CN104406192B - 一种分流式柴油机尾气模拟系统燃烧器供气装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分流式柴油机尾气模拟系统燃烧器供气装置。本发明包括空气供给系统：主要指风机，还包括相应的变频器；燃烧系统：主要指燃烧器，还包括燃烧器所需的各类阀体及执行机构；分流调节系统：主要指电动三通分流阀；混合系统：主要指混合筒及其与之配合的管道；采集系统：主要指风机入口处的空气流量计以及燃烧器入口的燃气流量计；控制系统：主要指控制空气供给、燃烧、分流调节的控制柜及上位机。本发明在目标空速所对应的总流量下，通过分流调节系统增加助燃空气流量则自动降低稀释空气流量，响应速度快。

Description

一种分流式柴油机尾气模拟系统燃烧器供气装置

技术领域

本发明涉及一种用于催化剂老化及评价尾气模拟系统燃烧器助燃空气供给装置，具体涉及一种基于电动三通分流阀的催化器尾气模拟系统燃烧器助燃空气供给装置。

背景技术

机动车保有量与日俱增，柴油机具有载重量大、比油耗低、热效率高等优势得以不断推广。而柴油机氮氧化物(NOx)排放量较高。氮氧化物可导致肺部病变，并且是形成光化学烟雾和酸雨的主要原因。随着空气污染日益加重，世界范围内排放法规日益严格。在众多应运而生的改善排放技术路线中，以尿素分解产生的氨气作为还原剂的选择性催化还原技术(SCR)不仅可以有效降低NOx排放量，而且作为后处理装置，对发动机影响极小，燃油经济性较好，对燃油和机油品质要求较低，在欧洲、日本等地区得到广泛应用，目前也是我国重型柴油机应对国IV排放法规的首要后处理技术手段。

随着各项法规的逐渐严格，SCR技术提升日益迫切。为了更好地改进和优化SCR催化器，必须对其进行性能评价。随着生产厂商、整车厂商、研究院所和高等院校等单位对于SCR性能评价的需求不断增强，需要研发能够对SCR催化器进行评价及老化等测试的试验系统。

目前大部分针对全尺寸SCR催化器的试验都是直接在发动机上进行，随着SCR研究的越来越多，直接使用柴油机进行试验研究不得不面对以下问题:

1)柴油机尾气颗粒物排放量多，会妨碍尾气成分分析装置运行和采集，甚至造成装置损坏；

2)柴油机尾气成分含量不可控；

3)柴油机本身工作方式决定了尾气流量和温度无法单独控制；

4)柴油机能量消耗大，利用30％左右的柴油机尾气热量是以浪费70％左右的能量为代价的；

5)SCR催化器性能试验的要求试验条件会造成柴油机本身很大的磨损，使得试验柴油机报废率较高；

6)柴油机的工作噪音大，影响周围的工作环境；

7)柴油机所需的维护成本较高。

基于发动机台架试验存在的问题所开发的模拟柴油机尾气SCR试验系统，可以模拟柴油机的尾气流量、温度、压力以及NOx成分，对全尺寸SCR催化器进行性能评价及老化等试验，同时整个系统大大简单化。模拟试验系统尾气流量和温度单独可调，另外通过标准气体还能有效的控制NOx等气体成分比例，有利于SCR催化器精确全面的性能评价分析以及快速老化试验，进行深入的催化反应研究，这对于SCR技术研究具有重要意义。

由于该模拟柴油机尾气SCR试验系统使用燃烧器提供高温热源，所以不得不面临助燃空气的供给及流量计算问题。此前绝大多数燃烧器所适用的热风炉领域基本不需要计算空气流量，但模拟柴油机尾气SCR试验系统需要保证催化剂在一定的空速下反应，因此必须对进入催化器入口的气体流量进行精确控制，该气体流量由进入风机的稀释空气流量，进入燃烧器的燃气和助燃空气流量共同组成。其中燃烧器燃烧过程中所用的助燃空气流量是其中很重要的一部分。

由于催化器入口处由模拟实验系统产生的尾气温度较高，必须使用耐高温的流量计来计算流量，但该种流量计非常昂贵，大大加大整个系统的成本；若采用燃烧器自然吸气并在空气入口处加装流量计的方法成本较低，但由于空气入口处压力为大气压且无法提高，很难保证燃烧器炉膛内保持负压工作提高功率，而且空气入口处的流量计会影响进气；若采用燃烧器强制进气，即在空气入口处加装风机单独进气并加装流量计的方法成本较高，而且为了保证催化器入口气体流量一定，在改变燃烧器助燃空气流量的同时，必须相应改变稀释空气流量，大大提高了控制难度。因此需要一种成本相对较低，能够为燃烧器提供满足要求的助燃空气，同时控制难度不大的燃烧器助燃空气供给装置。

