一种获取柴油机尾气碳烟颗粒的装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于表征柴油机尾气碳烟破碎特性而获得的柴油机尾气碳烟颗粒的装置。

背景技术：

粒径及数浓度是碳烟颗粒排放的重要指标之一，其与人体健康和大气环境影响具有明确的相关性。因此，车用内燃机在控制颗粒物质量排放的同时，也对粒数浓度排放提出了愈来愈高的要求。碳烟颗粒的粒径和粒数浓度主要受破碎特性的影响，其破碎现象的发生会导致碳烟颗粒的粒径快速减小，中粒数浓度快速增加。因此，为了有效控制内燃机尾气颗粒物数浓度排放并降低其对大气环境和人体健康的危害，开发一种研究柴油机尾气碳烟颗粒破碎特性的装置及方法具有重要意义。

技术实现要素：

本实用新型克服现有技术的不足，提出一种获得柴油机尾气碳烟颗粒的装置,为实现对稀燃和富燃条件下柴油机尾气碳烟颗粒破碎特性分析进行碳烟颗粒的获取，为后期进一步获得燃空当量比对于柴油机尾气中碳烟颗粒破碎特性的影响的研究奠定基础。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提出一种获得柴油机尾气碳烟颗粒的装置，包括燃烧器，位移台，不锈钢探针取样系统，拉曼光谱仪，气相色谱仪，尾气收集装置，多个气瓶和电脑控制系统；所述多个气瓶包括一个甲烷气瓶、一个氧气气瓶、一个氮气气瓶和一个氩气气瓶；所述燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体包括相互嵌套的外圆筒和内圆筒，所述内圆筒的上面与所述外圆筒的上面平齐，所述内圆筒的下面突出于所述外圆筒的下面，所述内圆筒的下部设有气体进口，所述外圆筒的外径为75mm，所述内圆筒的外径为25mm，所述内圆筒的上端嵌有蜂窝状的柱塞，所述蜂窝状的柱塞由若干个直径微小的长钢管组成，所述长钢管的外径为1.62mm，内径为1.5mm，所述蜂窝状的柱塞的上面与所述内圆筒的上面平齐；所述外圆筒设有气体进口，所述内圆筒的下部设有第一气体进口和第二气体进口，所述外圆筒的气体进口通过连接管路A连接至所述氩气气瓶，所述连接管路A上设有流量计；所述内圆筒的第一气体进口连接至一进气总管路的一端，所述进气总管路的另一端通过并联的三条管路分别连接至所述甲烷气瓶、氧气气瓶和氮气气瓶，三条连接管路上均设有流量计；所述内圆筒的第二气体进口连接至柴油机的排气歧管上；所述排气歧管上设有流量计；所述排气歧管的管壁设有两个孔，该两个孔分别通过管路B和管路C连接至所述气相色谱仪和所述尾气收集装置；所述燃烧器固定在所述位移台上，所述位移台由两个步进电机控制，实现燃烧器水平和竖直方向的移动；所述不锈钢探针取样系统包括液氮钢瓶、冷氮气流量计、不锈钢探针、取样器、真空泵、恒温水箱和控制器，所述不锈钢探针布置在所述燃烧器的正上方，所述不锈钢探针在长度方向的中间位置处设有一个0.128mm的微孔，所述不锈钢探针嵌入到一个水冷槽中，所述不锈钢探针的直径为4/5 的部分嵌入到水冷槽中，且与水冷槽处于完全密封的关系，所述不锈钢探针的微孔露在所述水冷槽之外，所述不锈钢探针的进口端通过管路D与一个液氮钢瓶的出口相连，管路D 上设有冷氮气流量计，所述不锈钢探针的出口端通过管路E与所述取样器的进口端相连，所述取样器的出口端与所述真空泵的进口端相连；所述取样器内装有聚四氟乙烯的滤膜，在所述真空泵的吸力作用下，将燃烧器火焰中的碳烟颗粒吸附到聚四氟乙烯的滤膜上，所述聚四氟乙烯滤膜上收集到的碳烟颗粒用于拉曼光谱仪分析；所述水冷槽的进口和出口与所述恒温水箱相连形成循环水路；所述气相色谱仪配有热导检测器，用于测量柴油机的排气歧管中氧气的含量；所有的流量计、位移台、气相色谱仪和拉曼光谱仪均与所述电脑控制系统相联，所述电脑控制系统用于控制进入所述燃烧器不同气体流量和燃烧火焰位置高度及气相色谱仪的取样分析。

