CN113049320A - 一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法和装置 - Google Patents

一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法和装置，包括利用音速射流引起的负压诱导抽排气、定量供给用于稀释的干净空气、恒温且滞塞流动来控制流量以及混合气量反馈监测排气引气量，这些综合起来构建了保证排气实时定量采样的方法。对应该方法的装置包括：定量干净空气射流部分、废气定量引流部分、混合和反馈监测部分。法规规定监测单位体积内汽车排气中颗粒物的质量和数量，因此如何能够实时获得精准体积的排气量是汽车排气颗粒物测量的关键。本发明实现了实时获得精准体积的排气量，并对实时获得精准体积的排气量进行实时的监测。

Description

一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法和 装置
技术领域
本发明涉及汽车排气实时精准取样装置及颗粒物测量系统，特别是采用分流稀释法对汽车排气排放颗粒物进行检测过程中所需要精准测量出抽样排气体积的取样装置，用于对实际驾驶中的汽车进行实时排气取样。为汽车排气颗粒物的排放检测和当排放超标以后应采取降低颗粒物的排放措施提供准确的数据。
背景技术
随着社会发展和人类生活水平的提高，汽车的保有量也来越高，在汽车保有量中新能源车仅占一小部分，汽油车和柴油车总共占了百分之九十五以上的比重，汽车排放物污染成为大气污染的重要来源，同时也给环境和人体健康带来威胁。
汽车的所产生的排气污染物主要有氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物和颗粒物。其中颗粒物污染物变成一个热点话题。研究表明，长期暴露于高数密度颗粒物环境中会造成体呼吸系统的严重损伤，尤其是粒径较小的超细粒子具有较强的沉积作用，可以穿透人体肺泡进入血液引起哮喘、肺癌和心血管机能障碍等疾病。随着法规的不断健全，在颗粒物质量(particle mass,PM)排放之外，颗粒物的数量(particle number,PN)也会受到限值。中国已经颁布了第六阶段排放法规，总的分为国6a和国6b两个阶段实施。国六法规相比于国五法规，在国6a阶段的CO限值下降30％，并增加了N2O和PN排放限值要求；而国6b相比于国6a，国6b对气态污染物和PM的限值进一步加严30％～50％。此外国6b中对车辆在实际驾驶过程中的CO、NOx和PN等3种排放物提出了要求。主要限值发动机排放的排气中直径介于23nm和2.3μm之间的颗粒物数量。如图2所示：对于一辆实际驾驶的汽车而言，我们需要对其排气中的PM和PM进行检测，当排气中PM和PN超过法规要求的限值时，需要对排气进行颗粒物的净化再排放。
法规规定监测单位体积内汽车排气中颗粒物的PM和PN，即需要测量出排气中颗粒物的PM/V和PN/V大小(V：抽样排气的体积)，针对汽车排气排气PM和PN的测量，一般采用分流稀释测量法，如图3所示。所以最后的计算结果都与排气的精准取样息息相关。取出的体积量不精准将导致最后的计算结果不能作为判断排气中颗粒物排放是否达标的依据，所以汽车颗粒物排放在检测过程中最关键的就是如何精准地测量出取样体积的大小。
然而，现有的汽车排气抽样装置体积都很大，且价格昂贵，不易于移动。因此在汽车实际驾驶过程中，更不能实时精准获取抽样排气的体积，也就不能准确获取排气中颗粒物的数量。针对如何实时精准获取抽样排气的体积变成一个急需解决的问题。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一套针对汽车抽样排气精准测量的装置，可实时获取实际驾驶中汽车抽样排气的体积，具体采用的设计方案如下：
本发明装置总共分为三个部分，分别为定量干净空气射流部分、废气定量引流部分、混合和反馈监测部分。