发明内容

本发明针对各种SCR催化器尾气模拟系统燃烧器助燃空气供给装置所存在的问题，提出了一种基于电动三通分流阀的SCR催化器尾气模拟系统燃烧器助燃空气供给装置。

本发明所涉及的SCR催化器尾气模拟系统主要包括以下几个部分：

空气供给系统：主要指风机，还包括相应的变频器。风机经由控制系统输出电流/电压信号，再通过变频器改变输出频率进而改变风机功率。其作用是提供经由流量采集系统的燃烧系统所需的助燃空气以及稀释高温烟气所用的稀释空气，并为燃烧器入口以及催化器入口提供所需的压力。

燃烧系统：主要指燃烧器，还包括燃烧器所需的各类阀体及执行机构。燃烧器经由控制系统输出电流/电压信号改变燃气电磁阀开度进而控制燃气流量，并在相应的经过稳流阀的助燃空气流量下，改变燃烧器功率。其主要作用是调节模拟尾气温度，并提供模拟尾气烟气成分。

分流调节系统：主要指电动三通分流阀。电动三通分流阀通经由控制系统输出电流/电压信号改变两路阀门开度，进而改变空气的分配比例。其主要作用是将风机提供的空气分成助燃空气和稀释空气两部分，调节助燃空气的分配比例，为燃烧器提供所需的助燃空气流量。

混合系统：主要指混合筒及其与之配合的管道。其作用是使燃烧系统产生的高温烟气与分流调节系统提供的稀释空气混合，生成满足试验温度要求的模拟尾气。

采集系统：主要指风机入口处的空气流量计以及燃烧器入口的燃气流量计。空气流量计主要作用是采集进入到整个系统中的空气流量，燃气流量计主要作用是采集进入到整个系统中的燃气流量，并将流量数据提交至控制系统中的上位机显示。二者所采集到的气体流量总和即为该系统所提供的总气体流量。

控制系统：主要指控制空气供给、燃烧、分流调节的控制柜及上位机。其作用是根据催化器目标空速控制空气供给系统产生相应的气体流量，根据催化器目标温度控制燃烧系统和分流调节系统产生相应温度的模拟尾气，并通过催化器反馈来的实际温度进行负反馈调节。

其中电动三通分流阀的空气分配系数β由以下公式确定：

其中α为燃烧器使用燃气的理论空燃比，为过量空气系数，Q_fuel为燃气流量，Q为试验所需的气体总流量。

本发明的有益效果：

该系统通过电动三通分流阀实现燃烧器助燃空气供给，则：

1)无论分流调节系统怎样调节，不改变整个系统空气流量。

2)在目标空速所对应的总流量下，通过分流调节系统增加助燃空气流量则自动降低稀释空气流量，响应速度快。

3)通过分流调节系统调节燃烧系统助燃空气流量，控制难度降低。

4)只需一台风机提供空气供给，无需为燃烧器单独进行强制供气的风机，使系统简化，成本降低。

5)只需一个空气流量计，无需计算助燃空气流量的空气流量计，使系统简化，成本降低。

6)电动三通分流阀，技术成熟，稳定可靠，调节精度高，成本低。

附图说明

图1基于电动三通分流阀的SCR催化器尾气模拟系统助燃空气供给装置；

图2基于电动三通分流阀的SCR催化器尾气模拟系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明所涉及的SCR催化器尾气模拟系统主要包括以下几个部分：

1.空气供给系统：主要指风机，还包括相应的变频器等装置。风机经由控制系统输出电流/电压信号，再通过变频器改变输出频率进而改变风机功率。其作用是提供经由流量采集系统的燃烧系统所需的助燃空气以及稀释高温烟气所用的稀释空气，并为燃烧器入口以及催化器入口提供所需的压力。

2.燃烧系统：主要指燃烧器，还包括燃烧器所需的各类阀体及执行机构。燃烧器经由控制系统输出电流/电压信号改变燃气电磁阀开度进而控制燃气流量，并在相应的经过稳流阀的助燃空气流量下，改变燃烧器功率。其主要作用是调节模拟尾气温度，并提供模拟尾气烟气成分。

3.分流调节系统：主要指电动三通分流阀，该种阀体主要用于将一股流体分成两股流体，具有调节精度高，动作稳定可靠等优点。电动三通分流阀通经由控制系统输出电流/电压信号改变两路阀门开度，进而改变空气的分配比例。其主要作用是将风机提供的空气分成助燃空气和稀释空气两部分，调节助燃空气的分配比例，为燃烧器提供所需的助燃空气流量。

