本實用新型屬于內燃機技術領域，具體涉及一種內燃機排氣顆粒物復合采樣系統(tǒng)。

背景技術：

隨著汽車產業(yè)的快速發(fā)展，汽車保有量不斷增加，汽車已經成為當前城市大氣PM2.5的重要來源。我國環(huán)保部發(fā)布的2011年《中國機動車污染防治年報》公布了“十一五”期間全國機動車污染排放情況。結果顯示，我國已連續(xù)兩年成為世界汽車產銷第一大國，機動車排放的尾氣已經成為大氣環(huán)境污染最突出的問題之一，2011年我國機動車排放的顆粒物質量接近60萬噸。顆粒物對大氣環(huán)境影響的一個重要方面就是導致霧霾天氣的產生。顆粒物會對自然環(huán)境和人體健康構成嚴重的危害，在臨床病理學研究中發(fā)現，大氣可吸入顆粒物中的PM10、PM2.5與哮喘、呼吸系統(tǒng)炎癥等疾病的發(fā)病率以及人類死亡率有著密切的關系。其中納米顆粒物對人體的危害尤其嚴重，發(fā)動機是大氣顆粒物污染的重要來源之一，同時也是納米顆粒物的主要來源。為了限制機動車的顆粒物排放，降低其對環(huán)境的污染和人體的危害，滿足越來越嚴格的排放法規(guī)，在內燃機產品設計開發(fā)中，關于“內燃機排氣顆粒物”是一個重要的研究課題。為了減少顆粒物排放，目前廣泛使用的機外處理方法是DPF即顆粒捕集器，而顆粒物的成分尤其是顆粒物中的灰分會影響DPF的壽命，研究顆粒物排放中的灰分成分對優(yōu)化DPF設計、延長DPF的使用壽命很關鍵。所以，設計一種行之有效的、可實現顆粒物分級采樣以及能分析各級顆粒物中灰分成分的復合采樣分析系統(tǒng)十分必要。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種顆粒物復合采集系統(tǒng)，用于對發(fā)動機排氣顆粒物進行復合采集。

本實用新型的技術目的通過下述技術方案予以實現：

一種顆粒物復合采集系統(tǒng)，由發(fā)動機、主排氣管、第一濾清器、支排氣管、模式切換模塊、顆粒物分級模塊和灰分采樣模塊組成，其中：

主排氣管入口端與發(fā)動機排氣管的出口端連接，主排氣管出口端與第一濾清器連接，在發(fā)動機和第一濾清器之間的主排氣管上設置支排氣管；

支排氣管與顆粒物分級模塊相連，在顆粒物分級模塊中，支排氣管上依次設置第一流量調節(jié)閥、第一采樣分級器、第二采樣分級器、第一電磁閥、第一采樣裝置、第二采樣裝置和第一真空泵，第一真空泵設置于支排氣管的末端，流量計設置于第一流量調節(jié)閥的上方，在第一采樣分級器的一側設置第一排氣管路，在第一排氣管路的末端設置第二濾清器，在第二采樣分級器的一側設置支路第二排氣管路，在支路第二排氣管路上依次設置第四電磁閥、第三采樣裝置、第四采樣裝置和第二真空泵，第二真空泵設置在支路第二排氣管路的末端；

在灰分采樣模塊中，灰分采樣模塊第一管路與支路第二排氣管管路相連，灰分采樣模塊第二管路與支排氣管管路相連；在灰分采樣模塊第二管路上設置有第二電磁閥；在灰分采樣模塊第一管路上依次設置第三電磁閥、加熱裝置、加熱控制單元、第二調節(jié)閥、第五采樣裝置、第六采樣裝置和第三真空泵，加熱裝置與加熱控制單元相連，第三真空泵設置在灰分采樣模塊第一管路的末端；

在模式切換模塊中，電源通過第一控制開關與兩個電路端口連接，其中一個電路中設置有時間繼電器，另一個電路為導線電路；設置時間繼電器的電路和導線電路通過第二控制開關分別與第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥相連接。

