（载运工具运用工程专业论文）汽车尾气降解材料测试室研究设计.pdf

摘要 汽车尾气对人类生存环境的污染状况随车辆保有量的增加，而日趋严重。从净化空 气维持人类的可持续发展方面考虑，急需将汽车对人类的危害降至最小程度。在众多治 理和降解汽车尾气的方法和措施中，目前很多专家和学者都把光催化材料作为降解大气 中汽车尾气的一种新的途径。但现有的光催化材料有很多种类，究竟光催化材料对汽车 尾气的降解效能如何，哪种光催化材料对汽车尾气的哪种因子具有更好的降解效能，这 就必须有适当的仪器来对其降解效能进行检测并加以评定，但目前市场上并没有成型的 该种设备。基于此种情况，研究设计了汽车尾气降解材料测试室。本论文研究设计的汽 车尾气降解材料测试室，在设计过程中参考美国材料测试协会标准【1 1 ，设计了该测试室 的结构尺寸，根据光催化材料的反应条件特点，选择了目前模拟太阳光的最好光源 氤灯。汽车尾气降解材料测试室在设计的过程中为了能便于操作、实现测试的自动化， 其在数据采集及数据处理方面采用了计算机辅助测试系统。该测试系统中选择的传感 器，均为国外进口的知名品牌，以尽可能的保证测试的精度和稳定性。数据通讯设备采 用智能模块，以尽可能地减少其传输过程中随机信号的干扰。测试软件采用组态王工控 软件，具有实时显示监控的功能。 本论文较为详细地介绍了汽车尾气降解材料测试室的设计思想、设计原理、设计依 据、零部件的选配及其整个测试原理和工作过程等。并以5 纳米t i 0 2 光催化材料作为 试验材料，对汽车尾气降解材料测试室的性能做测试评价。整个实验的测试是以合理的 实验方案、实验方法及手段进行的，通过实验证明本课题所设计的汽车尾气降解材料测 试室，基本上达到了设计目的。本课题研究设计的汽车尾气降解材料测试室为光催化材 料降解汽车尾气的研究提供了良好的实验基础和测试平台。 关键词汽车尾气降解材料测试室研究设计 a b s t r a c t i t i st r u ct h a ta u t o m o b i l ee x h a u s t sp o l l u t i o nt ot h eh u m a ns u r v i v a le n v i r o n m e n th a s b e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eq u a n t i t yo fv e h i c l e s c o n s i d e r i n gh u m a n i t y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，i ti su r g e n tf o ru st or e d u c et h ep o l l u t i o nt o t h el e a s te x t e n t a tp r e s e n t ，m a n ye x p e r t sa n dt h es c h o l a r st a k et h ep h o t o c h e m i c a lc a t a l y s i s m a t e r i a la so n ew a yt od e g e n e r a t ea u t o m o b i l ee x h a u s ti na t m o s p h e r e ，a m o n gm u l t i t u d i n o u s m e a s u r e so nc u r i n ga n dd e g e n e r a t i n ga u t o m o b i l ee x h a u s t b u tt h e r ea r em a n yt y p e so f p h o t o c h e m i c a lm a t e r i a l sn o w , h o wa b o u tt h ee f f i c i e n to fp h o t o c h e m i c a lc a t a l y s i sm a t e r i a lt o d e g e n e r a t ea u t o m o b i l ee x h a u s ta n dw h i c hi st h eb e s tm a t e r i a lt od e g e n e r a t e a u t o m o b i l e e x h a u s to ne a r t h ? i no r d e rt or e a l i z et h ei d e a , t h e r em u s th a v et h er i g h te q u i p m e n tt ot e s tt h e e f f i c i e n to fd e g e n e r a t i n gm a t e r i a l so na u t o m o b i l ee x h a u s t h o w e v e r ，t h i sk i n do fe q u i p m e n t h a sn o tt a k e ns h a p ei nt h em a r k e t a c