Устройство для контроля концентрации частиц
Устройство (1) для контроля концентрации мелких частиц в выхлопной системе (4) двигателя внутреннего сгорания, включающее корпус (2), содержащий часть (3), проходящую в выхлопную систему (4) двигателя внутреннего сгорания; средства (5) крепления и уплотнения устройства (1) в выхлопной системе (4) сквозь одиночное отверстие в стенке выхлопной системы (4); датчик-измеритель (6) частиц, размещенный внутри корпуса (2); газовый ввод (7) в корпусе для создания замеряемого потока в датчик-измеритель (6) частиц; средства (8) для заряда, по меньшей мере, части частиц, входящих в датчик-измеритель (6) частиц; средства для регистрации, по меньшей мере, части тока, создаваемого заряженными частицами; газовый вывод (10) в корпусе для отвода замеряемого потока от датчика-измерителя (6) частиц; электрический разъем в средствах (5) крепления устройства (1) в выхлопной системе (4) для запитки датчика (6); и электрический разъем в средствах (5) крепления устройства (1) в выхлопной системе (4) для передачи электрического сигнала, выработанного датчиком (6).
Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к устройству для контроля частиц, и в особенности, к устройству, охарактеризованному в преамбуле независимого пункта 1 формулы полезной модели.
Уровень техники
Мелкие частицы с диаметром от 1 нм до 10 мкм образуются во многих процессах горения. Измерение этих частиц производится по многим причинам. Измерение мелких частиц может проводиться вследствие их потенциального влияния на здоровье людей, а также для контроля протекания процессов горения, например, при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, в особенности, дизельных двигателей. По вышеприведенным причинам имеется потребность в надежных устройствах для измерения мелких частиц.
Один известный способ и устройство для измерения мелких частиц описаны в документе WO 2009/109688 A1. В этом известном способе чистый, свободный от частиц газ подается в устройство и, в качестве основного потока, направляется через входную камеру на имеющийся в устройстве эжектор. Кроме того, до и в процессе подачи во входную камеру чистый газ ионизируется. Ионизированный чистый газ предпочтительно может подаваться на эжектор со скоростью звука или со скоростью, близкой к скорости звука. Ионизация чистого газа может производиться, например, с использованием устройства коронного разряда. Далее, входная камера включает вход пробоотборника, сообщающийся по потоку с каналом или объемом, содержащим аэрозоль с мелкими частицами. Поток чистого газа совместно с эжектором вызывают всасывание во вход пробоотборника, так что образуется поток проб аэрозоля из упомянутого трубопровода или объема во входную камеру. Этот поток проб аэрозоля формируется, таким образом, как боковой поток на эжектор. Ионизированный чистый газ заряжает частицы. Заряженные частицы могут, далее, отводиться обратно в трубопровод или объем, содержащий аэрозоль. Таким образом, контроль мелких частиц пробы аэрозоля осуществляется путем контроля электрического заряда, переносимого электрически заряженными частицами. Свободные ионы могут, далее, удаляться с использованием ионной ловушки. Кроме вышеупомянутых мелких частиц, в промышленных процессах и процессах горения обычно образуются и частицы с диаметром более 1 мкм или более 2 мкм, 3 мкм, 5 мкм - и даже большего размера. Такие грубые частицы с диаметром более 1 мкм в нормальных эксплуатационных условиях могут образовываться в небольших количествах, но именно в особых эксплуатационных режимах, например, при пусках, при остановках, при неисправностях. В распределениях по размерам частиц в выхлопе дизельного двигателя обычно наблюдаются три различные фракции: «ядерная» фракция, состоящая из частиц с диаметром менее приблизительно 50 нм, «накопительная» фракция, состоящая из частиц с диаметром от 50 нм до 1 мкм, и грубая фракция с диаметром частиц более 1 мкм. Преобладающая доля частиц в выхлопе дизельного двигателя образуется после выхода выхлопных газов из выхлопной трубы, и эти частицы, как правило, относятся к накопительной и ядерной фракциям.
