一种用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置及方法

1.本发明涉及机动车尾气颗粒物测量技术领域，具体涉及一种用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置及方法。


背景技术：

2.随着先进的g-di(汽油缸内直喷)与g-pfi(进气道喷射)发动机的应用，其排放的粒子粒径越来越小。近年来的研究表明，亚23nm颗粒物占国
ⅴ
标准gdi车辆pn总排放量的43.1-57.7％，国ⅵ标准的g-di车辆pn总排放量中也有相当比例是亚23nm颗粒物，且gpf(汽油机颗粒捕集器)对亚23nm颗粒物过滤效果差。在欧6标准下，关于粒径分布的调查报告显示，使用压缩天然气(cng)为燃料的机动车，其排放颗粒物的几何平均直径(gmd)约为23nm，汽油型车辆的gmd约为30nm。随着中国机动车国标ⅵ的实施以及欧美国家更加严格的机动车排放法规的实施，测量粒径大于23nm的颗粒物数(pn)已经有大量实践经验。然而为了避免采样和测量亚23nm固体颗粒物时产生的重大不确定性，现有的法规对于亚23nm颗粒物的排放监测尚属监管空白。
3.目前常用的纳米级粒子分级方法是基于带相同电荷的不同粒径粒子的电迁移率不同(差分电迁移率)，调节电场和流场条件，分级出不同粒径的粒子，实现对样气粒径谱的测量。但粒子的扩散效应随着粒子粒径变小而变大，这就导致了30nm以下粒子粒径谱测量的分辨率较差。为了提高分辨率，目前通常采用加入高速鞘气气流的方式来提高分辨率，但这会带来高鞘气流速下的层流状态难的问题。此外，目前在进行高温颗粒物分级时，一般先将样气降温至50℃左右，这会导致颗粒物粒径变化，使最终的测量结果产生较大误差。另外测量装置的机械结构参数变化也极大地影响测量分辨率，但目前研究较少。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置及方法，该装置及方法能够解决现有技术中的不足，实现10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级，提高粒径分级速度和测量分辨率。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.在本发明的第一方面，提供了一种用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置，包括鞘气进气单元、样气进气及筛分单元和排气单元。
7.所述鞘气进气单元包括鞘气进气口、设置在鞘气进气口下方的筛网和套设在筛网外侧的筛网固定座。
8.所述样气进气及筛分单元包括位于筛网固定座下方且同轴设置的外腔体与内腔体、安装在内腔体顶部且位于筛网下方的气流件、设置在外腔体上端的样气进气口和位于筛网固定座与外腔体之间且位于样气进气口内侧的进气环；所述进气环上开设有若干通孔。
9.所述排气单元包括位于内腔体及外腔体下方的支撑座；所述支撑座上开设有筛分气体出口；所述支撑座与外腔体之间设有废气出口；所述外腔体与内腔体之间的空腔为筛分区域，所述样气进气及筛分单元还包括设置在内腔体底部与支撑座顶部之间的筛分狭缝。
10.进一步的，所述外腔体的内壁与内腔体的外壁之间的区域为差分电迁移区域。
11.进一步的，所述筛网为圆形，包括自上向下依次设置的三层，筛网的圆周处采用胶水粘在筛网固定座上，相邻层筛网之间间隔5mm，三层筛网的目数自上向下依次递减；所述筛网采用尼龙材质；所述筛网固定座为圆环状。
12.进一步的，所述气流件为子弹头型，其纵向截面为半个椭圆形，长轴与短轴之比为3：1；所述气流件采用绝缘材料；所述气流件安装在内腔体上部。
13.进一步的，所述鞘气进气口、筛网、气流件、进气环、外腔体、内腔体和筛分气体出口的中心线共轴。
