传送机构可以直接将收集箱传送到后续检测装置中。在另一个实施例中，根据颗粒物的气化温度或者起燃点等，可以通过控制颗粒物捕集装置120中的温度，以使颗粒物挥发释放或者氧化(燃烧)。根据上述的颗粒物捕集装置120对颗粒物的释放方式，可以实现根据不同颗粒物的性质差别调节不同的释放条件，从而对其进行分别释放，有利于后续分别检测以及分别确定排放量。
上文中所述的颗粒物检测装置130可以与所述颗粒物捕集装置120直接连接或者间接连接，例如在一个实施例中，颗粒物检测装置130可以与颗粒物捕集装置120之间通过输送管路进行连接。在另一个实施例中，二者之间可以通过传送装置连接。颗粒物检测装置130可以对颗粒物捕集装置120捕集到的颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。颗粒物检测装置130可以根据颗粒物的性质等对其进行例如物理或者化学处理，以将颗粒物转变为可检测的状态或者物质。在一个实施例中，颗粒物检测装置130可以对颗粒物进行燃烧或者氧化处理，以产生具有特定对应关系(如化学反应式的配比)的二氧化碳，通过检测二氧化碳的产生量就可以分析出对应颗粒物的排放量。在另一个实施例中，颗粒物检测装置130可以对颗粒物进行清洗、干燥等处理，以及称重等检测方式检测其质量，以确定颗粒物的排放量。
以上结合图1总体上对根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统进行了描述，本领域技术人员应该理解的是，上述描述是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据需要进行设置。例如在一个实施例中，所述系统还可以包括抽气装置，与颗粒物检测装置连接，用于提供所述系统内气体流动的动力，从而便于尾气样气的吸取以及在系统内的流动。根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统，具有操作简单、成本较低、测量结果准确等优点，且本系统应用范围较广，可广泛用于以柴油机或汽油机为动力的机动车辆或工程机械上。下面将结合图2对根据本发明实施例的第一恒温装置进行示例性说明。
如图2中所示，该系统100可以包括取样装置110、颗粒物捕集装置以及颗粒物检测装置130。其中取样装置110与发动机的尾气排放管路200连接，用于吸取所述尾气排放管路200中的尾气。所述颗粒物捕集装置可以包括：过滤器121，与所述取样装置110连接，用于对所述尾气进行过滤，以捕集所述尾气中的所述颗粒物。该系统100进一步包括第一恒温装置122，可以布置于所述颗粒物捕集装置(例如过滤器121)上，用于控制所述颗粒物捕集装置(例如过滤器121)的温度。取样装置110和颗粒物检测装置130已经结合图1进行了描述，此处不再赘述。以下将对图2中所示的过滤器121和第一恒温装置122进行说明。
如图2中所示，过滤器121对流经的尾气进行过滤，以捕集尾气中的颗粒物，尾气中的其他成分依次经过过滤器121和颗粒物检测装置130后从系统100中排出。在一个实施例中，颗粒物可以被捕集到过滤器121的滤网上。在另一个实施例中，颗粒物可以被捕集到过滤器121的滤纸上。在又一个实施例中，过滤器121可以是柴油颗粒过滤器(DPF)。第一恒温装置122布置于过滤器121上，可以布置于过滤器121的外部，也可以布置于过滤器121的内部，以控制过滤器121的温度，并能够保持温度的稳定性。在一个实施例中，第一恒温装置122可以包裹在过滤器121的外部。第一恒温装置122可以包括加热部件、降温部件、温度感测部件等中的一个或多个，以控制过滤器121升温或降温等。
