CN107037145A - 一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，由通过气路系统结合的多列管反应器组件、气体压力流量控制组件和补偿温控组件组成，多列管反应器组件为内藏歧管式多列管结构，反应器组件的入口端与汽车尾气进气管相连，出口端经由各反应列管出口分别与各分路流量调节阀连接。本发明可以有效的消除汽车发动机台架尾气净化测试中因发动机工况改变引起的体系压力波动带来的负面作用以及由于各反应列管中填装的待测试材料不同引发的压降和流量不均衡现象，在精确调控温度、压力、流量、空燃比等诸多实验参量完全一致的条件下对不同种类的净化材料进行同时在线对比测试，成倍的提高汽车发动机台架尾气净化对比测试的效率。

Description

一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置
技术领域
本发明涉及一种汽车尾气净化材料性能比较装置，尤其是涉及一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置。
背景技术
随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，国内汽车年销量和保有量都不断提高，造成了各大城市日益严重的汽车尾气污染问题。研究表明，大城市中40％以上的NOx，80％以上的CO和70％以上的HCx都来自于汽车尾气，汽车尾气污染已经严重影响了生态环境和人民群众的健康。目前控制汽车尾气污染最有效的途径是降低单车排放量，安装以催化类材料或吸附类材料为核心的汽车尾气净化装置是目前减轻汽车尾气污染的有效手段，开发汽车尾气净化材料需要高效、准确的评价手段来配合。汽车尾气净化材料的研制开发过程一般要历经小试试验、中试试验和工业放大应用研究阶段。其中小试试验阶段需要进行大量的筛选和反复的比对试验，以确定合适的活性组分、活性组分相对含量、不同的负载方式和焙烧条件等；在中试试验阶段，要进一步放大考察小试试验条件下优选出的净化材料，同样离不开大量的对比试验。
与一般的催化剂材料筛选对比试验相比，汽车尾气净化材料的研制开发在早期就要进行模拟行车工况下的汽车发动机台架尾气净化测试，所耗费的时间和经济成本相对较高，发动机台架试验环境的压力、温度的波动相较于传统实验室测试也更大。目前汽车发动机尾气净化材料的一个研究重点是提高净化材料的低温净化效率，减少冷启动时的污染物排放，按照GB 18352.3-2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》的要求，满足我国第三、第四阶段标准(相当于欧III、欧IV标准)的汽车尾气净化认证试验包括I型试验(常温下冷启动后排气污染物排放试验)和VI型试验(低温下(-7℃)冷起动后排气中CO和HC排放试验)，其采样分析要求在发动机启动后0秒就开始进行，这两类试验中汽车发动机排气口端尾气的温度会有显著的不同，这对汽车发动机尾气净化材料测试系统的温度调控能力提出了相当高的要求。另外，目前汽车发动机尾气净化材料的另一个研究重点是提升材料在更宽的空/燃比(air to fuel ratio)的工作窗口内(特别是富氧条件下)提高对NOx的选择性还原性能，这体现在对汽车发动机尾气净化材料测试系统的要求上就是要能够适应不断切换的进气量、进气成分等参数的变化，并能够确保对不同批次的待测材料/参比材料进行相关测试的汽车尾气(反应气)温度、压力、进气组分的完全均匀化。
综上所述，如何在确保待测试材料在压力、流量、进气成分、温度等诸多控制因素保持一致的情况下进行高通量的对比测试一直是汽车尾气净化材料评价手段研发中的关键问题。提高汽车尾气净化材料对比试验的可信度，同时提高筛选效率，有利于提高材料的研发效率，缩短汽车尾气净化材料的研发周期。
