技术领域
[0001] 本
发明涉及大气
气溶胶监测技术领域，具体涉及一种机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置及方法。
背景技术
[0002] 机动车尾气颗粒物对环境和人体的危害较大，各国制定的排放法规中，对其测量标准日益严格。以欧盟为例，轻型车于2014年实行欧6标准，其中标准规定了轻型车颗粒物排放限值较欧5标准严格10％。重型车
发动机于2013年实行欧6标准，首次将颗粒物数量(PN：6*10e11个km-1)纳入到法规中，重型柴油机的颗粒物排放限值较欧5标准严格了67％。2013年9月17日，中国国家环境保部会同国家质检总局发布了《轻型
汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》国家标准(GB 18352.5—2013)，规定2018年全面实施。国五标准进一步提高了排放控制要求，其中颗粒物排放限值比国四严格了82％，并增加了污染控制新指标—颗粒物粒子数量。随着排放法规要求排放限值的减少，颗粒物的测试技术要求更加精确，以应对新的情况。对机动车尾气颗粒物特性的研究，可以更准确地评价机动车排放对大气颗粒物污染的贡献，对国家排放法规的制和改善提供数据支持和建议，对
汽车制造商改善发动机的排放和后处理技术有指导意义。
[0003] 目前，只有如美国、英国、芬兰等少数国家拥有机动车排放细颗粒物数浓度测量技术，文献“
汽油车颗粒物排放特性”中研究机动车颗粒物排放监测仪器采用是芬兰Dekati公司
电子低压撞击器ELPI(electrical low pressure impactor)，其基于空
气动力学直径进行分级，把颗粒物从30nm-10μm分成13级，不同粒径大小的带电颗粒物由于惯性不同，下落过程中会被不同的撞击级收集，分析仪依据各级的
电流信号大小，从而测出不同粒径的颗粒物数目浓度，尾气排放颗粒物的总数浓度等于各个粒径段数浓度和，测试过程中尾气被抽入ELPI之前需要经过加热稀释后才能测量。由于机动车排放的尾气
温度较高，大部分测量技术都需要先对机动车尾气进行冷却稀释处理才可以对其进行分析测量，在这个过程中，尾气中的挥发性和半挥发性物质可能会发生冷凝，对测量结果带来误差，而国内对机动车排放细颗粒物数浓度测量技术的研究尚处于起步阶段。目前国内对于机动车排放细颗粒物的研究主要集中在颗粒物的
质量浓度。因此，需要设计一种机动车尾气细颗粒物数浓度测量方法和装置。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置及方法，该测量装置及方法能够解决
现有技术中存在的不足，且无需对机动车尾气进行预处理，就能够实现机动车尾气细颗粒数浓度的快速测量。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0006] 一种机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置，包括空气源、喷射
泵、过滤干燥器、离子源模
块、荷电区域、喷射喉部、捕集
电压模块、尾气排放管、旋
风PM2.5
切割器以及静电计。
[0007] 进一步的，所述离子源模块包括高压
电极、第一绝缘套筒、进气管道、进气口、钨针、离子喷射口和第一电极
