CN112113805A - 气流采集装置、scr氨气及后处理气流流速均匀性测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气流采集装置、SCR氨气及后处理气流流速均匀性测试方法，通过采集管同时进行气流数据的采集，在进行氨气均匀性测试或气流流速均匀性测试时，只需通过一次检测，即可获得整个横截面各个位置的气流数据，大大降低了整个测试过程的时间。若干取气管通过支撑板支撑在固定的位置，在测试过程中，取气管仅拾取该固定位置的气流数据，不会发生窜动，数据的波动性小，准确性、可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及发动机后处理系统的气流采集及测试技术领域，尤其是一种气流采集装置、SCR氨气均匀性测试方法及后处理气流流速均匀性测试方法。
背景技术
汽车尾气后处理装置属于发动机排气系统，主要作用是将汽车尾气中的氮氧化物（NOX）、碳氢化合物（CH）、一氧化碳（CO）等有害气体转化为对环境无害的氮气（N2）和水（H2O）等。目前，柴油机的后处理装置常采用DOC（氧化性催化剂）+DPF（颗粒过滤器）+SCR (选择性催化还原)技术对尾气排放进行后处理，DOC、DPF、SCR均设置有相应的载体，而气流流速在各载体内的分布均匀性对载体的转化效率、催化剂的老化、使用寿命等有较大影响；在SCR中，氨气的分布均匀性对NOX转化率有较大的影响；因此在后处理装置设计开发阶段，需要对后处理装置各载体的流速均匀性及SCR载体的氨气均匀性进行评估，以此评估后处理装置的结构合理性。现有技术中，通常普遍采用CFD（计算流体动力学）仿真技术通过流体动力学理论计算各载体的流速均匀性及SCR载体的氨气均匀性，但是CFD的分析结果仅是一种仿真的结果，与实际使用后的真实情况还是有差别，不能准确地反映后处理装置的真实情况。
中国发明专利申请“202010024911.3--排气后处理系统的氨气浓度均匀性测试方法”中公开了一种氨气浓度均匀性测试方法，通过采样探头对SCR下游的检测端面的若干检测位置的气体进行采样，并得出检测位置的氨气浓度值；利用公式计算得出氨气浓度均匀性值。这种测试方法存在如下问题：（1）该方法采用单个采样探头在检测端面内移动以获得多个检测位置的浓度值，每个检测位置按先后顺序依次测试，在测试过程中，采样探头需要根据不同的检测位置进行多次移动、进行多次检测，每次移动、检测均需要花费时间，因此整个测试过程花费的时间较长；而且，采样探头是在移动中采集数据的，采集的数据波动性较大，降低了数据的准确性；更进一步的，为保证采样探头可以随意移动，需要设置相应的辅助结构及装置对采用探头进行控制，测试装置整体结构相对比较复杂，所需的成本也会相对较高。（2）该方法的检测端面设置在SCR下游，检索到的氨气仅为在SCR载体进行了还原反应后剩余的氨气浓度，并不是进入SCR载体的全部氨气，不能准确地反映进入SCR载体的氨气均匀性的真实情况，测试的准确性、可靠性相对较低。
发明内容
本申请人针对上述现有氨气均匀性测试方法存在测试时间较长、数据波动性较大、测试结果的准确度、精确度较低等缺点，提供一种结构合理的气流采集装置、SCR氨气均匀性测试方法及后处理气流流速均匀性测试方法，测试时间短，数据波动小，测试的准确性、可靠性高。
本发明所采用的技术方案如下：
一种气流采集装置，包括筒体，筒体内沿轴向设置有若干取气管，若干取气管分布在筒体横截面的不同部位；筒体内设有若干支撑板，若干支撑板相互之间具有间隙，将筒体的截面分成若干个气流区域，每个气流区域内均包含有若干取气管；支撑板的对应端部固定在筒体的内壁面上，取气管固定到对应支撑板的表面上；每根取气管上设有采集管，采集管从筒体穿出、发散分布在筒体的圆周壁面上，采集管的一端部垂直连接到取气管上。
作为上述技术方案的进一步改进：
支撑板为直板式或近似V形板式；直板式支撑板的一端部固定在筒体的内壁面上、另一端部固定连接在中央取气管的外壁面上；V形板式支撑板的两端部分别固定在筒体的内壁面上。
