一種柴油機排氣中顆粒中值粒徑的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及測量【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了一種測量和計算壓燃式發(fā)動機排氣顆粒中值粒徑的方法。本發(fā)明的柴油機排氣中顆粒中值粒徑的測量方法，主要包括采集待測顆粒樣品、待測顆粒樣品的分散處理、獲得分散顆粒的電鏡圖像、判斷團(tuán)聚顆粒的分散程度、求解Mi中單個顆粒的直徑等步驟，最終得到柴油機排氣中顆粒中值粒徑D50，對比己有技術(shù)，本發(fā)明不需要通過電流與粒徑的轉(zhuǎn)化獲得粒徑，能夠直觀地得到0.1μm～0.5μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒的特點，本發(fā)明應(yīng)用顆粒電鏡圖像處理，能夠分辨單個顆粒，提高了顆粒粒徑的測量精度。
【專利說明】一種柴油機排氣中顆粒中值粒徑的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測量【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了一種測量和計算壓燃式發(fā)動機排氣顆粒中值粒徑的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車排出的顆粒物(particulate matter, PM)已成為大氣環(huán)境污染物的主要來源之一。2013年，北京已實施汽車“京V”排放標(biāo)準(zhǔn)，全國范圍內(nèi)將實施汽車“國IV”排放標(biāo)準(zhǔn)。在更加嚴(yán)格的排放法規(guī)中，除了對汽車排放顆粒物質(zhì)量的限制外，還增加了對顆粒個數(shù)(particulate number, PN)的限制要求。發(fā)動機顆粒按照粒徑大小可分為粗態(tài)(I?10 μ m)、聚集態(tài)(100?300nm)和核態(tài)(粒徑小于50nm)。國內(nèi)外學(xué)者研究表明，顆粒質(zhì)量排放峰值集中在聚集態(tài)和粗態(tài)，顆粒數(shù)量排放峰值集中在核態(tài)?？焖贉?zhǔn)確地測量發(fā)動機燃燒顆粒粒徑，對于不同粒徑顆粒質(zhì)量和數(shù)量排放的定量分析，以及降低顆粒質(zhì)量和數(shù)量排放具有重要的意義。
[0003]顆粒粒徑按測量方法不同，可以分為空氣動力學(xué)直徑和電子遷移直徑?？諝鈩恿W(xué)直徑是利用重力法，電子遷移直徑是利用粒子數(shù)量尺寸分布法。針對發(fā)動機燃燒顆粒，目前，國內(nèi)外主要米用掃描/透射電鏡(SEM/TEM)、靜電低壓撞擊器(ELPI)、掃描式電遷移顆粒粒度儀(SMPS)、顆粒數(shù)量和粒徑分析儀(EEPS)等設(shè)備測量顆粒粒徑。在測量原理上，SEM/TEM通過拍攝顆粒電鏡圖像，對顆粒粒徑進(jìn)行直接測量，轉(zhuǎn)換誤差小，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒粒徑的高精度測量。柴油機排氣顆粒通常以顆粒群的形式存在，多呈團(tuán)聚的鏈狀、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。顆粒群包含了幾十至幾百個單個顆粒，單個顆粒之間重疊在一起，僅通過顆粒圖像很難對單個顆粒的輪廓進(jìn)行區(qū)分，且電鏡圖像得到的是局部顆粒圖像，統(tǒng)計性差。ELP1、SMPS和EEPS方法主要利用顆粒帶電或靜電作用，其中，ELPI由多級撞擊器組成，利用帶電顆粒的慣性，測量沉積在撞擊器上帶電顆粒產(chǎn)生的電流，間接地得到不同粒徑(0.03?10 μ m)顆粒的數(shù)目濃度。這三種測量方法都是通過電信號的轉(zhuǎn)換間接地得到顆粒粒徑和數(shù)量，得到的粒徑結(jié)果主要是顆粒群的粒徑，不能反映燃燒形成的單個顆粒粒徑情況，而且測量設(shè)備復(fù)雜，價格昂貴。
[0004]針對上述方法的不足，提出一種快速準(zhǔn)確地測量柴油機排氣顆粒中值粒徑的方法，發(fā)明的方法有利于簡化顆粒中值粒徑的測量方法，降低試驗設(shè)備所需費用，對于滿足國五排放法規(guī)對顆粒計數(shù)的要求具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了測量0.1 μ m?0.5 μ m粒徑范圍的柴油機排氣顆粒，提出一種柴油機排氣顆粒中值粒徑的測量方法。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種柴油機排氣中顆粒中值粒徑的測量方法，包括如下步驟:
[0008]步驟1:米集待測顆粒樣品；[0009]采用濾膜采集發(fā)動機主排氣通道中的發(fā)動機燃燒顆粒作為待測顆粒樣品；
[0010]步驟2:待測顆粒樣品的分散處理；
[0011]采用乙醇/ 二氯甲烷溶液對待測顆粒樣品進(jìn)行萃取，對萃取后的懸浮液進(jìn)行超聲分散，分散后的溶液經(jīng)過濾、烘干后，得到顆粒粒徑分析樣品；
[0012]步驟3:獲得分散顆粒的電鏡圖像；
[0013]采集顆粒粒徑分析樣品的圖像，得到待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像；
[0014]步驟4:判斷團(tuán)聚顆粒的分散程度；
