專利名稱：內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)動機，尤其涉及一種內(nèi)燃機排放物的測量分析系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的人們，不僅已經(jīng)認識到大氣可吸入顆粒物是大氣環(huán)境污染的突出問題，而且也認識到大氣環(huán)境污染對人體健康的嚴重危害。為此，我國政府已陸續(xù)出臺了一系列相關(guān)的標準和法律文件，但是目前對大氣可吸入顆粒物的產(chǎn)生機理和大氣環(huán)境污染控制方面的研究才剛剛起步，而且國內(nèi)外關(guān)于可吸入顆粒物的研究工作也多集中在源解析、環(huán)境影響及健康評估方面，對于可吸入顆粒物源的形成和控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作非常少，所以人們對于可吸入顆粒物的形成及其行為規(guī)律的認識十分缺乏，最關(guān)鍵的問題在于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(lǐng)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(zhì)通常也來自于燃燒源，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(fā)動機的任意曲軸轉(zhuǎn)角、任意燃燒空間位置從燃燒室內(nèi)獲得少量的燃燒過程產(chǎn)物，為研究柴油機缸內(nèi)的微粒生成提供了條件。然而，目前，國內(nèi)外關(guān)于柴油機微粒的研究幾乎還停留在九十年代初的聚集態(tài)水平，對于以核態(tài)形式存在的納米微粒的基礎(chǔ)研究幾乎沒有開展。因此，為了保護環(huán)境和人體健康，對現(xiàn)代柴油機排氣微粒的重新認識和研究勢在必行。為獲得現(xiàn)代柴油機可吸入顆粒物形成歷程及反應(yīng)機理，必須對缸內(nèi)充量(空氣+燃燒產(chǎn)物)進行觀察、測量與分析，為此必須選定一種能夠獲取缸內(nèi)充量的試驗方法，而且，要求該點狀取樣技術(shù)滿足如下要求1.可在發(fā)動機循環(huán)的任意時刻、不同燃燒室位置取樣；2.取樣閥關(guān)閉時，閥座處的氣體泄露要盡量?。?.取樣持續(xù)期不宜過長，特別是當缸內(nèi)氣體成分變化很快時；4.取樣充量應(yīng)該迅速被淬滅，以保證取樣充量化學特性不發(fā)生改變；5.和高溫氣體接觸的取樣閥應(yīng)由不與取樣氣體發(fā)生反應(yīng)的材料制作；6.取樣的開啟時刻和關(guān)閉時刻應(yīng)該容易控制，使取樣過程具有很好的重復(fù)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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，并可精確地在任意指定的曲軸轉(zhuǎn)角及選定的燃燒空間位置下采集缸內(nèi)少許充量進行分析的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)。
本發(fā)明的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，由發(fā)動機，取樣執(zhí)行機構(gòu)，氮氣稀釋機構(gòu)、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(fā)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(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構(gòu)；所述取樣執(zhí)行機構(gòu)的取樣閥安裝在所述發(fā)動機的氣缸缸蓋內(nèi)，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(gòu)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(shè)置有濾紙或銅網(wǎng)。
所述取樣執(zhí)行機構(gòu)中的取樣閥，由密封座、座套、針體、閥體、彈簧、連接桿、彈簧調(diào)節(jié)座、連接體、調(diào)整墊片、銜鐵、電磁鐵以及端蓋組成；所述的密封座設(shè)置在座套前端的孔內(nèi)；所述的座套設(shè)置在針閥的前端；所述的針閥安裝在閥體軸心處，所述閥體后端的內(nèi)徑處與外徑處分別設(shè)置有彈簧調(diào)節(jié)座和連接體，所述彈簧調(diào)節(jié)座的中心設(shè)置有連接桿；所述連接桿的前端與所述的針閥后端連接，所述連接桿的外徑處設(shè)置有裝在所述彈簧調(diào)節(jié)座上的彈簧，所述連接桿的末端連接銜鐵；所述銜鐵的后部設(shè)置有電磁鐵，且所述銜鐵與電磁鐵之間設(shè)置有微小間隙；所述的電磁鐵設(shè)置在端蓋的底部；所述端蓋的端口與套裝在所述閥體后端的連接體端口相契合，所述端蓋與所述連接體的契合面間設(shè)置有調(diào)整墊片。所述取樣閥的材料采用耐熱合金鋼4Cr9Si2制作。