14.进一步的，所述进气环为圆环状，若干通孔均匀分布在进气环的侧壁上，通孔的直径为1mm；所述筛网固定座的下方设有倾斜设置的导流板；所述通孔与导流板正对设置；所述进气环与导流板均采用不锈钢材质。
15.进一步的，所述外腔体和内腔体均采用不锈钢材质，所述外腔体接地，所述内腔体接高压。
16.进一步的，所述进气环的上下两侧均设有一采用绝缘材料的密封圈。密封圈用于防止进气口处漏气。
17.在本发明所述的粒径快速分级装置中，除了尼龙筛网的所有部件都选用耐高温材料，如不锈钢等，需保证高温的样气进入装置后，装置的结构不形变。因为高温样气并不会扩散到尼龙筛网处，所以筛网不会受到影响。选用具有耐高温属性的材料，可直接对最高180℃高温尾气颗粒物进行分级。
18.在本发明的第二方面，提供了一种上述用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置的分级方法，该方法包括以下步骤：
19.(1)由鞘气进气口通入鞘气，鞘气经过筛网后沿着气流件的外表面流动到筛分区域。
20.(2)由从样气进气口通入样气，样气通过进气环上的通孔进入到进气环的内部并碰撞到导流板上，接着进入筛分区域；鞘气和样气在筛分区域混合后得到混合气流。筛网用于抑制鞘气的速度波动和延缓鞘气气流卡曼漩涡的形成。气流件的作用是缓慢减小流场横截面积，使鞘气流速平稳增大，从图1可以看出，鞘气入口的流场横截面积比筛分区域的流场横截面积大多了。导流板的作用是减小样气粒子的径向流速。在筛分区域，带电颗粒理想状态是：没有径向、轴向流速，其速度包括方向、大小，仅受到鞘气流场以及筛分区域电场的影响。
21.(3)采用荷电器使样气中的粒子带电，带电粒子在经过筛分区域时，在外腔体与内腔体形成的电场以及混合气流形成的流场的耦合作用下，特定粒径的粒子进入到筛分狭缝中，再由筛分气体出口流出，其他粒径的粒子随混合气流由废气口流出。荷电器和本发明所述的分级装置是两个单独的工具，样气在通入本发明所述的分级装置之前就被荷电了。
22.和现有技术相比，本发明的优点为：
23.(1)本发明通过鞘气进气口、筛网、子弹头型气流件的独特设计，能使鞘气在高流速下仍保证层流状态，减小了极小粒径粒子的扩散效应，实现了将粒子分级范围的下限扩展到10nm，提高了粒径分级速度的目标。本发明所述的粒径快速分级装置结构紧凑、设计合理，能够在高温条件下快速分级10-30nm的颗粒物。
24.(2)通过使用cmosol软件建立仿真，在电场、流场、粒子轨迹耦合仿真条件下，不同的尺寸对分辨率有很大影响，在仿真中不断改变尺寸，以获得理想的粒径分辨率，本发明可根据测量周期、分辨率的需求确定筛分狭缝、筛分气体出口机械尺寸，实现了最高1nm的粒径分辨率。
25.(3)本发明中的整个装置采用耐高温材料，最高可直接测量180℃的高温尾气，有效减少了颗粒物粒径因降温而变化带来的粒径不准确现象，后端结合法拉第杯可在最高180℃条件下直接测量机动车尾气，简化了现有机动车尾气测量流程。
26.(4)本发明能够在180℃条件直接对机动车尾气中的颗粒物进行测量，一个测量周期约为2～5s，并达到较高的测量分辨率。比如某机动车尾气的粒径范围为10-30nm，将粒径分辨率设置为1nm，一秒测出一个数据，一个周期就需要测20秒，适当调大分辨率和调快测量速度，就能在短时间内测完一个周期。测量速度可以通过程序来调节，分辨率和筛分气体出口的结构尺寸相关，改变尺寸可以调节。
27.(5)本发明中的进气环为对称式结构，能够使样气以更好的轴对称性进入筛分电场区域，结合仿真，对筛分狭缝、筛分气体出口的尺寸进行设计，能够保证该粒子分级器的高分辨率。
28.(6)本发明采用带相同电荷量的不同粒径的粒子在电场中迁移率不同的原理，结合法拉第杯可实时测量出不同粒径的粒子的数浓度。
附图说明