[0015]記待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像中團(tuán)聚顆粒的總個數(shù)為M，采用Mi表示第i個團(tuán)聚顆粒，i = 1,2……M ;根據(jù)待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像的底板晶格尺寸，采用晶格法測量Mi的投影面積&記$小于I μ m2的團(tuán)聚顆粒個數(shù)為M%若Μ* < 90%Μ,返回步驟2 ;若Μ*≥90%Μ,
認(rèn)為顆粒已初步分散，記Mi中單個顆粒的個數(shù)為Ni,繼續(xù)進(jìn)入步驟5 ;
[0016]步驟5:求解Mi中單個顆粒的直徑；
[0017]步驟5.1、對單個顆粒進(jìn)行準(zhǔn)球形假設(shè):
[0018]采用曲線擬合法對Mi的輪廓進(jìn)行擬合，得到擬合曲線，該擬合曲線拐點的個數(shù)為Χ,χ為拐點的序數(shù)，X = I, 2......X,當(dāng)Mi中Ni=I時,X = O ;當(dāng)Mi中^=2,且兩個單個顆粒相
切時，X = I ;其余情況下，X≤2，則擬合曲線的第X個拐點記為g，當(dāng)X = I時，記兩段弧
長分別為?和C當(dāng)X≤2時，記相鄰兩個拐點之間的擬合曲線的弧長為g，y為弧長的序數(shù)；
[0019]步驟5.2、排除拐點數(shù)過多的顆粒:
[0020]若X > 8，排除該團(tuán)聚顆粒；
[0021]若X < 8，保留該團(tuán)聚顆粒；
[0022]步驟5.3、判斷Mi中單個顆粒個數(shù):
[0023]若X = O,即 Ni = I,進(jìn)入步驟 5.4 ;
[0024]若X = 1，即 Ni = 2，進(jìn)入步驟 5.5 ;
[0025]若X = 2，3......8，進(jìn)入步驟 5.6;
[0026]步驟5.4、因為Ni = I，則該單個顆粒的直徑Di按照下式計算:
【權(quán)利要求】
1.一種柴油機排氣中顆粒中值粒徑的測量方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟1:采集待測顆粒樣品； 采用濾膜采集發(fā)動機主排氣通道中的發(fā)動機燃燒顆粒作為待測顆粒樣品； 步驟2:待測顆粒樣品的分散處理； 采用乙醇/ 二氯甲烷溶液對待測顆粒樣品進(jìn)行萃取，對萃取后的懸浮液進(jìn)行超聲分散，分散后的溶液經(jīng)過濾、烘干后，得到顆粒粒徑分析樣品； 步驟3:獲得分散顆粒的電鏡圖像； 采集顆粒粒徑分析樣品的圖像，得到待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像； 步驟4:判斷團(tuán)聚顆粒的分散程度； 記待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像中團(tuán)聚顆粒的總個數(shù)為M，采用Mi表示第i個團(tuán)聚顆粒，i=1,2……M ;根據(jù)待處理團(tuán)聚顆粒電鏡圖像的底板晶格尺寸，采用晶格法測量Mi的投影面積SMi，記&小于I μ m2的團(tuán)聚顆粒個數(shù)為M%若Μ* < 90%Μ,返回步驟2 ;若Μ*≥90%Μ,認(rèn)為顆粒已初步分散，記Mi中單個顆粒的個數(shù)為Ni,繼續(xù)進(jìn)入步驟5 ; 步驟5:求解Mi中單個顆粒的直徑； 步驟5.1、對單個顆粒進(jìn)行準(zhǔn)球形假設(shè): 采用曲線擬合法對Mi的輪廓進(jìn)行擬合，得到擬合曲線，該擬合曲線拐點的個數(shù)為X，X為拐點的序數(shù)，X = 1,2……父，當(dāng)吣中隊=1時，X = O ;當(dāng)Mi中Ν:=2，且兩個單個顆粒相切時，X = I ;其余情況下，X≥2,則擬合曲線的第X個拐點記力G當(dāng)X = I時,記兩段弧長分別為G和當(dāng)X≥2時，記相鄰兩個拐點之間的擬合曲線的弧長為g，y為弧長的序數(shù)； 步驟5.2、排除拐點數(shù)過多的顆粒: 若X > 8,排除該團(tuán)聚顆粒； 若X <8，保留該團(tuán)聚顆粒； 步驟5.3、判斷Mi中單個顆粒個數(shù): 若X = O,即Ni = I,進(jìn)入步驟5.4 ； 若X = 1，即Ni = 2，進(jìn)入步驟5.5 ； 若X = 2,3......8，進(jìn)入步驟5.6 ; 步驟5.4、因為Ni = I，則該單個顆粒的直徑Di按照下式計算:IT; 若0.1 μ m < Di < 0.5 μ m，保留該單個顆粒直徑，否則排除該單個顆粒的直徑； 步驟5.5、因為X = UNi = 2，兩個單個顆粒相切，所以擬合曲線的弧長C1和Ci1即為兩個單個顆粒的周長，則兩個單個顆粒的直徑砧、祝分別根據(jù)如下公式計算: 若α?/〃》<ο?，保留該單個顆粒直徑，否則排除該單個顆粒的直徑； 若0.\μ,η < D；, < 0.5/.//;/，保留該單個顆粒直徑，否則排除該單個顆粒的直徑；步驟5.6、計算X = 2,3……8時，每個單個顆粒的直徑: 步驟5.6.1、計算相鄰兩個拐點之間的擬合曲線的弧長g，并記與?對應(yīng)的兩個拐點之間的直線距離力W通過式(I)計算A，D\為對應(yīng)的顆粒直徑；

【文檔編號】G01N15/02GK103630471SQ201310585461
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月20日
【發(fā)明者】王 忠, 李銘迪, 王宇成, 趙洋, 劉帥, 李瑞娜, 毛功平 申請人:江蘇大學(xué)