廢氣取樣稀釋器及方法

2023-12-10 00:46:11 2

專利名稱：廢氣取樣稀釋器及方法
技術領域：
本發明涉及一種用於稀釋特別是發動機廢氣的裝置，即所謂的稀 釋器。更特別地，本發明涉及一種裝置和一種方法，其能夠保持恆定
的稀釋率，而不必考慮排氣管線中的廢氣背壓(backpressure)。
背景技術：
在排氣被導入到儀器進行分析之前，在排氣取樣的過程中稀釋器 是必須的。特別地，稀釋器會降低廢氣的溫度和溼度，否則，分析儀 器不可能經受其溫度和溼度。此外，稀釋器會降低汙染物的濃度並在 分析之前使樣品平衡。
廢氣的稀釋可以通過使用完全流動的稀釋器來實現，其中所有廢 氣被導入到稀釋管道，在稀釋管道處，廢氣在分析之前與經環境過濾 的空氣混合。這種稀釋系統包括恆定體積的取樣技術，其描述於歐洲 委員會(the European Commission)的法規91/441/EEC(官方公報L 242， 30/08/1991 P.0001-0106)中。由於廢氣和稀釋空氣的混合比例隨著廢氣 的瞬時流量(flowrate)而改變，所以恆定體積、完全流動的稀釋器對 於瞬時測試引起了可變的稀釋率。當遇到排出物，特別是顆粒物排出 物的精確表徵(characterization)時，可變的稀釋率存在著顯著的缺點， 因為根據稀釋後的揮發物和半揮發物物質的飽和比，其會引起顆粒成 核和凝結(condensation)的可變度。
為了克服可變的稀釋率的問題，廣泛採用了部分流動取樣系統， 在該系統中僅有一部分廢氣被取樣、測量並用測定量的稀釋空氣調節， 以提供固定的稀釋率。通過這種系統實現的稀釋率典型地在10: 1至 1000: l的範圍內。這種較寬的範圍要求在可利用儀器的測量範圍內， 降低來自諸如傳統的柴油發動機、具有顆粒過濾器的柴油機的不同來 源的顆粒水平。這種部分流動系統例如描述於專利申請 US2003/0232449A1、 JP2004205253A2004.T.22中。因為所提供的稀釋率對於廢氣壓力的變化相當敏感，所以這些裝置主要目的是在後處理 裝置的下遊對排氣進行取樣。在後處理裝置的上遊，並且特別是在柴 油機顆粒過濾器的上遊，排氣背壓會在高於環境幾毫巴至數百毫巴之 間變化，從而導致了稀釋率的顯著變化。
呈現在專利CH693491中的裝置解決了該問題，提供了恆定的稀 釋率，該稀釋率對於上遊的廢氣條件不太敏感，但是卻引入了大量的 移動部件，這些移動部件對於稀釋熱而潮溼並充滿顆粒的廢氣是不合 乎需要的。
發明目的
本發明的目的是稀釋廢氣，提供恆定的稀釋率，而不必考慮上遊 廢氣的壓力，且無需使用任何移動部件。所提出的稀釋器使用非常少 的一部分廢氣(量級為0.5 1pm)，該廢氣經過毛細管道而被取樣。由於 廢氣的量相當低，所以不需要稀釋器和排氣管線之間的緊密固定，但 是毛細管會僅僅浸沒在排氣氣流中，否則，排氣氣流會自由地排放到 大氣中。在這方面，毛細管入口總是暴露於幾乎環境壓力中，而不考 慮廢氣的壓力，這就導致了恆定的稀釋率。經過毛細管的樣品流量可 以通過在毛細管出口處保持經調節的負壓力來實現。隨後，經稀釋的 排氣被收集在穩定化腔室中，在該穩定化腔室中，溫度、溼度和停留 時間均可以隨意調整，以調節所收集的氣溶膠(aerosol)。不同的稀釋 率設置可以通過適當地調整穩定化腔室中的負壓來實現。多個毛細管 和穩定化腔室可以被級聯(cascaded)以增加稀釋率。在最終的稀釋階 段之後，顆粒樣品可以被收集在用於重量分析測定法的過濾器上，或 者通過計數器、表面監測器或用於顆粒的物理或化學特性的任何其它 技術來分析。