进一步讲，所述不锈钢探针的直径为6.35mm，壁厚为1.12mm。

所述不锈钢探针的微孔竖直朝下。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

实现了在线对柴油机尾气中碳烟颗粒的获取；采用了水冷不锈钢探针取样系统，避免了不锈钢探针在取样过程中自身快速升温对碳烟颗粒特性的影响，为对柴油机尾气中碳烟颗粒的破碎特性研究奠定了基础。

附图说明

图1本实用新型获得柴油机尾气碳烟颗粒的装置的装置图；

图2本实用新型中水冷式不锈钢探针取样系统的示意框图；

图3本实用新型中不锈钢探针与水冷槽的轴向剖视图；

图4是图3所示不锈钢探针与水冷槽的端向视图。

图中：1-柴油机，2-气相色谱仪，3-尾气收集装置，4-排气歧管，5-流量计1，6-内圆筒，7-位移台，8-拉曼光谱仪，9-蜂窝状的柱塞，10-不锈钢探针取样系统，11-外圆筒， 12-甲烷气瓶，13-氧气气瓶，14-氮气气瓶，15-氩气气瓶，16-流量计2，17-流量计3，18- 流量计4，19-流量计5，101-液氮钢瓶，102-冷氮气流量计，103-不锈钢探针，104-取样器，105-真空泵，106-水冷槽，107-恒温水箱，108-控制器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提出的一种获得柴油机尾气碳烟颗粒的装置，如图1所示，该装置包括燃烧器，位移台7，不锈钢探针取样系统10，拉曼光谱仪8，气相色谱仪2，尾气收集装置3，多个气瓶和电脑控制系统；所述多个气瓶包括一个甲烷气瓶12、一个氧气气瓶13、一个氮气气瓶14和一个氩气气瓶15。

所述燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体包括相互嵌套的外圆筒11和内圆筒6，所述内圆筒6的上面与所述外圆筒11的上面平齐，所述内圆筒6的下面突出于所述外圆筒 11的下面，所述内圆筒6的下部设有气体进口，所述外圆筒11的外径为75mm，所述内圆筒的外径为25mm，所述内圆筒6的上端嵌有蜂窝状的柱塞9，确保混合气体和碳烟颗粒均匀流出，所述蜂窝状的柱塞9由若干个直径微小的长钢管组成，所述长钢管的外径为1.62mm，内径为1.5mm，所述蜂窝状的柱塞9的上面与所述内圆筒6的上面平齐；所述外圆筒11设有气体进口，所述内圆筒6的下部设有第一气体进口和第二气体进口，所述外圆筒11的气体进口通过连接管路A连接至所述氩气气瓶15，所述连接管路A上设有流量计19，保证了空气中气体对预混火焰的干扰；所述内圆筒6的第一气体进口连接至一进气总管路的一端，所述进气总管路的另一端通过并联的三条管路分别连接至所述甲烷气瓶12、氧气气瓶13和氮气气瓶14，三条连接管路上均设有流量计16、17、18；所述内圆筒6的第二气体进口连接至柴油机的排气歧管4上，所述柴油机1的排气歧管4外覆盖一层保温物质，减少尾气散热，进而保证排气歧管中的碳烟特性不会发现显著变化；所述排气歧管4上设有流量计5，控制柴油机尾气进入燃烧器的流量；所述排气歧管4的管壁设有两个孔，孔径均为3cm，该两个孔分别通过管路B和管路C连接至所述气相色谱仪2和所述尾气收集装置3，所述尾气收集装置3用于收集尾气，经处理后排放到大气中，所述燃烧器固定在所述位移台7上，所述位移台7由两个步进电机控制，实现燃烧器水平和竖直方向的移动；

如图2所示，本实用新型中的所述不锈钢探针取样系统10是一个水冷式不锈钢探针取样系统，包括液氮钢瓶101、不锈钢探针103、取样器104、真空泵105、恒温水箱107和控制器108，所述不锈钢探针103布置在所述燃烧器的正上方，所述不锈钢探针103的直径为6.35mm，壁厚为1.12mm，在探针中端上的取样微孔的直径为0.128mm，如图3和图4所示，所述不锈钢探针103的直径为4/5的部分嵌入到水冷槽106中，且与水冷槽106处于完全密封的关系，所述不锈钢探针103的微孔竖直向下、且露在所述水冷槽106之外，所述不锈钢探针103的左端是进口端，该进口端通过管路D与所述液氮钢瓶101的出口相连，管路D上设有冷氮气流量计102，所述不锈钢探针103的右端是出口端，该出口端通过管路 E与所述取样器104的进口端相连，所述取样器104的出口端与所述真空泵105的进口端相连；所述取样器104内装有聚四氟乙烯的滤膜，在所述真空泵105的吸力作用下，将燃烧器火焰中碳烟颗粒吸附到聚四氟乙烯的滤膜上，所述聚四氟乙烯滤膜上收集到的碳烟颗粒用于拉曼光谱仪8分析；如图2和图3所示，所述水冷槽的进口1061)和出口(1062)与所述恒温水箱(107)相连形成循环水路；所述气相色谱仪2配有热导检测器，用于测量柴油机的排气歧管4中氧气的含量。