接口；所述荷电区域包括外套筒、荷电腔体和尾气进气口；所述捕集电压模块包括捕集电极、第二绝缘套筒、排气管道、尾气排出口和第二电极接口；所述第一绝缘套筒嵌入安装在所述进气管道的左端开口处；所述进气管道的右端嵌入安装在所述外套筒的左端开口处；所述高压电极自左向右依次贯穿安装在所述第一绝缘套筒和所述进气管道中；所述高压电极，其左端接高压电源，其右端接所述钨针的左端；所述钨针的右端位于所述离子喷射口中；所述进气口安装在进气管道上，且该进气口与进气管道内部相连通；所述第一电极接口安装在所述进气管道上，且该第一电极接口接地；所述离子喷射口和所述喷射喉部从左向右依次嵌入安装在外套筒的中段内部，且所述荷电腔体设置在所述离子喷射口与所述喷射喉部之间；所述尾气进气口安装在所述外套筒上，且该尾气进气口与所述荷电腔体内部相连通；所述排气管道的左端嵌入安装在所述外套筒的右端开口处；所述第二绝缘套筒嵌入安装在所述排气管道的右端开口处；所述捕集电极自右向左依次贯穿安装在所述第二绝缘套筒和所述排气管道中，且所述捕集电极的左端位于喷射喉部中；
所述尾气排出口安装在所述排气管道上，且该尾气排出口与排气管道内部相连通；所述第二电极接口安装在所述排气管道上，且该第二电极接口接地。
[0008] 所述空气源的输出端与所述喷射泵的输入端相连，所述喷射泵的输出端与所述过滤干燥器的输入端相连，所述过滤干燥器的输出端与所述进气口相连；所述尾气排放管的输出端与所述旋风PM2.5切割器的输入端相连；所述旋风PM2.5切割器的输出端与所述尾气进气口相连；所述静电计，用于测量所述尾气进气口和所述尾气排出口的颗粒物的电流值。
[0009] 进一步的，所述喷射喉部包括喷射喉部喷口，所述喷射喉部喷口包括圆柱形的喷射喉部主体以及开设在喷射喉部主体中间的喷射喉部喷孔；所述喷射喉部主体的外侧设有
螺纹；所述喷射喉部喷孔为圆锥型结构，且该喷射喉部喷孔左端面的直径小于其右端面的直径。
[0010] 进一步的，所述离子喷射口包括圆柱状的离子喷射口主体以及开设在离子喷射口主体中间的离子喷射孔；所述离子喷射口主体的外侧设有螺纹；所述离子喷射孔为倒圆锥型结构，且该离子喷射孔左端面的直径大于其右端面的直径。
[0011] 进一步的，所述第一绝缘套筒与所述进气管道间隙配合；所述第二绝缘套筒与所述排气管道间隙配合；所述第一绝缘套筒与所述进气管道之间以及所述第二绝缘套筒与所述排气管道之间均设有
密封圈。
[0012] 进一步的，所述第一绝缘套筒与所述高压电极
过盈配合；所述第二绝缘套筒与所述捕集电极过盈配合。
[0013] 进一步的，所述钨针与所述高压电极
螺纹连接，且所述钨针的针尖直径小于4μm，针尖长度小于5mm。
[0014] 进一步的，所述进气口、尾气进气口、尾气排出口、进气管道、排气管道、喷射喉部喷口、离子喷射口、第一电极接口和第二电极接口均采用不锈
钢材质。
[0015] 进一步的，所述高压电极和捕集电极均采用
铜材质。
[0016] 进一步的，所述第一绝缘套筒、第二绝缘套筒和外套筒均采用聚四氟乙烯材质。
[0017] 本发明还涉及一种上述机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：
[0018] (1)空气源中的空气经
过喷射泵
抽取进入过滤干燥器，经过过滤干燥器之后得到洁净的空气气流；
[0019] (2)洁净的空气气流由离子源模块中的进气口进入到进气管道中；
[0020] (3)将高压电极的端部螺纹处接入2KV高压，第一电极接口接地，钨针尖端产生尖端放电，电离进气管道中的洁净的空气气流，使进气管道中的洁净的空气气流产生大量的正离子；
[0021] (4)在洁净的空气气流的推动下，进气管道中的正离子移动通过离子喷射口进入到荷电腔体；当洁净的空气气流高速通过离子喷射口到达荷电腔体时，随着离子喷射口的截面逐渐减小，洁净的空气气流的压强减小，流速变大，这时就在荷电腔体内产生一个
真空度，即产生
负压；
[0022] (5)尾气排放管排放的机动车尾气经过旋风PM2.5切割器，由旋风PM2.5切割器