發明內容
在一個優選的具體實施方案中，毛細管道利用皮下注射器針頭來 實現，並且兩個級聯的皮下注射器針頭/穩定化腔室被結合以提供所需 的稀釋率。稀釋器的位置相對於車輛/發動機排氣管線固定，並且所述 針頭被插入所述排氣管線中。該實施方案可以被用於稀釋來自諸如壓 縮點火發動機、火花點火發動機以及整車排氣管線的任何發動機或車
7輛配置的氣溶膠。
在另一個具體實施方案中，廢氣可以藉助於兩個探針而被導入到 所述稀釋器的毛細管道，所述兩個探針分別位於需要被表徵的任何後 處理裝置的上遊和下遊。所述探針具有適當的直徑，從而提供在邊緣 處高於所述第一皮下注射器針頭中的流量的總體廢氣流量。過度流量 被排放到處於恆定壓力下的大氣中。藉助於截止閥，廢氣可以通過所 述上遊或下遊探針而被送至稀釋器的毛細管，由此對該裝置的過濾效 率提供評估。


圖1顯示了本發明的第一個具體實施方案。其示出了第一毛細管
(1)和第二毛細管(5)以及第一穩定化腔室(2)和第二穩定化腔室 (6)。排氣在穩定化腔室(2)、 (6)中調節後，藉助於泵(9)而從排 氣管被抽到測量儀器。
圖2顯示了通過第一毛細管(1)在管道出口尖端的上遊的第一稀 釋空氣管道(3)中排放樣品而形成的第一混合尖端的細節。
圖3顯示了本發明的第二個具體實施方案。在該實施方案中，第 一稀釋空氣管道(3)和第二稀釋空氣管道(7)以及樣品出口 (8)的 流動阻力藉助於節流機構(14)、 (13)和(12)而進行獨立地調節。 圖4中具體顯示的過度流量配置還被用於對後處理裝置的上遊和下遊 的排氣進行連續取樣。
圖4顯示了過度流動配置，其中，當排氣流量自由地排放到大氣 中時，第一毛細管(1)的入口尖端由排氣流量浸沒並環繞。
具體實施例方式
參考圖1，附圖標記(1)表示第一毛細管，第一毛細管將未稀釋 的排氣抽取到第一穩定化腔室(2)中。第一穩定化腔室中的稀釋通過 經由第一稀釋空氣管道(3)導入稀釋空氣而進行。由於第一穩定化腔 室(2)中的負壓，經過第一毛細管(1)的樣品和經過第一稀釋空氣 管道(3)的稀釋空氣被導入到第一穩定化腔室(2)中。第一穩定化 腔室(2)中的負壓通過泵(9)經由第一出口管道(4)抽取空氣而產生。第一穩定化腔室(2)中樣品的稀釋率(量級典型地為20: 1)和
停留時間(量級典型地為0.5-l.Os)可以藉助於節流機構(11)而調節， 節流機構(11)可以是任何適合的調節閥或者質量流量控制器。樣品 在第一穩定化腔室中的穩定化必須能夠使得排氣成分與稀釋空氣均勻 混合，並使得溫度平衡。
由於第一毛細管(1)的尖端處於環境壓力下，所以經過第一毛細 管的流量(量級典型地為0.5 1pm)僅取決於第一穩定化腔室(2)中的 壓力、經過第一稀釋空氣管道(3)的稀釋空氣流量(量級典型為10 lpm 至更低程度)、排氣管中廢氣的溫度。負壓和第一稀釋空氣流量通過所 使用的泵(9)和節流機構(11)的特性曲線而隱性地關聯。因此，在 穩定狀態的發動機操作且恆定的廢氣溫度下，第一穩定化腔室(2)中 的稀釋率僅取決於節流機構(11)的設定。