若干采集管分布于筒体上同一圈圆周部位；或若干采集管交错设置于筒体的不同横截面的周向壁面、分布于筒体上不同圈的圆周部位。
本发明的采集装置内各个位置的取气管同时取气，通过采集管同时进行气流数据的采集，在进行氨气均匀性测试或气流流速均匀性测试时，只需通过一次检测，即可获得整个横截面各个位置的气流数据，大大降低了整个测试过程的时间。若干取气管通过支撑板支撑在固定的位置，在测试过程中，取气管仅拾取该固定位置的气流数据，不会发生窜动，数据的波动性小，准确性、可靠性高，另一方面，支撑板还可以起到分流引导的作用，将对应气流区域内的气流引导进入取气管内，更利于气流数据的采集；而且，取气管及采集管的位置均是固定不变的，不需要设置辅助结构及装置进行控制，测试装置整体结构更简单，所需的成本低。
一种SCR氨气均匀性测试方法，氨气均匀性测试台架包括气源、后处理装置、采集装置、氨分析仪，后处理装置一端通过进气管连接至气源上、另一端，采集装置设置在后处理装置上、与氨分析仪连接；
后处理装置包括混合器、SCR白载体部、SCR载体部；
采集装置设置在后处理装置的SCR白载体部下游端、位于SCR白载体部与SCR载体部之间；采集管的内端部伸入取气管内，形成伸入部，伸入部的壁面上开设有若干采集孔；
所述测试方法包括如下步骤：
S1：气源提供尾气，尾气进入后处理装置，在混合器内与喷射的尿素液发生化学反应产生氨气、形成混合气体，该混合气体依次流经SCR白载体部、采集装置、SCR载体部；
S2：采集装置对筒体内各个位置的取气管同时进行气体成分的采集并输入氨分析仪，得到若干个取气管内的氨气浓度值φ n ；将若干个氨气浓度值相加再除以取气管的数量值，得到所有取气管的氨气浓度平均值φ f ；
S3：按照氨气均匀性指数公式得出SCR氨气均匀性值U NH3 ：
式中，n为取气管的数量，φ i 为第i个取气管的氨气浓度值，φ f 为所有取气管的氨气浓度平均值，A i 为第i个取气管横截面积。
作为上述技术方案的进一步改进：
采集管的伸入部正对取气管的中心、沿径向伸入取气管内，其伸入的端部抵靠在取气管的内壁面上。
SCR白载体部与SCR载体部结构相同，SCR白载体部的载体为白载体，SCR载体部的载体具有催化剂。
进行氨气均匀性测试时，本发明的采集装置设置在SCR白载体部下游，从SCR白载体部下游流入采集装置内的是从混合器中产生的全部氨气，采集的数据能更准确、可靠地反映氨气均匀性的真实情况，测试的准确性、可靠性更高。
一种后处理气流流速均匀性测试方法，流速均匀性测试台架包括依次连接的气源、载体、采集装置，采集装置与流速仪连接；
采集装置的采集管的内端部采集管的内端部插到取气管的内表面，导通取气管；
所述测试方法包括如下步骤：
S1：气源提供尾气，尾气进入后处理装置，依次流经载体、采集装置；
S2：采集装置对筒体内各个位置的取气管同时进行气流压力的采集并输入流速仪，得到若干个取气管内的气流流速值v n ；将若干个流速值相加再除以取气管的数量值，得到所有取气管的流速平均值v f ；
S3：按照气流流速均匀性指数公式得出流速均匀性值U flow ：
式中，n为取气管的数量，v i 为第i个取气管的流速值，v f 为所有取气管的流速平均值，A i 为第i个取气管横截面积。
作为上述技术方案的进一步改进：
采集管的内端部正对取气管的中心、沿径向插到取气管的壁面。
后处理装置的DOC部下游、DPF部下游、混合器下游、SCR载体部下游分别单独设置采集装置。
采集装置的下游还连接有空筒。
本发明的有益效果如下：
本发明的采集装置内各个位置的取气管同时取气，通过采集管同时进行气流数据的采集，在进行氨气均匀性测试或气流流速均匀性测试时，只需通过一次检测，即可获得整个横截面各个位置的气流数据，大大降低了整个测试过程的时间。若干取气管通过支撑板支撑在固定的位置，在测试过程中，取气管仅拾取该固定位置的气流数据，不会发生窜动，数据的波动性小，准确性、可靠性高，另一方面，支撑板还可以起到分流引导的作用，将对应气流区域内的气流引导进入取气管内，更利于气流数据的采集；而且，取气管及采集管的位置均是固定不变的，不需要设置辅助结构及装置进行控制，测试装置整体结构更简单，所需的成本低。