在上述技術方案中，流量計為一體型熱式氣體流量計。

在上述技術方案中，第一采樣裝置、第三采樣裝置、第五采樣裝置選擇銅網濾柵為接收裝置，設置在夾持器上，整體上作為采樣裝置，微柵采樣時間為1-2s。

在上述技術方案中，第二采樣裝置、第四采樣裝置、第六采樣裝置為濾紙采樣裝置，采用濾紙采樣，即將濾紙的接收面垂直于氣體流動方向，進行設置，濾紙采樣時間為1-2h。

在上述技術方案中，通過控制單元進行加熱控制，以使氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度，通過控制單元以使加熱裝置快速升溫，在10min之內實現升溫需要。當氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度時，打開第二調節(jié)閥并結合電磁閥控制進行灰分采集。

在上述技術方案中，第一采樣分級器為PM虛擬沖擊器，或者慣性沖擊器，在采樣分級器中切割粒徑為1μm，發(fā)動機排氣經過第一采樣分級器，大于1μm的顆粒物進入第一排氣管路，小于1μm的顆粒物進入第二采樣分級器。

在上述技術方案中，第二采樣分級器為PM虛擬沖擊器，或者慣性沖擊器，在采樣分級器中切割粒徑為0.3μm，發(fā)動機排氣經過第二采樣分級器，大于0.3μm的顆粒物進入灰分采樣模塊第一管路(經第四電磁閥、第三采樣裝置、第四采樣裝置和第二真空泵進行采樣)，小于0.3μm的顆粒物進入支排氣管(經過第一電磁閥、第一采樣裝置、第二采樣裝置和第一真空泵進行采樣)。

一種顆粒物復合采集系統(tǒng)的使用方法，按照下述步驟進行：

步驟1，啟動發(fā)動機，怠速工況下進行熱機，使其穩(wěn)定在目標工況，同時關閉第一和第二調節(jié)閥以及四個電磁閥；

步驟2，打開第一調節(jié)閥，根據流量計測量的結果判斷支排氣管內的瞬時流量，使支排氣管內的流量達到目標流量，如1±10％L/s；

步驟3，利用模式切換模塊進行操作模式和工作模式的選擇：(1)第一控制開關用于選擇操作模式，當第一控制開關置于導線電路端時，表示人工手動控制顆粒物采集時間，當第一控制開關置于設置有時間繼電器的導線端時，表示使用時間繼電器來控制采樣時間；(2)第二控制開關用于選擇系統(tǒng)的工作模式，當第二控制開關置于第一電磁閥所處的電路上時，控制第一電磁閥的打開狀態(tài)并關閉其余三個電磁閥進行二級顆粒物(即經過第一采樣分級器和第二采樣分級器處理后的顆粒物，顆粒物粒徑小于0.3μm)的采集；當第二控制開關置于第二電磁閥所處電路上時，控制第二電磁閥的打開狀態(tài)并關閉其余三個電磁閥進行二級顆粒物中的灰分成分的采集，通過控制單元進行加熱控制，以使氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度，通過控制單元以使加熱裝置快速升溫，在10min之內實現升溫需要，當氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度時，以去除有機物等雜質，保留顆粒物灰分，打開第二調節(jié)閥，以進行二級顆粒物中的灰分成分的采集；當第二控制開關置于第三電磁閥所處電路上時，控制第三電磁閥的打開狀態(tài)并關閉其余三個電磁閥進行一級顆粒物(即經過第一采樣分級器和第二采樣分級器處理后的顆粒物，顆粒物粒徑大于0.3μm小于1μm)中的灰分成分的采集，通過控制單元進行加熱控制，以使氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度，通過控制單元以使加熱裝置快速升溫，在10min之內實現升溫需要，當氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度時，以去除有機物等雜質，保留顆粒物灰分，打開第二調節(jié)閥，以進行一級顆粒物中灰分成份的采集；當第二控制開關置于第四電磁閥所處電路上時，控制第四電磁閥的打開狀態(tài)并關閉其余三個電磁閥進行一級顆粒物的采集。