c o r d i n gt ot h i ss i t u a t i o n , w es t u d ya n dd e s i g nt h e d e g e n e r a t i n gm a t e r i a l s t e s t i n gc h a m b e ro na u t o m o b i l ee x h a u s t i nt h ed e s i g np r o c e s s ，w et a k e t h ea m e r i c a nm a t e r i a l st e s t i n ga s s o c i a t i o ns t a n d a r da st h eb a s i s ，h a sd e s i g n e dt h et e s t i n g c h a m b e r ss t r u c t u r es i z e a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i ct ow h i c ht h ep h o t o c h e m i c a l c a t a l y s i sm a t e r i a lr e s p o n s e ，c h o o s i n gt h eb e s tp h o t os o u r c e - x e n o nl a m p i no r d e rt oc a nb e a d v a n t a g e o u sf o rt h eo p e r a t i o n ，i th a su s e dt h ec o m p u t e ra s s i s t a n c et e s ts y s t e mi nt h ed a t a a c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n ga s p e c t i nt h i st e s ts y s t e m , t h em a i np a r t sa r eg 甜s e n s o r s ， w h i c ha r es e l e c t e df r o mo v e r s e 船i m p o r tw e l l - k n o w nb r a n db ya sf a ra sp o s s i b l eg u a r a n t e e t e s t i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y t h et e s ts y s t e m sd a t ac o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tu s e st h e i n t e l l i g e n tm o d u l e ，b yr e d u c i n gt h er a n d o ms i g n a l i n gd i s t u r b a n c ei nt h ep r o c e s so f t r a n s m i s s i o n t h et e s t s y s t e mu s e sk i n g v i e wv e r s i o n6 5s o i t w a r e ，w h i c hh a st i m e l y , a sw e l la st h e d e m o n s t r a t i o nm o n i t o r i n gf u n c t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs u r v e y t h ep a p e ri n t r o d u c e dd e g e n e r a t i n gm a t e r i a l s t e s t i n gc h a m b e ro na u t o m o b i l ee x h a u s t s d e s i g nt h o u g h t , t h ep r i n c i p l eo f d e s i g n , t h ed e s i g nb a s i s ，t h es p a r ep a r t ss e l e c t i n ga n dm a t c h i n g t h ew h o l et e s t i n gp r i n c i p l ea n dt h ep r o c e s so fw o r ka n ds oo n t a k e5 n a n o t i 0 2a st h e t y p i c a lp h o t o c h e m i c a lc a t a l y s i s m a t e r i a lt o t e s tt h ei n s t r u m e n t s p e r f o r m a n c e b y t h e r e a s o n a b l ee x p e r i m e n t a lp l a