CN1834609B - 内燃机缸内快速点取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内燃机缸内快速点取样系统，旨在提供一种防治大气环境污染的理论研究方式。本发明系统由发动机、取样执行机构、氮气稀释机构和电控单元组成；所述电控单元的输入端分别连接所述发动机的凸轮位置传感器以及缸压传感器，所述电控单元的输出端分别连接所述取样执行机构中取样阀的电磁铁以及氮气稀释机构；所述取样执行机构的取样阀安装在所述发动机的气缸缸盖内，且所述取样阀的输出端通过样气通道连通所述氮气稀释机构的取样袋，所述的取样袋连接颗粒物分析仪器。本发明的优点是：方便研究内燃机排放可吸入颗粒物的形成与转化机理，并通过此研究为大气环境污染的防治提供一个科学依据。

Description

内燃机缸内快速点取样系统

技术领域

本发明涉及一种发动机，尤其涉及一种内燃机排放物的测量分析系统。

背景技术

现今的人们，不仅已经认识到大气可吸入颗粒物是大气环境污染的突出问题，而且也认识到大气环境污染对人体健康的严重危害。为此，我国政府已陆续出台了一系列相关的标准和法律文件，但是目前对大气可吸入颗粒物的产生机理和大气环境污染控制方面的研究才刚刚起步，而且国内外关于可吸入颗粒物的研究工作也多集中在源解析、环境影响及健康评估方面，对于可吸入颗粒物源的形成和控制技术的基础研究工作非常少，所以人们对于可吸入颗粒物的形成及其行为规律的认识十分缺乏，最关键的问题在于目前还没有一种可有效控制可吸入颗粒物排放的方法。

本领域人员周知，可吸入颗粒物的形成包括自然源和认为源两个重要途径，而燃烧排放的可吸入颗粒物为最大来源，同时在可吸入颗粒物中最有害的物质通常也来自于燃烧源，所以，柴油机排放的颗粒物就成为了大气可吸入颗粒物的重要来源之一。因此，开展柴油机颗粒排放物的研究工作十分必要。

点状取样法可以在发动机的任意曲轴转角、任意燃烧空间位置从燃烧室内获得少量的燃烧过程产物，为研究柴油机缸内的微粒生成提供了条件。然而，目前，国内外关于柴油机微粒的研究几乎还停留在九十年代初的聚集态水平，对于以核态形式存在的纳米微粒的基础研究几乎没有开展。因此，为了保护环境和人体健康，对现代柴油机排气微粒的重新认识和研究势在必行。为获得现代柴油机可吸入颗粒物形成历程及反应机理，必须对缸内充量(空气+燃烧产物)进行观察、测量与分析，为此必须选定一种能够获取缸内充量的试验方法，而且，要求该点状取样技术满足如下要求：

1.可在发动机循环的任意时刻、不同燃烧室位置取样；

2.取样阀关闭时，阀座处的气体泄露要尽量小；

3.取样持续期不宜过长，特别是当缸内气体成分变化很快时；

4.取样充量应该迅速被淬灭，以保证取样充量化学特性不发生改变；

5.和高温气体接触的取样阀应由不与取样气体发生反应的材料制作；

6.取样的开启时刻和关闭时刻应该容易控制，使取样过程具有很好的重复性。

发明内容

本发明的目的，就是为开展柴油机颗粒物生成机理和演化过程的研究，提供一种可满足以上要求，并可精确地在任意指定的曲轴转角及选定的燃烧空间位置下采集缸内少许充量进行分析的内燃机缸内快速点取样系统。

本发明的内燃机缸内快速点取样系统，由发动机，取样执行机构，氮气稀释机构、取样袋和电控单元组成；所述电控单元的输入端分别连接所述发动机的凸轮位置传感器以及缸压传感器，所述电控单元的输出端分别连接所述取样执行机构中取样阀的电磁铁以及氮气稀释机构；所述取样执行机构的取样阀安装在所述发动机的气缸缸盖内，且所述取样阀的输出端分别通过样气通道与所述氮气稀释机构和取样袋相通，所述的取样袋连接颗粒物分析仪器。所述的样气通道中设置有滤纸或铜网。