29.图1是本发明中粒径快速分级装置的结构示意图；
30.图2是本发明中粒径快速分级装置的纵向剖视图；
31.图3是差分电迁移原理图；
32.图4是本发明中粒径快速分级装置的传递函数图。
33.其中：
34.1、鞘气进气口，2、筛网，3、气流件，4、样气进气口，5、进气环，6、外腔体，7、内腔体，8、筛分狭缝，9、筛分气体出口，10、废气口，11、导流板，图1和图2中的虚线箭头表示鞘气和样气的气流方向。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做进一步说明：
36.如图1、图2所示的一种用于10-30nm高温尾气颗粒物粒径快速分级装置，包括由鞘气进气口1、筛网2、气流件3、样气进气口4、对称进气环5组成的进气区域，由外腔体6的内壁、内腔体7的外壁、筛分狭缝8组成的筛分区域，由筛分气体出口9、废气口10组成的排气区域。所述圆柱形鞘气进气口1、圆形筛网2、气流件3、圆环形对称进气环5、圆柱形外腔体6、圆柱形内腔体7、圆柱形筛分气体出口9全都同轴。鞘气从鞘气进气口1进入，通过筛网2，并被
子弹头型气流件3改变鞘气流场，进入筛分区域；样气从样气进气口4进入，经过对称进气环5与鞘气混合并进入筛分区域。带电粒子在筛分区域中的电场、流场耦合作用下，特定粒径的粒子会经过筛分狭缝8从筛分气体出口9流出，而其他粒径的粒子将从废气口10流出。
37.本发明通过鞘气进气口1、筛网2、气流件3的独特设计，能使鞘气在高流速下仍保证层流状态，减小了极小粒径粒子的扩散效应，实现了将粒子分级范围的下限扩展到10nm，提高了粒径分级速度的目标。本发明所述的粒径快速分级装置结构紧凑、设计合理，能够在高温条件下快速分级10-30nm的颗粒物。从图1可以看出，鞘气进气口1处横截面积大，经过筛网2后鞘气(干净且不含颗粒物的气体)变为层流状态，气流件3的作用是缓慢减小鞘气流动方向(向下)的横截面积，提高流动速度，通过这种方式可以在保证层流的前提下尽可能提高鞘气流速，进而抑制样气中粒子扩散效应，使粒子分级效果变好。另外分级速度是和程序设计相关的，仿真中发现分辨率和筛分气体出口的结构尺寸相关，改变筛分气体出口的尺寸和程序，即可在保证分辨率的情况下尽可能提高分级速度。整个装置采用耐高温材料，机动车排放的高温尾气可以不用冷却即可测量，这样即优化了测量流程。
38.优选的，所述筛网2的材质为尼龙，自上而下分为三层，每层筛网都间隔5mm，且三层筛网的目数自上而下成递减关系，以确保高速鞘气流经鞘气进气口1和筛网2后仍保持层流状态。
39.优选的，所述气流件3材质为实心绝缘材料，其形状为子弹头型。所述气流件3的横截面为半个椭圆，其长轴短轴之比为3：1，使气流件的曲面变化平缓，以确保层流状态的高速鞘气流仍能以层流状态进入筛分区域。
40.优选的，所述进气环5是一个带孔圆环，如图2所示，进气环一周均匀分布若干个直径1mm的通孔，通孔正对着一导流板11，带电粒子的径向动能会因碰撞导流板而减到最小，以确保稳定的样气流与高速鞘气混合，并进入筛分区域。所述进气环、导流板的材质为不锈钢。进气环的上下方分别设置一个o型圈，以达到密封效果。
41.优选的，所述外腔体6和内腔体7均采用不锈钢材质。所述外腔体6整体接地，所述内腔体7整体接高压电极，内腔体7的顶部距导流板11有5mm的距离，这5mm的距离恰好被绝缘材料的气流件3填充，可以防止内腔体7上高压影响导流板11处的带电粒子。外腔体6和内腔体7的加工精度需要求严格，加工表面质量达到镜面程度，且两个圆柱形电极必须严格同轴，偏差不能超过12.5微米。
42.优选的，所述筛分狭缝8的长、宽，以及筛分气体出口9的宽度直接影响装置的分辨率，经过仿真发现其规律为：筛分狭缝宽度、筛分气体出口宽度越窄，筛分狭缝越长，整个装置的分辨率越高，但宽度不能过于狭窄，否则影响气体流动。最终确定的尺寸使该装置可达到最高1nm的粒径分辨率。
