CN110131016A - 一种dpf碳烟稳态快速加载装置及加载方法 - Google Patents
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Abstract
一种DPF碳烟稳态快速加载装置及加载方法，包括：台架测控系统、测功机及台架系统、碳烟处理系统和台架气体评价系统；台架测控系统通过发动机测控系统线束、测功机及台架系统回水管、测功机及台架系统取水管与测功机及台架系统相连接；台架测控系统通过发动机测控系统线束、废气冷却器进水管、废气冷却器回水管与碳烟处理系统相连接；测功机及台架系统通过排气连接管与碳烟处理系统相连接；碳烟处理系统通过废气冷却器与台架气体评价系统相连接。该装置能够同时满足对共轨发动机进气系统、排气系统、燃油系统的优化调节，优化共轨发动机机内燃烧过程，增大共轨发动机废气中碳烟浓度，降低废气中未燃HC的浓度。加载方法简单，易于操作。
Description
技术领域：
本发明属于内燃机尾气排放后处理技术领域，涉及一种DPF碳烟稳态加载装置，尤其涉及一种DPF碳烟稳态快速加载装置及加载方法。
背景技术：
众所周知，柴油机因具有较高的热效率、良好可靠性和耐久性而越来越受到大众的青睐。然而，柴油机的氮氧化合物和颗粒物排放较高，其中颗粒物排放对人类健康产生巨大威胁，尤其在优化缸内燃烧技术出现以后，燃烧过程产生的颗粒物粒径越来越小，虽然颗粒物质量排放大幅降低，但是颗粒物的数量排放反而增多，对人类的危害更大。目前，我国的道路国六、非道路国四排放法规对颗粒物质量排放、颗粒物数量排放均加以严格限制，越来越严格的排放法规，迫使柴油机生产厂商安装颗粒捕集器来降低颗粒物质量排放、颗粒物数量量排放。
颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter, 简称：DPF），是通过过滤体材料将发动机排气中的微粒捕集在过滤体结构中，是目前公认的解决柴油机微粒排放问题最有效的手段之一。
但是，在后处理DPF控制系统的开发过程中，存在着开发周期长，开发成本高，标定过程比较繁琐等缺点，尤其是DPF载体碳烟加载过程十分缓慢，严重影响着后处理DPF控制系统的开发周期。若单纯依靠恶化发动机缸内燃烧过程来增加排气中碳烟浓度，虽然也能够缩短碳烟加载周期，但是捕集到的碳烟颗粒平均粒径较大，碳烟颗粒表面吸附有较多的未燃碳氢化合物（Hydrocarbon, 简称：HC）,与真实碳烟加载过程区别较大，难以真实的反映出不同碳载量下DPF载体的各项性能参数，不利于DPF控制系统的开发。因此，如何缩短碳烟加载过程，提高碳烟加载过程中碳烟品质对于后处理DPF控制系统的开发与研究至关重要。
发明内容：
本发明的目的是提供一种能够缩短碳烟加载过程，提高碳烟加载过程中碳烟品质的DPF碳烟稳态快速加载装置及加载方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种DPF碳烟稳态快速加载装置，包括：台架测控系统、测功机及台架系统、碳烟处理系统和台架气体评价系统；台架测控系统通过发动机测控系统线束、测功机及台架系统回水管、测功机及台架系统取水管与测功机及台架系统相连接；台架测控系统通过发动机测控系统线束、废气冷却器进水管、废气冷却器回水管与碳烟处理系统相连接；测功机及台架系统通过排气连接管与碳烟处理系统相连接；碳烟处理系统通过废气冷却器与台架气体评价系统相连接。
台架测控系统包括：发动机测控系统、发动机测控系统线束、测功机及台架系统回水管、测功机及台架系统取水管、废气冷却器进水管、冷却水控制系统、废气冷却器回水管；台架测控系统中的发动机测控系统通过发动机测控系统线束与冷却水控制系统相连接；冷却水控制系统上连接有测功机及台架系统回水管、测功机及台架系统取水管、废气冷却器进水管、废气冷却器回水管。冷却水控制系统通过测功机及台架系统取水管、测功机及台架系统回水管与中冷器、测功机和共轨发动机相连接，冷却水控制系统通过废气冷却器进水管、废气冷却器出水管与废气冷却器相连接。