Важным требованием к устройствам для контроля мелких частиц, в особенности для бортовой диагностики дизельных двигателей, является малый размер и компактность конструкции. Далее, предпочтительно также, чтобы эти устройства для контроля мелких частиц могли работать длительное время, не требуя техобслуживания. Далее, во многих случаях применений, например, при контроле мелких частиц в двигателях внутреннего сгорания, предпочтительно, чтобы устройства контроля могли эксплуатироваться непрерывно для осуществления измерений мелких частиц в реальном масштабе времени. Некоторые устройства, используемые для замеров выделений дизельных двигателей, недостаточно прочны, чтобы выдержать силы или температуры, воздействующие на такие устройства, другие же не могут точно указать присутствие материала в виде частиц из-за плохого соотношения сигнал/шум. Соответственно, вследствие недостатков известных устройств, имеется потребность в улучшенных устройствах для контроля частиц, взвешенных в потоке выхлопных газов.
Раскрытие полезной модели
Задача настоящей полезной модели заключается в том, чтобы предложить устройство, позволяющее преодолеть недостатки известных устройств. Решение задачи достигается предложением устройства для контроля концентрации мелких частиц в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, содержащего корпус, имеющий часть, проходящую в выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания; средства крепления и уплотнения устройства в выхлопной системе через одиночное отверстие в стенке выхлопной системы; датчик-измеритель частиц, размещенный внутри корпуса; газовый ввод в корпусе для создания замеряемого потока в датчик-измеритель частиц; средства (8) для заряда, по меньшей мере, части частиц, входящих в датчик-измеритель частиц; средства для регистрации, по меньшей мере, части тока, создаваемого заряженными частицами; газовый вывод в корпусе для отвода замеряемого потока от датчика-измерителя частиц; электрический разъем в средствах крепления устройства в выхлопной системе для запитки датчика-измерителя; электрический разъем в средствах крепления устройства в выхлопной системе для передачи электрического сигнала, выработанного датчиком-измерителем; газовый штуцер в средствах крепления устройства в выхлопной системе для подачи по существу чистого газа на датчик-измеритель; и средства (11) для ионизации по существу чистого воздуха.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, часть, проходящая в выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания, включает части, изготовленные из металлического листа, а средства для ионизации по существу чистого воздуха предпочтительно включают прибор коронного разряда. Также предпочтительно, чтобы длина части, проходящей в выхлопную систему двигателя внутреннего сгорания, была меньше или равна 55 мм, а газовый ввод не был виден, если смотреть из потока газа, текущего в выхлопной трубе.
Устройство согласно одному из вариантов осуществления полезной модели имеет следующие технические характеристики:
- объемный расход чистого воздуха: 0,5-5 дм3/мин при н.у.
- замеряемый расход из выхлопной системы: 1-10 дм 3/мин при н.у.
- соединительная резьба: М29×1,5
- ударопрочность: более 30 G
- рабочий диапазон (концентрации частиц в выхлопном газе): до 25 мг/м3
Краткое описание графических материалов
Ниже настоящая полезная модель описывается более подробно со ссылкой на сопроводительный схематичный чертеж, на котором изображена фигура, показывающая вариант осуществления устройства согласно предложенной полезной модели.
Для ясности на указанной фигуре показаны только детали, необходимые для понимания полезной модели. Конструкции и детали, которые не являются необходимыми для понимания, а также очевидные для специалистов, на данной фигуре не показаны, чтобы подчеркнуть отличительные особенности полезной модели.
Осуществление полезной модели
Устройство 1 включает корпус, содержащий часть 3, проходящую в выхлопную систему 4 двигателя внутреннего сгорания. Устройство 1 крепится с уплотнением с помощью средства 5 крепления и уплотнения к стенке выхлопной системы 4, предпочтительно к стенке выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания. Датчик-измеритель 6 частиц размещен внутри корпуса 2, а корпус 2 включает газовый ввод 7 для создания замеряемого потока в датчик 6 и газовый вывод 10 для отвода замеряемого потока. По меньшей мере, часть частиц, входящих в датчик 6, заряжается, и устройство включает средства измерения электрического тока, создаваемого заряженными частицами. Для настоящей полезной модели существенно, что установка устройства на выхлопную трубу требует лишь одного отверстия в трубе, благодаря чему установка оказывается простой и недорогой. Соединение с этим одним отверстием в выхлопной трубе включает электрический разъем питания датчика, например, высоким напряжением для разрядника, к примеру, прибора коронного разряда, используемого для ионизации потока чистого газа, еще один электрический разъем для передачи электрического сигнала, выработанного датчиком-измерителем частиц, и газовый штуцер для подачи чистого воздуха на датчик. Эти соединительные элементы размещены в средствах 5 крепления и уплотнения устройства 1 в выхлопной системе 4. Датчик предпочтительно включает ионную ловушку 9 для удаления ионов, не прикрепившихся к частицам. Датчик предпочтительно включает также трубку Вентури и камеру ионизации частиц, например, такую, как описанная в документе WO 2009/109688 A1.