进行氨气均匀性测试时，本发明的采集装置设置在SCR白载体部下游，从SCR白载体部下游流入采集装置内的是从混合器中产生的全部氨气，采集的数据能更准确、可靠地反映氨气均匀性的真实情况，测试的准确性、可靠性更高。
本发明的采集管正对取气管的中心、沿径向伸入取气管内，其伸入的端部基本抵靠在取气管的内壁面上，采集孔的采集区域位于取气管横截面长度最大的直径上，采集的范围更大，更利于提高数据采集的精度及准度，进而提高测试结果的精确度及准确度。
本发明的可以选取到筒体内轴向的各个部位的气流情况，更利于提高数据采集的精度及准度，进而提高测试结果的精确度及准确度。
附图说明
图1为本发明的气流采集装置的立体图。
图2为采集装置应用于氨气均匀性测试时的主视图，此时采集装置用于采集气体成分。
图3为氨气均匀性测试台架的结构示意图。
图4为采集装置应用于流速均匀性测试时的主视图，此时采集装置用于采集气压。
图5为流速均匀性测试台架的结构示意图，此时为在一个载体后设置采集装置。
图6同图5，此时为在每个载体后分别设置采集装置。
图中：1、采集装置；11、筒体；12、法兰；13、支撑板；14、取气管；15、采集管；151、伸入部；152、采集孔；
2、后处理装置；21、DOC部；22、DPF部；23、混合器；24、SCR白载体部；25、SCR载体部；
3、气源；4、进气管；5、排气管；6、氨分析仪；
7、载体；8、空筒；9、流速仪；
100、氨气均匀性测试台架；200、流速均匀性测试台架。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明所述的采集装置1的圆筒形筒体11两端部设有法兰12，用于与后处理装置2进行对接固定；筒体11内沿轴向布置有若干取气管14，若干取气管14分布在筒体11横截面的不同部位，每根取气管14的内径相同，保证取气的均匀合理；每根取气管14上设有采集管15，采集管15的一端部垂直连接到取气管14的圆周壁面上，如图2、图4所示，一部分采集管15为直管，其内端部直接垂直连接到取气管14上，另一部分采集管15的内端部弯曲一定角度后形成有弯曲部、弯曲部垂直连接到取气管14的上；采集管15的另一端从筒体11的壁面上穿出，若干采集管15沿径向发散分布在筒体11的圆周壁面上，若干采集管15可以分布于筒体11上同一圈圆周部位，也可以交错设置于筒体11的不同横截面的周向壁面、分布于筒体11上不同圈的圆周部位，这样可以选取到筒体11内轴向的各个部位的气流情况，更利于提高数据采集的精度及准度，进而提高测试结果的精确度及准确度；气流通过时，各个位置的取气管14同时取气，通过采集管15同时进行气流数据的采集，在进行氨气均匀性测试或气流流速均匀性测试时，只需通过一次检测，即可获得整个横截面各个位置的气流数据，大大降低了整个测试过程的时间。如图3、图5、图6所示，采集管15穿出筒体11的端部通过相应的管路连接至氨分析仪6或流速仪9，将采集的气流数据输入氨分析仪6或流速仪9中。筒体11内还设有若干支撑板13，包含有若干直板式及若干近似V形板式的支撑板13，直板式支撑板13的一端部固定在筒体11的内壁面上、另一端部固定连接在中央的取气管14的外壁面上，V形板式支撑板13的两端部分别固定在筒体11的内壁面上；若干支撑板13相互之间具有间隙，将筒体11的截面分成若干个气流区域，每个气流区域内均包含有若干取气管14，每个气流区域内的取气管14的外壁面固定到相应的支撑板13的表面上，一方面，取气管14通过支撑板13支撑在筒体11内的固定位置，在测试过程中，取气管14仅拾取该固定位置的气流数据，不会发生窜动，数据的波动性小，准确性、可靠性高，另一方面，支撑板13还可以起到分流引导的作用，将对应气流区域内的气流引导进入取气管14内，更利于气流数据的采集；而且，取气管14及采集管15的位置均是固定不变的，不需要设置辅助结构及装置进行控制，测试装置整体结构更简单，所需的成本低。