與現有技術相比，本實用新型提供多種顆粒物采集模式，可靈活控制顆粒物采樣時間，操作模式中的人工操作和時間繼電器均可以實現對采集時間的控制；結構簡單、操作方便。本實用新型的目的是對發(fā)動機各級顆粒物不同層次及其成分進行采樣，集成度高，切換方便，操作簡單，可以實現對反映顆粒物不同層次的成分的采集。

附圖說明

圖1為復合采樣系統(tǒng)各模塊的示意圖。

圖2為本實用新型發(fā)動機顆粒物復合采樣裝置的結構示意圖。

圖中：I為模式切換模塊；II為顆粒物分級模塊；III為灰分采樣模塊；1-發(fā)動機；2-主排氣管；3-第一濾清器；4-支排氣管；5-流量計；6-第一流量調節(jié)閥；7-第一采樣分級器；8-第一排氣管路；9-第二濾清器；10-電源；11-第一控制開關；12-時間繼電器；13-導線；14-第二控制開關；15-第二采樣分級器；16-第一電磁閥；17-第二電磁閥；18-第三電磁閥；19-第四電磁閥；20-第三采樣裝置；21-第四采樣裝置；22-第二真空泵；23-加熱裝置；24-加熱控制單元；25-第二調節(jié)閥；26-第五采樣裝置；27-第六采樣裝置；28-第三真空泵；29-第一采樣裝置；30-第二采樣裝置；31-第一真空泵。

圖3為采樣分級器工作原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體的實施方式對本實用新型作進一步詳細描述：

如附圖1和2所示，一種發(fā)動機排氣顆粒物復合采樣系統(tǒng)，由發(fā)動機、主排氣管、第一濾清器、支排氣管、模式切換模塊、顆粒物分級模塊和灰分采樣模塊組成，其中：

主排氣管入口端與發(fā)動機排氣管的出口端連接，主排氣管出口端與第一濾清器連接，在發(fā)動機和第一濾清器之間的主排氣管上設置支排氣管；

支排氣管與顆粒物分級模塊相連，在顆粒物分級模塊中，支排氣管上依次設置第一流量調節(jié)閥、第一采樣分級器、第二采樣分級器、第一電磁閥、第一采樣裝置、第二采樣裝置和第一真空泵，第一真空泵設置于支排氣管的末端，流量計設置于第一流量調節(jié)閥的上方，在第一采樣分級器的一側設置第一排氣管路，在第一排氣管路的末端設置第二濾清器，在第二采樣分級器的一側設置支路第二排氣管路，在支路第二排氣管路上依次設置第四電磁閥、第三采樣裝置、第四采樣裝置和第二真空泵，第二真空泵設置在支路第二排氣管路的末端；

在灰分采樣模塊中，灰分采樣模塊第一管路與支路第二排氣管管路相連，灰分采樣模塊第二管路與支排氣管管路相連；在灰分采樣模塊第二管路上設置有第二電磁閥；在灰分采樣模塊第一管路上依次設置第三電磁閥、加熱裝置、加熱控制單元、第二調節(jié)閥、第五采樣裝置、第六采樣裝置和第三真空泵，加熱裝置與加熱控制單元相連，第三真空泵設置在灰分采樣模塊第一管路的末端；

在模式切換模塊中，電源通過第一控制開關與兩個電路端口連接，其中一個電路中設置有時間繼電器，另一個電路為導線電路；設置時間繼電器的電路和導線電路通過第二控制開關分別與第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥相連接。

流量計5為一體型熱式氣體流量計，用于測量支排氣管的累計流量和瞬時流量，并帶有數顯和超高溫溫度補償功能。

第一采樣裝置29、第三采樣裝置20、第五采樣裝置26選擇銅網濾柵為接收裝置，設置在夾持器上，整體上作為采樣裝置，且銅網微柵的接收面垂直于氣體流動方向，通用編號是T11012，200目圓孔銅網，100個/盒。