第一恒温装置122既可以控制过滤器121过滤尾气时的温度，也可以控制颗粒物释放或氧化的温度，可以根据实验要求以及颗粒物的性质等进行设置。在一个实施例中，第一恒温装置122控制过滤器121过滤尾气时的温度稳定在47±5℃。在另一个实施例中，第一恒温装置122控制过滤器121释放或氧化颗粒物的温度在50～650℃。第一恒温装置122通过控制过滤器121的温度控制颗粒物释放或氧化，可以取决于颗粒物的性质。例如在一个实施例中，颗粒物是有机物，通过第一恒温装置122的温度控制，可以使其挥发从而释放。在另一个实施例中，颗粒物是无机物，可以通过升温达到其起燃点，使其燃烧生成二氧化碳。在又一个实施例中，颗粒物中既包括有机物也包括无机物，根据二者的起燃点不同，可以通过第一恒温装置122的温度控制，分别实现有机物的挥发和无机物的燃烧(氧化)。
以上结合图2对颗粒物捕集装置和第一恒温装置的一个实施例进行了示例性的描述，本领域技术人员可以根据需要进行调整，例如第一恒温装置需要控制的具体温度等。本领域技术人员应该理解的是，图2中所示的颗粒物捕集装置是示例性的而非限制性的，在本公开的教导下，可以对颗粒物捕集装置的结构等进行调整和替换，仍在本发明的保护范围内。以下将结合图3对根据本发明的颗粒物检测装置进行示例性描述。
如图3中所示，该系统100可以包括取样装置110、颗粒物捕集装置120以及颗粒物检测装置130(虚线框示出)。其中取样装置110与发动机的尾气排放管路200连接，用于吸取所述尾气排放管路200中的尾气。所述颗粒物检测装置130(虚线框示出)可以包括：反应器131，与所述颗粒物捕集装置120连接，用于对所述颗粒物进行化学反应，以产生二氧化碳气体；以及二氧化碳传感器132，与所述反应器131连接，用于感测流经气体中的二氧化碳浓度。取样装置110和颗粒物捕集装置120已经结合图1和图2进行了描述，此处不再赘述。以下将对图3中所示的颗粒物检测装置130进行说明。
如图3中所示，反应器131可以与颗粒物捕集装置120直接连接或者间接连接。颗粒物流经反应器131时可以在反应器131内进行化学反应，以产生与颗粒物具有对应关系且方便检测的物质，例如二氧化碳气体。二氧化碳传感器132可以与反应器131连接，以感测流经二氧化碳传感器132的气体中的二氧化碳浓度。本领域技术人员应该理解的是，图3中所示的颗粒物捕集装置120是示例性的而非限制性的，例如二氧化碳传感器132可以根据颗粒物发生化学反应产生的物质而被替换，在一个实施例中，颗粒物在反应器131内进行化学反应，产生的是二氧化硫气体，则可以在反应器131后连接二氧化硫传感器，以感测流经气体中的二氧化硫浓度。反应器131的种类可以根据需要进行选择，例如可以是燃烧器、氧化器、裂解器等。下面将结合图4对反应器131的一种实施方式进行描述。
如图4中所示，该系统100可以包括取样装置110、颗粒物捕集装置、第一恒温装置122以及颗粒物检测装置130(虚线框示出)。其中取样装置110与发动机的尾气排放管路200连接，用于吸取所述尾气排放管路200中的尾气。颗粒物捕集装置120可以是过滤器121。颗粒物检测装置130可以包括反应器和二氧化碳传感器132。其中所述反应器可以包括：氧化催化器1311，用于对所述颗粒物进行催化氧化反应；以及第二恒温装置1312，布置于所述氧化催化器1311上，用于控制所述氧化催化器1311的温度。
如图4中所示，氧化催化器1311可以对流经的颗粒物进行氧化反应，以使其生成二氧化碳气体。在一个实施例中，氧化催化器1311可以是柴油机氧化催化转化器(DOC)。氧化催化器1311中的氧化反应温度可以通过第二恒温控制装置1312进行控制。第二恒温装置1312布置于所述氧化催化器1311上，可以布置于氧化催化器1311的外部，也可以布置于氧化催化器1311的内部，以控制氧化催化器1311的温度，并能够保持温度的稳定性。在一个实施例中，第二恒温装置1312可以包裹在氧化催化器1311的外部。第二恒温装置1312可以包括加热部件、降温部件、温度感测部件等中的一个或多个，以控制氧化催化器1311的升温或降温等。
