專利名稱：廢氣取樣稀釋器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于稀釋特別是發(fā)動機廢氣的裝置，即所謂的稀 釋器。更特別地，本發(fā)明涉及一種裝置和一種方法，其能夠保持恒定
的稀釋率，而不必考慮排氣管線中的廢氣背壓(backpressure)。
背景技術(shù)：
在排氣被導(dǎo)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濕度，否則，分析儀 器不可能經(jīng)受其溫度和濕度。此外，稀釋器會降低污染物的濃度并在 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(xiàn)，其中所有廢 氣被導(dǎo)入到稀釋管道，在稀釋管道處，廢氣在分析之前與經(jīng)環(huán)境過濾 的空氣混合。這種稀釋系統(tǒng)包括恒定體積的取樣技術(shù)，其描述于歐洲 委員會(the European Commission)的法規(guī)91/441/EEC(官方公報L 242， 30/08/1991 P.0001-0106)中。由于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，所以恒定體積、完全流動的稀釋器對 于瞬時測試引起了可變的稀釋率。當(dāng)遇到排出物，特別是顆粒物排出 物的精確表征(characterization)時，可變的稀釋率存在著顯著的缺點， 因為根據(jù)稀釋后的揮發(fā)物和半揮發(fā)物物質(zhì)的飽和比，其會引起顆粒成 核和凝結(jié)(condensation)的可變度。
為了克服可變的稀釋率的問題，廣泛采用了部分流動取樣系統(tǒng)， 在該系統(tǒng)中僅有一部分廢氣被取樣、測量并用測定量的稀釋空氣調(diào)節(jié)， 以提供固定的稀釋率。通過這種系統(tǒng)實現(xiàn)的稀釋率典型地在10: 1至 1000: l的范圍內(nèi)。這種較寬的范圍要求在可利用儀器的測量范圍內(nèi)， 降低來自諸如傳統(tǒng)的柴油發(fā)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(tǒng)例如描述于專利申請 US2003/0232449A1、 JP2004205253A2004.T.22中。因為所提供的稀釋率對于廢氣壓力的變化相當(dāng)敏感，所以這些裝置主要目的是在后處理 裝置的下游對排氣進行取樣。在后處理裝置的上游，并且特別是在柴 油機顆粒過濾器的上游，排氣背壓會在高于環(huán)境幾毫巴至數(shù)百毫巴之 間變化，從而導(dǎo)致了稀釋率的顯著變化。
呈現(xiàn)在專利CH693491中的裝置解決了該問題，提供了恒定的稀 釋率，該稀釋率對于上游的廢氣條件不太敏感，但是卻引入了大量的 移動部件，這些移動部件對于稀釋熱而潮濕并充滿顆粒的廢氣是不合 乎需要的。
發(fā)明目的
本發(fā)明的目的是稀釋廢氣，提供恒定的稀釋率，而不必考慮上游 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(jīng)過毛細管道而被取樣。由于 廢氣的量相當(dāng)?shù)停圆恍枰♂屍骱团艢夤芫€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于幾乎環(huán)境壓力中，而不考 慮廢氣的壓力，這就導(dǎo)致了恒定的稀釋率。經(jīng)過毛細管的樣品流量可 以通過在毛細管出口處保持經(jīng)調(diào)節(jié)的負壓力來實現(xiàn)。隨后，經(jīng)稀釋的 排氣被收集在穩(wěn)定化腔室中，在該穩(wěn)定化腔室中，溫度、濕度和停留 時間均可以隨意調(diào)整，以調(diào)節(jié)所收集的氣溶膠(aerosol)。不同的稀釋 率設(shè)置可以通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整穩(wěn)定化腔室中的負壓來實現(xiàn)。多個毛細管 和穩(wěn)定化腔室可以被級聯(lián)(cascaded)以增加稀釋率。在最終的稀釋階 段之后，顆粒樣品可以被收集在用于重量分析測定法的過濾器上，或 者通過計數(shù)器、表面監(jiān)測器或用于顆粒的物理或化學(xué)特性的任何其它 技術(shù)來分析。

發(fā)明內(nèi)容
在一個優(yōu)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(xiàn)，并且兩個級聯(lián)的皮下注射器針頭/穩(wěn)定化腔室被結(jié)合以提供所需 的稀釋率。稀釋器的位置相對于車輛/發(fā)動機排氣管線固定，并且所述 針頭被插入所述排氣管線中。該實施方案可以被用于稀釋來自諸如壓 縮點火發(fā)動機、火花點火發(fā)動機以及整車排氣管線的任何發(fā)動機或車
7輛配置的氣溶膠。
在另一個具體實施方案中，廢氣可以借助于兩個探針而被導(dǎo)入到 所述稀釋器的毛細管道，所述兩個探針分別位于需要被表征的任何后 處理裝置的上游和下游。所述探針具有適當(dāng)?shù)闹睆剑瑥亩峁┰谶吘?處高于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 被排放到處于恒定壓力下的大氣中。借助于截止閥，廢氣可以通過所 述上游或下游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(fā)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(wěn)定化腔室(2)和第二穩(wěn)定化腔室 (6)。排氣在穩(wěn)定化腔室(2)、 (6)中調(diào)節(jié)后，借助于泵(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游的第一稀 釋空氣管道(3)中排放樣品而形成的第一混合尖端的細節(jié)。
