CN106679982A - 基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置 - Google Patents
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Abstract
一种内燃机技术领域的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，包括主风机组件、进气流量计、喷油段、混合段、燃烧段、稀释混合器、旁通管路、排气流量计、耐高温EGR阀、数据采集控制系统等。这种新型的后处理性能测试系统基于燃烧器，通过控制喷油、点火、燃烧，模拟柴油机尾气，可以进行柴油机后处理系统的性能测试，如DOC、DPF、SCR反应器，以及EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+SCR、EGR+DOC+SCR+DPF、EGR+DOC+DPF+SCR等集成系统装置的性能测试。本发明设计合理，结构简单，适用于内燃机后处理系统快速老化试验台架的优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机后处理系统快速老化及性能评价试验台架领域，特别涉及柴油机选择性催化还原SCR反应器、柴油氧化催化器DOC、柴油机颗粒过滤DPF反应器等的快速老化，以及DOC+DPF+SCR集成的后处理系统等的快速老化及性能测试。
背景技术
为了满足日益严格的排放法规，柴油发动机后处理环保装置，如柴油氧化催化器DOC(用于排气中的HCs、CO净化)、选择性催化还原SCR反应器(用于排气中NOx净化)、柴油机颗粒过滤DPF反应器(用于排气中颗粒物PM净化)将作为标配部件应用于机动车以及船舶柴油机的尾气后处理。安装有后处理环保装置的柴油车将被强制要求在全生命周期内都必须满足相应排放法规，例如，未来的国6法规要求轻型车辆在160,000km内排放须达标，而重型车辆则被要求在700,000km内排放必须达标。在船舶发动机排放控制方面，根据相关法规(如国际海事组织(IMO)的Tier III和国家环保部将发布的《船舶发动机排气污染物排放限值和测量方法(第一、二阶段)》)要求，船舶发动机后处理环保装置在实际运行10,000小时内或安装后10年内(先到为准)效率须满足排放法规要求。总之，排放法规对后处理环保装置的耐久性提出了很高的要求。
后处理环保装置一般通过催化反应将尾气中的碳氢化合物(HCs)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)以及颗粒物(PM)转化为水(H2O)、二氧化碳(CO2)和氮气(N2)。DOC、SCR反应器和DPF等柴油机后处理装置的核心是催化剂。但催化剂在运行过程中会逐渐老化(热老化、磨损、中毒、开裂等)，导致后处理装置效率逐渐降低。因此，提高柴油机后处理环保装置耐久性的关键是提高催化剂老化后的性能，保证其在全生命周期内(轻型柴油车：240,000公里；重型柴油车：700,000公里；船舶柴油机：10,000小时或10年)的催化转换效率能满足法规要求。
车用柴油机后处理装置老化过程要求后处理装置在发动机台架上经历几万个小时台架老化试验或整车车队几十万公里的道路老化试验，这需要耗费巨大的人力、物力和财力。
后处理环保装置的老化主要是热老化(权重>90％)。从理论上讲，热老化速度是温度的函数。研究表明，SCR催化剂在500℃下发动机台架老化30,000小时才能完成相当于700,000公里的道路老化；但在高温下催化剂可被快速热老化。实验表明，850℃下老化100小时可等效于500℃下发动机台架老化30,000小时或整车道路老化700,000公里。但常规柴油发动机难以产生高于600℃的高温尾气用以加速催化剂的老化过程。
由于柴油机难以产生600℃以上的高温排气用于后处理装置的加速老化，因此必须采取其他方法来产生高温环境。目前，工业界中最常用的方法主要有两种：(1)炉子老化：将催化剂放入马弗炉，把炉子腔体中气体加热到高温，如图1所示；(2)柴油机台架老化：在后处理装置上游安装DOC，并在DOC上游喷射柴油以产生热量，来提高排气温度。