定量干净空气射流部分包括空气过滤器、气泵、空气净化器、空气恒温器和渐缩喷管a。该部分保证新鲜空气的流量恒定，利用高速射流产生的负压作为抽取排气的稳定动力。通过气泵给空气产生一个动力，使空气经过空气过滤器从而过滤掉空气中直径较大的颗粒物，过滤后的气体再经过空气净化器过滤直径较小的颗粒物，接着新鲜空气通过一个空气恒温器，空气恒温器给新鲜空气加热，并维持一个恒定的温度和压力进入设计好的渐缩喷管a，最后新鲜空气以音速大小沿喷嘴喷射出。由于新鲜空气在喷嘴出口处的流速很大，静压转化为动压，压强降低，且由于剪切力的作用，高速喷射出的新鲜空气对喷嘴出口处的空气具有吸附性，新鲜空气与周围气体发生动量交换，使周围气体随射流而流动，增加新鲜空气射流的质量。此时周围气体不断被新鲜空气所卷吸，从而形成连续的负压区，如图3所示。随着新鲜空气源源不断地喷射出，喷嘴出口处形成一个稳定的负压区，为废气定量引流部分抽样气体的流动提供动力，如图5所示。
1.一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的装置，其特征在于：包括定量干净空气射流部分、废气定量引流部分和混合和反馈监测部分；所述定量干净空气射流部分依次安装有空气过滤器(1)、气泵(2)、空气净化器(3)、空气恒温器(4)和渐缩喷管a(5)，该部分提供流动的恒温新鲜空气，确保新鲜空气的流量Q1恒定，利用射流产生的负压作为抽取排气的稳定动力；所述废气定量引流部分依次由加热连通管(11)和渐缩喷管b(12)组成，该部分保证抽样排气的流量Q2恒定；所述混合和反馈监测部分由混合气管(6)、颗粒物检测仪(7)、温度传感器(8)、压力传感器(9)以及混合气排出管(13)组成，该部分利用射流保证新鲜空气和抽样排气的充分混合，通过测量混合气的参数计算出混合气的流量Q3，并对前面的抽样排气的流量Q1进行检验；定量干净空气射流部分通过废气定量引流部分与汽车排气管相连，定量干净空气射流部分装有渐缩喷管a一端、废气定量引流部分装有渐缩喷管b一端和混合和反馈监测部分装有颗粒物检测仪一端通过混合气管相连通，最后混合和反馈监测部分通过混合气管与汽车排气道相连通。
2.一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法，其特征在于：利用新鲜空气射流实现排气的抽取；所述空气恒温器保持新鲜空气的温度恒定不变，该温度应大于200℃，所述气泵控制新鲜空气的流量Q2稳定，所述渐缩喷管a的D/d≥3，D：渐缩喷管a的最大截面直径，d：渐缩喷管a的喷嘴直径，新鲜空气在喷嘴处喷射出，形成稳定负压区，从而控制加热连通管两端的压差，达到抽取排气的目的。
确保抽样排气Q1稳定；控制加热连通管两端的压力稳定，加热连通管保持抽样排气的温度恒定不变，该温度应大于200℃，所述渐缩喷管b的D1/d1≥3，D1：渐缩喷管b的最大截面直径，d1：渐缩喷管b的喷嘴直径，抽样排气在喷嘴处喷射出，因此控制抽样排气的流量Q1稳定。
可实时监测抽样排气的质量流量Q1的值；所述渐缩喷管a和渐缩喷管b的射流保证新鲜空气和抽样排气的充分混合，所述颗粒物检测仪距离渐缩喷管a的距离L≥5D，D：渐缩喷管a最大直径，所述温度和压力传感器测量出混合气的温度和压力，计算出混合气的流量Q3对抽样排气Q1进行实时监测。
本发明以颗粒物为例，其引气和实时精准定量取气的方法也可适用于其他污染物的测量。
本发明装置的有益效果：
喷射新鲜空气的渐缩管设计既能为抽样气体的抽取提高动力，又可以对抽样气体进行稀释；同时新鲜空气的流量稳定不变，可以提高测量结果的稳定性；
喷射抽样气体的渐缩管设计可以使抽样气体在喷嘴处保持音速的流速不变，进一步提高了测量的稳定性；
在混合气道内的温度和压力传感器通过测量混合气的温度和压力，并结合颗粒物检测仪的结果对测量结果进行校核，更进一步确保抽样排气体积量的准确性。
附图说明
图1本发明示意图
图2法规要求检测排气中的PM、PN值
图3如何保证抽取的排气定量且可知
图4射流引起的负压区
图5射流形成的负压抽气
具体实施方式：
