CN102095587A - 一种用于发动机排气后处理装置的模拟试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于发动机排气后处理装置的模拟试验台，包括流量控制系统、温度控制系统、主要气体成分控制系统、压力控制系统以及控制主机，所述的5个子系统和管路共同构成了模拟发动机排气的后处理装置试验台。本发明通过所述5个子系统控制调节进入后处理装置的气体流量、温度、压力和主要气体成分，模拟发动机稳态工况时排气状况，从而实现后处理装置相关的性能和可靠性试验。本发明通过对气体流量、温度、压力、主要气体成分的控制模拟了真实发动机排气状况，能够为后处理装置提供和发动机排气相同状态的气体进行相关性能和可靠性试验。同时本发明具有投资少、方便制造、制造安装周期短、见效快、运行能耗和成本低、简便实用等优点。
Description
技术领域
本发明专利涉及汽车发动机排气后处理试验测试系统领域，更具体的说是涉及一种发动机排气后处理装置的模拟试验台。
背景技术
随着世界各地对车用发动机排放的要求越来越严格，光靠发动机自身的优化来降低所有的排放物变得越来越难，发动机加装高效的后处理装置(如尿素SCR装置、三效催化器、DOC、POC、DPF等)来处理发动机尾气排放成为越来越广泛的选择，新型发动机后处理装置的研究和开发也越来越热。
为了评价发动机后处理装置的主要性能指标和可靠性，需要进行大量的试验研究(例如：后处理装置处理目标废气的能力、后处理装置产生的压降大小测试、后处理装置热振动耐久性试验等等)。目前，发动机台架试验台测试、转鼓试验台测试是最为广泛的被用于测试和评价后处理装置的试验方法。这类发动机台架和转鼓试验台系统复杂，主要包含发动机、测功机、排放测试设备等；整体试验台造价高昂(动辄上千万，甚至几千万)；建设周期长(通常从方案确定到基建再到设备运输安装调试到系统验证整个周期需要1-1.5年左右，甚至更长)；运行成本高(水、电、油、设备消耗品、设备折旧、人员费用等)；配套设施要求高(地基减震要求、油库设计要求、试验室环境要求、消防要求、噪声要求等)。同时采用发动机试验台进行试验整体能耗较高。正是因为这些，很多发动机后处理企业无法承担巨额的成本或者是由于建设周期原因，从而严重限制了新型发动机后处理装置的研究开发和技术进步。
发明内容
本发明要解决的是现有技术存在的上述缺陷，旨在提供一种制造方便、价格和低廉、运行能耗低且简便实用的发动机排气后处理装置的模拟试验台，通过模拟发动机的排气，为发动机后处理装置提供与发动机稳定状态下排气具有相同特征(相同的流量、温度、压力、主要气体成分)的气体进行性能和可靠性试验。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：
一种发动机排气后处理装置的模拟试验台，包括5个子系统：流量控制系统、温度控制系统、主要气体成分控制系统、压力控制系统以及控制主机，其特征在于所述的5个子系统通过管路连接，所述的流量控制系统包括空气滤清器、风机和空气流量计，通过空气流量计的数值实时调整风机的转速，使得试验台管道中气体流量与发动机稳态下某工况流量一致；所述的温度控制系统包括气体加热装置和温度传感器，通过温度传感器测得的实时温度数值来控制气体加热装置的加热状态从而控制试验台管道中气体的温度；所述的主要气体成分控制系统包括标准气瓶、气体阀门、电动流量控制阀、气体混合器和气体传感器，根据实测主要气体成分浓度、排气流量和发动机对应工况下主要气体浓度数值，控制电动流量控制阀使得试验台排气管内形成对应浓度的气体成分，然后通过气体混合器使得主要气体在排气管中均匀分布；所述的压力控制系统包括电动压力调节阀和压力传感器，通过压力传感器反馈的压力数据实时调整压力调节阀，使得试验台提供给后处理装置的气体压力与发动机对应工况排气背压相同；所述的控制主机用于接收、处理各个传感器的信息，进行控制运算，最终驱动各个执行器进行流量、温度、压力、主要气体成分的控制。
本发明的后处理装置试验台通过所述5个子系统控制调节进入后处理装置的气体流量、温度、压力和主要气体成分，模拟发动机稳态工况时排气状况，从而实现后处理装置相关的性能和可靠性试验。
本发明的优点是：由于本发明通过对气体流量、温度、压力和主要气体成分的控制模拟了真实发动机排气状况，因此能够为后处理装置提供和发动机排气相同状态的气体进行相关性能和可靠性试验。同时本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台具有投资少、方便制造、制造安装周期短、见效快、运行能耗和成本低、简便实用等优点。