根据本实施例，可以通过第二恒温装置1312和第一恒温装置122的配合使用，实现对过滤器121捕集的颗粒物的释放和氧化的实验过程，并且通过控制例如第一恒温装置122的稳定的升温过程和升温速度，控制过滤器121中捕集的颗粒物中不同成分的释放和氧化时间，以实现颗粒物中不同成分的区分，并通过二氧化碳传感器132对不同时间氧化产生的二氧化碳浓度的检测，实现对颗粒中不同成分的定量分析。
以上结合图4对反应器实施例以及根据该实施例实现检测的操作进行了描述，本领域技术人员应该理解的是，图4中所示的系统是示例性的而非限制性的，例如反应器的类型、反应器的数量以及颗粒物捕集装置等都可以根据需要进行调整。以下将结合图5和图6对根据本发明的取样装置的多个实施例进行描述。
如图5中所示，该系统100可以包括取样装置110(虚线框示出)、颗粒物捕集装置120以及颗粒物检测装置130。颗粒物捕集装置120和颗粒物检测装置130在前文中已经结合多个实施例进行了详细的描述，下面将对取样装置110的实施例进行描述。图5中所示的取样装置110可以包括：取样管111，其一端插入到所述尾气排放管路200中，其另一端与所述颗粒物捕集装置120连接；以及第一阀门112，布置于所述取样管111上，用于控制所述取样管111的开度。
图5中所示的取样管111的一端插入到发动机的尾气排放管路200中，可以吸取尾气排放管路200中的部分尾气作为尾气样气。在一个实施例中，取样管111上可以布置有流量计，用于检测取样管111中的尾气样气流量。取样管111的另一端连接至颗粒物捕集装置120，以将取样管111采集的尾气样气输送至颗粒物捕集装置120中。取样管111上还可以布置有第一阀门112，用于控制取样管111的开度，从而控制取样管111的关闭、开启以及开启程度等。第一阀门112可以是电磁阀等。通过控制取样管111的开度可以调节取样管111中的尾气样气流量。第一阀门112可以布置于尾气排放管路200外的取样管111上，以便于进行控制。在一个实施例中，第一阀门112还可以兼具流量检测的功能。
根据本发明的另一个实施例，如图5中所示，所述取样装置110可以进一步包括气体流量计113，所述气体流量计113可以布置于所述尾气排放管路200上，用于检测所述尾气排放管路200中的尾气排放流量。根据尾气排放流量可以得出尾气排放总量(质量或体积等)。气体流量计113可以布置于尾气排放管路200的内部，也可以布置于尾气排放管路200的外部。在一个实施例中，可以根据气体流量计113检测的尾气排放管路200中的尾气排放流量和取样管111中的尾气样气流量，得出用于检测的尾气样气与尾气排放管路200中的尾气排放总量之间的比例关系。进一步地，可以通过气体流量计113监测尾气排放管路200中的尾气排放流量以及控制取样管111中的流量，达到在取样过程中保持一定比例取样的目的，有利于后续对颗粒物排放量的检测和分析，从而保证检测的准确性。
以上结合图5对根据本发明的取样装置100的一种实施方式进行了描述，本领域技术人员应该理解的是，图5所示的取样装置100是示例性的而非限制性的，例如第一阀门112的类型、数量等可以根据需要进行设置。气体流量计113布置于尾气排放管路200上的位置可以根据需要(例如所选气体流量计113的布置要求等)进行调整。气体流量计113的种类、检测范围等可以根据需要进行选择。取样管111的结构和形状也不限于图5中所示的结构和形状，可以根据需要以及其他相邻或相连部件的位置或形状等进行调整。以下将结合图6对取样装置110的另一个实施例进行描述。
如图6中所示，该系统100可以包括取样装置110(虚线框示出)、颗粒物捕集装置120以及颗粒物检测装置130。颗粒物捕集装置120和颗粒物检测装置130在前文中已经结合多个实施例进行了详细的描述，下面将对取样装置110的实施例进行描述。图6中所示的取样装置110可以包括：取样管111，其一端插入到所述尾气排放管路200中，其另一端与所述颗粒物捕集装置120连接；第一阀门112，布置于所述取样管111上，用于控制所述取样管111的开度；以及气体流量计113，布置于所述尾气排放管路200上，用于检测所述尾气排放管路200中的尾气排放流量。所述取样装置110可以进一步包括：空气进气管114，其一端用于吸取外界空气，其另一端与所述取样管111的所述另一端连接，并使所述外界空气与所述取样管111中的所述尾气混合；第二阀门115，布置于所述空气进气管114上，用于控制所述空气进气管114的开度；以及第一气体流量控制器116，布置于所述空气进气管114上，用于检测和控制所述空气进气管114中的空气流量。