n ，t h ee x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ea n dm e t h o d ，w h i c hp r o v et h a ti th a s r e a c h e dt ot h ed e s i g na i m t h et e s t i n gc h a m b e rc a np r o v i d eag o o df o u n d a t i o na n dt e s t i n g p l a t f o r mf o rt h es t u d yo f p h o t o c h e m i c a lc a t a l y s i sm a t e r i a lo nd e g e n e r a t i n ga u t o m o b i l ee x h a u s t k e y w o r d sa u t o m o b i l ee x h a u s t ，d e g e n e r a t i n gm a t e r i a l s ，t e s t i n gc h a m b e r , s t u d ya r i d d e s i g n 1 1 1 绪论 1 1 课题的目的和意义 1 绪论 近年来，我国汽车保有量持续增长，年平均增长率约为1 4 5 。2 0 0 0 年，我国机 动车保有量总数已超过20 0 t ) 万辆【2 】。随着汽车保有量的增加，汽车排放已成为造成城 市大气质量恶化的主要污染源之一。汽车尾气是一种流动大气污染源，它排放的污染 物主要有：一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) ，微粒物和硫化 物等，这些污染物分别由汽车的排气管、曲轴箱和燃油系统排出，称为排气污染物 ( 尾气) 、曲轴箱污染物和燃油蒸发污染物，这些污染物不仅破坏了自然界的生态环 境，而且还对人类造成了直接或间接的伤害。 c o 是排放量最大的大气污染物之一，主要是碳氢化合物不完全燃烧时的产物，它 与血液中的血红蛋白的结合力极强，要比氧气与血红蛋白的结合力大2 0 0 3 0 0 倍，当 大气中c o 的浓度高于一定量时，就会造成人体因缺氧而导致的窒息死亡。 n o x 中的n o 对大气中的平流层中臭氧层起破坏作用，使臭氧对人类地球的保护 作用受遭到破坏，其次与c o 一样易引起缺氧症。此外，n 0 2 的毒性比n o 要高出4 5 倍，是引起肺癌的主要原因之一。 凰c 。瞅氢混合物) 是未燃尽的燃料分解出的气体，其组成与燃料种类、发动机空燃 比、燃烧室结构及发动机工况等条件有关，是引起废气异味的主要因素，又是光化学 烟昧的重要来源【3 】。当总量达到定程度时，其与n 0 2 混合易产生臭氧等过氧化合物对 人的眼、鼻及呼吸系统造成伤害，严重时可以致癌。 汽车尾气对大气环境的破坏已成为当前世界环境污染的主要问题。据统计测算， 一辆满载货物的卡车，每分钟最大排气量可7 m 3 以上，平均每l0 0 0 辆汽车每天排出的 氮氧化合物为5 0k g 1 5 0k g ，碳氯化合物2 0 0k g 4 0 0 k g 。由此可见，汽车尾气排放对 大气的污染已相当严重。由污染物气体所造成的“酸雨事件”、“烟雾事件”，其后果极 为严重。 目前汽车尾气的控制和治理已成为众所关注的焦点。要解决汽车尾气对大气的污 染主要从两方面入手：一是改进发动机的燃烧方法，利用所谓的稀薄燃烧方式来接近 理想燃烧方式，以在较好的条件下使混合气体燃烧，减少污染物的发生量。其具体措 施有：改进燃烧室结构，如采用复合涡流控制燃烧，m c a j e t 控制喷气稀薄发动 机；改进点火系统、设置稀混合气供给装置等。二是在以上各种手段达不到标准要 求时，采用各种化学手段来辅助。所谓的化学手段主要是指在汽车排气管上安装类似 于消声器大小的转化器，内装催化剂，使尾气中的有害成分迅速转化为无害物质。基 于汽车尾气对人类生存环境的污染及对人类自身健康的威胁，现社会各界各领域采取 各种方法和手段期望将汽车尾气的危害降低到最小限度。综合来看，主要措施是机内 净化和机外净化两大途径。机内净化就是通过改善发动机的健康状况和燃烧过程，从 根本上防止或减少有害污染物在机内生成，达到发动机的“标本兼治”功效，这是根 治之方。机外净化，就是用设置在机外的三元催化器等净化装置在排放已经形成的情 况下，再想办法将其转化无害的气体。机外净化又分为前处理和后处理。前处理就是 对进入发动机燃料室燃烧前的原料和空气进行有利于排气净化的预处理。这方面的技 术措施有：进气恒温、废气再循环、增加进气压力和中间冷却、采用无铅汽油等方 法。后处理是在排气道中对已排放出发动机燃烧室而尚未进入大气的废气进行进一步 的净化处理的方法【4 】。但后处理存在可靠性差和寿命等缺陷。我国汽车尾气排放法控制 法规将逐步完善，为排放治理法制化提供保障，也为新工艺、新材料、新技术的应用 提供了有利条件。同时，人们也希望能在机内、外净化的同时对已排放到大气中的汽 车尾气作进一步的降解。近年来，国内外对以二氧化钛( t i 0 2 ) 为代表性催化剂的多相 光催化进行了很多研究p 1 j 。 