授权公告号为CN 1803271B的中国发明专利公开了一种分流器及高通量并行催化反应装置，主要是采用了组合化学的思路，适于流体-固体多相催化反应。该装置包括分流器、流量控制器、并行反应器、温度控制器、冷却器和产物收集器。反应流体进入流量控制器中控制一种流体的总流量，然后经分流器分流，再与从其它分流器出来的流体分别混合得到与各单个分流器通道数相同的多路流体混合物，然后分别进入反应器的相应通道与催化剂接触，进行催化反应，从而评价催化剂的性能。该型概念性装置仅仅考虑了流量和温度的均匀性控制，并没有针对汽车尾气净化材料对比测试进行任何专门的结构设计，因此并不能有效地消除在实际台架测试中发动机工况频繁改变引起的系统压力波动影响，同样也无法消除由于各反应列管中填装的待测试材料不同引发压降不同导致的流量不均衡现象，无法确保针对汽车尾气净化材料的性能比较测试在压力、气体组分等诸多实验参量完全一致的条件下进行。此外，该型装置作为一套模拟概念，没有考虑到在测试过程中如何使进气管路压力始终维持在一个设定值，也没有考虑当台架发动机发生喘振等工况致使系统内部压力异常升高超出限定值时，如何有效的通过相关结构设计保护处于气路下游的反应器和检测仪器。
授权公告号为CN 102539618B的中国发明专利公开了一种多通道高通量催化剂评价装置及评价方法，该装置采用了单加热炉和多反应器相配合的方式，可以同时评价多个相同或不同的催化剂，也可以通过设置不同反应系统加热炉的温度研究反应温度的影响，提高了催化剂筛选的效率。但是该型装置实际上是将催化反应器进料系统、反应系统、取样分析系统以及产物收集系统进行简单的串并联，并没有针对汽车尾气净化材料对比测试进行任何专门的结构设计，因此也并不能有效地消除在实际台架测试中发动机工况频繁改变引起的系统压力波动影响，同样也无法消除由于各反应列管中填装的待测试材料不同引发压降不同导致的流量不均衡现象，无法确保针对汽车尾气净化材料的性能比较测试在压力、气体组分等诸多实验参量完全一致的条件下进行，会造成相关检测器对净化效果判定的严重误差。此外，该型装置作为一套实验室模拟设备，没有考虑到在测试过程中如何使进气管路压力始终维持在一个设定值，也没有考虑当台架发动机发生喘振等工况致使系统内部压力异常升高超出限定值时，如何有效的通过相关结构设计保护处于气路下游的反应器和检测仪器。综上，这套装置实际并不能满足汽车尾气净化材料评价测试的特殊要求。
总之，专门针对汽车尾气净化材料评价测试过程的特殊性，设计一种旨在同时提高汽车尾气净化材料评价测试可信度和测试效率的装置是具有相当的研究和应用前景的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够有效提高材料评价测试效率的多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，由通过气路系统结合的多列管反应器组件、气体压力流量控制组件和补偿温控组件组成，
所述的多列管反应器组件为内藏歧管式多列管结构，反应器组件的入口端与汽车尾气进气管相连，出口端经由各反应列管出口分别与各分路流量调节阀连接。
所述的多列管反应器组件包括：
耐温外壳：采用耐温高强度材料制成的封闭结构，外侧壁敷有绝热层；
进气管：设置于反应器组件的轴心位置，中央位置安装有补偿电加热器件，末端开口敞开于反应器内部上方位置；
反应列管：设有至少四个反应列管，呈环状轴对称排列，管内分别填充有不同的待测试材料或参比材料，入口端敞开于反应器内部下方接近底部的位置，出口端经由气体管路分别与各分路流量调节阀连接。
所述的反应列管中待测试材料或参比材料的填装量(以填装长度L计)可以根据具体试验要求(反应气流速u、反应列管直径d、催化床层的阻力降ΔPf等)进行调整，利用以下公式进行计算决定：
上式中：ΔPf为催化床层的压力降，ρ为所填充材料的密度，λ为与雷诺数Re有关的经验参数，d为反应列管直径，u为反应气流速。
所述的所有反应列管内内部体积占整个外壳内的体积比应根据具体试验要求(压力降和气体流量)进行设计，一般要求反应列管的直径小于或等于外壳直径的1/8，从而能够借助多列管反应器内部较大的腔体实现对气体流量和压力的缓冲作用。
进入多列管反应器组件的汽车尾气(反应气)将首先在外壳内回流，一方面可以与反应列管中装填的待评价材料进行充分的热交换，另一方面可以借助多列管反应器内部较大的腔体实现对气体流量和压力的缓冲作用，以及通过腔体-反应列管之间的动态热平衡，确保随后进入各反应列管进行相关测试的汽车尾气(反应气)温度、压力、流量、进气组分的均衡。
