內燃機缸內快速點取樣系統的製作方法
2023-06-14 11:43:36 1
專利名稱：內燃機缸內快速點取樣系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種發動機，尤其涉及一種內燃機排放物的測量分析系統。
背景技術：
現今的人們，不僅已經認識到大氣可吸入顆粒物是大氣環境汙染的突出問題，而且也認識到大氣環境汙染對人體健康的嚴重危害。為此，我國政府已陸續出臺了一系列相關的標準和法律文件，但是目前對大氣可吸入顆粒物的產生機理和大氣環境汙染控制方面的研究才剛剛起步，而且國內外關於可吸入顆粒物的研究工作也多集中在源解析、環境影響及健康評估方面，對於可吸入顆粒物源的形成和控制技術的基礎研究工作非常少，所以人們對於可吸入顆粒物的形成及其行為規律的認識十分缺乏，最關鍵的問題在於目前還沒有一種可有效控制可吸入顆粒物排放的方法。
本領域人員周知，可吸入顆粒物的形成包括自然源和認為源兩個重要途徑，而燃燒排放的可吸入顆粒物為最大來源，同時在可吸入顆粒物中最有害的物質通常也來自於燃燒源，所以，柴油機排放的顆粒物就成為了大氣可吸入顆粒物的重要來源之一。因此，開展柴油機顆粒排放物的研究工作十分必要。
點狀取樣法可以在發動機的任意曲軸轉角、任意燃燒空間位置從燃燒室內獲得少量的燃燒過程產物，為研究柴油機缸內的微粒生成提供了條件。然而，目前，國內外關於柴油機微粒的研究幾乎還停留在九十年代初的聚集態水平，對於以核態形式存在的納米微粒的基礎研究幾乎沒有開展。因此，為了保護環境和人體健康，對現代柴油機排氣微粒的重新認識和研究勢在必行。為獲得現代柴油機可吸入顆粒物形成歷程及反應機理，必須對缸內充量(空氣+燃燒產物)進行觀察、測量與分析，為此必須選定一種能夠獲取缸內充量的試驗方法，而且，要求該點狀取樣技術滿足如下要求1.可在發動機循環的任意時刻、不同燃燒室位置取樣；2.取樣閥關閉時，閥座處的氣體洩露要儘量小；3.取樣持續期不宜過長，特別是當缸內氣體成分變化很快時；4.取樣充量應該迅速被淬滅，以保證取樣充量化學特性不發生改變；5.和高溫氣體接觸的取樣閥應由不與取樣氣體發生反應的材料製作；6.取樣的開啟時刻和關閉時刻應該容易控制，使取樣過程具有很好的重複性。
發明內容
本發明的目的，就是為開展柴油機顆粒物生成機理和演化過程的研究，提供一種可滿足以上要求，並可精確地在任意指定的曲軸轉角及選定的燃燒空間位置下採集缸內少許充量進行分析的內燃機缸內快速點取樣系統。
本發明的內燃機缸內快速點取樣系統，由發動機，取樣執行機構，氮氣稀釋機構、取樣袋和電控單元組成；所述電控單元的輸入端分別連接所述發動機的凸輪位置傳感器以及缸壓傳感器，所述電控單元的輸出端分別連接所述取樣執行機構中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構；所述取樣執行機構的取樣閥安裝在所述發動機的氣缸缸蓋內，且所述取樣閥的輸出端分別通過樣氣通道與所述氮氣稀釋機構和取樣袋相通，所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器。所述的樣氣通道中設置有濾紙或銅網。
所述取樣執行機構中的取樣閥，由密封座、座套、針體、閥體、彈簧、連接杆、彈簧調節座、連接體、調整墊片、銜鐵、電磁鐵以及端蓋組成；所述的密封座設置在座套前端的孔內；所述的座套設置在針閥的前端；所述的針閥安裝在閥體軸心處，所述閥體後端的內徑處與外徑處分別設置有彈簧調節座和連接體，所述彈簧調節座的中心設置有連接杆；所述連接杆的前端與所述的針閥後端連接，所述連接杆的外徑處設置有裝在所述彈簧調節座上的彈簧，所述連接杆的末端連接銜鐵；所述銜鐵的後部設置有電磁鐵，且所述銜鐵與電磁鐵之間設置有微小間隙；所述的電磁鐵設置在端蓋的底部；所述端蓋的埠與套裝在所述閥體後端的連接體埠相契合，所述端蓋與所述連接體的契合面間設置有調整墊片。所述取樣閥的材料採用耐熱合金鋼4Cr9Si2製作。
所述的氮氣稀釋機構，由稀釋管路和順序安裝在所述稀釋管路中的氮氣瓶、電磁閥、流量計、發動機和取樣袋組成，所述的流量計通過不鏽鋼管路以及四氟乙烯塑料法蘭連接取樣袋。
