CN105223022A - 一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法，在发动机实际工作状态下对催化剂进行考核，以更准确地评估催化剂的性能。所述考核装置包括发动机和内置有待测催化剂样品的催化转化器，所述催化转化器的入口与所述发动机的排气口连通，还包括分流件和气体分析仪，所述分流件设置在所述催化转化器与所述发动机的连通管路上，以控制进入所述催化转化器的气体量；所述气体分析仪用于分析进入和流出所述催化转化器的气体。所述考核方法包括以下步骤：将由所述排气口流出的废气进行分流，以调节进入所述催化转化器的气体量，通过调整发动机的扭矩和转速调节排温；对进入和流出所述催化转化器的气体进行分析，以评估所述待测催化剂样品的性能。

Description

一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，特别是涉及一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法。

背景技术

为减少发动机排放的废气造成环境污染，在发动机的排气管上连接一套处理氮氧化物等污染物的装置称之为后处理系统。后处理系统主要通过SCR技术、DOC技术等实现废气污染物的处理。

在后处理系统中，通常采用催化剂加快和促进污染物的反应，常用的催化剂包括钒基催化剂、分子筛催化剂和贵金属催化剂等。催化剂的性能在较大程度上影响后处理的结果。

现有技术中，其中一种考核催化剂的方式为，在发动机台架上采用法规要求的ESC、ETC排放测试循环，以检测催化剂对整体排放结果的影响。对于此种考核方式，试验结果与台架数据标定、发动机的状态等多种因素相关，催化剂仅是后处理系统中的一部分，不能客观的反应催化剂本身的特性。

针对上述技术问题，现有技术中提供了另一种考核催化剂的方式，即催化剂小样性能测试，以便对催化剂本身的特性进行测试，从而为各种机型的发动机匹配合适的催化剂。该测试方式利用一套催化剂小样测试设备，以NH₃、NO、NO₂、CO、C₃H₆、H₂O等作为配气组分，通过调整各配气组分的比例模拟发动机废气，将空速和温度作为两个考核变量，对于特定空速、不同温度以及特定温度、不同空速下催化剂的性能进行研究，从而推测该催化剂是否能够满足某种发动机的排放要求。

但是，对于后一种考核方式，仍存在以下问题：

1、测试的气体是通过一定比例的气源调配形成的，一方面，调配而成的气体无法准确的模拟发动机的废气；另一方面，在不同工况下，发动机的废气组分是会发生变化的，利用单一比例的配气测出的结果无法代表发动机的实际工况；也就是说，基于上述两方面的因素，通过配气模拟发动机废气导致无法准确评估催化剂的转化性能。

2、催化剂小样测试时，测试样品需要从催化剂成品上割取，一般割取规格为1×1英寸的长方体作为测试样品，属于催化剂成品上的一小部分，不能准确反映整个催化剂成品的性能，缺乏代表性。

3、催化剂小样测试时，由于试验条件较为理想，不需要对测试样品进行封装，而实际使用中所采用的催化剂是需要封装的，封装结构以及封装的密封性会影响催化剂的性能，催化剂小样测试忽略了封装因素的影响。

4、催化剂小样测试设备可以作为实验室评价，设备投资高，气源等耗材的维护成本高。

因此，亟需针对上述技术问题，提供一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法，以更准确地评估催化剂的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法，在发动机实际工作状态下对催化剂进行考核，能够真实地再现催化剂的使用环境，以更准确地评估催化剂的性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于发动机台架的催化剂考核装置，包括发动机和内置有待测催化剂样品的催化转化器，所述催化转化器的入口与所述发动机的排气口连通，还包括分流件和气体分析仪，所述分流件设置在所述催化转化器与所述发动机的连通管路上，以控制进入所述催化转化器的气体量；所述气体分析仪用于分析进入和流出所述催化转化器的气体。

本发明的催化剂考核装置，在催化转化器与发动机的连通管路上设有分流件，通过对发动机排放废气进行分流控制进入催化转化器的气体量，以实现对空速的控制；同时，可以通过发动机的扭矩和转速控制排气温度，则可以将空速和温度作为两个参考量，根据需要变换这两个参考量的关系，以真实再现发动机的多种工况，进而考核催化剂在多种工况下的性能，提高催化剂考核的真实性和全面性。