虽然炉子老化可提供快速老化所需的温度，但马弗炉不能模拟流经催化剂的真实柴油机尾气。另外，炉子老化过程无法对催化剂性能参数进行监测，极易造成过度老化。
柴油发动机台架老化采用真实柴油机尾气，且可通过传感器实时监测老化过程催化剂的性能变化。虽然柴油机台架老化可使用DOC氧化柴油放热来提高下游后处理装置入口尾气温度，但DOC氧化燃料放热会导致老化温度难以控制。此外，DOC上涂覆的贵金属，如铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等在高温下会迁移至下游的后处理装置上，导致催化剂不可逆的永久性中毒。因此，基于燃料DOC氧化加热的柴油机台架老化也不是理想的快速老化方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种柴油机后处理系统快速老化及性能评价试验台架装置，能够能提高测试柴油机后处理系统的尾气排气温度，独立的线性的控制NOx浓度，独立控制的宽范围排气流量。可以进行柴油机后处理系统的快速老化，以测试系统在全生命周期内的排放效果。
本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括变频主风机、主风管、喷油器、涡流板、混合燃烧段、火花塞组、稀释混合段、波纹管、排气分析仪、测试段、耐高温EGR阀、排气流量计、测试主管、旁通管、两通阀门、分控箱、稀释风机、第一进气流量计、第二进气流量计、稀释风管、火焰稳定器、稀释风腔、导流板、缩口，主风管的进气口与变频主风机的出气口相连接，主风管的出气口与涡流板相连接，稀释风管的进气口与稀释风机的出气口相连接，波纹管的两端分别与稀释混合段出气口、测试段进气口相连接，测试主管的进气口与测试段的出气口相连接，旁通管的进气口与波纹管相连接，第一进气流量计、喷油器依次布置在主风管上，第二进气流量计布置在稀释风管上，排气分析仪分别布置在测试段的前后两端的管路上，耐高温EGR阀、排气流量计依次布置在测试主管上，两通阀门布置在旁通管上，各电控器件均通过线束与分控箱相连接；混合燃烧段的进气端与涡流板相连接，混合燃烧段的出气端伸入稀释混合段内，缩口与混合燃烧段的出气口相连接，火花塞组布置在混合燃烧段的前部，火焰稳定器布置在混合燃烧段的后部，导流板的内边缘与混合燃烧段的尾部连接在一起，导流板的外边缘与稀释混合段的内壁面连接在一起，导流板上设置导流孔，混合燃烧段、导流板、稀释混合段所围成的腔体构成稀释风腔，稀释风管的出气口与稀释风腔相连接。
进一步地，本发明还包括加压泵、导流器，加压泵与喷油器相连接，导流器布置在稀释混合段的尾部。
更进一步地，在本发明中，主风管带有直角弯头，喷油器布置在主风管的直角弯头处，喷油器中心线与混合燃烧段中心线重合。
更进一步地，在本发明中，导流板与缩口垂直，导流板上的导流孔为阵列分布。
更进一步地，在本发明中，火花塞组共两组，每组四个火花塞呈90度分布，两组火花塞之间间隔100mm。
综上所述，本发明提供的一种基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，通过喷油段、混合段、燃烧段、火焰稳定器等进行喷油点火燃烧以产生所需排气，通过稀释混合器缩短稀释混合段的距离，使燃烧排气与稀释空气可以充分混合。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明设计合理，结构简单，能够模拟柴油机的尾气，精确控制尾气的浓度、温度、流量，可以进行柴油机后处理系统快速老化，达到对耐久型测试的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中:1、变频主风机，2、主风管，3、加压泵，4、喷油器，5、涡流板，6、混合燃烧段，7、火花塞组，8、稀释混合段，9、导流器，10、波纹管，11、排气分析仪，12、测试段，13、耐高温EGR阀，14、排气流量计，15、测试主管，16、旁通管，17、两通阀门，18、分控箱，19、稀释风机，20、第一进气流量计，21、第二进气流量计，22、稀释风管，23、火焰稳定器，24、稀释风腔，25、导流板，26、缩口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本发明的实施例如图1所示，本发明包括