所述的补偿温控组件由热电偶以及设置于进气管的中央位置的补偿电加热器件组成，所述的热电偶的测温端安装在多列管反应器组件内部，通过反馈回路控制补偿电加热器件的电流强度。补偿温控组件可以用于实时检测并调节汽车尾气(反应气)的温度，以实现在模拟发动机排气管中温度的条件下对汽车尾气净化材料性能进行比较测试。
所述的气体压力流量控制组件由设置在多列管反应器组件前端的汽车尾气进气管、尾气过滤器、自力式背压稳定阀、排气旁路以及与多列管反应器组件的后端多个反应列管出口分别连接的流量调节阀、流量计、三通换向阀组成。
所述的汽车尾气进气管的进气端与台架发动机排气管直接相连，
所述的尾气过滤器安装在汽车尾气进气管的进气端与台架发动机排气管的连接处，套接在汽车尾气进气管的最前端，内装有玻璃纤维滤膜，用于过滤发动机尾气中未燃尽的碳及其他杂质颗粒，避免引入所述多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置造成待评价材料污染或气体管路堵塞等不良影响，
所述的自力式背压稳定阀安装在尾气过滤器后端引出的排气旁路上，并连有检测系统背压的压力表，通过内置的弹簧储存的弹力实现稳压。
当台架发动机处于正常工作状态，系统压力正常波动时，该阀可以根据主进气管路压力的变化调节背压阀膜片的位置，从而调节排气旁路的开启程度，使主进气管路压力始终保持在一个设定值，本套装置处于正常运行状态；当台架发动机发生喘振等异常工况致使系统内部压力异常升高超出限定值时，背压阀膜片将压缩弹簧，从而完全打开排气旁路以彻底泄压，保护处于气路下游的反应器和检测仪器。
所述的流量调节阀和流量计的数量与多列管反应器组件的反应列管的数量相同，分别串接在各反应列管出口端，
所述的三通换向阀设置在各反应列管出口引出的气路上，一端接在流量计的后端，一端联通气路联结检测仪器(如气相色谱-质谱联用仪或氧浓度监测仪等)接口，一端接排气管道放空。
气体压力流量控制组件可以有效地消除在实际台架测试中发动机工况频繁改变引起的系统压力波动影响，也可以最大程度上消除由于各反应列管中填装的待测试材料不同引发的流量不均衡现象，确保针对汽车尾气净化材料的性能比较测试在压力、流量、空燃比等诸多实验参量完全一致的条件下进行。
与现有技术相比，本发明通过特殊的结构设计和和一系列的模块化组件思路，能够在充分考虑到目前汽车尾气净化材料性能测试特别是汽车发动机台架尾气净化测试中存在的压力波动较大、测试温度范围变化剧烈、空/燃比(air to fuel ratio)工作窗口宽且切换频繁等实际情况下，能够做到在精确控制温度、压力、流量、气体组分等诸多实验参量完全一致的条件下同时对不同净化材料进行高通量的准确对比测试，能够有效的提高材料评价测试的效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为多列管反应器组件的主视结构示意图；
图3为多列管反应器组件的俯视结构示意图。
图中，1为排气管、2为检测仪器I接口、3为检测仪器II接口、4为保温箱体、5为耐温外壳、6为放水阀、7为玻璃纤维滤膜、8为尾气进气管、9为保温套管、10为尾气过滤器、11为自力式背压稳定阀、12为排气旁路、13为压力表、14为多列管反应器组件、15为流量调节阀、16为流量计、17为三通换向阀；
14-1为反应列管、14-2为热电偶、14-3为待测试材料、14-4为补偿电加热器件、14-5为参比材料、14-6为固定螺栓及密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其结构如图1所示，包括多列管反应器组件14、气体压力流量控制组件和补偿温控组件。其中多列管反应器组件14由耐温外壳5、尾气进气管8、反应列管14-1等构成，采用内藏歧管式多列管结构，如图2-3所示。耐温外壳5采用耐温高强度材料制成的封闭结构，外侧壁敷有绝热层，另外还连接有放水阀6。尾气进气管8设置于反应器组件的轴心位置，中央位置安装有补偿电加热器件14-4，末端开口敞开于反应器内部上方位置。反应列管14-1设有至少四个并呈环状轴对称排列，管内填充有待测试材料14-3以及参比材料14-5，其入口端于反应器14中敞开，出口端分别与各分路流量调节阀15相连接。反应列管14-1与耐温外壳5的连接处设有固定螺栓及密封圈14-6。
反应列管中待测试材料或参比材料的填装量(以填装长度L计)可以根据具体试验要求(反应气流速u、反应列管直径d、催化床层的阻力降ΔPf等)进行调整，利用以下公式进行计算决定：