4.混合系统：主要指混合筒及其与之配合的管道。其作用是使燃烧系统产生的高温烟气与分流调节系统提供的稀释空气混合，生成满足试验温度要求的模拟尾气。

5.采集系统：主要指风机入口处的空气流量计以及燃烧器入口的燃气流量计。空气流量计主要作用是采集进入到整个系统中的空气流量，燃气流量计主要作用是采集进入到整个系统中的燃气流量，并将流量数据提交至控制系统中的上位机显示。二者所采集到的气体流量总和即为该系统所提供的总气体流量。

6.控制系统：主要指控制空气供给、燃烧、分流调节等系统的控制柜及上位机。其作用是根据催化器目标空速控制空气供给系统产生相应的气体流量，根据催化器目标温度控制燃烧系统和分流调节系统产生相应温度的模拟尾气，并通过催化器反馈来的实际温度进行负反馈调节。

以下给出本发明中分流调节系统的空气分配方案：

针对催化器所需的目标空速S_v、催化器体积V可以计算试验所需的气体总流量Q：

$Q=\frac{S_{v}V{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}}{1000}$

其中S_v单位为h^-1；V单位为L；ρ_air为空气密度，单位kg/m^-3；Q单位为kg/h。

根据热风炉加热原理，燃烧器功率为(忽略热损失)：

$P=\frac{C_{p}Q(T-T_0)}{3600}$

其中P为燃烧器功率，单位为kW；C_p为流经催化器的气体定压热容，由于气体成分与空气相近，可用空气定压热容代替，单位kJ/(kg·K)；T为模拟尾气温度，单位℃；T₀为环境温度，单位℃。

则模拟尾气温度可以表示为：

$T=\frac{3600P}{C_{p}Q}+T_0$

另外，根据燃气燃烧的规律，燃烧器功率同样可以表示为：

其中为燃烧器的燃烧效率，为一个无量纲因子，大小为0～1之间，可以视为与实际空燃比有关的量；E为燃气的热值，单位kwh/m^-3；ρ_fuel为燃气密度，单位kg/m^-3；Q_fuel为燃气流量，单位kg/h。

代入上式可得：

以该式为基础经过试验修正即可确定本装置初步的模拟尾气温度的数学模型。

由于与实际空燃比有关，则对于燃烧器入口空气量Q_inlet(单位kg/h)而言，则有：

理想的燃烧器入口空气量应满足：

其中α为燃烧器使用该燃气的理论空燃比，为过量空气系数。

事实上，实际的燃烧器入口空气量为：

Q_inlet＝β(Q-Q_fuel)

其中β为三通分流阀助燃空气分配系数，Q-Q_fuel则表示风机所提供的总空气流量。

因此，为了保证燃烧效率尽量接近于1，所需控制的三通分流阀助燃空气分配系数应为：

Claims (1)

1.一种分流式柴油机尾气模拟系统燃烧器供气装置，包括：

空气供给系统：指风机，还包括相应的变频器；风机经由控制系统输出电流/电压信号，再通过变频器改变输出频率进而改变风机功率；其作用是提供经由流量采集系统的燃烧系统所需的助燃空气以及稀释高温烟气所用的稀释空气，并为燃烧器入口以及催化器入口提供所需的压力；

燃烧系统：指燃烧器，还包括燃烧器所需的各类阀体及执行机构；燃烧器经由控制系统输出电流/电压信号改变燃气电磁阀开度进而控制燃气流量，并在相应的经过稳流阀的助燃空气流量下，改变燃烧器功率；其作用是调节模拟尾气温度，并提供模拟尾气烟气成分，其特征在于：

分流调节系统：指电动三通分流阀；电动三通分流阀经由控制系统输出电流/电压信号改变两路阀门开度，进而改变空气的分配比例；其作用是将风机提供的空气分成助燃空气和稀释空气两部分，调节助燃空气的分配比例，为燃烧器提供所需的助燃空气流量；

所述的电动三通分流阀的空气分配系数β：

其中α为燃烧器使用燃气的理论空燃比，为过量空气系数，Q_fuel为燃气流量，Q为试验所需的气体总流量；

混合系统：指混合筒及其与之配合的管道；其作用是使燃烧系统产生的高温烟气与分流调节系统提供的稀释空气混合，生成满足试验温度要求的模拟尾气；

采集系统：指风机入口处的空气流量计以及燃烧器入口的燃气流量计；空气流量计作用是采集进入到整个系统中的空气流量，燃气流量计作用是采集进入到整个系统中的燃气流量，并将流量数据提交至控制系统中的上位机显示；二者所采集到的气体流量总和即为该系统所提供的总气体流量；

控制系统：指控制空气供给、燃烧、分流调节的控制柜及上位机；其作用是根据催化器目标空速控制空气供给系统产生相应的气体流量，根据催化器目标温度控制燃烧系统和分流调节系统产生相应温度的模拟尾气，并通过催化器反馈来的实际温度进行负反馈调节。