一方面，本发明的催化剂考核装置以发动机的实际工况为参照，与现有技术中模拟发动机废气相比，试验所用样气真实可靠，能够准确反映催化剂在整车上使用时的性能，使得考核结果具有更强的实践指导意义；另一方面，通过分流调节进入催化转化器的气体量，可以获得高排温、低空速等受发动机本身性能而无法产生的工况条件，实现催化剂在多种工况下性能的综合评估，对催化剂进行全面考核，更好地选择催化剂能够应用的发动机类型，最大化地提高后处理效率。

可选地，还包括第一取样管和第二取样管，两者分别设置在所述催化转化器的入口和出口，并均与所述气体分析仪连接。

可选地，所述待测催化剂样品封装在所述催化转化器中。

可选地，所述分流件包括分流管和设置在分流管上的流量控制阀，所述分流管连接在所述催化转化器与所述发动机的连通管路上。

可选地，还包括流量计，所述流量计设置在与所述催化转化器的出口连通的出口管上。

可选地，还包括控制器，所述气体分析仪、所述分流件以及所述流量计均与所述控制器信号连接。

本发明还提供了一种催化剂的考核方法，对发动机排气口所连接催化转化器中的待测催化剂样品进行考核，包括以下步骤：

1)将由所述排气口流出的废气进行分流，以调节进入所述催化转化器的气体量，通过调整发动机的扭矩和转速调节排温；

2)对进入和流出所述催化转化器的气体进行分析，以评估所述待测催化剂样品的性能。

可选地，所述步骤1)具体包括以下步骤：

111)设定所需排温；

121)通过调整发动机的扭矩和转速，得到所需排温，并将发动机固定在与所需排温对应的工况；

131)将由所述排气口流出的废气进行分流，并通过控制分流量调节进入所述催化转化器的气体量进行变化；

或者，所述步骤1)具体包括以下步骤：

112)设定所需空速；

122)调整发动机的扭矩和转速，以得到不同的所需排温，并且每次得到所需排温后，均执行以下步骤：

固定发动机的工况，将由所述排气口流出的废气进行分流，调节进入所述催化转化器的气体量至与所需空速对应。

可选地，所述待测催化剂样品封装在所述催化转化器中。

附图说明

图1为本发明所提供基于发动机台架的催化剂考核装置在一种具体实施方式中的结构示意图。

图1中：

发动机1、催化转化器2、分流件3、分流管31、流量控制阀32、气体分析仪4、第一取样管5、第二取样管6、流量计7。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于发动机台架的催化剂考核装置和方法，在发动机实际工作状态下对催化剂进行考核，以更准确地评估催化剂的性能。

本文所述的第一、第二等词仅为了区分相同或类似的不同结构、部件或者数值，不表示对顺序的特殊限定。

本文所述的空速是指排气在标准温度(通常为25℃)和标准压力(通常为100KPa)状态下的容积流量(即单位时间内的容积)除以催化剂载体容积所得的数值；或者说，空速是指在标准温度(通常为25℃)和标准压力(通常为100KPa)状态下，单位时间内通过单位催化剂的气体量。本文中所述的排温是指排气的温度，简称排温。

以下结合附图，对本发明进行具体介绍，以便本领域技术人员准确理解本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种基于发动机台架的催化剂考核装置，包括发动机1、催化转化器2、分流件3以及气体分析仪4，催化转化器2中内置有待测催化剂样品；发动机1的排气口与催化转化器2的入口连通；分流件3设置在催化转化器2与发动机1的连通管路上，以便对由发动机1的排气口所排出的废气进行分流，进而控制进入催化转化器2的气体量；气体分析仪4用于分析进入和流出催化转化器2的气体，可以分析气体的成分和含量，例如实现DOC、三元催化器等气体成分的检测，以便根据分析结果对催化剂的性能进行评估。

采用本发明的催化剂考核装置，在发动机1与催化转化器2的连通管路上设置分流件3，通过分流控制进入催化转化器2的气体量，以实现对空速的控制；同时，本发明的催化剂考核装置可以通过调节发动机1的扭矩和转速实现对排气温度的控制；而空速和温度是催化剂性能测试的两个主要参考量，故本发明的催化剂考核装置能够准确地检测催化剂在多种工况下的性能，具有更强的实践指导意义。

