CN114839000A - 一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，包括柴油机、排气管和抽空压缩机，所述抽空压缩机通过排气管与柴油机连通，所述抽空压缩机的输出端固定连接第一吸附室，所述第一吸附室的下方固定连接第二吸附室，所述第二吸附室的下方固定连接收集室，所述第一吸附室上固定安装有压力检测器一和气体浓度检测器一，所述第一吸附室和第二吸附室均通过管道与氮气瓶固定连接，所述管道上固定安装有稳压器一和稳压器二，所述第二吸附室上固定安装有压力检测器二和气体浓度检测器二本发明的有益效果：通过本采集装置和采样方法采集柴油机排放颗粒物进行理化分析，能够为柴油机颗粒物的生成机理及控制研究提供重要的方法和手段。
Description
技术领域
本发明涉及污染物监测技术领域，具体是一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置及方法。
背景技术
柴油机是商用车、农业机械、工程机械、船舶等配套机械的主要动力。柴油机的排放污染物主要有NOx、颗粒(PM)、HC、CO等，其中颗粒是空气PM2.5的主要来源之一。国家环保部颁布了第五阶段机动车排放标准，除了限制颗粒排放的质量外，增加了颗粒个数的限制要求。颗粒是燃料在气缸内不完全燃烧形成的产物，进入大气环境后，与大气中的其物质发生二次聚合形成雾霾，对环境产生严重的影响。因此研究柴油机排放物缸内的形成过程及排气管内的演变过程，并提出降低柴油机颗粒排放的质量和数量是控制柴油机颗粒污染的关键所在。
对柴油机排放颗粒进行采集和分析，是研究柴油机颗粒的生成机理及排放污染物控制的一种重要手段。柴油机在气缸内发生不完全燃烧产生固态颗粒外，还伴随着水蒸气、CO2、HC、CO、NOx等气态物质的生成，并随同固态颗粒一起进入排气管。其中，水蒸气、挥发性有机物质、CO、NOx会在一定条件下会与固态颗粒发生理化反应，一方面会改变颗粒表面物质的组成，另一方面会影响颗粒间的碰撞、凝并等物理行为，继而影响颗粒的状态特征，对研究颗粒的生成机理及排放污染物的控制产生较大影响。因此设计可以避免上述现象的颗粒采样装置和采样方法应用在污染物监测领域，为柴油机颗粒物的生成机理及控制研究提供重要的方法和手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，包括柴油机、排气管和抽空压缩机，所述抽空压缩机通过排气管与柴油机连通，所述抽空压缩机的输出端固定连接第一吸附室，所述第一吸附室的下方固定连接第二吸附室，所述第二吸附室的下方固定连接收集室，所述第一吸附室上固定安装有压力检测器一和气体浓度检测器一，所述第一吸附室和第二吸附室均通过管道与氮气瓶固定连接，所述管道上固定安装有稳压器一和稳压器二，所述第二吸附室上固定安装有压力检测器二和气体浓度检测器二。
作为本发明进一步的方案：所述收集室自上而下共包括三层结构，其中最上层为第一收集室，中间为第二收集室，最底层为第三收集室，所述收集室的分层之间均设置有滤网层和采样区。
作为本发明进一步的方案：所述第一吸附室和第二吸附室的底部分别固定安装有第二阀门开关和第三阀门开关，所述第一吸附室和抽空压缩机之间设置有第一阀门开关。
作为本发明进一步的方案：所述第一吸附室的内壁四周为吸附层，其吸附层主要为活性炭,以Co-Ni为催化剂活性组分制成的固态吸附物。
作为本发明进一步的方案：三个所述滤网层的过滤直径不同，其中第一收集室的过滤直径为1000nm以下，所述第二收集室的过滤直径为100nm以下，所述第三收集室的过滤直径为50nm以下。
一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集方法，包括以下步骤：
步骤一:待柴油机在某一工况稳定运行时，先打开第一阀门开关，关闭第二阀门开关和第三阀门开关，利用抽空压缩机将废气抽至第一吸附室，随后打开稳压器一，向第一吸附室内注入高纯度的氮气使得第一吸附室内部压力保持稳定；
步骤二：待第一吸附室内废气吸附完毕后，打开第二阀门开关，使得第一吸附室内的尾气进入第二吸附室，利用稳压器一继续向第一吸附室内注入高纯度的氮气，使得第一吸附室和第二吸附室的内部压力达到原有水平并保持稳定，随后关闭第二阀门开关和稳压器一，打开稳压器二，用于维持第二吸附室内的恒定压力；
步骤三：待第二吸附室吸附完毕后，打开第三阀门开关，此时第二吸附室和三层收集室均保持连通状态，持续向第二吸附室内注入高纯度的氮气，利用稳压器二保持第二吸附室和三层收集室内的压力保持不变，颗粒在自身重力和气流作用下通过不同层级的滤网层被收集在不同的收集室，然后通过采样区进行采样。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可以排除废气中容易与颗粒发生反应的物质；
2、可以隔绝与空气的接触，防止颗粒发生氧化；
3、可以避免因环境压力变化导致颗粒间的碰撞、凝并、团聚发生改变，导致颗粒发生再次生长及演化；
4、可以分级采样柴油机颗粒物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明分级收集工作示意图。