為了進一步增加稀釋率，如果這需要排氣管中的高顆粒濃度，那 麼第二毛細管(5)被牢固地連接到第一穩定化腔室(2)，使第一 (primary)稀釋的樣品通向第二穩定化腔室(6)。從第一穩定化腔室 (2)到第二穩定化腔室(6)的流量通過在第二穩定化腔室(6)中產 生相比第一穩定化腔室(2)中更高的負壓而實現。這可以通過將泵(9) 經由樣品管道(8)連接到第二穩定化腔室(6)而實現，無需任何中 間阻力，而是僅利用用於顆粒特性的裝置/技術(10)。除了前一段中提 到的變化(variables)夕卜，該配置中的總體稀釋率取決於第二穩定化腔 室(6)和第一穩定化腔室(2)之間的壓力差，以及顆粒測量單元(10) 所需的經過樣品管道(8)總體流量。當排氣管中的排氣壓力和溫度的 變化受到限制，並且當稀釋率不需要精確地調節時，可以採用該第一 個具體實施方案。
為了使顆粒損失最小化，為了使毛細管中的流量穩定，並且為了 提高樣品與稀釋空氣的混合，在穩定化腔室的上遊形成混合尖端。其
略為詳細地顯示於圖2中。在該混合尖端中，來自第一毛細管(1)的 樣品流量首先暴露到在第一稀釋空氣管道(3)中流動的稀釋空氣的流 量中。在稀釋空氣在穩定化腔室中膨脹之前，第一稀釋空氣管道(3) 形成90度的彎曲。毛細管出口尖端沿著第一稀釋空氣管道(3)的軸 線而位於該彎曲的下遊，且位於第一稀釋空氣管道尖端的上遊。相似的混合尖端還形成於第二毛細管(5)的下遊。
圖3示出了第二個具體實施方案，該實施方案優選用在例如期望 廢氣壓力和溫度發生較大變化以及對稀釋率的調節要求較高精確度的 測量中。在該具體實施方案中，第一毛細管(1)經由傳送管線(17) 或(18)而被暴露到從排氣管線抽取的少量廢氣流量中。第一毛細管 並未固定到排氣管道，這使得其能夠在環境壓力下自由地排放到大氣 中。
圖4顯示了過度流動配置的細節，在過度流動配置處，第一毛細 管(1)從傳送管線(17)和(18)的出口取樣。就在其在大氣中膨脹 之前(例如，10mm)，第一毛細管(1)由廢氣流完全浸沒和環繞。傳 送管線出口中的樣品流量超過第一毛細管(1)中的樣品流量，並且其 在取樣水平處的壓力類似於環境。取樣尖端處的廢氣的溫度可以藉助 於加熱元件(23)而調節，並由溫度敏感元件(22)測量。樣品可以 通過開啟截止閥(19)和(20)而從沿著排氣管線的不同位置抽取， 例如，從後處理裝置的下遊和上遊抽取。
第一穩定化腔室(2)和第二穩定化腔室(6)中的稀釋如第一具 體實施方案中所述而進行。為了實現對稀釋率更為精確的調節，經過 第一稀釋空氣管道(3)和第二稀釋空氣管道(7)的稀釋空氣流量分 別藉助於節流機構(14)和(13)進行調節。此外，抽取到該系統外 的流量藉助於節流葉片(11)和(12)進行調節。在此情況下的稀釋 率計算必須也考慮這些闊的設定。與現有技術相比，該具體實施方案 具有無需任何移動部件而能夠保持恆定的稀釋率的優點，該稀釋率僅 取決於節流閥(11)、 (12)、 (13)、 (14)以及泵(9)的設定，而與排 氣管中的廢氣的溫度和壓力無關。
此外，如果需要對樣品進行另外的調節，溫度調節元件(16)可 以介於節流機構(14)的下遊的第一稀釋空氣管道(3)中，以便調節 第一稀釋空氣的溫度。而且，稀釋空氣淨化單元(15)可以用於控制 稀釋空氣的雜質和溼度。
權利要求
1、一種用於特別是車輛或發動機的廢氣取樣的稀釋器，該稀釋器包括第一毛細管(1)，所述第一毛細管(1)連接到第一穩定化腔室(2)，所述第一穩定化腔室的壓力藉助於真空泵(9)而被保持在環境壓力以下，所述真空泵(9)藉助於第一出口管道(4)而連接到所述第一穩定化腔室，所述第一穩定化腔室中的稀釋空氣藉助於第一稀釋空氣管道(3)經過第一混合尖端而被引入，其特徵在於，提供過度流量配置，用於提供超過所述毛細管(1)中的樣品流量的廢氣流量，所述廢氣流量總體上環繞所述毛細管入口尖端，其中所述第一毛細管(1)被浸沒在具有所述配置的廢氣流量中，其中所述稀釋器經由所述第一毛細管(1)抽取廢氣。