所述的電控單元，包括設置有定時卡和A/D採集卡的工控機、調理濾波單元、信號合成單元、功率驅動單元、光耦和蓄電池；所述工控機中的定時卡連接信號合成單元的輸入端，所述信號合成單元的輸出端通過光電隔離器件連接功率驅動單元的輸入端，所述功率驅動單元的輸出端連接所述取樣閥中的電磁鐵以及所述氮氣稀釋機構中的電磁閥；所述調理濾波單元的輸入端連接發動機缸內的壓力傳感器，所述調理濾波單元的輸出端連接所述工況機中的A/D採集卡，所述的A/D採集卡連接計算機；所述的定時卡採用PS2401晶片，所述的A/D採集卡採用AC1820A晶片；所述蓄電池的電壓為24V。
本發明的有益效果是可以在發動機任意曲軸轉角、任意燃燒空間位置下，從燃燒室內獲得少量缸內充量進行分析，方便研究內燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉化機理，為進一步探索內燃機可吸入顆粒物的生成機理和演化過程提供一個重要手段，為大氣環境汙染防治的系統理論提供一個科學依據。
圖1是本發明的系統組成示意圖；圖2是本發明執行機構中取樣閥的剖面構成圖；圖3是本發明中電控單元的硬體結構框圖；圖4是本發明中氮氣稀釋機構示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖與實施例對本發明作以具體描述。
圖1示出了本發明內燃機缸內快速點取樣系統的組成方式。
由圖可見，內燃機缸內快速點取樣系統，包括發動機、取樣執行機構、氮氣稀釋機構、取樣袋和電控單元；所述電控單元的輸入端分別連接所述發動機的凸輪位置傳感器以及缸壓傳感器，並通過所述傳感器分別採集發動機同步信號和缸內壓力等參數，所述電控單元的輸出端分別連接所述取樣執行機構中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構，並將控制信號傳輸至工控機，再以控制脈衝驅動所述的取樣執行機構與氮氣稀釋機構；所述取樣執行機構的取樣閥安裝在所述發動機的氣缸缸蓋內，且所述取樣閥的輸出端分別通過樣氣通道與所述的氮氣稀釋機構和取樣袋相通；所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器，並通過樣氣通道將取出的樣氣充量送入所述的顆粒物分析儀器。
圖2示出了所述取樣執行機構中取樣閥的結構。
所述的取樣閥，包括閥體4以及安裝在所述閥體4軸心處的針閥3，所述針閥3的前端裝有座套2，所述座套2前端的孔內安裝密封座1，所述閥體4後端的內徑處及外徑處分別設置有彈簧調節座8和連接體9，所述彈簧調節座8的中心處貫穿設置連接杆7，所述連接杆7的前端連接所述的針閥3，所述連接杆7的外徑處套裝彈簧6，所述的彈簧6裝在所述彈簧調節座8的彈簧孔內，所述連接杆7的末端連接銜鐵11，所述銜鐵11的後部設置有電磁鐵12，所述的銜鐵兒和電磁鐵12之間留有一個微小的間隙，所述的電磁鐵12通過螺釘固定在端蓋13的底部，所述端蓋13的埠與套裝在所述閥體4後端的連接體9的埠相契合，且兩者的契合面之間設置有調整墊片10。該取樣閥中的閥體4連接取樣系統中的氮氣稀釋機構和取樣袋，所述的連接杆7和針閥3組成所述取樣閥中的運動部件針閥體；所述彈簧6的預緊力通過調節彈簧調節座8和針閥體4的螺紋連接長度予以調整；設置在座套2前端孔內的密封座1對所述的針閥3起密封和導向作用。所述取樣閥的中心任務是適時吸合電磁鐵12，當針閥體升起時，使缸內氣體通過樣氣輸出通道溢出燃燒室，並由出氣口5輸出，而其動作時刻的控制由相應的控制電路提供。取出樣氣的同時稀釋機構使樣氣迅速降溫，淬滅化學反應。在取樣閥中，由於所述針閥3的前端裝有座套2，且所述座套2前端的孔內安裝密封座1，所以，當取樣結束後，所述的針閥3又會在彈簧6的壓力作用下密閉在密封座1上。這種結構設置，一方面能使取樣閥在關閉狀態下，其閥、座處的氣體洩露量很小；另一方面，當控制電路發出驅動信號時，將有足夠的電壓加在電磁鐵12上，以使銜鐵11和電磁鐵12在電磁線圈的作用下吸合，並克服彈簧6的彈簧力使針閥3升起。也就是說，當電磁鐵12通電後，可以使針閥3快速離開密封座1，而在彈簧力和銜鐵11的作用下，又可以使針閥3快速的落回密封座1。取樣充量在缸內壓力的作用下從取樣口進入取樣閥，並通過樣氣通道進入取樣袋。為了使和高溫氣體接觸的取樣閥不與取樣氣體發生反應，所述的取樣閥採用耐熱合金鋼4Cr9Si2材料製作。為了有效捕捉樣氣中的顆粒成分，可以在樣氣通道上設置濾紙或者銅網。