I、如图2、图3所示，采集装置1可以应用于氨气均匀性测试台架100，用于采集氨气浓度数据。
如图2所示，此时，采集管15的内端部伸入取气管14内，形成伸入部151，伸入部151朝向进气一侧的壁面上开设有若干贯通的采集孔152，用于采集流过取气管14的气体成分；伸入部151正对取气管14的中心、沿径向伸入取气管14内，其伸入的端部基本抵靠在取气管14的内壁面上，采集孔152的采集区域位于取气管14横截面长度最大的直径上，采集的范围更大，更利于提高数据采集的精度及准度，进而提高测试结果的精确度及准确度。
如图3所示，氨气均匀性测试台架100包括气源3、后处理装置2、采集装置1及氨分析仪6，后处理装置2的进气端通过进气管4连接至气源3上、出气端连接有排气管5，采集装置1设置在后处理装置2上、通过管路连接到氨分析仪6上；气源3可以为发动机台架，用以模拟发动机工况，提供发动机尾气；氨分析仪6用于收集采集装置1各采集管15的气体成分数据，获得各取气管14的氨气浓度值。后处理装置2包括有DOC部21、DPF部22、混合器23、SCR白载体部24（白载体是指载体上不含有催化剂，气体通过白载体时，不发生还原反应）及SCR载体部25，DOC部21、DPF部22、混合器23、SCR白载体部24依次连接，采集装置1设置在SCR白载体部24与SCR载体部25之间；SCR白载体部24与SCR载体部25结构相同，二者不同之处仅为SCR白载体部24的载体上无催化剂、而SCR载体部25的载体上具有催化剂，因此混合器23中产生的氨气直接流入SCR白载体部24内的分布情况与直接流入SCR载体部25的分布情况相同，采集装置1在SCR白载体部24下游端采集的氨气分布情况可以准确反映氨气进入SCR载体部25后的分布情况；由于氨气流经SCR白载体部24时，不会发生还原反应，因此从SCR白载体部24下游流入采集装置1内的是从混合器23中产生的全部氨气，采集的数据能更准确、可靠地反映氨气均匀性的真实情况，测试的准确性、可靠性更高。
采用氨气均匀性测试台架100进行SCR氨气均匀性测试的具体步骤如下：
S1：气源3模拟发动机工况，提供尾气；尾气从进气管4进入后处理装置2中，依次流经DOC部21、DPF部22、混合器23，在混合器23内与喷射的尿素液发生化学反应产生氨气、形成混合气体，包含氨气的混合气体依次流经SCR白载体部24、采集装置1，最后流入SCR载体部25进行还原反应后，从排气管5排出；
S2：采集装置1通过采集管15对筒体11横截面各个位置的取气管14同时进行气体成分的采集，并将气体成分数据输入氨分析仪6，得到每个取气管14内的氨气浓度值φ，对应采集装置1内若干个取气管14、得到若干个氨气浓度值：φ 1 、φ 2 、……φ i 、……φ n ；将若干（n）个氨气浓度值相加后、再除以取气管14的数量值，得到所有取气管14的氨气浓度平均值φ f ；
S3：按照如下氨气均匀性指数公式得出SCR氨气均匀性值U NH3 ：
式中，n为取气管14的数量，φ i 为第i个取气管14的氨气浓度值，φ f 为所有取气管14的氨气浓度平均值，A i 为第i个取气管14横截面积。
S4：根据氨气均匀性值U NH3 判断SCR载体内的氨气分布均匀性。
II、如图4、图5、图6所示，采集装置1可以应用于流速均匀性测试台架200，用于采集气流压力数据。
如图4所示，此时，采集管15的内端部插到取气管14的内表面、不伸入取气管14内部，与取气管14导通，采集流过取气管14的气流压力数据；采集管15的内端部正对取气管14的中心、沿径向插到取气管14的壁面，便于制造。