测功机及台架系统包括：空气滤清器、进气节气门、涡轮增压器、排气温度传感器、排气连接管、排气节气门、中冷器、中冷器出气口温度传感器、测功机温度传感器、测功机、EGR阀、共轨发动机出水口温度传感器、共轨发动机；涡轮增压器由压气机和涡轮机组成，压气机的进气管上依次连接着空气滤清器和进气节气门，压气机的出气管到发动机进气岐管之间安装有中冷器；共轨发动机的排气歧管与中冷器之后的进气管之间安装有EGR阀；涡轮机出气口后面安装有排气温度传感器、排气连接管、废气冷却器、DPF入口温度传感器和排气节气门；测功机通过连接轴与共轨发动机相连接。
碳烟处理系统包括：废气冷却器、待加载DPF、DPF入口温度传感器；待加载DPF与废气冷却器通过卡箍进行连接，DPF入口温度传感器安装在废气冷却器上。
台架气体评价系统包括：气体采样管、碳烟采样管、碳烟分析仪、气体分析仪；气体采样管与气体分析仪相连接，碳烟采样管与碳烟分析仪相连接。
本发明提供了一种DPF碳烟稳态快速加载方法，具体步骤如下：
第一步：在涡轮增压器高效工作的转速区间1800rpm~2200rpm选取某一固定转速作为DPF碳烟稳态快速加载过程中发动机的转速；
第二步：将共轨发动机喷油器喷油压力设定在150MPa~180MPa之间的某一固定值；
第三步：调整进气节气门、排气节气门和EGR阀，使EGR率维持在10%~20%之间，排气温度在400℃~450℃之间；
第四步：通过冷却水控制系统调节废气冷却器中循环水流量，将经过废气冷却器冷却后发动机废气的排气温度降低到290℃~330℃之间；
第五步：利用气体分析仪和微碳烟分析仪，测试经过废气冷却器冷却的废气中HC含量是否在50~150ppm之间，同时碳烟浓度是否在100~150mg/m3之间。若满足，则按该工况进行DPF碳烟稳态快速加载；若不满足，则重复第三步、第四步的调整过程直到废气中的HC含量在50~150ppm之间，同时碳烟浓度在100~150mg/m3之间，然后按照调整后的工况进行DPF碳烟稳态快速加载。
本发明采用以上技术方案后可达到如下有益效果：DPF碳烟加载装置设计合理，结构紧凑，拆装方便。该装置能够同时满足对共轨发动机进气系统、排气系统、燃油系统的优化调节，优化共轨发动机机内燃烧过程，既增大共轨发动机废气中碳烟浓度，同时又能够降低废气中未燃HC的浓度。通过设计与氧化型催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst，简称：DOC）封装及接口尺寸一样的废气冷却器，一方面能够满足开发标定过程中快速替换DOC的过程，节省时间成本及开发成本。另一方面，由于有废气冷却器对废气的冷却作用，可以设计合理的碳烟加载方案，产生与发动机实际运行过程中十分接近的碳烟（高品质碳烟），既有利于后处理DPF控制系统开发，又能够缩短开发周期、降低开发成本。
附图说明：
图1为本发明一种DPF碳烟稳态快速加载装置的主要系统结构示意图；
图2为本发明一种DPF碳烟稳态快速加载装置的具体系统结构示意图；
图3为本发明一种DPF碳烟稳态快速加载装置的废气冷却器结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。如图1-3所示，本发明的目的是提供一种DPF碳烟稳态快速加载装置及加载方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种DPF碳烟稳态快速加载装置，包括：台架测控系统S10、测功机及台架系统S20、碳烟处理系统S30和台架气体评价系统S40。