切除掉机动车尾气中大于等于2.5μm的颗粒物，得到粒径小于2.5μm的颗粒物；然后，在荷电腔体内负压的作用下，含有粒径小于2.5μm颗粒物的机动车尾气，由尾气进气口进入荷电腔体内；此时，采用静电计测量尾气进气口处的机动车尾气中的颗粒物的电流值Iin；
[0023] (6)在荷电腔体内，一部分正离子附着在机动车尾气中的颗粒物上，使颗粒物带上正电，得到带电颗粒物；带电颗粒物和多余的正离子随着洁净的空气气流进入到捕集电压模块；
[0024] (7)将捕集电极端部螺纹处接入200V电压，第二电极接口接地，从而在捕集电极和排气管道之间的环形区域内形成捕集
电场；多余的正离子在捕集电场的电场力的作用下，被排气管道内壁收集，带电颗粒物在洁净的空气气流和捕集电场的电场力的作用下，由尾气排出口流出，此时，采用静电计测量尾气排气口处颗粒物的电流值Iout；
[0025] (8)根据公式N＝(Iout-Iin)/(P×n×e×Q)，计算得到机动车尾气中的颗粒物数浓度；其中，N表示机动车尾气中的颗粒物数浓度，Iin为进气口处的机动车尾气中的颗粒物的电流值，Iout为尾气排气口处颗粒物的电流值，P为一定粒径范围颗粒物物在荷电区域的带电效率，n为一定粒径范围颗粒物物所带的基本电荷数目，e为单个电荷的电量，Q为尾气进气口处气体的流量。
[0026] 和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027] (1)本发明所述的机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置具有结构简单、操作方便等特点，且能够实现实时连续监测。
[0028] (2)本发明直接取机动车尾气进行测量，无需对机动车尾气进行稀释冷却预处理，减少了测量误差。
[0029] (3)本发明所述测量装置及方法的测量结果不受流量、压力及温度变化的影响，具有较高的
稳定性和准确性。
附图说明
[0031] 图2是本发明测量装置的结构示意图；
[0032] 图3是喷射喉部喷口的结构示意图；
[0033] 图4是离子喷射口的结构示意图。
[0034] 其中：
[0035] 1、空气源，2、喷射泵，3、过滤干燥器，4、离子源模块，5、旋风PM2.5切割器，6、尾气排放管，7、荷电区域，8、喷射喉部，9、捕集电压模块，10、静电计，21、高压电极，22、第一绝缘套筒，23、进气管道，24、进气口，25、尾气进气口，26、外套筒，27、捕集电极，28、O型密封圈，29、第一电极接口，30、尾气排出口，31、排气管道，32、喷射喉部喷口，33、离子喷射口，34、钨针，35、第二绝缘套筒，36、第二电极接口，37、喷射喉部主体，38、喷射喉部喷孔，39、离子喷射口主体，40、离子喷射孔，41、荷电腔体。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0037] 如图1-图2所示的一种机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置，包括空气源1、喷射泵2、过滤干燥器3、离子源模块4、荷电区域7、喷射喉部8、捕集电压模块9、尾气排放管5、旋风PM2.5切割器6以及静电计10。当空气源中的空气经过喷射泵后，产生空气气流，该空气气流的流量是恒定的，即后期的洁净的空气气流的流量也是恒定的，不受尾气排放管中流量变化的影响。