随着科学的发展，光催化纳米材料被称为二十一世纪最有前途的材料【9 】，光催化技 术也随之应用到降解汽车尾气的问题当中，此领域也是国际最活跃的研究领域之一。 光催化技术在环境保护、太阳能利用和新功能材料开发等方面具有广阔的应用前景。 光催化剂具有很好的光催化活性、稳定性高、可通过过滤重复使用【l p ”】，一些专家还 试图利用二氧化钛的自净功能研制出新的催化自净功能的材料 1 6 1 7 1 。对有毒有机污染 物氧化率( 生成c 0 2 和h 2 0 等无机物) 高，光催化剂属于半导体材料，通常有z n o 、 c d s 、s r t i 0 3 等及其他的氧化物都具有光催化性能，但最普遍的例子是二氧化钛 ( t i o z ) 。然而，二氧化钛( t i 0 2 ) 是宽禁带材料，仅能吸收太阳光谱的紫外光部分， 太阳光利用率低，通常需要用紫外光源来激发【1 8 】。 2 0 世纪以n 0 2 材料作为光催化剂，启始于7 0 年代日本东京大学的a k i m f u j i s h i m a 教授所发表的光催化剂电极分解水，以产生氢气与氧气作为净化能源。从此，开肩了 光催化技术的大门。目前美国、日本、法国、加拿大等发达国家均已投入大量的资金 和研究力量来开展光催化技术的研究与开发，试图研究一种新型、有效的环保材料。 2 0 世纪9 0 年代以来研究较多的是t i 0 2 纳米光催化材料，它的特点是无毒，对人体和 环境无害、高效、多功能，且具有较强的氧化还原能力、化学安定性、环境友善性。 利用它可将环境中的有害物质分解成为无害物质，是最具有前途的绿色环保催化剂。 光催化技术是一种新型的高效环保技术，迄今为止日本已研制出t i 0 2 光催化净化大气 的环保涂料，并将其涂敷在高速公路护栏、桥梁、建筑物、广告牌的表面等处，通过 光催化作用来降解汽车尾气。利用t i 0 2 光催化技术制成的环境净化涂料对空气中n o x 净化效果良好，降解率很高，在太阳光下，达到9 7 。 我国2 0 世纪8 0 年代起，就有许多科学家开始进军纳米科技领域，并取得较为丰 富的研究成果，中国的纳米科技事业与几个先进国家同步，而且在某些领域已达到了 世界先进水平。我国在清华大学研究基金的资助下t i 0 2 薄膜制备工艺已完成，并试验 了对敌敌畏稀溶液的光催化降解效率为9 4 。近几年来，许多光催化材料用来作为外 涂材料以降解汽车尾气，但这些降解材料对汽车尾气的降解效能到底如何，能降到何 种程度，这就需要专门的仪器来对其降解效能进行评定。 本论文研究设计的汽车尾气降解材料测试室，就是针对光催化材料对汽车尾气的 降解效能而提出的。希望通过对“汽车尾气降解材料测试室”的研究与设计，对汽车 尾气实施动态监测，寻找到降解汽车尾气的最佳环保材料，从而降解汽车尾气对大气 1 绪论 的污染，提高空气质量，实现交通生态环境的可持续发展。在研制的过程中采用计算 机辅助测试系统及先进的电子装置，使该“汽车尾气降解材料测试室”的测试系统集 机电一体化。在测试功能上、测试的自动化程度上和测试结果的精确度、复杂数据的 处理以及操作过程的简便性和可靠性等方面都有了长足的进步。汽车尾气降解材料测 试室的总体设计过程中本着先进性、可靠性、实用性为出发点，所谓的先进性是指其 在测试精度、功能、测试技术等几方面的综合指标达n - - 十一世纪国际和国内先进水 平；实用性是指系统能够实现一机多功能，能够动态检测汽车尾气，且人性化设计测 试系统界面、操作简单，便于系统维护；可靠性是指系统具有较高抗干扰能力和稳定 性，显示值准确、重复性好，能满足测试需要。 本论文的研究设计的汽车尾气降解材料测试室能够更方便、快捷的测试降解汽车 尾气的环保材料的降解效能，对汽车尾气污染物的监控与防治都具有重要的意义。 1 2 国外汽车尾气降解材料测试技术简介 汽车尾气降解材料测试室对降解材料的测试，其实质是对汽车排放出的汽车尾气 在降解过程中测试汽车尾气中各因子浓 度的变化，然后确定该降解材料的降解 效能，所以事实上也是对汽车尾气中各 因子在满足光催化材料发生反应的前提 条件下，对反应后的汽车尾气因子进行 检测。 据调查统计，目前美国c u s s o n 公司 已推出p 7 5 1 0 型废气催化反应装置，可 用来测试催化剂的净化效能及气体的流 速，该设备的反应原理是在仪器内部装 有陶瓷蜂窝载体，将要测试的各种催化图1 - 1p 7 5 1 0 型废气催化反应装置 剂分别置于载体上，测试流过该催化反 应器的汽车尾气中各有物质浓度的变化，从而得到各催化剂的催化转化效能。但该仪 器的使用范围有一定的限制，它只能测试各种催化器所使用的催化剂而对光催化剂的 净化效能却无法测量，原因是由于该仪器并不具备光催化反应所需的光条件。其图如 图1 1 所示。 英国帝国理工学院研制出的新型汽车尾气检测装置，该装置主要测量汽车尾气在 紫外波段上的吸收情况，其工作波段为2 0 0 n m 2 7 0 n m ，并具有动态检测的能力，即使 汽车以l o o k m 车速行驶时也能进行测试，但其只能实现对汽车尾气的动态检测而不具 有检测各种降解材料的功能，对光催化材料来说更是不可能实现的。由斯德曼及其助 手在丹佛大学发明的汽车尾气动态检测仪由放在路边的红外及紫外光源和置于公路另 一边的光学检测器组成。