台架测控系统S10通过发动机测控系统线束2、测功机及台架系统回水管3、测功机及台架系统取水管4与测功机及台架系统S20相连接；台架测控系统S10通过发动机测控系统线束2、废气冷却器进水管5、废气冷却器回水管7与碳烟处理系统S30相连接；测功机及台架系统S20通过排气连接管12与碳烟处理系统S30相连接；碳烟处理系统S30通过废气冷却器与台架气体评价系统S40相连接。
台架测控系统S10包括：发动机测控系统1、发动机测控系统线束2、测功机及台架系统回水管3、测功机及台架系统取水管4、废气冷却器进水管5、冷却水控制系统6、废气冷却器回水管7。
台架测控系统S10中的发动机测控系统1通过发动机测控系统线束2与冷却水控制系统6相连接；冷却水控制系统6上连接有测功机及台架系统回水管3、测功机及台架系统取水管4、废气冷却器进水管5、废气冷却器回水管7。
台架测控系统S10中的发动机测控系统1通过发动机测控系统线束2与冷却水控制系统6、测功机温度传感器18、测功机19、中冷器20、中冷器出气口温度传感器21、共轨发动机出水口温度传感器23、共轨发动机24、排气温度传感器11、DPF入口温度传感器15相连接。冷却水控制系统6通过测功机及台架系统取水管4、测功机及台架系统回水管3与中冷器20、测功机19和共轨发动机24相连接，冷却水控制系统6通过废气冷却器进水管5、废气冷却器出水管7与废气冷却器16相连接。
发动机测控系统1根据目标需求通过发动机测控系统线束2控制测功机19的工作过程，而测功机19用于测量及平衡共轨发动机24工作过程中的产生的扭矩。
排气温度传感器11用于测量共轨发动机24涡后温度，DPF入口温度传感器15用于测量经过废气冷却器16冷却后的废气温度，发动机测控系统1通过发动机测控系统线束2将采集到的排气温度传感器11、DPF入口温度传感器15的数值用于碳烟加载过程中加载方法调整的边界值。
冷却水控制系统6通过测功机及台架系统取水管4、测功机及台架系统回水管3与中冷器20、测功机19和共轨发动机24相连接，通过控制循环水流量实现对控制对象冷却的目的。冷却水控制系统6通过废气冷却器进水管5、废气冷却器出水管7与废气冷却器16相连接，通过控制循环水流量来控制废气冷却器16出口的废气温度。
测功机及台架系统S20包括：空气滤清器17、进气节气门8、涡轮增压器9、排气温度传感器11、排气连接管12、排气节气门13、中冷器20、中冷器出气口温度传感器21、测功机温度传感器18、测功机19、EGR阀22、共轨发动机出水口温度传感器23、共轨发动机24。涡轮增压器9由压气机9a和涡轮机9b组成，压气机6a的进气管上依次连接着空气滤清器17和进气节气门8，压气机6a的出气管到发动机进气岐管之间安装有中冷器20。共轨发动机24的排气歧管与中冷器20之后的进气管之间安装有EGR阀22。涡轮机9b出气口后面安装有排气温度传感器11、排气连接管12、废气冷却器16、DPF入口温度传感器15和排气节气门13。测功机19通过连接轴与共轨发动机24相连接。
测功机19用于测量及平衡共轨发动机24工作过程中的产生的扭矩，进气节气门8、排气节气门13、EGR阀22用来调整共轨发动机24的燃烧过程。
碳烟处理系统S30包括：废气冷却器16、待加载DPF14、DPF入口温度传感器15。待加载DPF14与废气冷却器16通过卡箍进行连接，DPF入口温度传感器15安装在废气冷却器16上。
共轨发动机24正常工作过程中，待加载DPF14的前端安装有DOC，既可用来氧化废气中还原性气体,又可用来提升再生过程中待加载DPF14的入口温度。为了实现试验过程中快速拆装，废气冷却器16外形及连接尺寸设计完全按照DOC的外形及连接尺寸进行设计。