[0038] 进一步的，所述离子源模块4包括高压电极21、第一绝缘套筒22、进气管道23、进气口24、钨针34、离子喷射口33和第一电极接口29；所述荷电区域7包括外套筒26、荷电腔体41和尾气进气口25；所述捕集电压模块9包括捕集电极27、第二绝缘套筒35、排气管道31、尾气排出口30和第二电极接口36；所述第一绝缘套筒22嵌入安装在所述进气管道23的左端开口处；所述进气管道23的右端嵌入安装在所述外套筒26的左端开口处；所述高压电极21自左向右依次贯穿安装在所述第一绝缘套筒22和所述进气管道23中；所述高压电极21，其左端接2KV高压电源，其右端接所述钨针34的左端；所述钨针34的右端位于所述离子喷射口33中；所述进气口24安装在进气管道23中段顶部，且该进气口24与进气管道23内部相连通；所述第一电极接口29安装在所述进气管道23的左端底部，且该第一电极接口29接地；所述离子喷射口33和所述喷射喉部8从左向右依次嵌入安装在外套筒26的中段内部，且所述荷电腔体41设置在所述离子喷射口33与所述喷射喉部32之间；所述尾气进气口25安装在所述外套筒25的中段顶部，且该尾气进气口25与所述荷电腔体41内部相连通；所述排气管道31的左端嵌入安装在所述外套筒26的右端开口处；所述第二绝缘套筒35嵌入安装在所述排气管道31的右端开口处；所述捕集电极27自右向左依次贯穿安装在所述第二绝缘套筒35和所述排气管道31中，且所述捕集电极27的左端位于喷射喉部8中；所述尾气排出口30安装在所述排气管道31的中段底部，且该尾气排出口30与排气管道31内部相连通；所述第二电极接口36安装在所述排气管道31上，且该第二电极接口36接地。
[0039] 所述空气源1的输出端与所述喷射泵2的输入端相连，所述喷射泵2的输出端与所述过滤干燥器3的输入端相连，所述过滤干燥器3的输出端与所述进气口24相连；所述尾气排放管6的输出端与所述旋风PM2.5切割器5的输入端相连；所述旋风PM2.5切割器5的输出端与所述尾气进气口25相连；所述静电计10，用于测量所述尾气进气口和所述尾气排出口的颗粒物的电流值。
[0040] 如图3所示，所述喷射喉部8包括喷射喉部喷口32，所述喷射喉部喷口32包括圆柱形的喷射喉部主体37以及开设在喷射喉部主体37中间的喷射喉部喷孔38。所述喷射喉部主体37的外侧设有M18的
外螺纹；所述喷射喉部喷孔38为圆锥型结构，且该喷射喉部喷孔38的左端面的直径小于其右端面的直径。优选的，左端面的直径为9mm，右端面的直径为14mm，喷射喉部喷孔圆锥型结构设计，孔径由大变小可以缓和气流的流速，气流稳定流过。
[0041] 如图4所示，所述离子喷射口33包括圆柱状的离子喷射口主体39以及开设在离子喷射口主体39中间的离子喷射孔40；所述离子喷射口主体37的外侧设有M18的外螺纹；所述离子喷射孔40为倒圆锥型结构，且该离子喷射孔40的左端面的直径大于其右端面的直径。优选的，左端面的直径为14mm，右端面的直径为2mm。离子喷射孔的孔径从左向右由大变小，能够
加速气流的流动。离子喷射孔倒圆锥型结构符合
流体力学结构设计，最大限度的减少了带电粒子在钨针上的静电
吸附损失。
[0042] 进一步的，所述第一绝缘套筒22与所述进气管道23间隙配合；所述第二绝缘套筒35与所述排气管道31间隙配合；所述第一绝缘套筒22与所述进气管道23之间以及所述第二绝缘套筒35与所述排气管道31之间均设有密封圈28。通过在第一绝缘套筒22和进气管道23之间以及第二绝缘套筒35和排气管道31之间分别设置O型密封圈28，能够保证绝缘套筒与进气、排气管道之间的密封效果。
[0043] 进一步的，所述进气口24与所述进气管道23螺纹连接。所述尾气进气口25与所述外套筒26螺纹连接。所述尾气排出口30与所述排气管道31螺纹连接。所述第一电极接口29与所述进气管道23螺纹连接。所述第二电极接口36与所述排气管道31螺纹连接。所述离子喷射口33、喷射喉部喷口32分别与所述外套筒26螺纹连接。
