一种柴油机排气中颗粒中值粒径的测量方法

摘要

本发明涉及测量技术领域，提出了一种测量和计算压燃式发动机排气颗粒中值粒径的方法。本发明的柴油机排气中颗粒中值粒径的测量方法，主要包括采集待测颗粒样品、待测颗粒样品的分散处理、获得分散颗粒的电镜图像、判断团聚颗粒的分散程度、求解M

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，提出了一种测量和计算压燃式发动机排气颗粒中 值粒径的方法。

背景技术

汽车排出的颗粒物（particulate matter,PM）已成为大气环境污染物的主要来 源之一。2013年，北京已实施汽车“京V”排放标准，全国范围内将实施汽车“国 IV”排放标准。在更加严格的排放法规中，除了对汽车排放颗粒物质量的限制外， 还增加了对颗粒个数（particulate number,PN）的限制要求。发动机颗粒按照粒 径大小可分为粗态（1～10μm）、聚集态（100～300nm）和核态（粒径小于50nm）。 国内外学者研究表明，颗粒质量排放峰值集中在聚集态和粗态，颗粒数量排放峰 值集中在核态。快速准确地测量发动机燃烧颗粒粒径，对于不同粒径颗粒质量和 数量排放的定量分析，以及降低颗粒质量和数量排放具有重要的意义。

颗粒粒径按测量方法不同，可以分为空气动力学直径和电子迁移直径。空气 动力学直径是利用重力法，电子迁移直径是利用粒子数量尺寸分布法。针对发动 机燃烧颗粒，目前，国内外主要采用扫描/透射电镜（SEM/TEM）、静电低压撞 击器（ELPI）、扫描式电迁移颗粒粒度仪（SMPS）、颗粒数量和粒径分析仪（EEPS） 等设备测量颗粒粒径。在测量原理上，SEM/TEM通过拍摄颗粒电镜图像，对颗 粒粒径进行直接测量，转换误差小，在理论上能够实现颗粒粒径的高精度测量。 柴油机排气颗粒通常以颗粒群的形式存在，多呈团聚的链状、团状结构。颗粒群 包含了几十至几百个单个颗粒，单个颗粒之间重叠在一起，仅通过颗粒图像很难 对单个颗粒的轮廓进行区分，且电镜图像得到的是局部颗粒图像，统计性差。 ELPI、SMPS和EEPS方法主要利用颗粒带电或静电作用，其中，ELPI由多级撞击 器组成，利用带电颗粒的惯性，测量沉积在撞击器上带电颗粒产生的电流，间接 地得到不同粒径（0.03～10μm）颗粒的数目浓度。这三种测量方法都是通过电信 号的转换间接地得到颗粒粒径和数量，得到的粒径结果主要是颗粒群的粒径，不 能反映燃烧形成的单个颗粒粒径情况，而且测量设备复杂，价格昂贵。

针对上述方法的不足，提出一种快速准确地测量柴油机排气颗粒中值粒径的 方法，发明的方法有利于简化颗粒中值粒径的测量方法，降低试验设备所需费用， 对于满足国五排放法规对颗粒计数的要求具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了测量0.1μm～0.5μm粒径范围的柴油机排气颗粒，提出一 种柴油机排气颗粒中值粒径的测量方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种柴油机排气中颗粒中值粒径的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：采集待测颗粒样品；

采用滤膜采集发动机主排气通道中的发动机燃烧颗粒作为待测颗粒样品；

步骤2：待测颗粒样品的分散处理；

采用乙醇/二氯甲烷溶液对待测颗粒样品进行萃取，对萃取后的悬浮液进行 超声分散，分散后的溶液经过滤、烘干后，得到颗粒粒径分析样品；

步骤3：获得分散颗粒的电镜图像；

采集颗粒粒径分析样品的图像，得到待处理团聚颗粒电镜图像；

步骤4：判断团聚颗粒的分散程度；

记待处理团聚颗粒电镜图像中团聚颗粒的总个数为M，采用M_i表示第i个 团聚颗粒，i＝1，2……M；根据待处理团聚颗粒电镜图像的底板晶格尺寸，采用 晶格法测量M_i的投影面积记小于1μm²的团聚颗粒个数为M^*，若 M^*＜90%M，返回步骤2；若M^*≥90%M，认为颗粒已初步分散，记M_i中单个 颗粒的个数为N_i，继续进入步骤5；