圖3是本發明中電控單元的硬體結構框圖。
從圖中可以看出，所述的電控單元，由工控機、調理濾波單元、信號合成單元、功率驅動單元、光電耦合隔離器件和蓄電池組成；其中的工控機包括定時卡和A/D採集卡，所述的定時卡採用PS2401晶片，所述的A/D採集卡採用AC1820A晶片，所述的定時卡的輸出端與信號合成單元的輸入端連接，所述信號合成單元的輸出端通過光電隔離與功率驅動單元的輸入端連接，所述功率驅動單元的輸出端與取樣閥中的電磁鐵12和稀釋機構的電磁閥連接，並通過控制信號驅動取樣閥中的電磁鐵12和稀釋機構的電磁閥動作；缸內壓力傳感器與調理濾波單元的輸入端連接，並將壓力信號傳送到所述的調理濾波單元，所述調理濾波單元的輸出端與A/D採集卡連接，所述的A/D採集卡的輸入端連接計算機，所述功率驅動單元的MOSFET功率場由24V的蓄電池驅動。電控單元的作用主要是合成控制取樣閥中電磁鐵11所需的信號以及氮氣稀釋機構中電磁閥的驅動信號，由定時卡上集成的8253可編程定時器產生的TTL邏輯信號，經可編程邏輯器件(GAL)進行合成噴射控制信號，該信號經過光電隔離器件到達功率驅動單元，並由所述功率驅動單元中具有高速開關特性的MOSFET功率場效應電晶體進行功率放大，驅動取樣閥中電磁鐵12和針閥3在取樣過程中的動作。
圖4是本發明中氮氣稀釋結構的示意圖。
從圖中可以看出，所述的氮氣稀釋機構，由不鏽鋼管路和順序安裝在所述管路中的氮氣瓶18、電磁閥17、流量計16、發動機15和取樣袋14構成，所述的流量計16通過不鏽鋼管路以及四氟乙烯塑料法蘭連接取樣袋14。所述氮氣稀釋結構的氣流方向與前述各部件的安裝順序一致。
本發明的內燃機缸內快速點取樣系統，在取樣開始時，由所述的電控單元根據操作者的指令發出控制信號，驅動所述的取樣執行機構並同時控制所述氮氣稀釋機構中的電磁閥17開啟；所述功率驅動單元接收到控制信號後，使所述取樣閥中的電磁鐵12與銜鐵11在蓄電池的作用下吸合，其提供的電磁力使針閥3克服彈簧6的預緊力而快速地從密封座1中升起；由於針閥3離開密封座1，使樣氣通道通過針閥3和密封座1之間的間隙與發動機的燃燒室相通，樣氣充量在缸內壓力的作用下，從這個間隙流入樣氣通道，並通過所述氮氣稀釋機構中氮氣瓶18的氮氣稀釋後流入取樣袋14，完成一次取樣過程。取樣結束後，由操作者向電控單元發出停止取樣指令，使所述取樣閥中的電磁鐵12在彈簧6的作用下迅速釋放銜鐵11，從而使針閥3回位並密閉在密封座1上，同時關閉所述氮氣稀釋機構中的電磁閥17。
由於本系統在所述的樣氣通道中安裝了濾紙或銅網，所以，能有效地捕捉到樣氣中的顆粒成分。對取樣袋14內的取樣充量或濾紙和銅網上顆粒成分的分析工作，則由所述的顆粒物分析儀器完成。
本發明的缸內快速點取樣系統，與現有技術比較，其優點在於1.隨時對缸內充量(空氣+燃燒產物)進行觀察、測量與分析；2.能夠在發動機連續運轉的任意時刻，從不同燃燒室內的任意位置取樣；3.取樣持續期短，適於了解成分變化很快時缸內氣體的性質；4.取樣充量淬滅迅速，可保證取樣充量化學特性不發生改變；5.取樣的開啟時刻和關閉時刻容易控制，具有良好的取樣過程重複性。
本發明的缸內快速點取樣系統，方便研究內燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉化機理，並可通過此研究進一步探索內燃機可吸入顆粒物的生成機理和演化過程，從而為防治大氣環境汙染的系統理論提供一個科學依據。
以上參照附圖和實施例，對本發明的內燃機缸內快速點取樣系統進行了示意性描述，該描述沒有限制性，附圖中所示的只是本發明的一種實施方式。所以，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明主題創造宗旨的情況下，對其進行各種顯而易見的修改，均應屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種內燃機缸內快速點取樣系統，包括發動機，取樣執行機構和氮氣稀釋機構，其特徵是，它還包括取樣袋和電控單元；所述電控單元的輸入端分別連接所述發動機的凸輪位置傳感器以及缸壓傳感器，所述電控單元的輸出端分別連接所述取樣執行機構中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構；所述取樣執行機構中的取樣閥安裝在所述發動機的氣缸缸蓋內，且所述取樣閥的輸出端分別通過樣氣通道與所述氮氣稀釋機構和取樣袋相通，所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器。