圖3顯示了本發(fā)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 流動阻力借助于節(jié)流機構(gòu)(14)、 (13)和(12)而進行獨立地調(diào)節(jié)。 圖4中具體顯示的過度流量配置還被用于對后處理裝置的上游和下游 的排氣進行連續(xù)取樣。
圖4顯示了過度流動配置，其中，當(dāng)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并環(huán)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(wěn)定化腔室(2)中。第一穩(wěn)定化腔室中的稀釋通過 經(jīng)由第一稀釋空氣管道(3)導(dǎo)入稀釋空氣而進行。由于第一穩(wěn)定化腔 室(2)中的負壓，經(jīng)過第一毛細管(1)的樣品和經(jīng)過第一稀釋空氣 管道(3)的稀釋空氣被導(dǎo)入到第一穩(wěn)定化腔室(2)中。第一穩(wěn)定化 腔室(2)中的負壓通過泵(9)經(jīng)由第一出口管道(4)抽取空氣而產(chǎn)生。第一穩(wěn)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)可以借助于節(jié)流機構(gòu)(11)而調(diào)節(jié)， 節(jié)流機構(gòu)(11)可以是任何適合的調(diào)節(jié)閥或者質(zhì)量流量控制器。樣品 在第一穩(wěn)定化腔室中的穩(wěn)定化必須能夠使得排氣成分與稀釋空氣均勻 混合，并使得溫度平衡。
由于第一毛細管(1)的尖端處于環(huán)境壓力下，所以經(jīng)過第一毛細 管的流量(量級典型地為0.5 1pm)僅取決于第一穩(wěn)定化腔室(2)中的 壓力、經(jīng)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(jié)流機構(gòu)(11)的特性曲線而隱性地關(guān)聯(lián)。因此，在 穩(wěn)定狀態(tài)的發(fā)動機操作且恒定的廢氣溫度下，第一穩(wěn)定化腔室(2)中 的稀釋率僅取決于節(jié)流機構(gòu)(11)的設(shè)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 么第二毛細管(5)被牢固地連接到第一穩(wěn)定化腔室(2)，使第一 (primary)稀釋的樣品通向第二穩(wěn)定化腔室(6)。從第一穩(wěn)定化腔室 (2)到第二穩(wěn)定化腔室(6)的流量通過在第二穩(wěn)定化腔室(6)中產(chǎn) 生相比第一穩(wěn)定化腔室(2)中更高的負壓而實現(xiàn)。這可以通過將泵(9) 經(jīng)由樣品管道(8)連接到第二穩(wěn)定化腔室(6)而實現(xiàn)，無需任何中 間阻力，而是僅利用用于顆粒特性的裝置/技術(shù)(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于第二穩(wěn)定化腔 室(6)和第一穩(wěn)定化腔室(2)之間的壓力差，以及顆粒測量單元(10) 所需的經(jīng)過樣品管道(8)總體流量。當(dāng)排氣管中的排氣壓力和溫度的 變化受到限制，并且當(dāng)稀釋率不需要精確地調(diào)節(jié)時，可以采用該第一 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(wěn)定，并且為了 提高樣品與稀釋空氣的混合，在穩(wěn)定化腔室的上游形成混合尖端。其
略為詳細地顯示于圖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(wěn)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 線而位于該彎曲的下游，且位于第一稀釋空氣管道尖端的上游。相似的混合尖端還形成于第二毛細管(5)的下游。
圖3示出了第二個具體實施方案，該實施方案優(yōu)選用在例如期望 廢氣壓力和溫度發(fā)生較大變化以及對稀釋率的調(diào)節(jié)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(jīng)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 并未固定到排氣管道，這使得其能夠在環(huán)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(jié)，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(huán)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，并且其 在取樣水平處的壓力類似于環(huán)境。取樣尖端處的廢氣的溫度可以借助 于加熱元件(23)而調(diào)節(jié)，并由溫度敏感元件(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，從后處理裝置的下游和上游抽取。