图6中所示的空气进气管114的一端与外界空气接触，用于采集外界空气。空气进气管114的另一端与取样管111的另一端(与颗粒物捕集装置120连接的)连接，以形成混合气管道，如图中所示，在空气进气管114、取样管111和颗粒物捕集装置120之间可以形成三通的混合气管道，使空气进气管114吸取的外界空气可以与取样管111吸取的尾气进行混合并能够输送到颗粒物捕集装置120中。在一个实施例中，当关闭第一阀门112时，由于没有尾气流入，空气进气管114吸取的外界空气可以不与尾气混合而直接流入到颗粒物捕集装置120中。本文中所述的外界空气可以是洁净空气。通过空气进气管114吸取外界空气，使其与尾气混合可以降低尾气温度，以及稀释(降低)尾气流速，从而有利于后续颗粒物捕集装置120对混合气中的尾气颗粒物进行捕集。
如图6中所示，空气进气管114上还可以布置有第二阀门115，用于控制空气进气管114的开度，从而控制空气进气管114的关闭、开启以及开启程度等。第二阀门115可以是电磁阀等。在一个实施例中，当关闭第二阀门115时，由于没有外界空气流入，取样管111吸取的尾气可以不与外界空气混合而直接流入到颗粒物捕集装置120中。空气进气管114上还可以布置有第一气体流量控制器116，以检测和控制空气进气管114中的空气流量。在一个实施例中，通过第一气体流量控制器116检测空气进气管114中的空气流量，并通过第二阀门115调节空气进气管114的开度以控制空气进气管114中的空气流量。在另一个实施例中，第二阀门115可以保持全开启状态，通过第一气体流量控制器116对空气进气管114中的空气流量进行检测和控制。
以上结合图6对包括空气进气管114的取样装置110的实施例进行了描述，结合以上描述，本领域技术人员可以根据实验需求控制本系统100中的各装置，以完成多种实验操作。本领域技术人员应该理解的是，图6中所示的取样装置110是示例性的而非限制性的，例如空气进气管114的结构和形状不限于图6中所示的结构和形状，可以根据需要以及其他相邻或相连部件的位置或形状等进行调整。第二阀门115的种类和数量等可以根据需要进行设置。第二阀门115和第一气体流量控制器116的位置等可以根据需要进行调整。
上文中结合多个实施例对根据本发明的取样装置、颗粒物捕集装置、颗粒物检测装置等进行了描述，为了便于理解，以下将结合图7对根据本发明实施例的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统进行进一步的说明，并根据该实施例对采用本发明的系统进行检测实验的操作方式进行示例性的描述。
如图7中所示，提供的一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统可以包括取样装置110(虚线框示出)、颗粒物捕集装置(例如图示中的过滤器121)、第一恒温装置122以及颗粒物检测装置130(虚线框示出)，其中取样装置110与发动机的尾气排放管路200连接，用于吸取所述尾气排放管路200中的尾气。取样装置110可以包括取样管111、第一阀门112、气体流量计113、空气进气管114、第二阀门115以及第一气体流量控制器116。颗粒物检测装置130可以包括氧化催化器1311、第二恒温装置1312以及二氧化碳传感器132。取样装置110、颗粒物捕集装置以及颗粒物检测装置130的设置与前文中所述的相同或相似，此处不再赘述。根据本实施例，如图7中所示，该系统还可以包括：第二气体流量控制器140，与所述颗粒物检测装置130连接，用于检测和控制流经所述颗粒物捕集装置和所述颗粒物检测装置130的气体流量；以及抽气装置150，与所述第二气体流量控制器140连接，用于提供所述系统内气体流动的动力。