根据本发明，一个典型的实施方式，所述的气体加热装置包括燃烧器、燃料箱、燃料泵、燃料喷嘴和火花塞，所述的空气滤清器、风机和空气流量计通过管路依次连接；所述的燃料箱、燃料泵和燃料喷嘴依次连接，喷嘴和火花塞安装在燃烧器内；所述的空气流量计的输出端通过管路连接到所述的燃烧器的输入端；所述的标准气瓶、气体阀门和电动流量控制阀通过管路依次连接；所述的燃烧器的输出端通过管路连接到所述的气体混合器的输入端；所述电动流量控制阀的输出端通过管路连接一个气体喷嘴，所述的气体喷嘴设置在所述的气体混合器的上游管路上；所述的气体混合器的下游管路上依次设有温度传感器、气体传感器、电动压力调节阀、压力传感器和发动机排气的后处理装置；所述的控制主机与所述的空气流量计、温度传感器、气体传感器和压力传感器的输出端相连。
根据本发明，所述的气体传感器为气体分析仪或NOx传感器。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台的风机可采用离心式、轴流式或斜流式结构，不限定具体型式。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台中标准气瓶、气体阀门和流量控制阀的具体数量不限定，具体数量和标准气瓶中标准气种类可具体根据后处理装置的需要设定。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台中燃烧器中所使用的燃料可采用柴油、汽油、乙醇等燃料。
作为本发明的进一步改进，在气体混合器下游设置一个冷却器，用来冷却经燃烧器加热后的混合气体。所述的冷却器可以是管壳式、管带式或板式，同时也可以采用水冷方式或空冷方式，当采用后者结构时，可通过一个旁通阀从风机下游管路中引出一条支路供给冷却器冷却空气。如果燃烧器燃烧温度能够通过燃料喷射来控制，那么也可以不采用冷却器，直接由燃料喷射来控制气体温度。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台中的执行器(风机、流量阀、压力调节阀)均可采用手动装置，并采用简单的手动操作来实现。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台管路采用304或304以上不锈钢材制作，以适应于不同后处理装置的要求，尤其是尿素SCR系统。
附图说明
图1为采用风冷的模拟发动机排气的试验台用于柴油机尿素SCR后处理装置示意图。
图2为采用风冷模拟发动机排气的试验台用于汽油机后处理装置三效催化器示意图。
图3为采用水冷的模拟发动机排气的试验台用于柴油机尿素SCR后处理装置示意图。
图4为无冷却器模拟发动机排气的试验台用于柴油机尿素SCR后处理装置示意图。
图5为发动机排气后处理装置的模拟试验台控制结构示意图。
图中，空气滤清器-1，风机-2，旁通阀-3，空气流量计-4，燃料箱-5，燃料泵-6，燃料喷嘴-7，火花塞-8，燃烧器-9，标准气瓶-10，气体阀门-11，电动流量控制阀-12，气体喷嘴-13，气体混合器-14，冷却器-15，空气出口-16，温度传感器-17，气体传感器-18，电动压力调节阀-19，压力传感器-20，混合器-21，尿素喷嘴-22，SCR催化转化器-23，发动机排气的后处理装置的排气通道-24，管路-25，控制主机-26，后处理装置三效催化器-27，控制主机的传感器输入端-28，控制主机的执行器输出端-29，冷却器的出水口-30，冷却器的进水口-31。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式，例如：各结构的形状、构造以及各部分之间的相互位置关系及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细的说明。
本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台通过对气体流量、温度、压力、主要气体成分的控制模拟了真实发动机排气状况，为后处理装置提供和发动机排气相同状态的气体进行相关性能和可靠性试验。
图1为本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台应用于柴油机尿素SCR后处理装置的示意图。参照图1，本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台包括5个子系统组成：流量控制系统、温度控制系统、主要气体成分控制系统、压力控制系统以及控制主机，所述的5个子系统及其管路25共同构成了模拟发动机排气的后处理装置试验台。