43.优选的，所述粒径快速分级装置需要密封的地方全部采用o型圈密封，防止气路漏气。
44.优选的，所述粒径快速分级装置的所有构件都选用具有耐高温属性的材料，可直接对最高180℃高温尾气颗粒物进行分级，避免了降温导致颗粒物粒径变化带来的粒径分布不准确问题。
45.本发明根据圆柱形差分电迁移装置设计而成，其利用带相同电荷的不同粒径粒子在电场中的电迁移率不同导致的位移不同(差分电迁移率)。圆柱型差分电迁移装置基本原
理如图3所示，内径为r1，外径为r2，粒径为d
p
的粒子在筛分区域移动的距离为l，内外电极间电压为v，可以得出其基本关系：
[0046][0047]
其中，c是滑移修正系数，ne表示一个粒子带n个元电荷，μ是气体粘滞系数，q是鞘气和样气总气流量。可以看出，q、r1、r2、l都是固定参数，改变电压v可以筛分出不同粒径的粒子。
[0048]
如图3所示，根据带相同电荷的不同粒径粒子在电场中的电迁移率不同导致的位移不同(差分电迁移率)和相应理论公式，确定内外电极间电压值与筛分粒子粒径的关系。
[0049]
差分电迁移率分级装置的传递函数是指具有一定特征的颗粒通过其筛分区域从筛分狭缝被筛分出的概率，是评价分级装置性能的重要指标，传递函数是高斯形状的。用传递函数的相对半峰全宽(full width at half maximum fwhm)和传递函数的高度来评价传递函数的好坏。分级装置对不同粒径的颗粒物有着不同的传递函数，传递函数的高度越高、相对半峰全宽越小，则传递函数越好。采用串联分级装置的方法测量本发明所述的粒径快速分级装置的传递函数，结果如图4所示。由图4可知，50nm粒径对应的传递函数的相对半峰全宽是指，其高度(0.84)的一半(0.42)所对应的zp/zp*之间的差值。从图4可以看出，本发明所述的粒径快速分级装置的传递函数符合高斯形状，且高度较高，相对半峰全宽较窄，可以筛分粒径为10-30nm的颗粒物。
[0050]
本发明的创新点为：
[0051]
(1)本发明实现了高速鞘气流仍保持层流状态，减小了极小粒径粒子的扩散效应，将粒子分级范围的下限扩展到10nm，提高了粒径分级速度。在电场、流场、粒子轨迹耦合仿真条件下，本发明可根据测量周期、分辨率的需求确定筛分狭缝、筛分气体出口机械尺寸，实现了最高1nm的粒径分辨率。
[0052]
(2)本发明能够直接测量高温状态下的尾气，简化测量流程，提高了测量结果的准确性。本发明中的整个粒径快速分级装置采用耐高温材料，后端结合法拉第杯可在最高180℃条件下直接测量机动车尾气，简化了现有机动车尾气测量流程。本发明所述的用于10-30nm高温尾气颗粒物的粒径快速分级装置，在180℃条件下，一个测量周期约为2～5s，达到了较高的测量分辨率。
[0053]
(3)考虑到粒径越小，粒子的扩散效应越明显，尤其是30nm以下的极细颗粒物，本发明通过对鞘气进气口和气流件的结构进行设计，使鞘气能够呈层流状态，提高鞘气流速，从而可以抑制筛分过程中粒子的扩散效应。本发明通过对样气进气口、进气环和导流板的结构进行设计，能够减小粒子的径向速度，使装置达到更好的测量结果，实现最高1nm的粒径分辨率，将粒子分级范围的下限扩展到10nm。气流一般来说分蠕动流、层流、湍流三种状态，它们之间有临界的雷诺数值，提高鞘气流速会提高雷诺数，使层流状态变为湍流状态，而层流是分级的必要条件，又想提高鞘气流速又想保持层流状态是个困难的事情。本发明相对现有技术的优势就是，在10-30nm粒径区间测量的分辨率更高了，解决了高鞘气流速下实现了层流的难题。
[0054]
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案
作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。