第一穩(wěn)定化腔室(2)和第二穩(wěn)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(xiàn)對稀釋率更為精確的調(diào)節(jié)，經(jīng)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 別借助于節(jié)流機構(gòu)(14)和(13)進行調(diào)節(jié)。此外，抽取到該系統(tǒng)外 的流量借助于節(jié)流葉片(11)和(12)進行調(diào)節(jié)。在此情況下的稀釋 率計算必須也考慮這些闊的設(shè)定。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該具體實施方案 具有無需任何移動部件而能夠保持恒定的稀釋率的優(yōu)點，該稀釋率僅 取決于節(jié)流閥(11)、 (12)、 (13)、 (14)以及泵(9)的設(shè)定，而與排 氣管中的廢氣的溫度和壓力無關(guān)。
此外，如果需要對樣品進行另外的調(diào)節(jié)，溫度調(diào)節(jié)元件(16)可 以介于節(jié)流機構(gòu)(14)的下游的第一稀釋空氣管道(3)中，以便調(diào)節(jié) 第一稀釋空氣的溫度。而且，稀釋空氣凈化單元(15)可以用于控制 稀釋空氣的雜質(zhì)和濕度。
權(quán)利要求
1、一種用于特別是車輛或發(fā)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(wěn)定化腔室(2)，所述第一穩(wěn)定化腔室的壓力借助于真空泵(9)而被保持在環(huán)境壓力以下，所述真空泵(9)借助于第一出口管道(4)而連接到所述第一穩(wěn)定化腔室，所述第一穩(wěn)定化腔室中的稀釋空氣借助于第一稀釋空氣管道(3)經(jīng)過第一混合尖端而被引入，其特征在于，提供過度流量配置，用于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(huán)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(jīng)由所述第一毛細管(1)抽取廢氣。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稀釋器，其特征在于，提供節(jié)流機構(gòu)(ll)， 借助于所述節(jié)流機構(gòu)(U)對所述第一穩(wěn)定化腔室(2)的樣品的稀釋 率和停留時間進行調(diào)節(jié)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的稀釋器，其特征在于，提供第二穩(wěn) 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(wěn)定化腔室(2)中，用于將樣品從所述穩(wěn)定化腔室(2)導(dǎo)入 到所述第二穩(wěn)定化腔室(6)，所述第二穩(wěn)定化腔室(6)的壓力被保 持在所述第一穩(wěn)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(xiàn)該低壓力，并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(wěn)定化腔室(6)中的稀釋空氣經(jīng)過所述第二混合尖端 而引入。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的稀釋器，其特征在于， 每個所述混合尖端通過分別將對應(yīng)毛細管(5)的軸線和對應(yīng)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游的稀釋空氣流中。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的稀釋器，其特征在于，提供節(jié)流機 構(gòu)(14、 13)，所述節(jié)流機構(gòu)(14、 13)能夠分別獨立地調(diào)節(jié)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(jié)流機構(gòu)(11、 12)，所述節(jié)流機構(gòu)(11、 12)能夠分別獨立地 調(diào)節(jié)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(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的稀釋器，其特征在于，提 供加熱元件(23)和溫度敏感元件(22)，從而能夠借助于所述加熱 元件(23)對所述樣品尖端處的廢氣的溫度進行調(diào)節(jié)，并通過所述溫 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(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的稀釋器，其特征在于，多 個毛細管和穩(wěn)定化腔室級聯(lián)設(shè)置，以提高稀釋率。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的稀釋器，其特征在于，所 述毛細管道由皮下注射器針頭而實現(xiàn)，其中至少兩個級聯(lián)的皮下注射 器針頭/穩(wěn)定化腔室被結(jié)合以提供所需的稀釋率。
9、 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的稀釋器，其特征在于，所述稀釋 器的位置相對于車輛/發(fā)動機排氣管線固定，并且所述針頭插入所述排 氣管線中。