所述的流量控制系统由空气滤清器1、风机2和空气流量计4组成，通过空气流量计4的数值实时调整风机2的转速，使得试验台管道中气体流量与发动机稳态下某工况流量一致。
所述的温度控制系统由燃料箱5、燃料泵6、燃料喷嘴7、火花塞8、燃烧器9、旁通阀3、冷却器15和温度传感器17组成，通过火花塞8点燃喷入燃烧器9中的燃料燃烧产生高温气体，温度传感器17测得的实时温度数值来控制旁通阀3、燃料喷嘴7和火花塞8，当燃烧得到的高温气体温度过高时适度打开旁通阀3给冷却器中通入低温空气使得试验台气体温度降低到合适温度，当温度过低时控制喷嘴7多喷，火花塞8点燃更多的燃料燃烧形成更高温度的气体。
所述的主要气体成分控制系统由标准气瓶10、气体阀门11、电动流量控制阀12、气体喷嘴13、气体混合器14、气体传感器(NOx传感器)18组成，根据实测主要气体成分NOx浓度、排气流量和发动机对应工况下主要气体NOx浓度数值，控制电动流量控制阀12使得标准气体经过气体喷嘴-13进入试验台排气管内，形成对应浓度的NOx气体，然后通过气体混合器14使得主要气体NOx在排气管中均匀分布。
所述的压力控制系统由电动压力调节阀19和压力传感器20组成，通过压力传感器20反馈的压力数据实时调整压力调节阀19，使得试验台提供给柴油机尿素SCR后处理装置(包含混合器21、尿素喷嘴22、SCR催化转化器23)的气体压力与发动机对应工况排气背压相同。
所述的控制主机26主要是接收、处理各个传感器的信息，进行控制运算，最终驱动各个执行器进行流量、温度、压力、主要气体成分的控制。
具体来说，所述的空气滤清器1、风机2和空气流量计3通过管路依次连接；所述的标准气瓶10、气体阀门11和电动流量控制阀12通过管路依次连接；所述的燃料箱5、燃料泵6和燃料喷嘴7依次连接，喷嘴7和火花塞8安装在燃烧器9内；所述的空气流量计4的输出端通过管路连接到所述的燃烧器9的输入端；所述电动流量控制阀6的输出端通过管路连接一个气体喷嘴7，所述的气体喷嘴7设置在所述的气体混合器8的上游管路上；所述的气体混合器8的输出端通过管路依次连接冷却器15、电动压力调节阀19和发动机排气的后处理装置；所述的温度传感器17和气体传感器18设置在冷却器15的下游管路上，所述的压力传感器20设置在电动压力调节阀19的下游管路上，所述的控制主机26与所述的空气流量计4、温度传感器17、气体传感器18和压力传感器20的输出端相连。所述的旁通阀3设置在风机2的下游，并通过管路连接到冷却器15的冷却风进风口。
通过本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台提供的模拟发动机排气就可以对目标后处理装置——柴油机尿素SCR后处理装置(包含混合器21、尿素喷嘴22、SCR催化转化器23)进行包含SCR系统NOx转化效率、SCR催化转化器产生的压降、混合器结构优化、喷嘴结构优化、排气管路优化等性能试验以及高低温热循环、结合振动台的热振动等可靠性试验研究。
参照图2，将标准气瓶4中的标准气体换成HC、CO和NOx，即可为汽油机后处理装置三效催化器21提供含有主要气体成分HC、CO和NOx的模拟发动机排气，进行汽油机后处理装置三效催化器27的相关性能和可靠性试验。
参照图3，本发明的另一种实施方式。与图1实施方式不同之处在于所述的冷却器15采用水冷式结构，无须采用旁通阀。其余结构与图1实施方式完全相同。
参照图4，本发明的再一种实施方式。与图1实施方式不同之处在于不设置冷却器15。此时，燃烧器燃烧温度通过燃料喷射来进行控制。其余结构与图1实施方式完全相同。
图5为发动机排气后处理装置的模拟试验台控制结构示意图。参照图3，本发明的发动机排气后处理装置的模拟试验台控制是由采集各个传感器(空气流量计4、温度传感器17、NOx传感器18、压力传感器20信号，然后进行信号处理，由控制主机来进行数据处理，然后驱动各个执行器完成气体流量、温度、压力、主要气体成分的控制。
上述结合附图对本发明进行了示例性的描述，但本发明的具体实现并不受上述方式的限制。只要采用了本发明的构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发动机排气后处理装置的模拟试验台，包括流量控制系统、温度控制系统、主要气体成分控制系统、压力控制系统以及控制主机5个子系统，其特征在于所述的5个子系统通过管路连接，其中：
所述的流量控制系统包括空气滤清器(1)、风机(2)和空气流量计(4)，通过空气流量计(4)的数值实时调整风机(2)的转速，使得试验台管道中气体流量与发动机稳态下某工况流量一致；
所述的温度控制系统包括气体加热装置(15)和温度传感器(17)，通过温度传感器(17)测得的实时温度数值来控制气体加热装置(15)的加热状态从而控制试验台管道中气体的温度；