Длина части 3, проходящей в выхлопную систему, предпочтительно меньше или равна 55 мм. Длина части устройства 1, расположенной снаружи выхлопной системы, предпочтительно составляет 30-50 мм. Часть 3 предпочтительно устанавливается в выхлопную систему в таком направлении, чтобы газ, текущий в выхлопную трубу, не попадал прямо во входное отверстие в корпусе. Хотя это противоречит изокинетическому отбору частиц, хорошо известному специалистам, однако обеспечивает преимущество, так как мешает попаданию грубых частиц выхлопного газа во входное отверстие. В одном из вариантов осуществления входное отверстие расположено так, что стенка корпуса эффективно заслоняет входное отверстие и перекрывает прямой путь частиц во входное отверстие. Этот вариант осуществления особенно выгоден, когда датчик частиц включает поток по существу чистого газа, как описано в документе WO 2009/109688 A1, что создает перепад давлений между входным отверстием и выхлопной трубой, при котором давление во входном отверстии ниже, чем давление в выхлопной трубе.
Вариант осуществления, изображенный на фигуре, показывает конструкцию, в которой часть 3, проходящая в выхлопную систему, включает части, изготовленные из металлического листа. В предпочтительном варианте осуществления, существенные части этой части 3, проходящей в выхлопную систему, изготовлены из металлического листа, что дает простую в изготовлении и недорогую конструкцию. В особенности, в предпочтительном варианте осуществления, изготовлены из металлического листа часть корпуса 2 внутри выхлопной системы, трубка Вентури и ионная ловушка 9.
Могут быть реализованы различные варианты осуществления, не отступающие от сути полезной модели. Поэтому вышеописанные примеры не должны интерпретироваться как ограничивающие полезную модель, напротив, варианты осуществления могут свободно варьироваться без отступления от объема прилагаемой ниже формулы полезной модели.
1. Устройство (1) для контроля концентрации мелких частиц в выхлопной системе (4) двигателя внутреннего сгорания, отличающееся тем, что содержит:
a) корпус (2), имеющий часть (3), проходящую в выхлопную систему (4) двигателя внутреннего сгорания;
b) средства (5) крепления и уплотнения устройства (1) в выхлопной системе (4) через одиночное отверстие в стенке выхлопной системы (4);
c) датчик-измеритель (6) частиц, размещенный внутри корпуса (2);
d) газовый ввод (7) в корпусе для создания замеряемого потока в датчик-измеритель (6) частиц;
e) средства (8) для заряда, по меньшей мере, части частиц, входящих в датчик-измеритель (6) частиц;
f) средства для регистрации, по меньшей мере, части тока, создаваемого заряженными частицами;
g) газовый вывод (10) в корпусе для отвода замеряемого потока от датчика-измерителя (6) частиц;
h) электрический разъем в средствах (5) крепления устройства (1) в выхлопной системе (4) для запитки датчика-измерителя (6);
i) электрический разъем в средствах (5) крепления устройства (1) в выхлопной системе (4) для передачи электрического сигнала, выработанного датчиком-измерителем (6);
j) газовый штуцер в средствах (5) крепления устройства в выхлопной системе (4) для подачи, по существу, чистого газа на датчик-измеритель (6) и
k) средства (11) для ионизации, по существу, чистого воздуха.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть (3), проходящая в выхлопную систему (4) двигателя внутреннего сгорания, включает части, изготовленные из металлического листа.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства (11) для ионизации, по существу, чистого воздуха включают прибор коронного разряда.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина части (3), проходящей в выхлопную систему (4) двигателя внутреннего сгорания, меньше или равна 55 мм.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что газовый ввод (7) не виден, если смотреть из потока газа, текущего в выхлопной трубе.