所述的氮氣稀釋機構(gòu)，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(fā)動機和取樣袋組成，所述的流量計通過不銹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(shè)置有定時卡和A/D采集卡的工控機、調(diào)理濾波單元、信號合成單元、功率驅(qū)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(qū)動單元的輸入端，所述功率驅(qū)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(gòu)中的電磁閥；所述調(diào)理濾波單元的輸入端連接發(fā)動機缸內(nèi)的壓力傳感器，所述調(diào)理濾波單元的輸出端連接所述工況機中的A/D采集卡，所述的A/D采集卡連接計算機；所述的定時卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片；所述蓄電池的電壓為24V。
本發(fā)明的有益效果是可以在發(fā)動機任意曲軸轉(zhuǎn)角、任意燃燒空間位置下，從燃燒室內(nèi)獲得少量缸內(nèi)充量進行分析，方便研究內(nèi)燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉(zhuǎn)化機理，為進一步探索內(nèi)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(huán)境污染防治的系統(tǒng)理論提供一個科學依據(jù)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖；圖2是本發(fā)明執(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的剖面構(gòu)成圖；圖3是本發(fā)明中電控單元的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明中氮氣稀釋機構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖與實施例對本發(fā)明作以具體描述。
圖1示出了本發(fā)明內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)的組成方式。
由圖可見，內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，包括發(fā)動機、取樣執(zhí)行機構(gòu)、氮氣稀釋機構(gòu)、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(fā)動機的凸輪位置傳感器以及缸壓傳感器，并通過所述傳感器分別采集發(fā)動機同步信號和缸內(nèi)壓力等參數(shù)，所述電控單元的輸出端分別連接所述取樣執(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構(gòu)，并將控制信號傳輸至工控機，再以控制脈沖驅(qū)動所述的取樣執(zhí)行機構(gòu)與氮氣稀釋機構(gòu)；所述取樣執(zhí)行機構(gòu)的取樣閥安裝在所述發(fā)動機的氣缸缸蓋內(nèi)，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(gòu)和取樣袋相通；所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器，并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(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的結(jié)構(gòu)。
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(nèi)安裝密封座1，所述閥體4后端的內(nèi)徑處及外徑處分別設(shè)置有彈簧調(diào)節(jié)座8和連接體9，所述彈簧調(diào)節(jié)座8的中心處貫穿設(shè)置連接桿7，所述連接桿7的前端連接所述的針閥3，所述連接桿7的外徑處套裝彈簧6，所述的彈簧6裝在所述彈簧調(diào)節(jié)座8的彈簧孔內(nèi)，所述連接桿7的末端連接銜鐵11，所述銜鐵11的后部設(shè)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的端口與套裝在所述閥體4后端的連接體9的端口相契合，且兩者的契合面之間設(shè)置有調(diào)整墊片10。該取樣閥中的閥體4連接取樣系統(tǒng)中的氮氣稀釋機構(gòu)和取樣袋，所述的連接桿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(yù)緊力通過調(diào)節(jié)彈簧調(diào)節(jié)座8和針閥體4的螺紋連接長度予以調(diào)整；設(shè)置在座套2前端孔內(nèi)的密封座1對所述的針閥3起密封和導(dǎo)向作用。所述取樣閥的中心任務(wù)是適時吸合電磁鐵12，當針閥體升起時，使缸內(nèi)氣體通過樣氣輸出通道溢出燃燒室，并由出氣口5輸出，而其動作時刻的控制由相應(yīng)的控制電路提供。取出樣氣的同時稀釋機構(gòu)使樣氣迅速降溫，淬滅化學反應(yīng)。在取樣閥中，由于所述針閥3的前端裝有座套2，且所述座套2前端的孔內(nèi)安裝密封座1，所以，當取樣結(jié)束后，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(jié)構(gòu)設(shè)置，一方面能使取樣閥在關(guān)閉狀態(tài)下，其閥、座處的氣體泄露量很??；另一方面，當控制電路發(fā)出驅(qū)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，并克服彈簧6的彈簧力使針閥3升起。也就是說，當電磁鐵12通電后，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(nèi)壓力的作用下從取樣口進入取樣閥，并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(fā)生反應(yīng)，所述的取樣閥采用耐熱合金鋼4Cr9Si2材料制作。為了有效捕捉樣氣中的顆粒成分，可以在樣氣通道上設(shè)置濾紙或者銅網(wǎng)。