变频主风机1、主风管2、加压泵3、喷油器4、涡流板5、混合燃烧段6、火花塞组7、稀释混合段8、导流器9、波纹管10、排气分析仪11、测试段12、耐高温EGR阀13、排气流量计14、测试主管15、旁通管16、两通阀门17、分控箱18、稀释风机19、第一进气流量计20、第二进气流量计21、稀释风管22、火焰稳定器23、稀释风腔24、导流板25、缩口26，主风管2的进气口与变频主风机1的出气口相连接，主风管2的出气口与涡流板5相连接，稀释风管22的进气口与稀释风机19的出气口相连接，波纹管10的两端分别与稀释混合段8出气口、测试段12进气口相连接，测试主管15的进气口与测试段12的出气口相连接，旁通管16的进气口与波纹管10相连接，第一进气流量计20、喷油器4依次布置在主风管2上，第二进气流量计21布置在稀释风管22上，排气分析仪11分别布置在测试段12的前后两端的管路上，耐高温EGR阀13、排气流量计14依次布置在测试主管15上，两通阀门17布置在旁通管16上，各电控器件均通过线束与分控箱18相连接；混合燃烧段6的进气端与涡流板5相连接，混合燃烧段6的出气端伸入稀释混合段8内，缩口26与混合燃烧段6的出气口相连接，火花塞组7布置在混合燃烧段6的前部，火焰稳定器23布置在混合燃烧段6的后部，导流板25的内边缘与混合燃烧段6的尾部连接在一起，导流板25的外边缘与稀释混合段8的内壁面连接在一起，导流板25上设置导流孔，混合燃烧段6、导流板25、稀释混合段8所围成的腔体构成稀释风腔13，稀释风管22的出气口与稀释风腔13相连接；加压泵3与喷油器4相连接，导流器9布置在稀释混合段8上，主风管2带有直角弯头，喷油器4布置在主风管2的直角弯头处，喷油器4中心线与混合燃烧段6中心线重合；导流板25与缩口26垂直，导流板25上的导流孔为阵列分布。
本发明提供的柴油机后处理系统快速老化试验台架装置，可以提供柴油机后处理系统所需温度、流量、浓度进行柴油机后处理系统的快速老化。
在试验台架装置中，变频主风机1产生混合燃烧段6燃烧所需空气，根据不同测试段12后处理系统入口所需温度，变频主风机1的进气量也不同。通过变频风机的变频器进行流量的粗调节，通过进气流量计2对变频主风机1的进气量进行测量。通过第二进气流量计21准确测量稀释风机3的进气量，稀释风机3产生的稀释空气将在稀释混合器14与在混合燃烧段6产生的热排气进行混合。
喷油器4设置在弯管处，与混合燃烧段6中心线重合，通过加压泵3对喷油器喷射压力进行加压，以提高喷油雾化效果。涡流板5设置在喷油器4后，是变频主风机1输入的空气与喷油器4产生的油雾充分混合。
火花塞组7共两组，每组四个火花塞呈90度分布，两组火花塞之间间隔100mm；由火花塞组7进行点火，将混合段混合好的空气进行点燃。通过控制喷油器4喷射油量控制燃烧段6产生热排气的温度。
混合燃烧段6的后端位于稀释混合段8内部，火焰稳定器23设置于混合燃烧段6内部，对产生的火焰进行整流。混合燃烧段6尾部布置缩口26，稀释风腔24环绕混合燃烧段6的后端，对混合燃烧段6的后端进行降温，增加燃烧段的寿命，同时对稀释风机产生的稀释气体进行预热，充分利用预热。导流板25位于混合燃烧段6尾部，垂直于缩口26，导致板25上设置导流孔，对稀释空气进行整流，稀释空气与燃烧产生的排气在稀释混合段8中进行稀释混合，导流器9置于稀释混合段8内部尾部，使得稀释后的排气充分混合，更加均匀。
稀释混合段8通过波纹管10与测试段12相连，通过波纹管10可以减小系统的应力集中和减小管路对中时的误差。测试段12可以放置DOC、DPF、SCR反应器和SCRF反应器，以及EGR+DOC+DPF、EGR+DOC+SCR、EGR+DOC+SCR+DPF、EGR+DOC+DPF+SCR等集成系统装置。
通过调节变频主风机1、稀释风机19的进气量，再通过调节旁通管16上电控两通阀门17和测试主管15上的耐高温EGR阀13，即可控制进入测试段12的流量大小。
排气分析仪11在测试段12前后均设置测量装置，以测量管路中各类气体浓度以及前后浓度变化。通过排气流量计14可以测量通过测试段12的流量大小。
分控箱18中控制设备通过温度传感器、压力传感器测量各测量点的温度，压力；同时控制设备控制喷油器的喷射和火花塞的点火；与排气分析仪11、变频风机1和稀释风机19进行通讯。最后将结果通过网线传到电脑控制界面。