2、 根據權利要求1所述的稀釋器，其特徵在於，提供節流機構(ll)， 藉助於所述節流機構(U)對所述第一穩定化腔室(2)的樣品的稀釋 率和停留時間進行調節。
3、 根據權利要求1或2所述的稀釋器，其特徵在於，提供第二穩 定化腔室(6)和第二毛細管(5)，所述第二毛細管(5)被浸沒在所 述第一穩定化腔室(2)中，用於將樣品從所述穩定化腔室(2)導入 到所述第二穩定化腔室(6)，所述第二穩定化腔室(6)的壓力被保 持在所述第一穩定化腔室(2)的壓力以下，且其中提供樣品管道(8)， 通過利用所述泵(9)或不同的真空泵而從所述樣品管道(8)抽取樣 品以實現該低壓力，並且其中提供第二稀釋空氣管道(7)和第二混合 尖端，所述第二穩定化腔室(6)中的稀釋空氣經過所述第二混合尖端 而引入。
4、 根據權利要求1至3中任意一項所述的稀釋器，其特徵在於， 每個所述混合尖端通過分別將對應毛細管(5)的軸線和對應稀釋空氣 管道(7)的軸線對準而形成，其中由所述毛細管運送的樣品流被暴露 到所述稀釋空氣管道的所述出口尖端上遊的稀釋空氣流中。
5、 根據權利要求3或4所述的稀釋器，其特徵在於，提供節流機 構(14、 13)，所述節流機構(14、 13)能夠分別獨立地調節所述第 一稀釋空氣管道(3)和所述第二稀釋空氣管道(7)的流動的阻力； 和/或節流機構(11、 12)，所述節流機構(11、 12)能夠分別獨立地 調節所述第一出口管道(4)和所述樣品出口管道(8)的流動的阻力。
6、 根據前述權利要求中任意一項所述的稀釋器，其特徵在於，提 供加熱元件(23)和溫度敏感元件(22)，從而能夠藉助於所述加熱 元件(23)對所述樣品尖端處的廢氣的溫度進行調節，並通過所述溫 度敏感元件(22)對所述樣品尖端處的廢氣的溫度進行測量。
7、 根據前述權利要求中任意一項所述的稀釋器，其特徵在於，多 個毛細管和穩定化腔室級聯設置，以提高稀釋率。
8、 根據前述權利要求中任意一項所述的稀釋器，其特徵在於，所 述毛細管道由皮下注射器針頭而實現，其中至少兩個級聯的皮下注射 器針頭/穩定化腔室被結合以提供所需的稀釋率。
9、 根據前述任一權利要求所述的稀釋器，其特徵在於，所述稀釋 器的位置相對於車輛/發動機排氣管線固定，並且所述針頭插入所述排 氣管線中。
10、 用於特別是車輛或發動機廢氣取樣的方法，尤其是用於操作 根據前述權利要求任意一項的稀釋裝置的方法，其特徵在於，所述穩 定化腔室的壓力藉助於真空泵(9)而被保持在環境壓力以下，並且在 所述穩定化腔室中，所述穩定化腔室中的稀釋空氣藉助於所述第一稀 釋空氣管道(3)經由第一混合尖端而被引入，且在於所述稀釋器經由 所述第一毛細管(1)抽取廢氣，所述第一毛細管(1)浸沒在具有所 述過度流量配置的所述廢氣流量中，所述過度流量配置提供超過所述 毛細管中的樣品流量的廢氣流量，所述廢氣流量總體上環繞所述毛細 管入口尖端。
11、 根據從屬於權利要求3至9中任意一項的權利要求10所述的 方法，其特徵在於所述第二毛細管(5)浸沒在第一穩定化腔室(2) 中，並將樣品從所述穩定化腔室(2)導入到第二穩定化腔室(6)， 所述第二穩定化腔室(6)的壓力被保持在所述第一穩定化腔室(2) 的壓力以下，並且通過利用所述泵(9)或不同的真空泵而從樣品管道(8)抽取樣品以實現該低壓力，並且稀釋空氣藉助於第二稀釋空氣管 道(7)經由第二混合尖端而被引入所述第二穩定化腔室(6)中。