圖3是本發(fā)明中電控單元的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
從圖中可以看出，所述的電控單元，由工控機、調(diào)理濾波單元、信號合成單元、功率驅(qū)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采集卡，所述的定時卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片，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(qū)動單元的輸入端連接，所述功率驅(qū)動單元的輸出端與取樣閥中的電磁鐵12和稀釋機構(gòu)的電磁閥連接，并通過控制信號驅(qū)動取樣閥中的電磁鐵12和稀釋機構(gòu)的電磁閥動作；缸內(nèi)壓力傳感器與調(diào)理濾波單元的輸入端連接，并將壓力信號傳送到所述的調(diào)理濾波單元，所述調(diào)理濾波單元的輸出端與A/D采集卡連接，所述的A/D采集卡的輸入端連接計算機，所述功率驅(qū)動單元的MOSFET功率場由24V的蓄電池驅(qū)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(gòu)中電磁閥的驅(qū)動信號，由定時卡上集成的8253可編程定時器產(chǎn)生的TTL邏輯信號，經(jīng)可編程邏輯器件(GAL)進行合成噴射控制信號，該信號經(jīng)過光電隔離器件到達功率驅(qū)動單元，并由所述功率驅(qū)動單元中具有高速開關(guān)特性的MOSFET功率場效應(yīng)晶體管進行功率放大，驅(qū)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(fā)明中氮氣稀釋結(jié)構(gòu)的示意圖。
從圖中可以看出，所述的氮氣稀釋機構(gòu)，由不銹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(fā)動機15和取樣袋14構(gòu)成，所述的流量計16通過不銹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(jié)構(gòu)的氣流方向與前述各部件的安裝順序一致。
本發(fā)明的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，在取樣開始時，由所述的電控單元根據(jù)操作者的指令發(fā)出控制信號，驅(qū)動所述的取樣執(zhí)行機構(gòu)并同時控制所述氮氣稀釋機構(gòu)中的電磁閥17開啟；所述功率驅(qū)動單元接收到控制信號后，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(yù)緊力而快速地從密封座1中升起；由于針閥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(fā)動機的燃燒室相通，樣氣充量在缸內(nèi)壓力的作用下，從這個間隙流入樣氣通道，并通過所述氮氣稀釋機構(gòu)中氮氣瓶18的氮氣稀釋后流入取樣袋14，完成一次取樣過程。取樣結(jié)束后，由操作者向電控單元發(fā)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回位并密閉在密封座1上，同時關(guān)閉所述氮氣稀釋機構(gòu)中的電磁閥17。
由于本系統(tǒng)在所述的樣氣通道中安裝了濾紙或銅網(wǎng)，所以，能有效地捕捉到樣氣中的顆粒成分。對取樣袋14內(nèi)的取樣充量或濾紙和銅網(wǎng)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(fā)明的缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)比較，其優(yōu)點在于1.隨時對缸內(nèi)充量(空氣+燃燒產(chǎn)物)進行觀察、測量與分析；2.能夠在發(fā)動機連續(xù)運轉(zhuǎn)的任意時刻，從不同燃燒室內(nèi)的任意位置取樣；3.取樣持續(xù)期短，適于了解成分變化很快時缸內(nèi)氣體的性質(zhì)；4.取樣充量淬滅迅速，可保證取樣充量化學特性不發(fā)生改變；5.取樣的開啟時刻和關(guān)閉時刻容易控制，具有良好的取樣過程重復(fù)性。
本發(fā)明的缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，方便研究內(nèi)燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉(zhuǎn)化機理，并可通過此研究進一步探索內(nèi)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(huán)境污染的系統(tǒng)理論提供一個科學依據(jù)。