步骤5：求解M_i中单个颗粒的直径；

步骤5.1、对单个颗粒进行准球形假设：

采用曲线拟合法对M_i的轮廓进行拟合，得到拟合曲线，该拟合曲线拐点的 个数为X，x为拐点的序数，x＝1,2……X，当M_i中N_i=1时，X＝0；当M_i中 N_i=2，且两个单个颗粒相切时，X＝1；其余情况下，X≥2，则拟合曲线的第x 个拐点记为当X＝1时，记两段弧长分别为和当X≥2时，记相邻两 个拐点之间的拟合曲线的弧长为y为弧长的序数；

步骤5.2、排除拐点数过多的颗粒：

若X＞8，排除该团聚颗粒；

若X≤8，保留该团聚颗粒；

步骤5.3、判断M_i中单个颗粒个数：

若X＝0，即N_i＝1，进入步骤5.4；

若X＝1，即N_i＝2，进入步骤5.5；

若X＝2，3……8，进入步骤5.6；

步骤5.4、因为N_i＝1，则该单个颗粒的直径Dⁱ按照下式计算：

若0.1μm＜Dⁱ＜0.5μm，保留该单个颗粒直径，否则排除该单个颗粒的直径；

步骤5.5、因为X＝1、N_i＝2，两个单个颗粒相切，所以拟合曲线的弧长和即为两个单个颗粒的周长，则两个单个颗粒的直径分别根据如下公 式计算：$D_I^i=C_I^i/\pi ,D_{\mathrm{II}}^i=C_{\mathrm{II}}^i/\pi ;$

若保留该单个颗粒直径，否则排除该单个颗粒的直径；

若保留该单个颗粒直径，否则排除该单个颗粒的直径；

步骤5.6、计算X＝2，3……8时，每个单个颗粒的直径：

步骤5.6.1、计算相邻两个拐点之间的拟合曲线的弧长并记与对应的 两个拐点之间的直线距离为通过式（1）计算为对应的颗粒直径；

$D_y^i\times \sin (180\times \frac{C_y^i}{\pi D_y^i})=A_y^i---\left(1\right)$

步骤5.6.2、根据每一个逐一计算得到弧长对应的颗粒直径的集合， 为

步骤5.6.3、排除相同直径的颗粒：

将集合中每个不同的数值仅提取一个，形成新的集合；则 该新的集合中数值的个数即为该M_i中单个颗粒的个数N_i；

记新的集合为b＝1,2……N_i，表示M_i中单个颗粒的直径，b表 示M_i中单个颗粒的序号；

步骤5.6.4、排除团聚颗粒中分散不完全的颗粒：

若N_i＞5，排除该团聚颗粒；

若N_i=1～5，保留该团聚颗粒；

步骤5.6.5、排除团聚程度过高颗粒：

记M_i中N_i个单个颗粒理论投影面积的总和为S_i，S_i按式（2）计算：

$S_i=\underset{z=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}\frac{1}{4}\pi {\left({\mathrm{DD}}_b^i\right)}^2---\left(2\right)$

按式（3）计算M_i中单个颗粒的重合度β_i，

${\beta }_i=\frac{S_i}{S_{M_i}}\times 100\%---\left(3\right)$

若β_i≤50%，排除该M_i中单个颗粒的直径；若β_i＞50%，保留M_i中单个颗 粒的直径

步骤5.7、排除超出测量范围的单个颗粒直径：

逐个判别集合中单个颗粒的直径，若满足$0.1\mathrm{\mu m}<{\mathrm{DD}}_b^i<0.5\mathrm{\mu m},$则保留该颗粒直径，否则排除该单个颗粒的直径。