上式中：ΔPf为催化床层的压力降，ρ为所填充材料的密度，λ为与雷诺数Re有关的经验参数，d为反应列管直径，u为反应气流速。
所有反应列管内内部体积占整个外壳内的体积比应根据具体试验要求(压力降和气体流量)进行设计，一般要求反应列管的直径小于或等于外壳直径的1/8，从而能够借助多列管反应器内部较大的腔体实现对气体流量和压力的缓冲作用。
气体压力流量控制组件由设置在多列管反应器组件14前端的尾气进气管8、尾气过滤器10、自力式背压稳定阀11、排气旁路12以及与多列管反应器组件14的后端多个反应列管出口分别连接的流量调节阀15、流量计16、三通换向阀17组成，另外还包括必要的气体管路。流量调节阀15、流量计16、三通换向阀17可以设置在保温箱体4内。尾气进气管8的进气端与台架发动机排气管直接相连，尾气过滤器10安装在汽车尾气进气管8的进气端与台架发动机排气管的连接处，套接在汽车尾气进气管8的最前端，内装有玻璃纤维滤膜7，并且设置在保温套管9内，用于过滤发动机尾气中未燃尽的碳及其他杂质颗粒，避免引入所述多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置造成待评价材料污染或气体管路堵塞等不良影响。
自力式背压稳定阀11安装在尾气过滤器10后端引出的排气旁路12上，并连有检测系统背压的压力表13，通过内置的弹簧储存的弹力实现稳压。当台架发动机处于正常工作状态，系统压力正常波动时，该阀可以根据主进气管路压力的变化调节背压阀膜片的位置，从而调节排气旁路的开启程度，使主进气管路压力始终保持在一个设定值，本套装置处于正常运行状态；当台架发动机发生喘振等异常工况致使系统内部压力异常升高超出限定值时，背压阀膜片将压缩弹簧，从而完全打开排气旁路以彻底泄压，保护处于气路下游的反应器和检测仪器。
流量调节阀15和流量计16的数量与多列管反应器组件的反应列管的数量相同，分别串接在各反应列管出口端，三通换向阀17设置在各反应列管出口引出的气路上，一端接在流量计的后端，一端联通气路联结检测仪器(如气相色谱-质谱联用仪的检测仪器I接口2或氧浓度监测仪的检测仪器II接口3等)接口，一端接排气管1放空。
补偿温控组件由热电偶14-2以及设置于尾气进气管8的中央位置的补偿电加热器件14-4组成，热电偶14-2的测温端安装在多列管反应器组件内部，通过反馈回路控制补偿电加热器件的电流强度。补偿温控组件可以用于实时检测并调节汽车尾气(反应气)的温度，以实现在模拟发动机排气管中温度的条件下对汽车尾气净化材料性能进行比较测试。
实施例2
以氧化铈基汽车尾气三效催化剂(Three Way Catalyst)应用于汽车尾气净化评价测试为例，选用国外某知名催化剂公司生产的商用三效催化剂作为参比材料，以实验室合成的三种不同活性组分(Pt/Rh/Pd)配比的氧化铈基汽车尾气三效催化剂为待测材料，以相同的质量分别填充于本装置的四个反应列管中进行对比在线评价。台架试验的发动机选用福特公司EcoBoost 2.0L GTDi240型号，采用93号(京92号)燃油进行测试，供油方式采用缸内直喷，发动机排气管直接与本装置的尾气进气管相连接。测试试验为低温下冷起动后排气中CO和HC排放及消除试验(GB18352.3-2005VI型试验)。首先检查整个装置的气密性，随后设置补偿温控组件中的补偿电加热器件，待整个系统的温度稳定，检查自力式背压稳定阀和压力表，确保排气旁路的设置处于正常位置，系统内背压稳定。启动发动机待工作稳定后，参考流量计的读数，调节与多列管反应器后端多个反应列管出口分别连接的分路流量调节阀，确保四个反应列管中尾气流量保持稳定并一致。此时发动机连续工作产生的尾气将经由尾气过滤器进入多列管反应器前端的进气管，经过补偿电加热器件调节温度后在多列管反应器的外壳内回流，一方面可以与反应列管中装填的待评价材料进行充分的热交换，另一方面可以借助反应器内部较大的体积实现对发动机的工作压力起到缓冲作用，确保随后进入各反应列管进行相关测试的汽车尾气(反应气)温度、压力、进气组分的均衡。尾气(反应气)扩散进入各反应列管后将与事先装填的参比材料和三种待测材料分别发生反应，待反应稳定进行一段时间后，切换与多列管反应器后端多个反应列管出口分别连接的三通换向阀，将产物气体导入检测仪器I(气相色谱-质谱联用仪)中，检测产物气体中NOx，CO和HCx的含量，以确定参比材料和三种待测材料分别对汽车尾气的净化效果。