该仪器将汽车尾气收集在光学测定池内，通过用红外光照射 气体后，由检测器测出气体对红外光的吸收程度来决定污染物的性质【1 9 1 。 日本工业技术院环保综合研究所新近开发以出一项流通量城市空气污染的新技 术，其中的光触媒采用钛白粉( t i 0 2 ) ，这种光触媒将与活性碳粉末混合，掺入氟树脂制 成薄膜，当薄膜遇到有害的氮化物分子后发生反应，生成硝酸，以此净化空气。据测 算，在4 车道公路旁沿途l k m 范围内，如在1 2m 2 建筑物的临街外墙上按7 0 面积涂敷 这种薄膜，可将每小时1 00 0 0 辆的车流所排放的尾气氮化物吸收2 0 ，产生的硝酸可 被水冲走。 1 3 国内汽车尾气降解材料测试技术研究的进展 国内最大、最先进的“环境催化研究室”是北京工业大学环境化学与工程系环境 污染治理研究室。该研究室自7 0 年代起就致力于有机废气催化燃烧和汽车尾气催化控 制的研究。它在“九五”期间，建立了国内第一套最新水平的汽车尾气净化催化剂活性评 价装置。但它所用的设备是液相色谱分析仪、气相色谱分析仪、n i c o l e ta v t a r 3 6 0 红外 光谱仪、h p 8 4 5 1 a 紫外光谱仪、s t - 0 3 型比面测定仪，f q y 0 1 0 盐雾箱、e i r - 5 0 0 s 二氧 化硫分析仪、g m 3 0 0 刮膜机、4 0 5 型低温实验箱等设备。目前该光催化降解实验室已 拥有多套自行研制的液相光催化、光电催化和气相光催化反应装置。主要开展有毒有 害有机污染物的光催化、光电化学模拟降解实验。主要研究内容包括与环境相关的各 种光化学和光物理反应、光电化学反应以及纳米材料的合成和光催化性质研究等；开 展光催化体系和光敏化体系的光物理和光化学模拟降解及其应用研究等。针对水中和 大气中毒害有机污染物进行光( 光电) 催化反应机理和动力学实验研究，开发各种新型环 境光化学材料，研究光化学氧化、光催化、三维电极电化学催化、光电协同催化氧化 等深度氧化技术对环境中毒害有机污染物的降解过程等。利用这一系列的设备和仪器 来研究机动车污染治理技术及纳米催化剂制备技术和稀土催化等方面，但其在研究的 过程中要动用这一熬套设备，实际操作起来较为复杂、而且整体设备的成本也较高， 对于些部门和场所来说其应用上受到一定的限制。 此外，清华大学在2 0 0 2 年时做了一个 模拟小室，它的具体结构为：箱体材料采 用3 m m 不锈钢板，轴流风机安装在底部， 在模拟小室的壁上设置进样口和取样口， 并设有灯架和样品托架，其测试反应后的 气体是采用静态法用带f i d 检测器的气相 色谱( 日立1 6 3 型) 测定刚。它只能实施 静态测试，同时除模拟小室的制作成本 外，配套使用的气相谱分析仪的成本也比 较高。这在国内目前在光催化降解性能评 价方面较具代表性a 其后来又稍做改观和 图i 2 清华大学催化降解模拟小室 完善，其外观图如图1 2 所示。 从1 9 8 3 年以来，我国先后已有3 0 多个城市和一些大型企业建立了大气环境自动 监测系统，从采样、监测到数据处理基本上实现了自动化。目前，大气中主要的有害 气体的自动连续测量是：( 1 ) 使适当的吸收液与所采集的试样大气中的被测成分 1 绪论 发生反应，根据反应结果产生的电导变化( s 0 2 ) 、色彩程度( n o x 、氧化剂) 、离子浓 度的增加( 氟化合物) 等来测定；( 2 ) 根据红外线吸收的程度来测量c o ：( 3 ) 利用气体色层 分离法，分离各种成分后，根据氢焰的电导率增加程度来测量碳化氢等。催化剂活性 评价以汽车排气模拟气体为反应气，在装有l m l 的o 7 8 n m 1 2 8 r i m 片状催化剂的连续 流动固定床反应器中测试c o 、h c 氧化的活性。佛山分析仪器厂提供测试原料气，组 成为c o 为1 5 9 ；c 3 h 为8 8 7 9 m g l ；c 3 h 为6 1 8 2 0 m g l ；0 2 为3 7 1 ；余下为n 2 、 c o 、h c 的浓度用气相色谱分析。色谱拄分别为碳分子筛和涂渍有阿皮松m f 2 q 的上述 这些方法都需采用大型分析设备，不但造价高，而且操作复杂【22 1 。人们一直在寻找新 的高效催化剂，由于纳米超微粒子特定的表面性能使其具有较高的表面活性，因而纳 米催化剂与一般传统的催化剂相比，显示出高得多的活性和选择性阱q 4 】。 1 4 本课题主要研究的内容 为测试某种材料对汽车尾气中各有害成分的降解效能而研究设计“汽车尾气降解 材料测试室”。通过该测试室不仅可以模拟环境，对降解材料进行测试分析，评价其在 降解汽车尾气方面的效能，又可以动态测试汽车尾气中各种有害成分，是集汽车尾气 和降解材料性能测试于一体的测试设备。本课题研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) “汽车尾气降解材料测试室”的测试机理研究； ( 2 ) “汽车尾气降解材料测试室”的结构设计； ( 3 ) 计算机模拟控制技术的研究； ( 4 ) 对降解材料进行测试； ( 5 ) 测试结果的系统分析。 东北林业大学硕士学位论文 2 1 设计依据 2 总体方案设计 ( 1 ) g b1 4 7 6 1 5 - 1 9 9 3 汽油车怠速污染物排放标准 根据此标准来确定在用车怠速工况下尾气中有害成分c o 、h c 的浓度范围，以此 作为选择传感器量程的依据。 ( 2 ) g b t3 8 4 5 1 9 9 3 汽油车排气污染物的测量怠速法、0 1 31 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车 排放污染物限值及测试方法、g b1 8 3 5 2 2 2 0 0 1 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 ( i i ) 及g b1 8 2 8 5 - 2 0 0 0 在用汽车排气污染物限值及测试方法 借鉴上述标准确定“汽车尾气降解材料测试室”的设计方案及实验方案。 ( 3 ) 美国材料测试协会标准( a s t m d5 1 1 6 1 9 9 0 ) 参考美国材料测试协会标准来确定汽车尾气降解材料测试室的容积大小。 2 2 设计要求 要求设计的“汽车尾气降解材料测试室”能对汽车尾气中各因子具有降解效能的 材料的降解性能进行测试，具体技术指标为： ( 1 ) 汽车尾气降解材料测试室的室体密封可靠，无泄漏； ( 2 ) 整个汽车尾气降解材料测试室工作稳定，抗干扰能力强，在实际工作现场检 测数据准确、可靠、误差小； ( 3 ) 检测效率高，能够迅速准确地检测出降解材料的降解效能： ( 4 ) 检测过程以图表或数值显示，且检测数据均可保存调用，打印输出检测报告 及相关曲线； ( 5 ) 不仅能测试普通材料或催化剂对汽车尾气的降解效能，而且还能对新型光催 化材料对汽车尾气的降解效能进行检测。 2 3 设计原则 在进行汽车尾气降解材料测试室结构设计的过程中需考虑以下因素：汽车尾气降 解材料测试室工作时，需将被测气体密封在室体内，才能检测汽车尾气中各有害成分 的浓度在降解材料作用下的变化情况。因此，在设计过程中应首先考虑室体的密闭 性，并且在满足被测气体所需容积的条件下，尽量减少测试装置的体积，使其便于移 动，以适于室内、外测试工作的需要。在保证测试气体容积的前提下，接机的设计要 求结构紧凑、简洁，各零部件的安装位置应方便操作。其次，由于传感器具有一定的 使用寿命，在设计中要考虑其更换的方便性。此外，在测试光催化材料的降解性能 时，由于光源辐射会使气体室内的温度升高，因此在测试室的结构设计时还必须考虑 其散热性。根据传感器的技术参数要求，气体室内温度为0 。c 5 0 ，压力不大于 1 m p a 。在经济性方面要尽量降低其制造成本，提高其测试效率：从美学的角度要尽量 使其造型美观、色泽明亮，给人以舒适感。 2 4 汽车尾气降解材料测试室内汽车尾气扩散模式的模拟 大气中几乎时时处处存在着各种不同程度的湍流运动。在大气边界层内，气流受 下垫面的影响，湍流运动尤为剧烈。湍流的主要特征是它的不规则性，即在湍流流场 中存在着不同于主流方向的、各种程度的不规则次生运动，其结果造成流体各部分之 间的强烈的混合。当污染物进入大气时，就在流场中造成了污染物质分布的不均匀， 形成浓度梯度。此时，它们除了随着气体做整体的漂移外，由于湍流的混合作用，还 不断将周围的清洁空气卷入烟气，并将烟气带到周围的空气中。这种湍流混合和交换 的结果，造成污染物质从高向低浓度区的输送，使它们逐渐被分散、稀释，通常称这 样的过程为湍流扩散过程。在长期的研究过程中，目前形成的大气中污染物湍流扩散 过程的基本方法和理论有以下几种形式【2 5 】： 1 e u l a r ( 欧拉) 方法和梯度输送理论( k 理论) 此种理论适合于研究对象是空间内一固定的微元体，该体积元满足质量平衡方 程。则其气体扩散模型为： 丽：一_ j 笪( 2 1 ) 瑟 式中亭局地平均度； 万局地一个通量的单元面积； k 揣流扩散系数。 2 l a g r a n g i a n ( 拉格朗日) 方法和统计理论 l a g r a n g i a n 方法考虑的重点是扩散物质随流体微团在空间变化的情况，即认为污染 物浓度的变化与流动气流相关。而在统计学中认为粒子在湍流流场中具有一定的概率 分布，则相应的浓度场也应具有相应的分布，其基本公式如下式所示： c ( x ，y ) = q _ p 伍y ) ( 2 - 2 ) 式中c ( x ，y ) 浓度场； p ( x ，) ，) 几率密度函数。 3 湍流扩散的相似理论 相似理论是在量纲分析的基础上发展起来的，是研究近地层大气流的一种有效的 理论方法，该理论认为流场的l a g r a n # a n 性质直接决定于流场的e u l a r 性质，但由于相 似理论的公式比较复杂，所以实际工作过程中还没得到广泛的应用。 由于建模过程、模式的理论体系以及描述的对象和条件的不同，形成了形式多样 的污染物扩散模式。通常最基本的有两种形式，即为数值模式和经验模式两种。 ( 1 ) 经验模式 高斯扩散模式高斯扩散模式是目前应用最广泛的经验公式，它是在污染物浓 度符合正态分布的前提下导出的，在扩散方程中假设扩散系数为常数，则得到其正态 分布形式的解。但在现实情况下，实际大气并不满足假设的条件，但可作为一种粗略 东北林业大学硕士学位论文 的近似，基本模式为 c加_笔毒唧一三(盖+霹x22nu 2 ) ) ( 2 - 3 ) o v o zz 仃y 2 0 ： 对有界的情况其模式为： 啦m z 问= 南卅匀一等，+ 酬一等z 舢 式中盯平均风速。 