判别后，将保留的颗粒直径的集合记为表示筛选后M_i中单个颗 粒的直径，z表示M_i中最终单个颗粒的序号，z＝1,2……NN_i；

中数值的个数即为该M_i中筛选后的单个颗粒个数NN_i；

步骤5.8、若X＝0，记Dⁱ为团聚颗粒中单个颗粒的直径；若X＝1，记和 为团聚颗粒中单个颗粒的直径；若X＝2，3……8，记为团聚颗粒中单个颗 粒的直径；

步骤6：筛选M_i中所有小于1μm²的团聚颗粒，逐一采用步骤5的方法求解 团聚颗粒中单个颗粒的直径，所得结果的集合记为颗粒样品的单个颗粒直径；

步骤7：计算颗粒样品的单个颗粒直径的中值，即为柴油机排气中颗粒中值 粒径D₅₀。

本发明的有益效果是：对比己有技术，本发明具有测量装置简易，不需要通 过电流与粒径的转化获得粒径，能够直观地得到0.1μm～0.5μm粒径范围内的颗粒 的特点。本发明应用颗粒电镜图像处理，能够分辨单个颗粒，提高了颗粒粒径的 测量精度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明 的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1：本发明实施例的颗粒原始电镜图像。

图2：本发明实施例的处理后局部图像的效果示意图。

图3：样品中各个团聚颗粒中单个颗粒的直径。

图4：颗粒中值粒径计算流程。

具体实施方案

下面结合具体实施例描述本发明：

步骤1：采集待测颗粒样品；

采用滤膜采集发动机主排气通道中的发动机燃烧颗粒作为待测颗粒样品；本 实施例中采用的是玻璃纤维滤膜，采样流量控制为5L/min，采样时间为10min。

没有经过分散处理前，发动机燃烧颗粒电镜图像如图1所示，颗粒呈链状、 团状、絮状团聚在一起，单个颗粒粒径的测量较为困难。

步骤2：待测颗粒样品的分散处理；

采用乙醇或二氯甲烷溶液对待测颗粒样品进行萃取，溶剂的加入量为颗粒样 品质量的5倍，萃取静置5min。对萃取后的悬浮液进行超声分散，采用小于300 目的碳网/铜网过滤超声分散后的溶液，通过烘干器对含有颗粒的碳网/铜网进行 蒸发，得到颗粒粒径分析样品。

步骤3：获得分散颗粒的电镜图像；

采用扫描/透射电镜采集颗粒粒径分析样品的图像，测量范围和精度能够满 足0.1μm～0.5μm粒径范围颗粒的测量即可。经过图像灰度、锐化处理后，得到待 处理团聚颗粒电镜图像，图2为处理后局部图像的效果示意图。

步骤4：判断团聚颗粒的分散程度；

记待处理团聚颗粒电镜图像中团聚颗粒的总个数为M=15，采用M_i表示第i 个团聚颗粒，i＝1，2……15；根据待处理团聚颗粒电镜图像的底板晶格尺寸，采 用晶格法测量M_i的投影面积分别为：0.21，0.43，0.15， 0.32，0.31，1.12，0.38，0.21，0.35，0.46，0.37，0.19，0.22，0.33，0.27μm²。 记小于1μm²的团聚颗粒个数为M^*＝1，M^*满足M^*≥90%M，认为颗粒已初 步分散，记M_i中单个颗粒的个数为N_i。

以M₂为例，继续进入步骤5，计算M₂单个颗粒的直径。

步骤5：求解M₂中单个颗粒的直径；

步骤5.1、对单个颗粒进行准球形假设：

采用曲线拟合法对M₂的轮廓进行拟合，得到拟合曲线，该拟合曲线拐点的 个数为X＝5，x为拐点的序数，x＝1,2……5，则拟合曲线的第x个拐点记为记相邻两个拐点之间的拟合曲线的弧长为y为弧长的序数；