所述电脑控制系统与流量计5、16、17、18、19相连，读取流量计反馈的信号并根据实际需要情况调节气阀开度以调节气体流量，所述电脑控制系统还与所述位移台7、气相色谱仪2和拉曼光谱仪8相连，控制水冷不锈钢探针在燃烧火焰中的取样位置及及气相色谱仪2的取样分析。

利用上述获得柴油机尾气碳烟颗粒的装置获取碳烟样品及对其破碎特性的表征方法包括以下步骤：

步骤一、设定参数，至少包括设定：打开各气瓶阀门，各气瓶的压力、燃料气体的种类、恒温水箱107的温度、不锈钢探针103在火焰中的取样高度；

本实例中选择甲烷作为燃料气体，选择氩气作为保护气体，其流速设置为30L/min，其工况条件包括：甲烷、氧气、氮气和氩气的压力均设为0.3MPa,恒温水箱的温度设置为0℃, 不锈钢水冷探针在火焰中高度设置为3mm。

步骤二、将柴油机2打开热机半小时，柴油机1运行工况稳定后，设置柴油机的排气歧管4中通入到燃烧器中的流速为2.43L/min，用带有热导检测器的气相色谱仪2测量出排气歧管中氧气含量，算出氧气的流速为0.34L/min。

步骤三、设置燃烧器火焰中总的燃空当量比为0.85，保证燃烧器形成的预混火焰为稀燃工况，测出柴油机排气歧管中氧气流速为0.34L/min，通过下述公式求出通入燃烧器中甲烷、氧气和氮气气体的流速分别为0.6、1.07和2.62L/min

式(1)中：表示总的燃空当量比；燃油表示燃油的流量，单位为L/min；氧气1表示尾气中氧气的流量，单位为L/min，氧气2表示通入燃烧器的氧气的流量，单位为L/min。

步骤四、根据求出来的各个气体的流速对进入燃烧器中的甲烷、氧气和氮气的流速进行设置，通过电子点火器点燃燃料气体；调节所述位移台7的位置，使燃烧器火焰中心的水平投影与所述不锈钢探针103上中间位置处的取样微孔的水平投影重合，待燃烧火焰稳定后；通过控制器打开真空泵105的开关，并设置来自于所述液氮钢瓶101的氮气的流速，对火焰中碳烟颗粒取样，取样时间为2min，然后，将聚四氟乙烯的滤膜取出后放入到培养皿中；每完成一次碳烟颗粒取样过程后调整位移台7的高度，实现在不同火焰高度取样，本实施例中是分别在6mm、9mm和12mm火焰高度处取样，从而获得一组碳烟颗粒。

步骤五、设置燃烧器火焰中总的燃空当量比为1.05，保证燃烧器形成火焰为富燃工况，重复步骤三、四，按照上述相同的方法获得另一组碳烟颗粒；将在稀燃条件下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒A，将富燃条件下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒B；

步骤六、对碳烟颗粒A和碳烟颗粒B分别在带有检偏器的拉曼光谱仪8上进行检测，通过调节检偏器的方向，来获得散射光在垂直和水平方向的偏振分量，进而获得退偏比，退偏比即为垂直方向与水平方向的光强比值；所述退偏比与碳烟颗粒的破碎特性呈现线性关系，具体为：碳烟微粒破碎程度越大，其退偏比值也越大；将碳烟颗粒A和碳烟颗粒B 的退偏比数据进行对比分析，即可获得在稀燃和富燃条件下碳烟颗粒的破碎特性。检测结果表明在稀燃工况下获得碳烟退偏比要大于在相同火焰高度富燃条件下碳烟的退偏比，说明在稀燃工况条件下碳烟更易发生破碎。这主要是由于稀燃工况有更多富裕的氧气，氧气有更充足时间扩散到碳烟内部使其氧化，导致碳烟破碎现象的发生。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。