所述的主要气体成分控制系统包括标准气瓶(10)、气体阀门(11)、电动流量控制阀(12)、气体混合器(14)和气体传感器(18)，根据实测主要气体成分浓度、排气流量和发动机对应工况下主要气体浓度数值，控制电动流量控制阀(12)使得试验台排气管内形成对应浓度的气体成分，然后通过气体混合器使得主要气体在排气管中均匀分布；
所述的压力控制系统包括电动压力调节阀(19)和压力传感器(20)，通过压力传感器(20)反馈的压力数据实时调整压力调节阀(19)，使得试验台提供给后处理装置的气体压力与发动机对应工况排气背压相同；
所述的控制主机用于接收、处理各个传感器的信息，进行控制运算，最终驱动各个执行器进行流量、温度、压力、主要气体成分的控制。
2.如权利要求1所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的气体传感器为气体分析仪或NOx传感器。
3.如权利要求1所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的风机采用离心式、轴流式或斜流式结构。
4.如权利要求1所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的标准气瓶(10)、气体阀门(11)和流量控制阀(12)的具体数量不限定，具体数量和标准气瓶中标准气种类可具体根据后处理装置的需要设定。
5.如权利要求1所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的燃烧器(9)中所使用的燃料为柴油、汽油或乙醇。
6.如权利要求1-5任何一项所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的气体加热装置包括燃烧器(9)、燃料箱(5)、燃料泵(6)、燃料喷嘴(7)和火花塞(8)。
7.如权利要求6所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的空气滤清器(1)、风机(2)和空气流量计(4)通过管路(25)依次连接；所述的燃料箱(5)、燃料泵(6)和燃料喷嘴(7)依次连接，喷嘴(7)和火花塞(8)安装在燃烧器(9)内；所述的空气流量计(4)的输出端通过管路连接到所述的燃烧器(9)的输入端；所述的标准气瓶(10)、气体阀门(11)和电动流量控制阀(12)通过管路依次连接；所述的燃烧器(9)的输出端通过管路连接到所述的气体混合器(14)的输入端；所述电动流量控制阀(12)的输出端通过管路连接一个气体喷嘴(13)，所述的气体喷嘴(13)设置在所述的气体混合器(14)的上游管路上；所述的气体混合器(14)的下游管路上依次设有温度传感器(17)、气体传感器(18)、电动压力调节阀(19)、压力传感器(20)和发动机排气的后处理装置；所述的控制主机(26)与所述的空气流量计(4)、温度传感器(17)、气体传感器(18)和压力传感器(20)的输出端相连。
8.如权利要求7所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于在所述的气体混合器(14)下游设置一个冷却器(15)。
9.如权利要求8所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的冷却器(15)是管壳式、管带式或板式结构。
10.如权利要求8所述的发动机排气后处理装置的模拟试验台，其特征在于所述的冷却器(15)采用水冷方式或空冷方式。
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Denomination of invention: A simulation test bed for engine exhaust after treatment device Effective date of registration: 20210610 Granted publication date: 20120919 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Tiantai County branch Pledgor: ZHEJIANG YINLUN MACHINERY Co.,Ltd. Registration number: Y2021330000510 |
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