所述取样执行机构中的取样阀，由密封座、座套、针体、阀体、弹簧、连接杆、弹簧调节座、连接体、调整垫片、衔铁、电磁铁以及端盖组成；所述的密封座设置在座套前端的孔内；所述的座套设置在针阀的前端；所述的针阀安装在阀体轴心处，所述阀体后端的内径处与外径处分别设置有弹簧调节座和连接体，所述弹簧调节座的中心设置有连接杆；所述连接杆的前端与所述的针阀后端连接，所述连接杆的外径处设置有装在所述弹簧调节座上的弹簧，所述连接杆的末端连接衔铁；所述衔铁的后部设置有电磁铁，且所述衔铁与电磁铁之间设置有微小间隙；所述的电磁铁设置在端盖的底部；所述端盖的端口与套装在所述阀体后端的连接体端口相契合，所述端盖与所述连接体的契合面间设置有调整垫片。所述取样阀的材料采用耐热合金钢4Cr9Si2制作。

所述的氮气稀释机构，由不锈钢管路和顺序安装在所述不锈钢管路中的氮气瓶、电磁阀、流量计组成，所述的流量计通过不锈钢管路以及四氟乙烯塑料法兰连接所述的取样袋，所述的发动机设置在所述的流量计与所述的取样袋之间的所述不锈钢管路上。

所述的电控单元，包括设置有定时卡和A/D采集卡的工控机、调理滤波单元、信号合成单元、功率驱动单元、光耦和蓄电池；所述工控机中的定时卡连接信号合成单元的输入端，所述信号合成单元的输出端通过光电隔离器件连接功率驱动单元的输入端，所述功率驱动单元的输出端连接所述取样阀中的电磁铁以及所述氮气稀释机构中的电磁阀；所述调理滤波单元的输入端连接发动机缸内的压力传感器，所述调理滤波单元的输出端连接所述工况机中的A/D采集卡，所述的A/D采集卡连接计算机；所述的定时卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片；所述蓄电池的电压为24V。

本发明的有益效果是：可以在发动机任意曲轴转角、任意燃烧空间位置下，从燃烧室内获得少量缸内充量进行分析，方便研究内燃机排放可吸入颗粒物的形成与转化机理，为进一步探索内燃机可吸入颗粒物的生成机理和演化过程提供一个重要手段，为大气坏境污染防治的系统理论提供一个科学依据。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是本发明执行机构中取样阀的剖面构成图；

图3是本发明中电控单元的硬件结构框图；

图4是本发明中氮气稀释机构示意图。

具体实施方式

下面通过附图与实施例对本发明作以具体描述。

图1示出了本发明内燃机缸内快速点取样系统的组成方式。

由图可见，内燃机缸内快速点取样系统，包括发动机、取样执行机构、氮气稀释机构、取样袋和电控单元；所述电控单元的输入端分别连接所述发动机的凸轮位置传感器以及缸压传感器，并通过所述传感器分别采集发动机同步信号和缸内压力等参数，所述电控单元的输出端分别连接所述取样执行机构中取样阀的电磁铁以及氮气稀释机构，并将控制信号传输至工控机，再以控制脉冲驱动所述的取样执行机构与氮气稀释机构；所述取样执行机构的取样阀安装在所述发动机的气缸缸盖内，且所述取样阀的输出端分别通过样气通道与所述的氮气稀释机构和取样袋相通；所述的取样袋连接颗粒物分析仪器，并通过样气通道将取出的样气充量送入所述的颗粒物分析仪器。