如图5所示，流速均匀性测试台架200包括依次连接的气源3、载体7、采集装置1、空筒8及流速仪9，载体7的进气端通过进气管4连接至气源3上，空筒8用于提供支撑作用、连接有排气管5；气源3可以为发动机台架或者燃烧器，用以提供气流；流速仪9用于收集采集装置1各采集管15的气流压力数据，获得各取气管14的流速值。如图6所示，在后处理装置2的DOC部21下游、DPF部22下游、混合器23下游、SCR载体部25下游分别单独设置采集装置1，可以采集气流流过各部位的气压值，得出各部位的流速值，可以更全面评估后处理装置2内气流流经各载体的流速均匀性。
采用流速均匀性测试台架200进行后处理气流流速均匀性测试的具体步骤如下：
S1：气源3提供尾气；尾气从进气管4进入后处理装置2中，依次流经载体7、采集装置1，空筒8后，从排气管5排出；
S2：采集装置1通过采集管15对筒体11横截面各个位置的取气管14同时进行气流压力的采集，并将气流压力数据输入流速仪9，得到每个取气管14内的气流流速值v，对应采集装置1内若干个取气管14、得到若干个流速值：v 1 、v 2 、……v i 、……v n ；将若干（n）个流速值相加后、再除以取气管14的数量值，得到所有取气管14的流速平均值v f ；
S3：按照如下气流流速均匀性指数公式得出流速均匀性值U flow ：
式中，n为取气管14的数量，v i 为第i个取气管14的流速值，v f 为所有取气管14的流速平均值，A i 为第i个取气管14横截面积。
S4：根据流速均匀性值U flow 判断后处理装置2内的气流流速分布均匀性。
以上描述是对本发明的解释，不是对本发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种气流采集装置，包括筒体（11），其特征在于：筒体（11）内沿轴向设置有若干取气管（14），若干取气管（14）分布在筒体（11）横截面的不同部位；
筒体（11）内设有若干支撑板（13），若干支撑板（13）相互之间具有间隙，将筒体（11）的截面分成若干个气流区域，每个气流区域内均包含有若干取气管（14）；支撑板（13）的对应端部固定在筒体（11）的内壁面上，取气管（14）固定到对应支撑板（13）的表面上；
每根取气管（14）上设有采集管（15），采集管（15）从筒体（11）穿出、发散分布在筒体（11）的圆周壁面上，采集管（15）的一端部垂直连接到取气管（14）上。
2.按照权利要求1所述的气流采集装置，其特征在于：支撑板（13）为直板式或近似V形板式；直板式支撑板（13）的一端部固定在筒体（11）的内壁面上、另一端部固定连接在中央取气管（14）的外壁面上；V形板式支撑板（13）的两端部分别固定在筒体（11）的内壁面上。
3.按照权利要求1所述的气流采集装置，其特征在于：若干采集管（15）分布于筒体（11）上同一圈圆周部位；或若干采集管（15）交错设置于筒体（11）的不同横截面的周向壁面、分布于筒体（11）上不同圈的圆周部位。
4.一种SCR氨气均匀性测试方法，氨气均匀性测试台架（100）包括气源（3）、后处理装置（2）、采集装置（1）、氨分析仪（6），后处理装置（2）一端通过进气管（4）连接至气源（3）上、另一端，采集装置（1）设置在后处理装置（2）上、与氨分析仪（6）连接，其特征在于：所述采集装置1为权利要求1所述的气流采集装置，用于采集气体成分数据；
后处理装置（2）包括混合器（23）、SCR白载体部（24）、SCR载体部（25）；
采集装置（1）设置在后处理装置（2）的SCR白载体部（24）下游端、位于SCR白载体部（24）与SCR载体部（25）之间；采集管（15）的内端部伸入取气管（14）内，形成伸入部（151），伸入部（151）的壁面上开设有若干采集孔（152）；
所述测试方法包括如下步骤：
S1：气源（3）提供尾气，尾气进入后处理装置（2），在混合器（23）内与喷射的尿素液发生化学反应产生氨气、形成混合气体，该混合气体依次流经SCR白载体部（24）、采集装置（1）、SCR载体部（25）；
S2：采集装置（1）对筒体（11）内各个位置的取气管（14）同时进行气体成分的采集并输入氨分析仪（6），得到若干个取气管（14）内的氨气浓度值φ n ；将若干个氨气浓度值相加再除以取气管（14）的数量值，得到所有取气管（14）的氨气浓度平均值φ f ；