随后，再次切换与多列管反应器后端多个反应列管出口分别连接的三通换向阀，将产物气体导入检测仪器II(氧浓度监测仪)中，检测产物气体中剩余O2浓度比例，用于推算在安装相应的汽车尾气的净化装置后发动机的工作效率等参数。本装置可以长时间连续、间歇或切换运转，从而可以全面评价待测材料/参比材料的净化效率在不同工况下的下降情况及整体寿命。整个装置具有简便、安全、模块化等特点。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的具体实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述具体实施方式的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，该装置由通过气路系统结合的多列管反应器组件、气体压力流量控制组件和补偿温控组件组成，
所述的多列管反应器组件为内藏歧管式多列管结构，反应器组件的入口端与汽车尾气进气管相连，出口端经由各反应列管出口分别与各分路流量调节阀连接。
2.根据权利要求1所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，所述的多列管反应器组件包括：
耐温外壳：采用耐温高强度材料制成的封闭结构，外侧壁敷有绝热层；
进气管：设置于反应器组件的轴心位置，中央位置安装有补偿电加热器件，末端开口敞开于反应器内部上方位置；
反应列管：设有至少四个反应列管，呈环状轴对称排列，管内分别填充有不同的待测试材料或参比材料，入口端敞开于反应器内部下方接近底部的位置，出口端经由气体管路分别与各分路流量调节阀连接。
3.根据权利要求2所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，所述的反应列管中待测试材料或参比材料的填装量(以填装长度L计)根据具体试验要求(反应气流速u、反应列管直径d、催化床层的阻力降ΔPf)进行调整，利用以下方式计算决定：
上式中：ΔPf为催化床层的压力降，ρ为所填充材料的密度，λ为与雷诺数Re有关的经验参数，d为反应列管直径，u为反应气流速。
4.根据权利要求2所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，所述的反应列管的直径小于或等于外壳直径的1/8。
5.根据权利要求2所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，所述的补偿温控组件由热电偶以及设置于进气管的中央位置的补偿电加热器件组成，所述的热电偶的测温端安装在多列管反应器组件内部，通过反馈回路控制补偿电加热器件的电流强度。
6.根据权利要求1所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，所述的气体压力流量控制组件由设置在多列管反应器组件前端的汽车尾气进气管、尾气过滤器、自力式背压稳定阀、排气旁路以及与多列管反应器组件的后端多个反应列管出口分别连接的流量调节阀、流量计、三通换向阀组成。
7.根据权利要求6所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，
所述的汽车尾气进气管的进气端与台架发动机排气管直接相连，
所述的尾气过滤器安装在汽车尾气进气管的进气端与台架发动机排气管的连接处，套接在汽车尾气进气管的最前端，内装有玻璃纤维滤膜，
所述的自力式背压稳定阀安装在尾气过滤器后端引出的排气旁路上，并连有检测系统背压的压力表，通过内置的弹簧储存的弹力实现稳压。
8.根据权利要求6所述的一种多路环列式汽车尾气净化材料性能比较装置，其特征在于，
所述的流量调节阀和流量计的数量与多列管反应器组件的反应列管的数量相同，分别串接在各反应列管出口端，
所述的三通换向阀设置在各反应列管出口引出的气路上，一端接在流量计的后端，一端联通气路联结检测仪器接口，一端接排气管道放空。
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