第二采樣裝置30、第四采樣裝置21、第六采樣裝置27為濾紙采樣裝置，采用濾紙采樣，即將濾紙的接收面垂直于氣體流動方向，進行設置；濾紙---石英膜，通用編號是7202，PALLFLEX TISSUQUARTZ 47mm---材質是石英，直徑為47mm的圓形濾紙。

第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥和第四電磁閥分別控制各自所在管路的開關狀態(tài)，以在不同工作狀態(tài)下進行調整。

發(fā)動機啟動，怠速工況下熱機30min，并在目標工況最大功率點，穩(wěn)定運轉，排氣經濾清器進入大氣中，同時關閉第一和第二調節(jié)閥以及四個電磁閥；打開第一調節(jié)閥，根據流量計測量的支排氣管顯示的瞬時流量，調節(jié)流量控制閥到目標流量，一般為1L/s，目標流量為恒定值。瞬時流量達到目標流量時，根據顆粒物采集需求的不同，在模式切換模塊選擇操作模式和工作模式。

結合圖1和圖2，I表示模式切換模塊，其中開關11用于選擇操作模式，即對采樣時間的控制方式，當開關11置于電路13端時，表示人工手動控制顆粒物采集時間，當開關11置于12端時，表示使用時間繼電器13來控制采樣時間；開關14用于選擇系統(tǒng)的工作模式，開關14可以連接到四個電磁閥，分別是16,17,18,19：當開關14置于電磁閥16所處的電路上時，16打開，17/18/19處于關閉狀態(tài)，表示采集二級顆粒物，經過第一采樣分級器和第二采樣分級器處理后的顆粒物，顆粒物粒徑小于0.3μm；當開關置于電磁閥17所在的電路上時，17打開，16/18/19處于關閉狀態(tài)，經過第一采樣分級器和第二采樣分級器處理后的顆粒物經過加熱裝置、加熱控制單元、第二調節(jié)閥、第五采樣裝置、第六采樣裝置和第三真空泵進行二級顆粒物中灰分成份的采集；當開關14置于電磁閥19在的電路上時，19打開，16/17/18處于關閉狀態(tài)，經過第一采樣分級器和第二采樣分級器處理后的顆粒物，顆粒物粒徑在0.3—1μm之間，經第三采樣裝置和第四采樣裝置進行一級顆粒物的采集；當開關14置于電磁閥18所在的電路上，18打開，16/17/19處于關閉狀態(tài)，一級顆粒物(粒徑在0.3—1μm之間)經加熱裝置、加熱控制單元、第二調節(jié)閥、第五采樣裝置、第六采樣裝置和第三真空泵進行灰分成份的采集。II表示系統(tǒng)中的顆粒物分級模塊，能夠實現對顆粒物不同粒徑等級的分級。III表示系統(tǒng)中的灰分采集模塊，能夠實現對不同等級顆粒物中灰分成分的采集。

安裝銅網微柵至夾持器中，作為采集裝置并進入相應位置，排氣支管的目標流量為1±10％L/s，進行微柵采樣。微柵采樣持續(xù)1-2s，采樣結束后，取出夾持器中的銅網微柵，放入儲存盒內，以備后續(xù)透射電鏡檢測。進行濾紙采樣，采樣時間根據發(fā)動機排放性能、運轉工況和環(huán)境因素進行設定，為了保證樣品數量以便于后續(xù)檢測，通常需要1-2小時，采樣結束后，從膜盒中取出采樣濾紙，放入儲存盒內。通過控制單元進行加熱控制，以使氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度，通過控制單元以使加熱裝置快速升溫，在10min之內實現升溫需要。當氣體溫度穩(wěn)定在500±5攝氏度時，并結合電磁閥控制進行灰分采集。

以上對本實用新型做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本實用新型的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本實用新型的保護范圍。