盯。横向扩散系数； t 7 ；铅直扩散系数。 萨顿扩散模式萨顿应用统计理论得到了实用的大气扩散公式，该公式实际上 是高斯模式和泰勒公式的结合，其具体模式如下式所示： m 从棚，= 专时c 参恻一笋卜每等，沼s ， 式中 c ，和c ，分别为普遍化扩散系数，通过气象参数计算。 赫一帕斯奎尔模式赫一帕斯奎尔模式也是由统计理论导出的污染物扩散模 式，是在高斯扩散模式的基础上得出的，其扩散参数仃，和仃：则由与萨顿公式相近的方 法得出。 以上这三种模式成为污染物扩散计算的基础，在实际问题中，一般需要根据实际 的气象条件和地形条件，对扩散方程进行相应的修正，最终确定适合于当地条件和污 染源排放特征的扩散参数。 箱模式n i e h o l s o n 开发的箱式扩散模式，是作为峡谷内平均上升气流的函数给 出，基于街道峡谷内污染物质量守衡定律求浓度的一种方法，该方法通过输入箱下国 边界的风速、风向和污染物总排放，以便于工作测量街道峡谷内污染物体积平均浓 度。模式假设建筑物和街道上方的风速符合对数风速廓线，并利用连续方程预测涡流 速度，当风向平行于街道时，通过假设峡谷内风速符合指数风速廓线预测风速。 ( 2 ) 数值模式 数值模式从湍流扩散的基本理论出发，根据一定的边界条件和差微分方法，直接 对湍流扩散的偏微分段方程进行数值求解。数值模式的优点是可以将大气化学过程引 入模式，并可将其算法应用到计算机中，通常采用的算法是随机行走和蒙特卡罗方 法，如在边界条件描述较为清楚的时候，可在目前大中尺度的扩散中取得较好的效 果，但对于地形较为复杂、边界条件不清楚、微尺度气象条件影响较大的城市尺度的 模拟具有一定的难度，且需输入的参数也极多，计算时间过长，所以通常情况下，作 为科学研究的较多而应用于决策支持的却很少。 在上述模式中，高斯型模式能较好地模拟开阔平坦公路上机动车排气污染物的扩 散，而不适用于存在密集高层建筑物的街道。在本论文设计研究的汽车尾气降解材料 测试室中，测试室体内模拟的大气状况可以近似地认为是n i c h o l s o n 开发的箱式扩散模 式，即是街道两侧具有高层建筑物的扩散模式。在对汽车尾气降解材料测试室设计 时，其室体内汽车尾气的扩散模式以箱模式为基础来进行分析。 2 。5 设计方案的选择 汽车尾气降解材料测试室的室体形状设计有很多种，通常采用的方式有方体或柱 体结构。无论采用何种结构，相同之处都是涉及到一些零部件的安装，即进、排气 阀、灯座、观察窗、传感器安装件、试样入口、试样托架等零部件。壳体形状设计要 求尽可能保证测试室体内气流的均匀性，以提高测试结果的精度。安装零部件时要尽 可能减少气流分离现象，防止气流阻力增大。设计过程中应综合考虑产品加工的工艺 性、经济性，综合机动车排放污染物的扩散模式等因素。 在汽车尾气降解材料测试室几何形状设计过程中，主要考虑了长方体和圆柱体两 种方案，但由于长方体形状的室体其各平面的过渡部分存在较多的直角连接，这些直 角从流体力学的角度来看，易形成气体流动时的死角，会影响气体的流动性，将出现 气流的紊流现象，有碍气体的均匀性，会对测试结果造成影响。从这点出发考虑，为 弥补长方体壳体的不足，将汽车尾气降解材料测试室设计为圆柱体，两端用圆弧面过 渡，将光源和降解材料试样分别放在柱体顶部和底部，所有的零部件根据其用途和特 点分布在圆柱体轴向上，传感器沿圆柱体轴向成直线排列，层次清晰，而且整个室体 设计都采用圆弧面过渡，尽量减少由于设计的问题而造成气流出现的紊流现象，使内 部气体流动性较好，便于均匀气体的形成，从而提高气体检测的精度。但由于室体外 形都是曲面，这给零部件的安装、固定带来不便。 研究设计汽车尾气降解材料测试室的主要目的是用来检测汽车尾气中有害气体浓 度在降解材料作用下的变化，并对降解材料的降解效能有所了解。因此，对测试系统 测量的精度要求较高。在选择测试室结构设计方案时要以提高测试精度为主要目标， 其次要考虑制造过程的经济性和方便性。综合考虑以上因素，采用圆柱体的室体方案 的设计。对于零部件安装、固定方式，可以通过在壳体上焊接传感器座再通过固定连 接件将其装配。 软件方面，尽量使用程序标准化，以减少应用程序开发和研制的费用。在计算机 语言方面使用大量的过程语言，这样使一般技术人员可以根据需要简单地编写出适合 工程应用的程序。该汽车尾气降解材料测试室的软件主要涉及人机界面技术和数据处 理技术。软件设计包括应用程序及人机界面两部分，即为应用程序建立良好的使用操 作环境。综合起来具有以下的功能： ( 1 ) 文件管理、编辑、退出系统及环境设置等功能； ( 2 ) 试验参数的输入、试验步骤及试验方法设定等功能； ( 3 ) 数据的采集及处理、试验过程的控制、试验过程的监控； ( 4 ) 数据存盘、系统报表、曲线图的打印。 2 6 本章小结 在本章内容中主要介绍了汽车尾气降解材料测试室的设计要求及设计原则；在此 基础上提出满足测试需要的总体设计方案，并对该方案的可行性进行了充分的论证。 在进行方案论证中重点指出，合理的设计方案首要条件是满足其测试要求。除了其机 械结构部分外，对汽车尾气降解材料测试室的测试软件方面也作了较为详细地要求， 使其测试软件不仅便于操作，而且能实现数据的存贮、生成系统报表及打印曲线、图 等多项功能。 