步骤5.2、排除拐点数过多的颗粒：

M₂拟合曲线拐点的个数X满足“X≤8”，保留该团聚颗粒；

步骤5.3、判断M₂中单个颗粒个数：

因为X＝5满足“X＝2，3……8”，进入步骤5.6；

步骤5.6、计算X＝5时，每个单个颗粒的直径：

步骤5.6.1、计算相邻两个拐点和之间拟合曲线的弧长为0.5μm，与 对应的两个拐点之间的直线距离为0.12μm，通过式（1）计算得到为 0.2μm。

$D_1^2\times \sin (180\times \frac{C_1^2}{\pi D_1^2})=A_1^2---\left(1\right)$

步骤5.6.2、根据每一个逐一计算得到弧长对应的颗粒直径的集合， 为$D_1^2=0.2\mathrm{\mu m},D_2^2=0.13\mathrm{\mu m},D_3^2=0.36\mathrm{\mu m},D_4^2=0.47\mathrm{\mu m},D_5^2=0.36\mathrm{\mu m}.$

步骤5.6.3、排除相同直径的颗粒：

将集合中每个不同的数值仅提取一个，形成新的集合； 则该新的集合中数值的个数即为该M₂中单个颗粒的个数N₂=4；

记新的集合为b＝1,2……N₂，表示M₂中单个颗粒的直径，b表 示M₂中单个颗粒的序号；${\mathrm{DD}}_b^2=\{0.2\mathrm{\mu m},0.13\mathrm{\mu m},0.36\mathrm{\mu m},0.47\mathrm{\mu m}\}.$

步骤5.6.4、排除团聚颗粒中分散不完全的颗粒：

N₂=4满足“N_i=1～5”，因此保留该团聚颗粒。

步骤5.6.5、排除团聚程度过高颗粒：

记M₂中N₂个单个颗粒理论投影面积的总和为S₂，S₂按式（2）计算：

$S_2=\underset{z=1}{\overset{N_2}{\Sigma }}\frac{1}{4}\pi {\left({\mathrm{DD}}_b^2\right)}^2---\left(2\right)$

计算得到S₂＝0.32μm²。

按式（3）计算M₂中单个颗粒的重合度β₂，其中，

${\beta }_2=\frac{S_2}{S_{M_2}}\times 100\%---\left(3\right)$

计算得到β₂＝74.4%，满足若β₂＞50%，因此，保留M₂中单个颗粒的粒径

步骤5.7、排除超出测量范围的单个颗粒直径：

逐个判别集合中单个颗粒的直径，若满足$0.1\mathrm{\mu m}<{\mathrm{DD}}_b^2<0.5\mathrm{\mu m},$则保留该颗粒直径，否则排除该单个颗粒的直径。

判别后，将保留的颗粒直径的集合记为表示筛选后M₂中单个颗 粒的直径，z表示M₂中最终单个颗粒的序号，z＝1,2……NN₂；

中数值的个数即为该M₂中筛选后的单个颗粒个数NN₂；

${\mathrm{FD}}_z^2=\{0.2\mathrm{\mu m},0.13\mathrm{\mu m},0.36\mathrm{\mu m},0.47\mathrm{\mu m}\},$NN₂=4。

步骤5.8、因为X＝5满足“X＝2，3……8”，所以记为团聚颗粒M₂中单 个颗粒的直径；

步骤6：筛选M_i中所有小于1μm²的团聚颗粒，逐一采用步骤5的方法求解 团聚颗粒中单个颗粒的直径，所得结果的集合记为颗粒样品的单个颗粒直径；最 终数据结果详见图3。

步骤7：计算颗粒样品的单个颗粒直径的中值，即为柴油机排气中颗粒中值 粒径D₅₀＝0.34μm。

以上结合附图对本发明的具体实施方案作了说明，但这些说明不能被理解为 限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发 明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。