如图7中所示，第二气体流量控制器140与所述颗粒物检测装置130连接，例如通过管路连接，以检测和控制流经过滤器121(颗粒物捕集装置)和所述颗粒物检测装置130的气体流量。流经过滤器121(颗粒物捕集装置)和所述颗粒物检测装置130的气体流量可以包括取样管111吸取的尾气流量和空气进气管114吸取的外界空气流量。在一个实施例中，当关闭第一阀门112时，流经所述过滤器121和所述颗粒物检测装置130的气体流量包括空气进气管114吸取的外界空气流量。在另一个实施例中，当关闭第二阀门115时，流经过滤器121(颗粒物捕集装置)和所述颗粒物检测装置130的气体流量包括取样管111吸取的尾气流量。图示中的抽气装置150可以与第二气体流量控制器140连接，例如通过管路连接，以提供整个系统内气体流动的动力，例如包括取样过程中和气体流动过程中的动力。在一个实施例中，抽气装置150提供取样管111吸取尾气的动力。在另一个实施例中，抽气装置150提供空气进气管114吸取外界空气的动力。抽气装置150可以是离心泵等。
根据本发明的另一个实施例，该系统还可以包括控制单元160，所述控制单元160至少与所述取样装置110、所述颗粒物检测装置130连接，还可以与图示中的第一恒温装置122、第二气体流量控制器140以及抽气装置150连接，用于控制各装置的运行，并根据相关数据对所述颗粒物进行定量分析。具体地，在一个实施例中，控制单元160可以与取样装置110中的第一阀门112、气体流量计113、第二阀门115以及第一气体流量控制器116连接；控制单元160可以与颗粒物检测装置130的第二恒温装置1312以及二氧化碳传感器132连接。控制单元160与各装置的连接可以是有线连接或无线连接。控制单元160可以分别控制各装置的运行，并根据各装置检测的数据对捕集的颗粒物进行定量分析。为了便于理解本发明的系统以及特点，下面将以图7中所示的系统布置为例，并结合图8中示出的根据本发明实施例的二氧化碳传感器132检测的二氧化碳浓度变化示意图，对根据本发明的系统的具体操作方式以及控制单元160的具体控制方式进行说明。
在一个实施例中，采用如图7中所示的系统对例如柴油机的尾气中颗粒物的排放量进行检测，将取样管111插入到柴油机的尾气排放管路200中，气体流量计113布置于该尾气排放管路200上，其他装置和部件可以如图7中所示稳定的布置在柴油机车辆或者机械上。在取样过程中，控制单元160可以控制第一阀门112开启，气体流量计113可以采集尾气排放管路200内的尾气排放流量信号，打开抽气装置(例如真空泵)150，通过取样管111从尾气排放管路200内吸取一定比例的尾气样气，并保证吸取过程中保持等比例(或称恒定比例)吸取；同时打开第二阀门115，通过空气进气管114吸取外界空气，与尾气样气混合以降低其温度，并稀释尾气样气至一恒定流速(通过第二气体流量控制器140控制)；混合稀释后的混合气(尾气样气和外界空气)进入过滤器121，尾气样气中的颗粒物在此处被捕集实现取样，控制单元160控制第一恒温装置122稳定过滤器121的温度在例如47±5℃的范围(或根据实验目的确定的其他温度)，以保证过滤器121的捕集温度符合要求；混合气再流经氧化催化器1311、二氧化碳传感器132、第二气体流量控制器140和抽气装置150后从系统中排出。上述恒定比例可以根据第一气体流量控制器116采集的空气流量和第二气体流量控制器140采集的混合气流量得到尾气样气的流量，并与根据气体流量计113采集的尾气排放流量相比得出所述恒定比例；即控制单元160可以在取样过程中通过控制第一气体流量控制器116、第二气体流量控制器140来保证恒定比例。