当汽车启动以后，排气道内有源源不断的排气排出。此时启动气泵，气泵不断抽取空气，被抽取的空气经过滤、净化和恒温加热以后进入渐缩喷管a，进入渐缩喷管a之前具备一定的初始速度、初始压力和初始温度，通过设计好的渐缩喷管a后新鲜空气在喷嘴处以音速喷射出。由于喷嘴孔径已知，新鲜空气的流量就保持不变。
新鲜空气的音速射流形成负压区，在加热连通管两端形成一个压差，在压差的作用下，排气从排气道沿着加热连通管流向混合气道。抽样排气在加热连通管内维持一个温度不变，当抽样排气到达渐缩喷管b时具备一定的初始速度、初始温度，最后通过设计好的渐缩喷管b后以音速喷射出。抽样排气的流速在喷嘴处保持音速不变，且连通加热管伸入排气道内，极大提高了所取样气的代表性。抽样气体和新鲜空气在混合气道充分混合，混合好以后进入颗粒物检测仪进行颗粒物的检测。精准获取取样气体的体积和该抽样体积内所含颗粒物的数量，通过发动机给定的进气量等数据可以计算出汽车排气中所含颗粒物的数量。接着通过温度和压力传感器测出混合气的温度T和压力P，可以计算出该混合气的体积，并对前面的数据进行校核验证。最后混合气通过混合气排出管排入排气道。
所述空气过滤器是通过多孔过滤材料的作用从气固两相流中捕集粉尘，并使气体得以净化的设备，用于除去空气中的大部分颗粒物，防止由于空气中携带的颗粒物干扰测量结果。本装置采用的中效的空气过滤器可以去除≥1μm的尘埃粒子，只要求能在常温、常湿度下工作。常用的中效过滤器有：M-I、Ⅱ、Ⅳ型泡沫塑料过滤器、YB型玻璃纤维过滤器等。中效过滤器的滤料主要有玻璃纤维、中细孔聚乙烯泡沫塑料和由涤纶、丙纶、腈纶等制成的合成纤维毡。采用很低的滤速，这就增强了对小尘粒的筛滤作用和扩散作用，所以具有很高的过滤效率。
所述气泵用于对新鲜空气的流动提供动力，能提供特定压力和流量的空气。气泵的类型可以根据所需气体压力和流量等参进行选择。
所述空气净化器用于进一步过滤掉气体中的细颗粒物。国家《空气净化器》相关标准中把空气净化器定义为“从空气中分离和去除一种或多种污染物的设备。对空气中的污染物有一定去除能力的装置。由于一开始的空气过滤器只能过滤直径大于1μm的颗粒物，空气净化器就是为了过滤直径小于1μm的细颗粒物。由于超高效的过滤器也无法满足需要过滤的要求，且价格昂贵，所以本装置采用的空气净化器主要分为主动净化和被动净化。主动净化是利用空气的弥漫性的特点将净化因子到达各个角落进行空气净化，空气能够弥漫到的地方均可以产生净化效果。空气净化器首先对空气释放负离子，负离子能够主动出击、寻找空气中的污染颗粒物，并与其凝聚成团，最后空气个被动地通过一个过滤网，并将其过滤掉，从而获取干净的新鲜空气。
所述空气恒温器主要是对新鲜空气进行加热的电加热设备。可以加热新鲜空气到特定的温度，并维持该温度不变，该温度应大于200℃。恒温器主要采用电加热的方式，当加热新鲜空气温度高于特定温度以后，恒温器自动断电，停止加热；当温度低于特定温度以后，恒温器自动上电。
所述定量干净空气射流部分的渐缩喷管a可以根据所需要的的抽样气体速率、出口流速、通过空气恒温器以后的初始速度和初始压力设计出，渐缩喷管a的D/d≥3(D：渐缩喷管a的最大截面直径，d：渐缩喷管a的喷嘴直径)。
废气定量引流部分包括加热连通管、渐缩喷管b组成。该部分保证抽取的排气的流量恒定。由于新鲜空气以音速沿喷嘴喷射出，会在喷嘴附近形成负压区。加热连通管将排气道和新鲜空气形成的负压区相连，排气道与大气相连通，排气道的气压基本等于一个大气压，所以在加热连通管的两端存在压力差，排气会在压差的作用下由排气道沿着加热连通管流向新鲜空气管。排气在流经加热连通管期间会维持一个特定的温度不变，因此抽样气体能以一个已知的初始压力和温度进入渐缩喷管b。此时无论排气道内气压怎么波动，抽样气体通过设计好的渐缩喷管b以后只能达到音速，并且维持音速的速度不变。由于渐缩喷管b的孔径已知，所以能精准计算出抽样排气的体积量。