废气冷却器进水管5与废气冷却器16上的Lin接口相连接，废气冷却器回水管5与废气冷却器16上的Lout接口相连接,冷却水由Lin接口进Lout接口出；共轨发动机24的废气通过排气连接管12与废气冷却器16的Gin接口相连接，废气冷却器16的Gout接口与待加载DPF14入口相连接；废气冷却器16的冷却水流动方向与共轨发动机24的废气流动方向相反。在废气冷却器16的Gout附近焊接有气体采样座Sam1和颗粒采样座Sam2。
台架气体评价系统S40包括：气体采样管25、碳烟采样管26、碳烟分析仪27、气体分析仪28。气体采样管25与气体分析仪28相连接，碳烟采样管26与碳烟分析仪27相连接。
气体分析仪28的气体采样管25安装在废气冷却器16上的气体采样座Sam1上。微碳烟分析仪24的碳烟采样管26安装在废气冷却器16上的颗粒采样座Sam2上。
碳烟分析仪27用于对发动机废气中碳烟浓度进行测量，气体分析仪28用于对发动机废气中气体成分及浓度进行测量。
本发明提供了一种DPF碳烟稳态快速加载方法，具体步骤如下：
第一步：在涡轮增压器高效工作的转速区间1800rpm~2200rpm选取某一固定转速作为DPF碳烟稳态快速加载过程中发动机的转速；
第二步：将共轨发动机喷油器喷油压力设定在150MPa~180MPa之间的某一固定值；
第三步：调整进气节气门、排气节气门和EGR阀，使EGR率维持在10%~20%之间，排气温度在400℃~450℃之间；
第四步：通过冷却水控制系统调节废气冷却器中循环水流量，将经过废气冷却器冷却后发动机废气的排气温度降低到290℃~330℃之间；
第五步：利用气体分析仪和微碳烟分析仪，测试经过废气冷却器冷却的废气中HC含量是否在50~150ppm之间，同时碳烟浓度是否在100~150mg/m3之间。若满足，则按该工况进行DPF碳烟稳态快速加载；若不满足，则重复第三步、第四步的调整过程直到废气中的HC含量在50~150ppm之间，同时碳烟浓度在100~150mg/m3之间，然后按照调整后的工况进行DPF碳烟稳态快速加载。
DPF碳烟加载装置设计合理，结构紧凑，拆装方便。该装置能够同时满足对共轨发动机进气系统、排气系统、燃油系统的优化调节，优化共轨发动机机内燃烧过程，既增大共轨发动机废气中碳烟浓度，同时又能够降低废气中未燃HC的浓度。通过设计与DOC封装及接口尺寸一样的废气冷却器，一方面能够满足开发标定过程中快速替换DOC的过程，节省时间成本及开发成本。另一方面，由于有废气冷却器对废气的冷却作用，可以设计合理的碳烟加载方案，产生与发动机实际运行过程中十分接近的碳烟（高品质碳烟），既有利于后处理DPF控制系统开发，又能够缩短开发周期、降低开发成本。
最后应该说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明全部内容，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行形式上的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示之内所作出的形式修改、等同替换等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种DPF碳烟稳态快速加载装置，包括：台架测控系统（S10）、测功机及台架系统（S20）、碳烟处理系统（S30）和台架气体评价系统（S40）；其特征在于：台架测控系统（S10）通过发动机测控系统线束（2）、测功机及台架系统回水管（3）、测功机及台架系统取水管（4）与测功机及台架系统（S20）相连接；台架测控系统（S10）通过发动机测控系统线束（2）、废气冷却器进水管（5）、废气冷却器回水管（7）与碳烟处理系统（S30）相连接；测功机及台架系统（S20）通过排气连接管（12）与碳烟处理系统（S30）相连接；碳烟处理系统（S30）通过废气冷却器与台架气体评价系统（S40）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