3 汽车尾气降解材料测试室的设计 3 汽车尾气降解材料测试室的设计 3 1 测试室的构造及工作原理 3 。1 1 测试室的组成 测试室由气体室、传感器件、计算机辅助测试系统及汽车尾气导入系统等部分组 成。 气体室包括：室体、进排气控制阀、发光器、试件托架、试件入1 3 等。 传感器件包括：c o ( 一氧化碳) 传感器、h c ( 碳氢) 传感器、n o x ( 氮氧化合 物) 传感器、c 0 2 ( - - 氧化碳) 传感器、0 2 ( 氧气) 传感器、压力传感器、温度传感器 等。 计算机辅助测试系统包括： r s 4 8 5i om o d u l e s ( a d a m4 0 1 7 + ) 分布式模块、计 算机、打印机、2 4 v 及1 2 v 线性电源等。 3 1 2 测试室的工作原理 首先将被测降解材料涂着在某种介质上，并置 于气体室中，然后将汽车某种工况下排放的尾气， 通过进气控制阀，充满气体室后密封。检查测试室 内的压力和温度，观察各传感器数值稳定性，当其 符合测试要求后，打开模拟光源，将各传感器输出 的电信号经加m o d u l e s ( a d a m4 0 1 7 + ) 后再经过 r s - 4 8 5 r s - 2 3 2 转换器后输入计算机，经计算机辅助 测试系统处理，测量出汽车尾气中各有害成分浓度 的变化。从而检测和分析降解材料对汽车尾气中各 有害成分的降解效能。该汽车尾气降解材料测试室 的外观图，如图3 1 所示。 3 2 室体设计 3 2 1 室体结构设计 图3 - l汽车尾气降解材料测试室 外观图 室体即为气体室，用以贮存被测试的气体，是测试室的主要部件。为使被测气体 均匀分布和扩散，室体确定为圆柱体，上、下两端面采用弧面连接。参考美国材料测 试协会标准a s t m d 5 1 1 6 - 1 9 9 0 , 综合考虑测试室的容积、结构和各零部件布置，确定 气体室的几何尺寸为：外径d = 4 0 8 m m ，内径d = 4 0 0 m m ，高h = l0 2 0 m m ，两端面是 东北林业大学硕士学位论文 2 ：1 的椭圆面，椭圆长轴a = 2 0 0 m m ，椭圆短轴b = 1 0 0 m m 。汽车尾气降解材料测试室的 气体容积按公式( 3 1 ) 计算，其气体室容积为1 2 1 l 。 室体的有效容积计算公式为： v 一一( 争2 _ 2 十2 玷( 争2x ( 1 一砉) 出 ( 3 - 1 ) = = 二l 皂二一 j l ， 1 06 式中v 室体的有效容积，( l ) ； 扛室体内径( m m ) ： 卜室体外高度，( n l n l ) ； b 椭圆短轴，( m m ) 。 考虑向室体内充气和排气的方便性，故进气控制阀布置在测试室的下部，排气控 制阀布置于气体室的顶部。被测材料试样入1 3 设置在气体室下部。考虑光源照射，其 光源固定座安放在测试室上部，试件托架固定于室体下部。测试室的结构简图，如图 3 2 所示。 ，一鼻孔、 争三 虱 - e 厂：、1 弋二 。一 1 风扇；2 试样托架；3 法兰盘盖；4 法兰盘；5 法兰盘螺栓；6 挂钩；7 观察窗 盖；8 观察窗座；9 灯座；1 0 灯盖螺钉；1 1 灯座盖；1 2 排气阀；1 3 上防护罩；1 4 传感 器座；1 5 传感器保护罩 1 6 下防护罩；1 7 进气阀 幽3 - 2 测试室结构简图 3 2 2 室体材料的确定 室体是封装测试气体的载体。也是主要零部件安装的基体。为避免室体在测试过 程中有害气体对金属的腐蚀，并保证所用材料的机械性能和工艺性能，室体选用厚度 d = 4 m m 的h p 2 9 5 热轧钢板焊接制成。h p 2 9 5 热轧钢板的化学成分、力学性能参数见表 3 一l 及表3 2 所示，其特性如下： 3 汽车尾气降解材料测试室的设计 ( 1 ) 化学成份稳定，p 、s 含量低，钢质纯净，内在组织均匀，晶粒细小： ( 2 ) 强度适中、塑性好、屈强比低，屈服平台不明显，纵横向性能差异小，冷冲 压性能优良； ( 3 ) 钢板平直，厚度同板差小； ( 4 ) 碳当量低，能适应自动埋弧焊、等离子焊等多种焊接工艺的要求。 表3 - ih p 2 9 5 化学成分及含量 3 3 汽车尾气导入、导出装置 由于考虑到汽车尾气贮留后用来测试时，可能会由于停滞一段的盱间而导致其中 成分发生变化，所以采用在用车现排出的汽车尾气来做实验，这样可以保证所做实验 数据的准确性。其汽车尾气的导入是由长1 0 m 的胶管前端接进气阀，后端直接接到车 辆的排气管处，中间串联上除水器。因为在汽车尾气引入汽车尾气降解材料测试室的 途中，由于所排出的汽车尾气中掺杂着水及水蒸汽，如果不将这部分水及水蒸汽排 出，而直接进入测试室后，会使传 感器在工作时受到其影响，导致其 测量精度及工作性能的下降。为 此，在进气的途中串联除水器，来 除掉其中的水和水蒸汽。除水器的 材料是用4 5 # 钢，该除水器具有进气 口、出气口、干燥剂入口而且在进 气口与排气口处均有钢丝滤网，防 止在进气时候将干燥剂吹散，影响 干燥效果。其结构如图3 3 所示。 34 1 进气口；2 钢丝滤网；3 干燥剂入口 4 排气口 图3 - 3 除水器 气体的干燥主要有三种方式：化学法