[0044] 进一步的，所述第一绝缘套筒22与所述高压电极21过盈配合；所述第二绝缘套筒35与所述捕集电极27过盈配合，这样能够使第一绝缘套筒与高压电极之间、第二绝缘套筒与捕集电极之间紧密配合不漏气。
[0045] 进一步的，所述钨针34与所述高压电极21螺纹连接，且所述钨针的针尖直径小于4μm，针尖长度小于5mm。钨针的针尖直径越小，越有利于钨针产生尖端放电。
[0046] 进一步的，所述进气口24、尾气进气口25、尾气排出口30、进气管道23、排气管道31、喷射喉部喷口32、离子喷射口33、第一电极接口29和第二电极接口36均采用316
不锈钢材质。采用316不锈钢材质制作上述部件，能够保证上述部件的结构强度，延长其使用寿命。
[0047] 进一步的，所述高压电极21和捕集电极27均采用铜材质。
[0048] 进一步的，所述第一绝缘套筒22、第二绝缘套筒35和外套筒26均采用聚四氟乙烯材质。通过设计第一绝缘套筒和第二绝缘套筒，并采用聚四氟乙烯材质设计实现第一绝缘套筒和第二绝缘套筒，能够确保高压电极和进气管道之间、捕集电极与排气管道之间不会
接触，保证良好的绝缘性。
[0049] 本发明还涉及一种上述机动车尾气细颗粒物数浓度的测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：
[0050] (1)空气源中的空气经过喷射泵抽取进入过滤干燥器，经过过滤干燥器之后得到洁净的空气气流；
[0051] (2)洁净的空气气流由离子源模块中的进气口进入到进气管道中；
[0052] (3)将高压电极的端部螺纹处(即图2中高压电极的左端)接入2KV高压，第一电极接口接地，钨针尖端产生尖端放电，电离进气管道中的洁净的空气气流，使进气管道中的洁净的空气气流产生大量的正离子；
[0053] (4)在洁净的空气气流的推动下，进气管道中的正离子移动通过离子喷射口进入到荷电腔体。在喷射泵的作用下，洁净的空气气流以恒定的流量、一定的速度经过荷电腔体。随着离子喷射口的截面逐渐减小，洁净的空气气流的压强减小，流速变大，这时就在荷电腔体内产生一个真空度，即产生负压；
[0054] (5)尾气排放管排放的机动车尾气经过旋风PM2.5切割器，由旋风PM2.5切割器切除掉机动车尾气中大于等于2.5μm的颗粒物，得到粒径小于2.5μm的颗粒物；然后，在荷电腔体内负压的作用下，含有粒径小于2.5μm颗粒物的机动车尾气，由尾气进气口进入荷电腔体内；此时，采用静电计测量尾气进气口处的机动车尾气中的颗粒物的电流值Iin；
[0055] (6)在荷电腔体内，一部分正离子附着在机动车尾气中的颗粒物上，使颗粒物带上正电，得到带电颗粒物；带电颗粒物和多余的正离子随着洁净的空气气流进入到捕集电压模块；
[0056] (7)将捕集电极端部螺纹处(即图2中捕集电极的右端)接入200V电压，第二电极接口接地，从而在捕集电极和排气管道之间的环形区域内形成捕集电场；多余的正离子在捕集电场的电场力的作用下，被排气管道内壁收集，带电颗粒物在洁净的空气气流和捕集电场的电场力的作用下，由尾气排出口流出，此时，采用静电计测量尾气排气口处颗粒物的电流值Iout；
[0057] (8)根据公式N＝(Iout-Iin)/(P×n×e×Q)，计算得到机动车尾气中的颗粒物数浓度；其中，N表示机动车尾气中的颗粒物数浓度，Iin为进气口处的机动车尾气中的颗粒物的电流值，Iout为尾气排气口处颗粒物的电流值，P为一定粒径范围颗粒物物在荷电区域的带电效率，n为一定粒径范围颗粒物物所带的基本电荷数目，e为单个电荷的电量，Q为尾气进气口处气体的流量。
[0058] 以上所述的
实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种
变形和改进，均应落入本发明
权利要求书确定的保护范围内。