12、 根據權利要求ll所述的方法，其特徵在於，混合和溫度平衡 所需的限定的停留時間通過所述第一穩定化腔室(3)和第二穩定化腔 室(6)而產生。
13、 根據前述權利要求10至12中任意一項所述的方法，其特徵 在於，所述第一稀釋空氣管道(7)中的稀釋空氣的溫度選擇性地獨立 於所述第二稀釋空氣管道(7)中的稀釋空氣的溫度而進行調節。
14、 根據權利要求10至13中任意一項所述的方法，其特徵在於， 產生基本恆定的稀釋率，而不必考慮上遊廢氣的壓力，並無需使用任 何移動部件。
15、 根據權利要求10至14中任意一項所述的方法，其特徵在於， 具體量級為0.5 Imp的非常少的一部分廢氣由所述稀釋器使用，其經過 所述毛細管道而被取樣。
16、 根據權利要求10至15中任意一項所述的方法，其特徵在於， 經調節的負壓保持在毛細管出口 7處，並且在於經稀釋的排氣隨後被 收集在所述穩定化腔室中。
17、 根據權利要求10至16中任意一項所述的方法，其特徵在於， 在最終稀釋階段之後，顆粒樣品被收集在用於重量分析測定法的過濾 器上，或者通過計數器、表面監測器等來分析。
18、 根據前述權利要求10至17中任意一項所述的方法，其特徵 在於，廢氣藉助於兩個探針而被導入到稀釋器的毛細管道，所述兩個 探針分別位於待表徵的後處理裝置的上遊和下遊，其中所述探針具有 適當的直徑，從而提供在邊緣處高於所述第一皮下注射器針頭中的流 量的總體廢氣流量，過度流量被排放到處於恆定壓力下的大氣中，並 且藉助於截止閥，廢氣通過所述上遊或下遊探針而被送至所述稀釋器 的毛細管，從而對該裝置的過濾效率提供評估。
19、 根據權利要求1至9中任意一項，特別是權利要求8或9所 述裝置用於稀釋來自諸如壓縮點火發動機、火花點火發動機以及整車 排氣管線的任何發動機或車輛配置的氣溶膠的用途。
全文摘要
本發明涉及一種用於稀釋特別是發動機或車輛的廢氣的裝置(稀釋器)。更特別地，本發明涉及一種裝置和一種方法，其能夠保持恆定的稀釋率，而不必考慮排氣管線中的廢氣背壓，並無需使用任何移動部件。所提出的稀釋器使用非常少的一部分廢氣，該廢氣經過毛細管道而被取樣，所述毛細管道只是被浸沒到排氣氣流中，否則，排氣氣流會自由地排放到大氣中。經過毛細管的樣品流量通過在毛細管出口處保持經調節的負壓力來實現。隨後，經稀釋的排氣被收集在穩定化腔室中，在該穩定化腔室中，溫度、溼度和停留時間均可以隨意調整，以調節所收集的氣溶膠。多個毛細管和穩定化腔室可以被級聯以增加稀釋率。在最終的稀釋階段之後，顆粒樣品可以被收集在用於重量分析測定法的過濾器上，或者通過計數器、表面監測器或用於顆粒的物理或化學特性的任何其它技術來分析。在一個優選的具體實施方案中，毛細管道利用皮下注射器針頭來實現，並且兩個級聯的皮下注射器針頭/穩定化腔室被結合以提供所需的稀釋率。在另一個具體實施方案中，廢氣可以藉助於兩個探針而被導入到所述稀釋器的毛細管道，所述兩個探針分別位於需要被表徵的任何後處理裝置的上遊和下遊。藉助於截止閥，廢氣可以通過所述上遊或下遊探針而被送入稀釋器的毛細管，由此對該裝置的過濾效率提供評估。
文檔編號G01N1/00GK101680821SQ200880004718
公開日2010年3月24日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者L·恩齊亞克裡斯託, Z·薩馬拉斯 申請人:塞薩洛尼基亞里斯多德大學研究委員會;Z·薩馬拉斯;L·恩齊亞克裡斯託