以上过程完成了颗粒物的捕集，为了减少后续检测过程中的干扰因素，以保证检测结果的准确性和可靠性，可以在对颗粒物进行检测前利用本发明的系统进行至少一次清洗过程。该清洗过程可以包括如下操作：控制单元160关闭第一阀门112，通过抽气装置150和第二气体流量控制器140从空气进气管114吸取外界空气(或称洁净空气)吹除系统内过滤器121、氧化催化器1311和二氧化碳传感器132上残留的尾气成分(例如残留的二氧化碳)，直至二氧化碳传感器132的二氧化碳信号达到外界空气中二氧化碳的浓度水平。
清洗过程结束后，系统可以进入分析过程，该过程可以包括例如如下操作：控制单元160首先控制第二恒温装置1312升温，将氧化催化器1311的温度提高至例如400℃(或根据需要确定的其他温度)；升温完成后，控制单元160控制第一阀门112关闭，并启动抽气装置150，通过空气进气管114抽取外界空气，并以第一气体流量控制器116或第二气体流量控制器140控制其流速；外界空气依次经过过滤器121、氧化催化器1311、二氧化碳传感器132、第二气体流量控制器140和抽气装置150后排出；此时，控制单元160启动第一恒温装置122升温，将过滤器121的温度逐渐升温至例如600～650℃(或根据颗粒物性质确定的其他温度)；在该升温过程初始阶段(例如温度大于50℃开始)，过滤器121所捕集颗粒物中的可溶性有机物(SOF)先挥发释放，随气流进入已经达到400℃的氧化催化器1311后被氧化；随着第一恒温装置122中控制过滤器121的温度继续升高，颗粒物中的可溶性有机物逐步被释放并完全氧化，在此过程中(例如温度在50～600℃之间)，氧化产生的CO2被二氧化碳传感器132测出。当过滤器121的温度升高至600℃后，颗粒物中的SOF已经被完全氧化；随后颗粒物中的干碳(SOOT)在过滤器121上开始发生氧化(燃烧)反应，氧化产生的CO2同样被二氧化碳传感器132测出，最终形成如图8所示的二氧化碳浓度变化信号图形。从图8中可以看出，颗粒物中SOF和SOOT的氧化过程中二氧化碳浓度变化被分别检出，形成了两个CO2谱峰，从而便于后续的定量分析。控制单元160接收SOF和SOOT氧化过程的CO2信号并记录，反应结束后，由控制单元160对所记录的CO2谱峰进行积分计算，结合分析过程中气流流速，即可得出总的CO2释放量；以此总的CO2释放量可以进一步计算出取样过程中捕集的SOF和SOOT的质量；将此质量按取样过程中的所述恒定比例进行放大，就可以分别得出试验过程中柴油机排放尾气中的SOF和SOOT的质量，从而完成定量分析过程。
进一步地，根据本发明的另一个方面，提供一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的方法，包括：将取样装置与发动机的尾气排放管路连接，以吸取所述尾气排放管路中的尾气；将颗粒物捕集装置与所述取样装置连接，并对所述尾气中的颗粒物进行捕集；以及将颗粒物检测装置与所述颗粒物捕集装置连接，以对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量。本发明的方法在上文中已经结合系统进行了详细的描述和解释，这里将不再赘述。
通过上面的描述，本领域技术人员可以理解在本发明的上述方案及其不同实施例中，根据本发明的检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统，结构简单，操作便捷，实验周期短，可以在数分钟内得出检测结果，避免了传统滤纸称重法长达数天的实验周期。本发明的系统可以应用于现行法规标准工况条件，能够满足现行法规标准的实验要求。本发明的系统可以基于通过捕集尾气排放中的颗粒物，并检测颗粒物氧化过程产生的二氧化碳量来判断颗粒物的排放量的原理，并且在检测过程中可以排除干扰因素的影响，从而保证了检测结果的准确性和可靠性。进一步地，根据颗粒物中例如SOF和SOOT起燃性质的差别，利用本发明的系统可以分别得出二者的排放量，适用于科学研究、质量保证和在用汽车排放检测等各领域的需求。另外，根据本发明实施例的控制单元，可以控制系统内各装置的运行，可以进行统一协调和统一监测，有利于实现检测过程的自动化，并能够保证在突发情况下及时调整各仪器的条件，从而进一步保证了测量数据的准确性和稳定性。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的部件组成、等同或替代方案。