种DPF碳烟稳态快速加载装置，其特征在于：台架测控系统（S10）包括：发动机测控系统（1）、发动机测控系统线束（2）、测功机及台架系统回水管（3）、测功机及台架系统取水管（4）、废气冷却器进水管（5）、冷却水控制系统（6）、废气冷却器回水管（7）；台架测控系统（S10）中的发动机测控系统（1）通过发动机测控系统线束（2）与冷却水控制系统（6）相连接；冷却水控制系统（6）上连接有测功机及台架系统回水管（3）、测功机及台架系统取水管（4）、废气冷却器进水管（5）、废气冷却器回水管（7）；冷却水控制系统（6）通过测功机及台架系统取水管（4）、测功机及台架系统回水管（3）与中冷器（20）、测功机（19）和共轨发动机（24）相连接，冷却水控制系统（6）通过废气冷却器进水管（5）、废气冷却器出水管（7）与废气冷却器（16）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种DPF碳烟稳态快速加载装置，其特征在于：测功机及台架系统（S20）包括：空气滤清器（17）、进气节气门（8）、涡轮增压器（9）、排气温度传感器（11）、排气连接管（12）、排气节气门（13）、中冷器（20）、中冷器出气口温度传感器（21）、测功机温度传感器（18）、测功机（19）、EGR阀（22）、共轨发动机出水口温度传感器（23）、共轨发动机（24）；涡轮增压器（9）由压气机（9a）和涡轮机（9b）组成，压气机（6a）的进气管上依次连接着空气滤清器（17）和进气节气门（8），压气机（6a）的出气管到发动机进气岐管之间安装有中冷器（20）；共轨发动机（24）的排气歧管与中冷器（20）之后的进气管之间安装有EGR阀（22）；涡轮机（9b）出气口后面安装有排气温度传感器（11）、排气连接管（12）、废气冷却器（16）、DPF入口温度传感器（15）和排气节气门（13）；测功机（19）通过连接轴与共轨发动机（24）相连接。
4.根据权利要求1所述的一种DPF碳烟稳态快速加载装置，其特征在于：碳烟处理系统（S30）包括：废气冷却器（16）、待加载DPF（14）、DPF入口温度传感器（15）；待加载DPF（14）与废气冷却器（16）通过卡箍进行连接，DPF入口温度传感器（15）安装在废气冷却器（16）上。
5.根据权利要求1所述的一种DPF碳烟稳态快速加载装置，其特征在于：台架气体评价系统（S40）包括：气体采样管（25）、碳烟采样管（26）、碳烟分析仪（27）、气体分析仪（28）；气体采样管（25）与气体分析仪（28）相连接，碳烟采样管（26）与碳烟分析仪（27）相连接。
6.根据权利要求1所述的一种DPF碳烟稳态快速加载装置，其特征在于：具体加载步骤如下：
第一步：在涡轮增压器高效工作的转速区间1800rpm~2200rpm选取某一固定转速作为DPF碳烟稳态快速加载过程中发动机的转速；
第二步：将共轨发动机喷油器喷油压力设定在150MPa~180MPa之间的某一固定值；
第三步：调整进气节气门、排气节气门和EGR阀，使EGR率维持在10%~20%之间，排气温度在400℃~450℃之间；
第四步：通过冷却水控制系统调节废气冷却器中循环水流量，将经过废气冷却器冷却后发动机废气的排气温度降低到290℃~330℃之间；
第五步：利用气体分析仪和微碳烟分析仪，测试经过废气冷却器冷却的废气中HC含量是否在50~150ppm之间，同时碳烟浓度是否在100~150mg/m3之间；若满足，则按该工况进行DPF碳烟稳态快速加载；若不满足，则重复第三步、第四步的调整过程直到废气中的HC含量在50~150ppm之间，同时碳烟浓度在100~150mg/m3之间，然后按照调整后的工况进行DPF碳烟稳态快速加载。
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