以上參照附圖和實施例，對本發(fā)明的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)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(fā)明的一種實施方式。所以，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明主題創(chuàng)造宗旨的情況下，對其進行各種顯而易見的修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，包括發(fā)動機，取樣執(zhí)行機構(gòu)和氮氣稀釋機構(gòu)，其特征是，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(fā)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(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構(gòu)；所述取樣執(zhí)行機構(gòu)中的取樣閥安裝在所述發(fā)動機的氣缸缸蓋內(nèi)，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(gòu)和取樣袋相通，所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述的樣氣通道中設(shè)置有濾紙或銅網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述取樣執(zhí)行機構(gòu)中的取樣閥，由密封座、座套、針體、閥體、彈簧、連接桿、彈簧調(diào)節(jié)座、連接體、調(diào)整墊片、銜鐵、電磁鐵以及端蓋組成；所述的密封座設(shè)置在座套前端的孔內(nèi)；所述的座套設(shè)置在針閥的前端；所述的針閥安裝在閥體軸心處，所述閥體后端的內(nèi)徑處與外徑處分別設(shè)置有彈簧調(diào)節(jié)座和連接體，所述彈簧調(diào)節(jié)座的中心設(shè)置有連接桿；所述連接桿的前端與所述的針閥后端連接，所述連接桿的外徑處設(shè)置有裝在所述彈簧調(diào)節(jié)座上的彈簧，所述連接桿的末端連接銜鐵；所述銜鐵的后部設(shè)置有電磁鐵，且所述銜鐵與電磁鐵之間設(shè)置有微小間隙；所述的電磁鐵設(shè)置在端蓋的底部；所述端蓋的端口與套裝在所述閥體后端的連接體端口相契合，所述端蓋與所述連接體的契合面間設(shè)置有調(diào)整墊片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述取樣閥的材料采用耐熱合金鋼4Cr9Si2制作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述的氮氣稀釋機構(gòu)，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(fā)動機和取樣袋組成，所述的流量計通過不銹鋼管路以及四氟乙烯塑料法蘭連接取樣袋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述的電控單元，包括設(shè)置有定時卡和A/D采集卡的工控機、調(diào)理濾波單元、信號合成單元、功率驅(qū)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(qū)動單元的輸入端，所述功率驅(qū)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(gòu)中的電磁閥；所述調(diào)理濾波單元的輸入端連接發(fā)動機缸內(nèi)的壓力傳感器，所述調(diào)理濾波單元的輸出端連接所述工況機中的A/D采集卡，所述的A/D采集卡連接計算機。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述的定時卡采用PS2401芯片，所述的A/D采集卡采用AC1820A芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，其特征是，所述蓄電池的電壓為24V。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)燃機缸內(nèi)快速點取樣系統(tǒng)，旨在提供一種防治大氣環(huán)境污染的理論研究方式。本發(fā)明系統(tǒng)由發(fā)動機，取樣執(zhí)行機構(gòu)，氮氣稀釋機構(gòu)、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(fā)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(zhí)行機構(gòu)中取樣閥的電磁鐵以及氮氣稀釋機構(gòu)；所述取樣執(zhí)行機構(gòu)的取樣閥安裝在所述發(fā)動機的氣缸缸蓋內(nèi)，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(gòu)和取樣袋相通，所述的取樣袋連接顆粒物分析儀器。本發(fā)明的優(yōu)點是方便研究內(nèi)燃機排放可吸入顆粒物的形成與轉(zhuǎn)化機理，并通過此研究為大氣環(huán)境污染的防治提供一個科學依據(jù)。
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(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者宋崇林, 高祥, 呂剛, 張文美 申請人:天津大學