所述加热连通管直接接触烟气进行加热，快速有效地对管中的气体加热到设定温度，防止管壁形成冷凝水，避免气体中的成分溶于冷凝水而产生损失，保持了通过采样管的气体成分的完整性和真实性，对后续气体成分及浓度分析的准确性提供了保证。当温度低于这个特定温度时，加热连通管会给抽样气体加热，当温度低于这个特定温度以后会停止加热，该温度应大于200℃。加热连通管排气道一端采用了如图1所示的斜面设计，可以消除汽车排气流动的动压影响抽样气体的测量值。
所述废气定量引流部分的渐缩管b可以根据所需抽样气体的抽样气体速率、出口流速、进气流速和压力进行设计，渐缩喷管b的D/d≥3(D：渐缩喷管b的最大截面直径，d：渐缩喷管b的喷嘴直径)。
混合和反馈监测部分包括颗粒物检测仪、混合气排出管、温度和压力传感器组成。该部分保证新鲜空气和取样排气的充分混合，且对前面抽样排气的流量进行检验。由定量干净空气射流部分喷射的新鲜空气和废气定量引流部分喷射的抽样排气在混合管内充分混合以后进入颗粒物检测仪。颗粒物检测仪距离渐缩喷管a的距离L≥5D(D：渐缩喷管a的最大截面直径)，可由颗粒物检测仪检测出稀释后的抽样排体中所含颗粒物的数量。接着由温度和压力传感器测出混合气的温度T和压力P，可以由公式计算出混合气的体积。混合气的体积量应该等于新鲜空气和抽样气体体积量之和。可以对前面的计算进行验证。最后混合气经混合气排出管排入排气道。混合气排出管伸入排气道内进行排气，同时采用如图1所示的斜面设计，具体混合气排出管和排气道的夹角角度范围在30°到60°，可以防止混合气的排出对取样气体的干扰。

Claims (4)

1.一种用于汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的装置，其特征在于：包括定量干净空气射流部分、废气定量引流部分和混合和反馈监测部分；所述定量干净空气射流部分依次安装有空气过滤器(1)、气泵(2)、空气净化器(3)、空气恒温器(4)和渐缩喷管a(5)，该部分提供流动的恒温新鲜空气，确保新鲜空气的流量Q1恒定，利用射流产生的负压作为抽取排气的稳定动力；所述废气定量引流部分依次由加热连通管(11)和渐缩喷管b(12)组成，该部分保证抽样排气的流量Q2恒定；所述混合和反馈监测部分由混合气管(6)、颗粒物检测仪(7)、温度传感器(8)、压力传感器(9)以及混合气排出管(13)组成，该部分利用射流保证新鲜空气和抽样排气的充分混合，通过测量混合气的参数计算出混合气的流量Q3，并对前面的抽样排气的流量Q1进行检验；定量干净空气射流部分通过废气定量引流部分与汽车排气管相连，定量干净空气射流部分装有渐缩喷管a一端、废气定量引流部分装有渐缩喷管b一端和混合和反馈监测部分装有颗粒物检测仪一端通过混合气管相连通，最后混合和反馈监测部分通过混合气管与汽车排气道相连通。
2.应用如权利要求1所述装置进行汽车排气颗粒物测量的排气实时定量取样的方法，其特征在于：利用新鲜空气射流实现排气的抽取；所述空气恒温器保持新鲜空气的温度恒定不变，该温度应大于200℃，所述气泵控制新鲜空气的流量Q2稳定，所述渐缩喷管a的D/d≥3，D：渐缩喷管a的最大截面直径，d：渐缩喷管a的喷嘴直径，新鲜空气在喷嘴处喷射出，形成稳定负压区，从而控制加热连通管两端的压差，达到抽取排气的目的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：确保抽样排气Q1稳定；控制加热连通管两端的压力稳定，加热连通管保持抽样排气的温度恒定不变，该温度应大于200℃，所述渐缩喷管b的D1/d1≥3，D1：渐缩喷管b的最大截面直径，d1：渐缩喷管b的喷嘴直径，抽样排气在喷嘴处喷射出，因此控制抽样排气的流量Q1稳定。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述渐缩喷管a和渐缩喷管b的射流保证新鲜空气和抽样排气的充分混合，所述颗粒物检测仪距离渐缩喷管a的距离L≥5D，D：渐缩喷管a最大直径，所述温度和压力传感器测量出混合气的温度和压力，计算出混合气的流量Q3对抽样排气Q1进行实时监测。
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