一方面，本发明的催化剂考核装置包括发动机1，将发动机1的排气口与催化转化器2的入口连通，从而将发动机1排放的废气直接输出至催化转化器2进行催化反应；与现有技术中采用配气模拟发动机1废气相比，不但节省了配气设备的购置以及维护成本，还为催化剂的考核提供了真实的气源，更加真实地反映了催化剂在发动机1上的表现。

另一方面，对于某一特定的发动机1，受发动机1本身性能的影响，往往得不到高排温、低空速的工况，也得不到低排温、高空速的工况；而排温和空速属于催化剂性能测试的两个重要参考量或者说影响因素，如果无法对排温和空速分开调节，就无法对催化剂在多种工况下的性能进行综合考核。针对上述技术问题，本发明的催化剂考核装置设有分流件3，将发动机1的排气口排出的废气进行分流，以控制进入催化转化器2的气体量，从而实现对空速的控制，此时，可以通过发动机1的扭矩和转速控制排温(即发动机1的排气口所排放废气的温度)，从而实现高排温、低空速和低排温、高空速的工况，或者根据需要设定所需的工况，从而全面考核催化剂在多种工况下的性能。此时，采用一台发动机1即可获得多种发动机1的实际工况，相当于实现了催化剂在多种发动机1上的考核，以便为多种发动机1选择能够匹配的催化剂类型，优化后处理的效果。

本发明的催化剂考核装置还可以包括第一取样管5和第二取样管6，两者分别设置在催化转化器2的入口和出口，且均与气体分析仪4连接。如图1所示，第一取样管5连接在催化转化器2的入口，第二取样管6连接在催化转化器2的出口，通过第一取样管5和第二取样管6对进入和流出催化转化器2的气体进行取样，然后将取出的样品输送至气体分析仪4，通过气体分析仪4检测气体的成分和含量，以便检测人员对催化前后的气体进行分析。

第一取样管5和第二取样管6可以根据需要选择各种形式，具体可以根据现有技术进行设置。

此外，所述待测催化剂样品是指用于试验的催化剂，可以直接采用催化剂成品；试验时，催化剂样品可以封装在催化转化器2中。所述催化剂成品是指，发动机1后处理系统中实际使用的催化剂产品，通常为现有技术中的标准规格。现有技术中采用催化剂小样测试，从催化剂成品上割取规则体积的产品，通常体积较小，不管是直径还是长度均会发生变化，代表性较差；而受成本限制，通常不会在同一个催化剂成品的不同部位取样进行多次测试，导致检测结果不能很好地反映催化剂成品的特性。相比于现有技术，本申请的待测催化剂样品可以直接采用催化剂成品，结构完整性较强，具有更强的代表性和真实性，能够更好地反映催化剂的实际性能。

在上述基础上，分流件3的结构形式多样，凡是能够起到分流作用的部件均能够作为本申请的分流件3，具体可以参照现有技术进行设置。

在一种设置方式中，如图1所示，分流件3可以包括分流管31和流量控制阀32，分流管31可以连接在发动机1与催化转化器2的连通管路上，然后将流量控制阀32设置在分流管31上。通过控制流量控制阀32的开度调节进入分流管31的气体量，从而实现对分流量的控制；由发动机1排出的废气一部分进入分流管31，另一部分进入催化转化器2，则通过控制分流量可以间接实现对进入催化转化器2中气体量的控制。

所述分流管31可以包括若干支管，均连接在发动机1与催化转化器2的连通管路上；可以在各支管上均设置流量控制阀32，以实现对分流量的快速精确控制；此时，可以选择开启或者关闭其中某个或者某几个支管，以便根据需要快速调节气体量。

当分流管31包括若干支管时，可以将流量控制阀32替换为开关阀，通过连通支管的数量实现对分流量的控制，进而调节进入催化转化器2的气体量。

在另一种设置方式中，本发明的分流件3也可以仅包括流量控制阀32，将流量控制阀32直接设置在发动机1与催化转化器2的连通管路上，以实现对进入催化转化器2的气体量的控制。此时，流量控制阀32可以为溢流节流阀，一方面通过节流阀实现发动机1与催化转化器2的连通，另一方面通过溢流阀进行溢流，避免因发动机1排气口的压力过大而损伤发动机1。本领域技术人员可以根据需要选择不同类型的控制阀进行组合，形成控制阀组，最终实现对进入催化转化器2的气体量的控制，同时避免对发动机1造成损伤，不限于上述溢流节流阀。