2.根據權利要求1所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述的樣氣通道中設置有濾紙或銅網。
3.根據權利要求1所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述取樣執行機構中的取樣閥，由密封座、座套、針體、閥體、彈簧、連接杆、彈簧調節座、連接體、調整墊片、銜鐵、電磁鐵以及端蓋組成；所述的密封座設置在座套前端的孔內；所述的座套設置在針閥的前端；所述的針閥安裝在閥體軸心處，所述閥體後端的內徑處與外徑處分別設置有彈簧調節座和連接體，所述彈簧調節座的中心設置有連接杆；所述連接杆的前端與所述的針閥後端連接，所述連接杆的外徑處設置有裝在所述彈簧調節座上的彈簧，所述連接杆的末端連接銜鐵；所述銜鐵的後部設置有電磁鐵，且所述銜鐵與電磁鐵之間設置有微小間隙；所述的電磁鐵設置在端蓋的底部；所述端蓋的埠與套裝在所述閥體後端的連接體埠相契合，所述端蓋與所述連接體的契合面間設置有調整墊片。
4.根據權利要求1所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述取樣閥的材料採用耐熱合金鋼4Cr9Si2製作。
5.根據權利要求1所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述的氮氣稀釋機構，由稀釋管路和順序安裝在所述稀釋管路中的氮氣瓶、電磁閥、流量計、發動機和取樣袋組成，所述的流量計通過不鏽鋼管路以及四氟乙烯塑料法蘭連接取樣袋。
6.根據權利要求1所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述的電控單元，包括設置有定時卡和A/D採集卡的工控機、調理濾波單元、信號合成單元、功率驅動單元、光耦和蓄電池；所述工控機中的定時卡連接信號合成單元的輸入端，所述信號合成單元的輸出端通過光電隔離器件連接功率驅動單元的輸入端，所述功率驅動單元的輸出端連接所述取樣閥中的電磁鐵以及所述氮氣稀釋機構中的電磁閥；所述調理濾波單元的輸入端連接發動機缸內的壓力傳感器，所述調理濾波單元的輸出端連接所述工況機中的A/D採集卡，所述的A/D採集卡連接計算機。
7.根據權利要求6所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述的定時卡採用PS2401晶片，所述的A/D採集卡採用AC1820A晶片。
8.根據權利要求6所述的內燃機缸內快速點取樣系統，其特徵是，所述蓄電池的電壓為24V。
全文摘要
本發明公開了一種內燃機缸內快速點取樣系統，旨在提供一種防治大氣環境汙染的理論研究方式。本發明系統由發動機，取樣執行機構，氮氣稀釋機構、取樣袋和電控單元組成；所述電控單元的輸入端分別連接所述發動機的凸輪位置傳感器以及缸壓傳感器，所述電控單元的輸出端分別連接所述取樣執行機構中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構；所述取樣執行機構的取樣閥安裝在所述發動機的氣缸缸蓋內，且所述取樣閥的輸出端分別通過樣氣通道與所述氮氣稀釋機構和取樣袋相通，所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器。本發明的優點是方便研究內燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉化機理，並通過此研究為大氣環境汙染的防治提供一個科學依據。
文檔編號G01N1/34GK1834609SQ20061001347
公開日2006年9月20日 申請日期2006年4月18日 優先權日2006年4月18日
發明者宋崇林, 高祥, 呂剛, 張文美 申請人:天津大學