10、 用于特別是車輛或發(fā)動機廢氣取樣的方法，尤其是用于操作 根據(jù)前述權(quán)利要求任意一項的稀釋裝置的方法，其特征在于，所述穩(wěn) 定化腔室的壓力借助于真空泵(9)而被保持在環(huán)境壓力以下，并且在 所述穩(wěn)定化腔室中，所述穩(wěn)定化腔室中的稀釋空氣借助于所述第一稀 釋空氣管道(3)經(jīng)由第一混合尖端而被引入，且在于所述稀釋器經(jīng)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(huán)繞所述毛細 管入口尖端。
11、 根據(jù)從屬于權(quán)利要求3至9中任意一項的權(quán)利要求10所述的 方法，其特征在于所述第二毛細管(5)浸沒在第一穩(wěn)定化腔室(2) 中，并將樣品從所述穩(wěn)定化腔室(2)導(dǎo)入到第二穩(wěn)定化腔室(6)， 所述第二穩(wěn)定化腔室(6)的壓力被保持在所述第一穩(wěn)定化腔室(2) 的壓力以下，并且通過利用所述泵(9)或不同的真空泵而從樣品管道(8)抽取樣品以實現(xiàn)該低壓力，并且稀釋空氣借助于第二稀釋空氣管 道(7)經(jīng)由第二混合尖端而被引入所述第二穩(wěn)定化腔室(6)中。
12、 根據(jù)權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，混合和溫度平衡 所需的限定的停留時間通過所述第一穩(wěn)定化腔室(3)和第二穩(wěn)定化腔 室(6)而產(chǎn)生。
13、 根據(jù)前述權(quán)利要求10至12中任意一項所述的方法，其特征 在于，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 于所述第二稀釋空氣管道(7)中的稀釋空氣的溫度而進行調(diào)節(jié)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10至13中任意一項所述的方法，其特征在于， 產(chǎn)生基本恒定的稀釋率，而不必考慮上游廢氣的壓力，并無需使用任 何移動部件。
15、 根據(jù)權(quán)利要求10至14中任意一項所述的方法，其特征在于， 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(jīng)過 所述毛細管道而被取樣。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10至15中任意一項所述的方法，其特征在于， 經(jīng)調(diào)節(jié)的負壓保持在毛細管出口 7處，并且在于經(jīng)稀釋的排氣隨后被 收集在所述穩(wěn)定化腔室中。
17、 根據(jù)權(quán)利要求10至16中任意一項所述的方法，其特征在于， 在最終稀釋階段之后，顆粒樣品被收集在用于重量分析測定法的過濾 器上，或者通過計數(shù)器、表面監(jiān)測器等來分析。
18、 根據(jù)前述權(quán)利要求10至17中任意一項所述的方法，其特征 在于，廢氣借助于兩個探針而被導(dǎo)入到稀釋器的毛細管道，所述兩個 探針分別位于待表征的后處理裝置的上游和下游，其中所述探針具有 適當(dāng)?shù)闹睆?，從而提供在邊緣處高于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于恒定壓力下的大氣中，并 且借助于截止閥，廢氣通過所述上游或下游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(jù)權(quán)利要求1至9中任意一項，特別是權(quán)利要求8或9所 述裝置用于稀釋來自諸如壓縮點火發(fā)動機、火花點火發(fā)動機以及整車 排氣管線的任何發(fā)動機或車輛配置的氣溶膠的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于稀釋特別是發(fā)動機或車輛的廢氣的裝置(稀釋器)。更特別地，本發(fā)明涉及一種裝置和一種方法，其能夠保持恒定的稀釋率，而不必考慮排氣管線中的廢氣背壓，并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(jīng)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(jīng)過毛細管的樣品流量通過在毛細管出口處保持經(jīng)調(diào)節(jié)的負壓力來實現(xiàn)。隨后，經(jīng)稀釋的排氣被收集在穩(wěn)定化腔室中，在該穩(wěn)定化腔室中，溫度、濕度和停留時間均可以隨意調(diào)整，以調(diào)節(jié)所收集的氣溶膠。多個毛細管和穩(wěn)定化腔室可以被級聯(lián)以增加稀釋率。在最終的稀釋階段之后，顆粒樣品可以被收集在用于重量分析測定法的過濾器上，或者通過計數(shù)器、表面監(jiān)測器或用于顆粒的物理或化學(xué)特性的任何其它技術(shù)來分析。在一個優(yōu)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(xiàn)，并且兩個級聯(lián)的皮下注射器針頭/穩(wěn)定化腔室被結(jié)合以提供所需的稀釋率。在另一個具體實施方案中，廢氣可以借助于兩個探針而被導(dǎo)入到所述稀釋器的毛細管道，所述兩個探針分別位于需要被表征的任何后處理裝置的上游和下游。借助于截止閥，廢氣可以通過所述上游或下游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(yōu)先權(quán)日2007年2月14日
發(fā)明者L·恩齊亞克里斯托, Z·薩馬拉斯 申請人:塞薩洛尼基亞里士多德大學(xué)研究委員會;Z·薩馬拉斯;L·恩齊亞克里斯托