本申请还可以包括流量计7，催化转化器2的出口可以连接出口管，将经过催化处理的气体有出口管向外排出；此时，可以将流量计7设置在出口管上，用于检测流经催化转化器2的气体量，以衡量当前空速。

本申请还可以包括控制器，然后将气体分析仪4、分流件3以及流量计7均与控制器信号连接，则可以通过控制器控制分流件3的分流量，同时可以将气体分析仪4的分析结果以及流量计7的检测结果传递给控制器，便于控制器进行综合控制和分析。还可以设置与控制器信号连接的显示器，将气体分析仪4的分析结果以及流量计7的检测结果通过显示器予以显示。本申请的控制器可以为计算机或者单片机等控制部件，控制器的设置可以实现在线控制以及实时监测。

本文所述的信号连接是指，以有线或者无线连接实现信号传递的方式。

本申请的催化剂考核装置基于发动机台架，或者说是在发动机台架上实现的，是一种台架试验装置。即可以利用发动机台架实现催化剂的考核。

详细地，影响催化剂性能的主要因素有排气温度、空速和废气组分等，排温对于NO_X的转化效率影响显著，空速相对不明显，但空速的高低直接影响催化剂的氨存储能力和氨泄漏，从而影响NO_X的转化效率。在发动机台架上考核催化剂的性能时，通常通过增大扭矩以得到更高的排温，通过增加转速得到更高的空速；然而，对于某一特定发动机1，受到发动机1本身性能的影响，往往得不到高排温和低空速的工况，也得不到低排温高空速的工况，对催化剂性能的考核有一定的限制。因此，为准确、科学的评估催化剂的性能，考核催化剂在不同空速、不同排温下的性能，对现有的发动机台架进行了改进，以形成一种催化剂的台架式考核装置，灵活可靠地实现对催化剂性能的考核。

本发明还提供了一种催化剂的考核方法，对发动机1排气口所连接催化转化器2中的待测催化剂样品进行考核，具体可以包括以下步骤：

S1、将由所述排气口流出的废气进行分流，以调节进入所述催化转化器2的气体量，通过调整发动机1的扭矩和转速调节排温；

S2、对进入和流出所述催化转化器2的气体进行分析，以评估所述待测催化剂样品的性能。

采用本发明的考核方法，可以通过分流调整进入催化转化器2的气体量，实现对空速的调整；还可以根据需要调整发动机1的工况，以调节排温，此时便可以对不同排温、不同空速下催化剂的性能进行考核，也可以保持其中一个量不变而控制另一个量变化，以实现同一排温、不同空速以及同一空速、不同排温下待测催化剂样品的性能考核。由于本申请的考核方法可以根据需要调整空速和排温，使得待测催化剂样品的考核更加全面，也更加真实，以便根据考核结果实现催化剂与发动机1的匹配。

详细地，步骤S1可以具体包括以下步骤：

S111：设定所需排温；

S121：通过调整发动机1的扭矩和转速，得到所需排温，并将发动机1固定在与所需排温对应的工况；

S131：将由所述排气口流出的废气进行分流，并通过控制分流量调节进入所述催化转化器2的气体量，以按照一定规律调节气体量变化，然后可以执行步骤S2，对于同一排温、不同空速下待测催化剂样品的性能进行考核。

或者步骤S1可以具体包括以下步骤：

S112：设定所需空速；

S122：调整发动机1的扭矩和转速，以得到不同的所需排温，并且每次得到所需排温后，均执行以下步骤：固定发动机1的工况，将由所述排气口流出的废气进行分流，调节进入所述催化转化器2的气体量至与所需空速对应，以得到同一空速、不同排温的工况，进而实现同一空速、不同排温下待测催化剂样品的性能考核。

采用第一种考核方法，可以实现同一排温、不同空速下催化剂性能的考核，首先选定所需排温，然后调整发动机1运行至满足所需排温的工况下，通常调整发动机1的扭矩和转速，以使得发动机1的排温达到所需排温；此时，可以将发动机1固定在该工况，然后调节由发动机1的排气口所排出废气的分流量，以调节进入催化转化器2的气体量，进而实现对同一排温(设定的所需排温)、不同空速下催化剂性能的考核。

采用第二种考核方法，可以实现同一空速、不同排温下待测催化剂样品的性能考核。可以通过调节发动机1工况以改变排温，当得到每个所需排温后可以固定发动机的工况，并通过分流将空速调节至设定值，进而通过步骤S2评估待测催化剂样品在不同排温、同一空速下的性能。