S3：按照氨气均匀性指数公式得出SCR氨气均匀性值U NH3 ：
式中，n为取气管（14）的数量，φ i 为第i个取气管（14）的氨气浓度值，φ f 为所有取气管（14）的氨气浓度平均值，A i 为第i个取气管（14）横截面积。
5.按照权利要求4所述的SCR氨气均匀性测试方法，其特征在于：采集管（15）的伸入部（151）正对取气管（14）的中心、沿径向伸入取气管（14）内，其伸入的端部抵靠在取气管（14）的内壁面上。
6.按照权利要求4所述的SCR氨气均匀性测试方法，其特征在于：SCR白载体部（24）与SCR载体部（25）结构相同，SCR白载体部（24）的载体为白载体，SCR载体部（25）的载体具有催化剂。
7.一种后处理气流流速均匀性测试方法，流速均匀性测试台架（200）包括依次连接的气源（3）、载体（7）、采集装置（1），采集装置（1）与流速仪（9）连接，其特征在于：所述采集装置1为权利要求1所述的气流采集装置，用于采集气流压力数据；
采集装置（1）的采集管（15）的内端部采集管（15）的内端部插到取气管（14）的内表面，导通取气管（14）；
所述测试方法包括如下步骤：
S1：气源（3）提供尾气，尾气进入后处理装置（2），依次流经载体（7）、采集装置（1）；
S2：采集装置（1）对筒体（11）内各个位置的取气管（14）同时进行气流压力的采集并输入流速仪（9），得到若干个取气管（14）内的气流流速值v n ；将若干个流速值相加再除以取气管（14）的数量值，得到所有取气管（14）的流速平均值v f ；
S3：按照气流流速均匀性指数公式得出流速均匀性值U flow ：
式中，n为取气管（14）的数量，v i 为第i个取气管（14）的流速值，v f 为所有取气管（14）的流速平均值，A i 为第i个取气管（14）横截面积。
8.按照权利要求7所述的后处理气流流速均匀性测试方法，其特征在于：采集管（15）的内端部正对取气管（14）的中心、沿径向插到取气管（14）的壁面。
9.按照权利要求7所述的后处理气流流速均匀性测试方法，其特征在于：后处理装置（2）的DOC部（21）下游、DPF部（22）下游、混合器（23）下游、SCR载体部（25）下游分别单独设置采集装置（1）。
10.按照权利要求7所述的后处理气流流速均匀性测试方法，其特征在于：采集装置（1）的下游还连接有空筒（8）。
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| CN202011101764.1A CN112113805A (zh) | 2020-10-15 | 2020-10-15 | 气流采集装置、scr氨气及后处理气流流速均匀性测试方法 |
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| CN202011101764.1A Pending CN112113805A (zh) | 2020-10-15 | 2020-10-15 | 气流采集装置、scr氨气及后处理气流流速均匀性测试方法 |
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| CN (1) | CN112113805A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034823A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-02-11 | 清华大学苏州汽车研究院（吴江） | 一种氨气浓度均匀性及气流均匀性检测装置 |
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2020
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