四極質譜用于內燃機排氣成分檢測的研究

2009-08-21 張惠明天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室

引言

　　隨著排放法規的日趨嚴格, 探討變工況的排放狀況以便進一步降低內燃機的排氣污染已成為國內外內燃機界感興趣的課題。采用傳統的NDIR、CLD、色譜法等測試方法不能對內燃機排氣成分進行動態測試,FID 則只能測試總碳氫, 而質譜法相對以上方法有如下幾個優點: 分析對象范圍廣泛; 靈敏度高; 效率高、分析速度快; 分辨本領高; 所需的樣品極少等特點。本文介紹的方法就是利用四極質譜對發動機的廢氣成分進行動態研究。四極質譜具有較高的離子傳輸率, 對離子初始能量的分散要求不高, 分析速度較快, 而且四極場是純電場, 較為輕巧, 非常適用于發動機廢氣檢測。

1、四極質譜計的動態測試原理

1.1、四極質譜計的基本原理和特點

　　質譜是按照物質的質量與電荷的比值(質荷比) 順序排列成的圖譜。質譜儀器則是利用電磁學原理使離子按照質荷比進行分離, 從而測定物質的質量與含量的科學儀器。四極質譜又稱四極濾質器。儀器由4 個柱形電極組成, 對角電極相連接, 從而構成2 組, 其結構如圖1 所示。四極質譜的工作原理如下: 在兩對電極上分別加上直流電壓U 和高頻電壓Vcos(Xt) (V為高頻電壓幅值; X為高頻電壓角頻率; t為時間) , 在電極包圍的空間產生雙曲型電場四極磁場。該復合場可使離子圍繞其傳播中心軸振動, 并只使具有一定質荷比的離子才能通過陣列, 而不致因其與某根極棒碰撞而被除去。

圖1　四極場的質量“濾過”

　　四極質譜的譜圖是利用電掃描獲得的。在直流2高頻四極場中含有3個參變量U、V 、X,只要給定其中2個參變量并同時保持U/V比值不變, 則質量M便會單值地取決于第3 個參數, 改變這個參數就可以掃描質譜。

1.2、四極質譜計的主要性能參數

1.2.1、四極質譜計的分辨率

　　分辨率又稱分辨本領, 它是用以表征質譜系統對離子束分離和成像總效果的參數, 是質譜儀器最重要的總體指標之一, 一般定義為

R=m/dm

　　式中: R為分辨率; m為被測離子的質量; dm 為在質量m 附近能夠分辨的最小質量差。

　　四極質譜的分辨率m/dm 和傳輸率T 與儀器的電參數選擇有關。在低分辨率的條件下, 進入四極場的某一質荷比的離子能夠全部到達檢測器(即傳輸率T為100% ) , 且與分辨率無關, 質譜峰為平頂的梯形。在高分辨率的情況下, 傳輸率隨分辨率的提高而急劇下降, 質譜峰為三角形。

1.2.2、四極質譜計的靈敏度

　　靈敏度是描述質譜儀器對樣品的檢測能力, 表征儀器的電離效率、傳輸效率、檢測效率以及本底噪聲等狀況的綜合技術指標。本文所采用的四極質譜可以達到10- 5。

2、四極質譜檢測內燃機排氣成分的總體設計

　　測試系統主要由進樣裝置、質譜儀、前置放大器、數據采集及處理系統構成, 系統流程如圖2 所示。其中, 進樣系統將樣氣導入, 并保持恒溫、恒流; 質譜系統將氣體進行分離; 前置放大器使質譜信號大; 高速數據采集系統主要完成對數據進行采集、加和、平均和壓縮等功能。

圖2　發動機排放動態測試及其數據系統總體框圖

3、四極質譜檢測內燃機排氣成分的試驗結果

3.1、四極質譜檢測內燃機排氣成分的動態響應特性

　　對四極質譜而言, 改變電壓或頻率就能獲得譜圖,而電參數的改變可以在極短時間內實現, 因此四極質譜能在毫秒級時間內實現質譜掃描。作者采用的四極質譜系統可以達到0.5ms掃描一個質量數, 圖3 是采用四極質譜測得的譜圖, 掃描0～100 質量數(圖中只顯示0～60質量數) , 共需時間50ms左右。

　　圖中縱坐標I 表示氣體在檢測器上引起的離子流強度, 橫坐標M 表示質量數。