[发明专利]基于退偏比表征柴油机尾气碳烟破碎特性的装置及方法

权利要求书

1.一种基于退偏比实现对柴油机尾气碳烟破碎特性进行表征的装置，包括燃烧器，位移台(7)，不锈钢探针取样系统(10)，拉曼光谱仪(8)，气相色谱仪(2)，尾气收集装置(3)，多个气瓶和电脑控制系统；所述多个气瓶包括一个甲烷气瓶(12)、一个氧气气瓶(13)、一个氮气气瓶(14)和一个氩气气瓶(15)；

其特征在于，

所述燃烧器包括圆柱形主体，所述圆柱形主体包括相互嵌套的外圆筒(11)和内圆筒(6)，所述内圆筒(6)的上面与所述外圆筒(11)的上面平齐，所述内圆筒(6)的下面突出于所述外圆筒(11)的下面，所述内圆筒(6)的下部设有气体进口，所述外圆筒(11)的外径为75mm，所述内圆筒的外径为25mm，所述内圆筒(6)的上端嵌有蜂窝状的柱塞(9)，所述蜂窝状的柱塞(9)由若干个直径微小的长钢管组成，所述长钢管的外径为1.62mm，内径为1.5mm，所述蜂窝状的柱塞(9)的上面与所述内圆筒(6)的上面平齐；所述外圆筒(11)设有气体进口，所述内圆筒(6)的下部设有第一气体进口和第二气体进口，所述外圆筒(11)的气体进口通过连接管路A连接至所述氩气气瓶(15)，所述连接管路A上设有流量计；所述内圆筒(6)的第一气体进口连接至一进气总管路的一端，所述进气总管路的另一端通过并联的三条管路分别连接至所述甲烷气瓶(12)、氧气气瓶(13)和氮气气瓶(14)，三条连接管路上均设有流量计；所述内圆筒(6)的第二气体进口连接至柴油机的排气歧管(4)上；

所述排气歧管(4)上设有流量计(5)；所述排气歧管(4)的管壁设有两个孔，该两个孔分别通过管路B和管路C连接至所述气相色谱仪(2)和所述尾气收集装置(3)；

所述燃烧器固定在所述位移台(7)上，所述位移台(7)由两个步进电机控制，实现燃烧器水平和竖直方向的移动；

所述不锈钢探针取样系统(10)包括液氮钢瓶(101)、不锈钢探针(103)、取样器(104)、真空泵(105)、恒温水箱(107)和控制器(108)，所述不锈钢探针(103)布置在所述燃烧器的正上方，所述不锈钢探针(103)在长度方向的中间位置处设有一个0.128mm的微孔，所述不锈钢探针(103)嵌入到一个水冷槽(106)中，所述不锈钢探针(103)直径的4/5嵌入到水冷槽(106)中，且与水冷槽处于完全密封的关系，所述不锈钢探针的微孔露在所述水冷槽之外，所述不锈钢探针(103)的进口端通过管路D与一个液氮钢瓶(101)的出口相连，管路D上设有冷氮气流量计(102)，所述不锈钢探针(103)的出口端通过管路E与所述取样器(104)的进口端相连，所述取样器(104)的出口端与所述真空泵(105)的进口端相连；所述取样器(104)内装有聚四氟乙烯的滤膜，在所述真空泵(105)的吸力作用下，将燃烧器火焰中的碳烟颗粒吸附到聚四氟乙烯的滤膜上，所述聚四氟乙烯滤膜上收集到的碳烟颗粒用于拉曼光谱仪(8)分析；所述水冷槽的进口(1061)和出口(1062)与所述恒温水箱(107)相连形成循环水路；所述气相色谱仪(2)配有热导检测器，用于测量柴油机的排气歧管(4)中氧气的含量；

所有的流量计、位移台(7)、气相色谱仪(2)和拉曼光谱仪(8)均与所述电脑控制系统相联，所述电脑控制系统用于控制进入所述燃烧器不同气体流量和燃烧火焰位置高度及气相色谱仪(2)的取样分析。

2.根据权利要求1所述基于退偏比实现对柴油机尾气碳烟破碎特性进行表征的装置，其特征在于，所述不锈钢探针(103)的直径为6.35mm，壁厚为1.12mm。

3.一种基于退偏比对柴油机尾气中碳烟破碎特性的表征方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述基于退偏比实现对柴油机尾气碳烟破碎特性进行表征的装置，并包括以下步骤：

步骤一、设定参数，至少包括设定：打开各气瓶阀门，各气瓶的压力、气体燃料的种类、恒温水箱(107)的温度、不锈钢探针(103)在火焰中的取样高度；

步骤二、将柴油机(1)热机，待柴油机(1)运行工况稳定后，设置柴油机的排气歧管(4)上流量计的流速，用带有热导检测器的气相色谱仪(2)测量出柴油机的排气歧管(4)中氧气的含量；

步骤三、设置燃烧器火焰中总的燃空当量比为0.85，保证燃烧器形成的预混火焰为稀燃工况，在测量出柴油机的排气歧管(4)中氧气的流速后，通过下述公式求出通入燃烧器中甲烷、氧气和氮气气体的流速；

式(1)中：表示总的燃空当量比；燃油表示燃油的流量，单位为L/min；氧气₁表示尾气中氧气的流量，单位为L/min，氧气₂表示通入燃烧器的氧气的流量，单位为L/min；

步骤四、设置进入燃烧器中的甲烷、氧气和氮气的流速，通过电子点火器点燃燃料气体；调节所述位移台(7)的位置，使燃烧器火焰中心的水平投影与所述不锈钢探针(103)上的取样微孔的水平投影重合，待燃烧火焰稳定后；通过控制器打开真空泵(105)的开关，并设置来自于所述液氮钢瓶(101)的氮气的流速，对火焰中碳烟颗粒取样，取样时间为2min，然后，将聚四氟乙烯的滤膜取出后放入到培养皿中；每完成一次碳烟颗粒取样过程后调整位移台(7)的高度，实现在不同火焰高度取样，从而获得一组碳烟颗粒；

步骤五、设置燃烧器火焰中总的燃空当量比为1.05，保证燃烧器形成火焰为富燃工况，重复步骤三、四，获得另一组碳烟颗粒；将稀燃条件下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒A，将富燃条件下获得的碳烟颗粒记为碳烟颗粒B；

步骤六、对碳烟颗粒A和碳烟颗粒B分别在带有检偏器的拉曼光谱仪(8)上进行检测，通过调节检偏器的方向，来获得散射光在垂直和水平方向的偏振分量，进而获得退偏比，退偏比即为垂直方向与水平方向的光强比值；所述退偏比与碳烟颗粒的破碎特性呈现线性关系，具体为：碳烟微粒破碎程度越大，其退偏比值也越大；将碳烟颗粒A和碳烟颗粒B的退偏比数据进行对比分析，即可获得在稀燃和富燃条件下碳烟颗粒的破碎特性。