图2示出了所述取样执行机构中取样阀的结构。

所述的取样阀，包括阀体4以及安装在所述阀体4轴心处的针阀3，所述针阀3的前端装有座套2，所述座套2前端的孔内安装密封座1，所述阀体4后端的内径处及外径处分别设置有弹簧调节座8和连接体9，所述弹簧调节座8的中心处贯穿设置连接杆7，所述连接杆7的前端连接所述的针阀3，所述连接杆7的外径处套装弹簧6，所述的弹簧6装在所述弹簧调节座8的弹簧孔内，所述连接杆7的术端连接衔铁11，所述衔铁11的后部设置有电磁铁12，所述的衔铁11和电磁铁12之间留有一个微小的间隙，所述的电磁铁12通过螺钉固定在端盖13的底部，所述端盖13的端口与套装在所述阀体4后端的连接体9的端口相契合，且两者的契合面之间设置有调整垫片10。该取样阀中的阀体4连接取样系统中的氮气稀释机构和取样袋，所述的连接杆7和针阀3组成所述取样阀中的运动部件针阀体；所述弹簧6的预紧力通过调节弹簧调节座8和针阀体4的螺纹连接长度予以调整；设置在座套2前端孔内的密封座1对所述的针阀3起密封和导向作用。所述取样阀的中心任务是适时吸合电磁铁12，当针阀体升起时，使缸内气体通过样气输出通道溢出燃烧室，并由出气口5输出，而其动作时刻的控制由相应的控制电路提供。取出样气的同时稀释机构使样气迅速降温，淬灭化学反应。在取样阀中，由于所述针阀3的前端装有座套2，且所述座套2前端的孔内安装密封座1，所以，当取样结束后，所述的针阀3又会在弹簧6的压力作用下密闭在密封座1上。这种结构设置，一方面能使取样阀在关闭状态下，其阀、座处的气体泄露量很小；另一方面，当控制电路发出驱动信号时，将有足够的电压加在电磁铁12上，以使衔铁11和电磁铁12在电磁线圈的作用下吸合，并克服弹簧6的弹簧力使针阀3升起。也就是说，当电磁铁12通电后，可以使针阀3快速离开密封座1，而在弹簧力和衔铁11的作用下，又可以使针阀3快速的落回密封座1。取样充量在缸内压力的作用下从取样口进入取样阀，并通过样气通道进入取样袋。为了使和高温气体接触的取样阀不与取样气体发生反应，所述的取样阀采用耐热合金钢4Cr9Si2材料制作。为了有效捕捉样气中的颗粒成分，可以在样气通道上设置滤纸或者铜网。

图3是本发明中电控单元的硬件结构框图。

从图中可以看出，所述的电控单元，由工控机、调理滤波单元、信号合成单元、功率驱动单元、光电耦合隔离器件和蓄电池组成；其中的工控机包括定时卡和A/D采集卡，所述的定时卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片，所述的定时卡的输出端与信号合成单元的输入端连接，所述信号合成单元的输出端通过光电隔离与功率驱动单元的输入端连接，所述功率驱动单元的输出端与取样阀中的电磁铁12和稀释机构的电磁阀连接，并通过控制信号驱动取样阀中的电磁铁12和稀释机构的电磁阀动作；缸内压力传感器与调理滤波单元的输入端连接，并将压力信号传送到所述的调理滤波单元，所述调理滤波单元的输出端与A/D采集卡连接，所述的A/D采集卡的输入端连接计算机，所述功率驱动单元的MOSFET功率场由24V的蓄电池驱动。电控单元的作用主要是合成控制取样阀中电磁铁11所需的信号以及氮气稀释机构中电磁阀的驱动信号，由定时卡上集成的8253可编程定时器产生的TTL逻辑信号，经可编程逻辑器件(GAL)进行合成喷射控制信号，该信号经过光电隔离器件到达功率驱动单元，并由所述功率驱动单元中具有高速开关特性的MOSFET功率场效应晶体管进行功率放大，驱动取样阀中电磁铁12和针阀3在取样过程中的动作。

图4是本发明中氮气稀释结构的示意图。

从图中可以看出，所述的氮气稀释机构，由不锈钢管路和顺序安装在所述管路中的氮气瓶18、电磁阀17、流量计16组成，所述的流量计16通过不锈钢管路以及四氟乙烯塑料法兰连接取样袋14，所述的发动机15设置在所述的流量计与所述的取样袋14之间的所述不锈钢管路上。所述氮气稀释结构的气流方向与前述各部件的安装顺序一致。

本发明的内燃机缸内快速点取样系统，在取样开始时，由所述的电控单元根据操作者的指令发出控制信号，驱动所述的取样执行机构并同时控制所述氮气稀释机构中的电磁阀17开启；所述功率驱动单元接收到控制信号后，使所述取样阀中的电磁铁12与衔铁11在蓄电池的作用下吸合，其提供的电磁力使针阀3克服弹簧6的预紧力而快速地从密封座1中升起；由于针阀3离开密封座1，使样气通道通过针阀3和密封座1之间的间隙与发动机的燃烧室相通，样气充量在缸内压力的作用下，从这个间隙流入样气通道，并通过所述氮气稀释机构中氮气瓶18的氮气稀释后流入取样袋14，完成一次取样过程。取样结束后，由操作者向电控单元发出停止取样指令，使所述取样阀中的电磁铁12在弹簧6的作用下迅速释放衔铁11，从而使针阀3回位并密闭在密封座1上，同时关闭所述氮气稀释机构中的电磁阀17。