综上所述，本发明提供的一种柴油机后处理系统快速老化及性能评价试验台架装置，通过变频主风机和稀释风机为柴油机后处理系统提供所需流量，通过风机的变频控制器进行定量控制，通过近排气流量计进行精确测量，通过在管路中喷油混合、点火燃烧以产生高温排气，通过阀门控制进入测试段的流量，通过排气分析仪测量管路中各类气体浓度以及前后浓度变化。因此本燃烧器系统可以独立的控制进入测试段的温度、排气浓度和流量。通过提高进入测试段的排气温度，可以进行柴油机后处理系统的快速老化。
通过控制喷油点火和控制进入测试段的温度、排气浓度、流量，可以达到瞬态控制模拟发动机尾气，进而可以进行WHSC/WHTC、ESC/ETC测试循环、FTP测试循环等。
本发明通过具体实施过程进行说明的，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明例进行各种变换及等同代替，因此，本发明专利不局限于所公开的具体实施过程，而应当包括落入本发明专利权利要求范围内的全部实施方案。
Claims (5)
1.一种基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，包括变频主风机(1)、主风管(2)，主风管(2)的进气口与变频主风机(1)的出气口相连接，其特征在于，还包括喷油器(4)、涡流板(5)、混合燃烧段(6)、火花塞组(7)、稀释混合段(8)、波纹管(10)、排气分析仪(11)、测试段(12)、耐高温EGR阀(13)、排气流量计(14)、测试主管(15)、旁通管(16)、两通阀门(17)、分控箱(18)、稀释风机(19)、第一进气流量计(20)、第二进气流量计(21)、稀释风管(22)、火焰稳定器(23)、稀释风腔(24)、导流板(25)、缩口(26)，主风管(2)的出气口与涡流板(5)相连接，稀释风管(22)的进气口与稀释风机(19)的出气口相连接，波纹管(10)的两端分别与稀释混合段(8)出气口、测试段(12)进气口相连接，测试主管(15)的进气口与测试段(12)的出气口相连接，旁通管(16)的进气口与波纹管(10)相连接，第一进气流量计(20)、喷油器(4)依次布置在主风管(2)上，第二进气流量计(21)布置在稀释风管(22)上，排气分析仪(11)分别布置在测试段(12)的前后两端的管路上，耐高温EGR阀(13)、排气流量计(14)依次布置在测试主管(15)上，两通阀门(17)布置在旁通管(16)上，各电控器件均通过线束与分控箱(18)相连接；混合燃烧段(6)的进气端与涡流板(5)相连接，混合燃烧段(6)的出气端伸入稀释混合段(8)内，缩口(26)与混合燃烧段(6)的出气口相连接，火花塞组(7)布置在混合燃烧段(6)的前部，火焰稳定器(23)布置在混合燃烧段(6)的后部，导流板(25)的内边缘与混合燃烧段(6)的尾部连接在一起，导流板(25)的外边缘与稀释混合段(8)的内壁面连接在一起，导流板(25)上设置导流孔，混合燃烧段(6)、导流板(25)、稀释混合段(8)所围成的腔体构成稀释风腔(13)，稀释风管(22)的出气口与稀释风腔(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，其特征在于还包括加压泵(3)、导流器(9)，加压泵(3)与喷油器(4)相连接，导流器(9)布置在稀释混合段(8)的尾部。
3.根据权利要求2所述的基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，其特征在于主风管(2)带有直角弯头，喷油器(4)布置在主风管(2)的直角弯头处，喷油器(4)中心线与混合燃烧段(6)中心线重合。
4.根据权利要求3所述的基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，其特征在于导流板(25)与缩口(26)垂直，导流板(25)上的导流孔为阵列分布。
5.根据权利要求4所述的基于燃烧器的柴油机后处理系统性能测试试验台架装置，其特征在于火花塞组(7)共两组，每组四个火花塞呈90度分布，两组火花塞之间间隔100mm。
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