CN104596771A - 一种带有功率调节辅助装置的卸载式柴油机尾气模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种带有功率调节辅助装置的卸载式柴油机尾气模拟系统。本发明中的空气供给系统: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。卸载高温烟气系统:主要由气动球阀、气动调节阀及其与之配合的管道构成。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、燃烧器入口的燃气流量计、炉膛出口温度传感器、催化器入口温度传感器。控制系统:主要指控制空气供给、燃烧、高温烟气卸载调节的控制柜及上位机。本发明可以在不改变燃烧器功率调节比的前提下提高柴油机模拟尾气的流量和温度的调节范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有功率调节辅助装置的卸载式柴油机尾气模拟系统。
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的高温热源,因此为了得到一定流量下指定温度的模拟尾气,需要对燃烧器的功率进行控制。燃烧器功率范围:
其中为最小功率,为最大功率。则调节比可以表示为:
燃烧器的功率调节范围也就在某种程度上限制了模拟柴油机尾气的流量和温度的调节范围。燃烧器功率的调节比十分有限,为了获得流量和温度调节范围更大的模拟柴油机尾气,只能选用功率调节比更大的燃烧器,根据燃烧器的工作原理可以知道,这样做会大大增加系统的复杂程度和成本,并降低系统的可靠性、安全性以及控制精度。因此需要一种能够在不改变燃烧器功率调节比的前提下,用较为简单的方式扩大模拟柴油机尾气系统流量和温度调节范围的的控制方法和设备。
发明内容
本发明针对柴油机尾气模拟系统流量和温度范围所存在的问题,提出了一种带有功率调节辅助装置的卸载式柴油机尾气模拟系统。
本发明所涉及的柴油机尾气模拟系统可以在不改变燃烧器固有功率调节范围的前提下,通过增设一套基于气动调节阀的功率调节辅助装置,进而得到流量和温度调节范围更大的模拟柴油机尾气。使用该装置的柴油机尾气模拟系统,首先保证燃烧器能够满足高功率需求。当燃烧器处于最低功率运行时系统仍然无法到达设定的低温时,本装置启用,通过卸载一部分燃烧器产生的高温尾气来满足系统低流量低温度下的低功率需求。
本发明的技术方案如下:
本发明包括空气供给系统、燃烧系统、卸载高温烟气系统、混合系统、采集系统和控制系统。
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。空气供给系统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。燃烧系统调节模拟尾气温度,并提供模拟尾气烟气成分。
卸载高温烟气系统:主要由气动球阀、气动调节阀及其与之配合的管道构成。卸载高温烟气系统用于是将一股流体的部分流体抽出。气动球阀与气动调节阀经由控制系统输出电流/电压信号改变调节阀的开度,从而精确的控制卸载烟气的流量。卸载高温烟气系统根据需要将一定流量的高温烟气卸载。
混合系统:主要指混合筒及其与之配合的管道。混合系统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、燃烧器入口的燃气流量计、炉膛出口温度传感器、催化器入口温度传感器。空气流量计采集进入到整个系统中的空气流量,燃气流量计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、高温烟气卸载调节的控制柜及上位机。控制系统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。
本发明的有益效果在于:该系统通过气动调节阀卸载部分从燃烧器中出来的高温烟气,则:
1)可以在不改变燃烧器功率调节比的前提下提高柴油机模拟尾气的流量和温度的调节范围;
2)根据目标空速所对应的总流量和所需要模拟柴油机尾气的温度,结合燃烧器的功率以及供入系统的气体的总流量,可以很快计算出所需要卸载的烟气的流量,响应速度快;
3)通过气动调节阀控制卸载的高温烟气的流量,控制难度降低;
4)不需要改变燃烧器即可达到预期效果,并保证了燃烧器的控制精度,同时避免了成本的大幅度增加;
5)气动调节阀,技术成熟,稳定可靠,调节范围大而且调节精度高,成本低。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是系统中气体的流动状况。
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所示,本发明所涉及的柴油机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。
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。
卸载高温烟气系统:主要由气动球阀、气动调节阀及其与之配合的管道构成。该装置的主要用于是将一股流体的部分流体抽出,具有可靠的动作特性,精确的流量特性,宽大的可调范围,稳定的操作,甚小的泄漏率等优点。气动球阀与气动调节阀经由控制系统输出电流/电压信号改变调节阀的开度,从而精确的控制卸载烟气的流量。该系统的主要作用是根据需要将一定流量的高温烟气卸载。
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、燃烧器入口的燃气流量计、炉膛出口温度传感器、催化器入口温度传感器。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、高温烟气卸载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。
针对催化器所需的目标空速、催化器体积可以计算试验所需的气体总流量:
其中单位为;单位为;为空气密度,单位;单位为。
根据燃气燃烧的规律,燃烧器功率可以表示为:
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;为燃气的热值,单位;为燃气密度,单位;为燃气流量,单位。
由上式可得:
由于与实际空燃比有关,则对于燃烧器入口空气量 (单位)而言,则有:
理想的燃烧器入口空气量应满足:
其中为燃烧器使用该燃气的理论空燃比,为过量空气系数。
根据热风炉加热原理,燃烧器功率为(忽略热损失):
其中为燃烧器功率,单位为kW;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);为进入燃烧器空气的流量。为燃烧器出口处尾气温度,单位℃;为环境温度,单位℃。
由上式可得:
根据燃烧器工作原理并由(1)(2)(3)式可得当燃烧器在最小功率下工作时,均为已知量。
在混合系统中,进入混合系统的稀释空气流量为,单位 。由能量守恒可得:
其中为用户给系统设定的燃烧器出口处尾气温度,单位℃。在卸载高温烟气系统中,由质量守恒可得:
其中为由卸载式尾气模拟系统燃烧器功率调节辅助装置(以下简称卸载装置)卸载的高温尾气流量,单位。由(4)(5)可得:
当燃烧器工作在最低功率下,若不加入卸载装置,即相当于,由(6)式可得:
若加入卸载装置,则 ,可得:
由(6)(7)式结合(1)(2)(3)式可得,当燃烧器在某一确定功率下工作时,对于满足(8)式的模拟柴油机尾气的总流量和温度,可以由(6)(7)式计算出所需要卸载的高温烟气的流量以及需要加入混合系统中的空气的流量,将此信息通过控制系统反馈给卸载装置和用于供入稀释空气的风机,便可得到预期的控制效果。
对比(8)(9)式可得,加入高温烟气卸载系统后,可以在不改变燃烧器功率的前提条件下,扩大柴油机模拟尾气流量和温度的调节范围。
Claims (1)
1.一种带有功率调节辅助装置的卸载式柴油机尾气模拟系统,包括空气供给系统、燃烧系统、卸载高温烟气系统、混合系统、采集系统和控制系统,其特征在于:
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;空气供给系统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;燃烧系统调节模拟尾气温度,并提供模拟尾气烟气成分;
卸载高温烟气系统:主要由气动球阀、气动调节阀及其与之配合的管道构成;卸载高温烟气系统用于是将一股流体的部分流体抽出;气动球阀与气动调节阀经由控制系统输出电流/电压信号改变调节阀的开度,从而精确的控制卸载烟气的流量;卸载高温烟气系统根据需要将一定流量的高温烟气卸载;
混合系统:主要指混合筒及其与之配合的管道;混合系统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、燃烧器入口的燃气流量计、炉膛出口温度传感器、催化器入口温度传感器;空气流量计采集进入到整个系统中的空气流量,燃气流量计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、高温烟气卸载调节的控制柜及上位机;控制系统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。
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