通过不同的考核方法，一方面，可以更加全面地对待测催化剂样品的性能进行考核；更为重要的是，还可以评估排温以及空速对催化剂性能的影响，根据不同发动机1的性能选择更为适合的催化剂，提高转化效率。

当然，在步骤S1中，本领域技术人员可以根据需要同时调节排温和空速，此处不再对此方式进行详细说明，具体参照上述步骤进行分别调节。

此外，本申请中所采用的待测催化剂样品可以与催化剂成品一致，并封装在所述催化转化器2中。封装对于催化剂的性能存在一定的影响，而封装的影响因素主要是封装结构，封装结构会影响气流分布均匀性，进而影响各种化学成分的反应；本申请中，待测催化剂样品与催化剂成品一致，封装结构也保持现有技术标准结构，可以最大程度上减小催化剂样品和封装结构对测试结果的影响，以提高检测真实性和准确性。

此外，由于发动机台架的结构较为复杂，考核方法繁多，本文仅对与空速相关的结构以及方法进行了说明，其他不详之处烦请参照现有技术。

关于图1，需要说明的是，考虑到清楚显示的需求，图1中并没有示出控制器以及各部件与控制器的信号连接关系，但本领域技术人员可以根据实际需要进行设置；图1中以带箭头的虚线表示废气的流动方向，以清楚的说明催化反应的进行方式；图1为示意图，并没有详细给出各部件的结构，本领域技术人员可以参照现有技术进行设置。

以上对本发明所提供基于发动机台架的催化剂考核装置和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于发动机台架的催化剂考核装置，包括发动机(1)和内置有待测催化剂样品的催化转化器(2)，所述催化转化器(2)的入口与所述发动机(1)的排气口连通，其特征在于，还包括分流件(3)和气体分析仪(4)，所述分流件(3)设置在所述催化转化器(2)与所述发动机(1)的连通管路上，以控制进入所述催化转化器(2)的气体量；所述气体分析仪(4)用于分析进入和流出所述催化转化器(2)的气体。

2.如权利要求1所述的催化剂考核装置，其特征在于，还包括第一取样管(5)和第二取样管(6)，两者分别设置在所述催化转化器(2)的入口和出口，并均与所述气体分析仪(4)连接。

3.如权利要求1所述的催化剂考核装置，其特征在于，所述待测催化剂样品并封装在所述催化转化器(2)中。

4.如权利要求1-3任一项所述的催化剂考核装置，其特征在于，所述分流件(3)包括分流管(31)和设置在分流管(31)上的流量控制阀(32)，所述分流管(31)连接在所述催化转化器(2)与所述发动机(1)的连通管路上。

5.如权利要求4所述的催化剂考核装置，其特征在于，还包括流量计(7)，所述流量计(7)设置在与所述催化转化器(2)的出口连通的出口管上。

6.如权利要求5所述的催化剂考核装置，其特征在于，还包括控制器，所述气体分析仪(4)、所述分流件(3)以及所述流量计(7)均与所述控制器信号连接。

7.一种催化剂的考核方法，对发动机(1)排气口所连接催化转化器(2)中的待测催化剂样品进行考核，其特征在于，包括以下步骤：

1)将由所述排气口流出的废气进行分流，以调节进入所述催化转化器(2)的气体量，通过调整发动机(1)的扭矩和转速调节排温；

2)对进入和流出所述催化转化器(2)的气体进行分析，以评估所述待测催化剂样品的性能。

8.如权利要求7所述的考核方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括以下步骤：

111)设定所需排温；

121)通过调整发动机(1)的扭矩和转速，得到所需排温，并将发动机(1)固定在与所需排温对应的工况；

131)将由所述排气口流出的废气进行分流，并通过控制分流量调节进入所述催化转化器(2)的气体量进行变化；

或者，所述步骤1)具体包括以下步骤：

112)设定所需空速；

122)调整发动机(1)的扭矩和转速，以得到不同的所需排温，并且每次得到所需排温后，均执行以下步骤：

固定发动机(1)的工况，将由所述排气口流出的废气进行分流，调节进入所述催化转化器(2)的气体量至与所需空速对应。

9.如权利要求7所述的考核方法，其特征在于，所述待测催化剂样品封装在所述催化转化器(2)中。