图中：1、柴油机；2、排气管；3、抽空压缩机；4、第一吸附室；5、第二吸附室；6、收集室；7、压力检测器一；8、气体浓度检测器一；9、氮气瓶；10、稳压器一；11、稳压器二；12、压力检测器二；13、气体浓度检测器二；14、滤网层；15、采样区；16、第二阀门开关；17、第三阀门开关；18、第一阀门开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例中，一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，包括柴油机1、排气管2和抽空压缩机3，所述抽空压缩机3通过排气管2与柴油机1连通，所述抽空压缩机3的输出端固定连接第一吸附室4，所述第一吸附室4的下方固定连接第二吸附室5，所述第二吸附室5的下方固定连接收集室6，所述第一吸附室4上固定安装有压力检测器一7和气体浓度检测器一8，所述第一吸附室4和第二吸附室5均通过管道与氮气瓶9固定连接，所述管道上固定安装有稳压器一10和稳压器二11，所述第二吸附室5上固定安装有压力检测器二12和气体浓度检测器二13，所述第一吸附室4主要用于过滤废气中的水蒸气、挥发性有机物质和一氧化碳，所述第二吸附室5主要用于过滤废气中的氮氧化合物，过滤后的废气依次穿过三层所述收集室6，根据粒径的不同被收集至不同层级的收集室6内。
所述气体浓度检测器一8用于检测第一吸附室4内的水蒸气、挥发性有机物质和一氧化碳的浓度，所述气体浓度检测器二13用于检测第二吸附室5内废气中氮氧化合物的浓度，其中所述第二吸附室5内吸附层主要采用天然沸石和氢氧化钙组成，按照质量比1：1并加水调制均匀后烘干成型。
实施例：
柴油机1排放的废气经过排气管2，利用抽空压缩3抽取部分废气至第一吸附室4内，在第一吸附室4过滤掉废气中的水蒸气、挥发性有机物质和一氧化碳，然后将气体排放至第二吸附室5内，在第二吸附室5内吸附掉废气中的氮氧化合物，最后经过收集室6经过多层分级的方式进行不同粒径的收集，其中粒径范围包括：100-1000nm范围的聚集态颗粒、50-100nm范围的超细微颗粒、50nm以下的核态颗粒，并最后通过不同层级的采样区15进行采样。
在颗粒分级采集过程中，环境压力是引起颗粒运动发生改变的重要因素，而颗粒运动发生改变会影响颗粒之间的碰撞凝并等现象，从而改变颗粒的状态特征，因此利用抽空压缩机3抽取部分废气到达第一吸附室4时，第一吸附室4内的环境初始压力应等于柴油机在该采集工况稳定运行时的排气背压，第一吸附室4的吸附层会吸收废气中的部分气体，导致第一吸附室4环境压力会有所降低，此时可以通过氮气瓶9向其通入高纯度氮气，一方面由于氮气性质非常稳定，不会与废气中的气体组分和颗粒物发生反应，另一方面可以使采集装置中的环境压力始终保持稳定，从而保证了不会因为环境压力的改变导致的颗粒状态特征发生变化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，包括柴油机(1)、排气管(2)和抽空压缩机(3)，其特征在于：所述抽空压缩机(3)通过排气管(2)与柴油机(1)连通，所述抽空压缩机(3)的输出端固定连接第一吸附室(4)，所述第一吸附室(4)的下方固定连接第二吸附室(5)，所述第二吸附室(5)的下方固定连接收集室(6)，所述第一吸附室(4)上固定安装有压力检测器一(7)和气体浓度检测器一(8)，所述第一吸附室(4)和第二吸附室(5)均通过管道与氮气瓶(9)固定连接，所述管道上固定安装有稳压器一(10)和稳压器二(11)，所述第二吸附室(5)上固定安装有压力检测器二(12)和气体浓度检测器二(13)。
2.根据权利要求1所述的一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，其特征在于：所述收集室(6)自上而下共包括三层结构，其中最上层为第一收集室，中间为第二收集室，最底层为第三收集室，所述收集室(6)的分层之间均设置有滤网层(14)和采样区(15)。
3.根据权利要求1所述的一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，其特征在于：所述第一吸附室(4)和第二吸附室(5)的底部分别固定安装有第二阀门开关(16)和第三阀门开关(17)，所述第一吸附室(4)和抽空压缩机(3)之间设置有第一阀门开关(18)。
4.根据权利要求1所述的一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，其特征在于：所述第一吸附室(4)的内壁四周为吸附层，其吸附层主要为活性炭,以Co-Ni为催化剂活性组分制成的固态吸附物。
5.根据权利要求2所述的一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集装置，其特征在于：三个所述滤网层(14)的过滤直径不同，其中第一收集室的过滤直径为1000nm以下，所述第二收集室的过滤直径为100nm以下，所述第三收集室的过滤直径为50nm以下。
6.一种用于柴油机排放颗粒物的分级采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一:待柴油机在某一工况稳定运行时，先打开第一阀门开关18，关闭第二阀门开关(16)和第三阀门开关(17)，利用抽空压缩机(3)将废气抽至第一吸附室(4)，随后打开稳压器一(10)，向第一吸附室(4)内注入高纯度的氮气使得第一吸附室(4)内部压力保持稳定；
步骤二：待第一吸附室(4)内废气吸附完毕后，打开第二阀门开关(16)，使得第一吸附室(4)内的尾气进入第二吸附室(5)，利用稳压器一(10)继续向第一吸附室(4)内注入高纯度的氮气，使得第一吸附室(4)和第二吸附室(5)的内部压力达到原有水平并保持稳定，随后关闭第二阀门开关(16)和稳压器一(10)，打开稳压器二(11)，用于维持第二吸附室(5)内的恒定压力；
步骤三：待第二吸附室(5)吸附完毕后，打开第三阀门开关(17)，此时第二吸附室(5)和三层收集室均保持连通状态，持续向第二吸附室5内注入高纯度的氮气，利用稳压器二11保持第二吸附室5和三层收集室内的压力保持不变，颗粒在自身重力和气流作用下通过不同层级的滤网层(14)被收集在不同的收集室(6)，然后通过采样区(15)进行采样。
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