Claims (8)

1.一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的系统，包括：
取样装置，与发动机的尾气排放管路连接，用于吸取所述尾气排放管路中的尾气；
颗粒物捕集装置，与所述取样装置连接，用于对所述尾气中的颗粒物进行捕集；
第一恒温装置，布置于所述颗粒物捕集装置上，用于控制所述颗粒物捕集装置中捕集的颗粒物的释放或氧化；以及
颗粒物检测装置，与所述颗粒物捕集装置连接，用于对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量，其中所述颗粒物检测装置包括：
反应器，与所述颗粒物捕集装置连接，用于对流经的颗粒物进行化学反应，以产生二氧化碳气体；以及
二氧化碳传感器，与所述反应器连接，用于感测流经气体中的二氧化碳浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述颗粒物捕集装置包括过滤器，与所述取样装置连接，用于对所述尾气进行过滤，以捕集所述尾气中的所述颗粒物。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应器包括：
氧化催化器，用于对所述颗粒物进行催化氧化反应；以及
第二恒温装置，布置于所述氧化催化器上，用于控制所述氧化催化器的温度。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述取样装置包括：
取样管，其一端插入到所述尾气排放管路中，其另一端与所述颗粒物捕集装置连接；以及
第一阀门，布置于所述取样管上，用于控制所述取样管的开度；
气体流量计，布置于所述尾气排放管路上，用于检测所述尾气排放管路中的尾气排放流量。
5.根据权利要求4所述的系统，所述取样装置进一步包括：
空气进气管，其一端用于吸取外界空气，其另一端与所述取样管的所述另一端连接，并使所述外界空气与所述取样管中的所述尾气混合；
第二阀门，布置于所述空气进气管上，用于控制所述空气进气管的开度；以及
第一气体流量控制器，布置于所述空气进气管上，用于检测和控制所述空气进气管中的空气流量。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，还包括：
第二气体流量控制器，与所述颗粒物检测装置连接，用于检测和控制流经所述颗粒物捕集装置和所述颗粒物检测装置的气体流量；以及
抽气装置，与所述第二气体流量控制器连接，用于提供所述系统内气体流动的动力。
7.根据权利要求6中所述的系统，还包括控制单元，所述控制单元至少与所述取样装置、所述颗粒物检测装置连接，用于控制各装置的运行，并根据相关数据对所述颗粒物进行定量分析。
8.一种检测发动机尾气中颗粒物排放量的方法，包括：
将取样装置与发动机的尾气排放管路连接，以吸取所述尾气排放管路中的尾气；
将颗粒物捕集装置与所述取样装置连接，并对所述尾气中的颗粒物进行捕集；
将第一恒温装置布置于所述颗粒物捕集装置上，以控制所述颗粒物捕集装置中捕集的颗粒物的释放或氧化；以及
将颗粒物检测装置与所述颗粒物捕集装置连接，以对所述颗粒物进行处理和检测，以确定所述颗粒物的排放量，其中所述颗粒物检测装置包括反应器和二氧化碳传感器，并且所述方法还包括：
将所述反应器与所述颗粒物捕集装置连接，以对流经的颗粒物进行化学反应，以产生二氧化碳气体；以及
将二氧化碳传感器与所述反应器连接，以感测流经气体中的二氧化碳浓度。
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