由于本系统在所述的样气通道中安装了滤纸或铜网，所以，能有效地捕捉到样气中的颗粒成分。对取样袋14内的取样充量或滤纸和铜网上颗粒成分的分析工作，则由所述的颗粒物分析仪器完成。

本发明的缸内快速点取样系统，与现有技术比较，其优点在于：

1.随时对缸内充量(空气+燃烧产物)进行观察、测量与分析；

2.能够在发动机连续运转的任意时刻，从不同燃烧室内的任意位置取样；

3.取样持续期短，适于了解成分变化很快时缸内气体的性质；

4.取样充量淬灭迅速，可保证取样充量化学特性不发生改变；

5.取样的开启时刻和关闭时刻容易控制，具有良好的取样过程重复性。

本发明的缸内快速点取样系统，方便研究内燃机排放可吸入颗粒物的形成与转化机理，并可通过此研究进一步探索内燃机可吸入颗粒物的生成机理和演化过程，从而为防治大气环境污染的系统理论提供一个科学依据。

以上参照附图和实施例，对本发明的内燃机缸内快速点取样系统进行了示意性描述，该描述没有限制性，附图中所示的只是本发明的一种实施方式。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明主题创造宗旨的情况下，对其进行各种显而易见的修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种内燃机缸内快速点取样系统，包括发动机、取样执行机构、氮气稀释机构、电控单元和取样袋，所述电控单元的输入端分别连接所述发动机的凸轮位置传感器以及缸压传感器，所述电控单元的输出端分别连接所述取样执行机构中取样阀的电磁铁以及氮气稀释机构，所述取样执行机构中的取样阀安装在所述发动机的气缸缸盖内，且所述取样阀的输出端通过样气通道连通所述的取样袋和所述的氮气稀释机构，所述的取样袋连接颗粒物分析仪器；其特征是，所述取样执行机构中的取样阀，由密封座、座套、针阀、阀体、弹簧、连接杆、弹簧调节座、连接体、调整垫片、衔铁、电磁铁以及端盖组成；所述的密封座设置在座套前端的孔内；所述的座套设置在针阀的前端；所述的针阀安装在阀体轴心处，所述阀体后端的内径处与外径处分别设置有弹簧调节座和连接体，所述弹簧调节座的中心设置有连接杆；所述连接杆的前端与所述的针阀后端连接，所述连接杆的外径处设置有装在所述弹簧调节座上的弹簧，所述连接杆的末端连接衔铁；所述衔铁的后部设置有电磁铁，且所述衔铁与电磁铁之间设置有微小间隙；所述的电磁铁设置在端盖的底部；所述端盖的端口与套装在所述阀体后端的连接体端口相契合，所述端盖与所述连接体的契合面间设置有调整垫片。

2.根据权利要求1所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述的样气通道中设置有滤纸或铜网。

3.根据权利要求1所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述取样阀的材料采用耐热合金钢4Cr9Si2制作。

4.根据权利要求1所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述的氮气稀释机构由不锈钢管路和顺序安装在所述不锈钢管路中的氮气瓶、电磁阀、流量计组成，所述的流量计通过不锈钢管路以及四氟乙烯塑料法兰连接所述的取样袋，所述的发动机设置在所述的流量计与所述的取样袋之间的所述不锈钢管路上。

5.根据权利要求1所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述的电控单元，包括设置有定时卡和A/D采集卡的工控机、调理滤波单元、信号合成单元、功率驱动单元、光电耦合隔离器件和蓄电池；所述工控机中的定时卡连接信号合成单元的输入端，所述信号合成单元的输出端通过光电耦合隔离器件连接功率驱动单元的输入端，所述功率驱动单元的输出端连接所述取样阀中的电磁铁以及所述氮气稀释机构中的电磁阀；所述调理滤波单元的输入端连接发动机缸内的所述缸压传感器，所述调理滤波单元的输出端连接所述工控机中的A/D采集卡，所述的A/D采集卡连接计算机。

6.根据权利要求5所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述的定时卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片。

7.根据权利要求6所述的内燃机缸内快速点取样系统，其特征是，所述蓄电池的电压为24V。

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