CN113432830B - 一种柴油机dpf碳烟捕集均匀度的模拟测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置及方法。本发明的模拟测试装置，包括气流引射系统，所述气流引射系统包括用于提供气流和温度的燃烧器，所述燃烧器通过连接管与锥形扩张管连接，所述锥形扩张管的出气端连接有整流管，所述整流管的出气端连接有国六后处理器或SDPF后处理器，所述锥形扩张管的扩张口处设置有引射管，所述引射管用于将储放在容器内的氧化铝颗粒物吸入锥形扩张管中。本发明采用氧化铝粉末颗粒物替代碳烟颗粒物，并采用CT扫描DPF单元或SDPF单元的多个横截面，在扫描的横截面上选取若干个积碳孔道，并测量这些孔道中碳烟的高度，通过积碳高度换算出该孔道中的积碳质量，操作简单方便，测试速度快，成本低。

Description

一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置及方法
技术领域
本发明属于柴油机尾气后处理技术领域，具体涉及一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置及方法。
背景技术
目前，柴油机尾气后处理系统中，DPF主要用于捕集碳烟颗粒，其捕集效率甚至可以达到95％以上。但是，多数DPF系统中，均需要主动再生过程来消除DPF捕集的碳烟颗粒。主动再生要求DPF中的碳烟颗粒尽量均匀分布，否则容易造成较高的温度梯度而导致DPF碎裂。目前行业内采用碳烟质量均匀性系数PM_UI来评价碳烟颗粒捕集器DPF和SDPF中碳烟捕集分布均匀程度。如把DPF和SDPF的入口横截面分成若干个面单元，则PM_UI的计算公式如下：
Figure BDA0003168625980000011
式中：
PM_UI——碳烟捕集均匀性系数；
A——DPF或SDPF横截面面积；
Ai——单元孔道i面积；
mi——单元孔道i碳烟颗粒质量；
Figure BDA0003168625980000012
——所有选取孔道中捕集的碳烟平均质量。
根据上述计算公式，只需要测得横截面上若干个通道中捕集到的碳烟颗粒质量，即可计算出碳烟捕集均匀性系数。但是，由于DPF孔道中捕集的碳烟难以直观的观察到，通常只能通过多次切割DPF进行观察和测量。但是DPF切割属于破坏性试验，且切割过程中容易导致碳烟的损失而造成较大的测试误差。因此，需要找到一种既能够快速观察和计算DPF碳烟孔道中碳烟质量又不破坏DPF及损失碳烟质量的方法。
目前主要以仿真分析手段评价碳烟分布均匀性，尚无直接测试DPF碳烟捕集均匀性的测试方法。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种DPF碳烟捕集均匀度的直接测试方法及装置，用于评价碳烟在DPF内部的分布均匀度。本发明采用性质稳定的氧化铝粉末颗粒物替代碳烟颗粒物，并采用CT扫描DPF单元或SDPF单元的多个横截面进行观察和测量，在扫描的横截面上选取若干个积碳孔道，并测量这些孔道中碳烟的高度，通过积碳高度换算出该孔道中的积碳质量(忽略了各个孔道中积碳紧实度的差异)，既可以方便的测试颗粒物分布均匀度，在精度要求不高时，也能够近似模拟气流的流速分布均匀度，操作简单方便，并且碳烟均匀性测试不受限于发动机台架，测试速度快，成本低。
为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置，包括气流引射系统，所述气流引射系统包括用于提供气流和温度的燃烧器，所述燃烧器通过连接管与锥形扩张管连接，所述锥形扩张管的出气端连接有整流管，所述整流管的出气端连接有国六后处理器或SDPF后处理器，所述锥形扩张管的扩张口处设置有引射管，所述引射管用于将储放在容器内的氧化铝颗粒物吸入锥形扩张管中。
进一步地，所述整流管的长度为1.0～2.5m，所述氧化铝颗粒物的平均粒径为5～10nm。
进一步地，所述国六后处理器包括依次设置的第一混合装置、DOC单元、DPF单元、第二混合装置及SCR单元，所述第一混合装置与所述整流管的出气端连接，充分混合均匀的氧化铝颗粒物和废气经所述第一混合装置先后进入所述DOC单元和DPF单元，并最终被捕集在DPF单元的孔道中。
进一步地，所述SDPF后处理器包括依次设置的第一混合装置、DOC单元、SDPF单元、第二混合装置及SCR单元，所述第一混合装置与所述整流管的出气端连接，混合均匀的氧化铝颗粒物和废气先后经过所述第一混合装置及DOC单元，并最终被捕集在所述SDPF单元的孔道中。
进一步地，所述DPF单元可拆卸地连接在所述DOC单元与第二混合装置之间。
进一步地，所述SDPF单元可拆卸地连接在所述DOC单元与第二混合装置之间。
进一步地，所述燃烧器排出的高温气流的温度为600-650℃。
另一方面，本发明实施例提供一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，在上述模拟测试装置上进行测试，包括以下步骤：
步骤S1：如图所示，将所述国六后处理器或SDPF后处理器通过法兰连接安装在测试装置中，堵塞所述引射管的下端入口；
步骤S2：去除所述DOC单元前端的第一混合装置，通过所述燃烧器提供高温气流，达到预设的流量及温度值并保持稳定状态5-15min；
步骤S3：开启所述引射管的下端入口，利用所述锥形扩张管在引射管的上端出口位置产生的负压吸入容器中的氧化铝粉末，并在整流管内实现氧化铝粉末的均匀混合，混合均匀的氧化铝粉末将最终在DPF单元或SDPF单元中捕集下来；
步骤S4：捕集至一定量后，将所述DPF单元或SDPF单元拆卸下来，对其截面进行CT扫描，扫描若干个横向切面和纵向切面，在获得的CT扫描截面图上确定每个碳烟孔道中捕集到的氧化铝颗粒的高度h(h1、h2、h3……,hi)，并根据氧化铝颗粒积累的高度h(h1、h2、h3……,hi)计算单元孔道内的氧化铝粉末累积质量m(m1、m2、m3……,mi)，氧化铝粉末累积质量m等效视为碳烟颗粒质量累积质量，并根据PM_UI公式计算碳烟捕集均匀度：
mi＝ρAihi
式中：
ρ-氧化铝的密度；
Ai—单元孔道i面积；
hi—单元孔道i氧化铝粉末累积高度；
mi—单元孔道i氧化铝粉末累积质量，等效为碳烟累积质量。
进一步地，所述PM_UI公式如下：
Figure BDA0003168625980000031
式中：
PM_UI—氧化铝粉末等效为碳烟的捕集均匀性系数；
A—DPF单元或SDPF单元的横截面面积；
Ai—单元孔道i面积；
mi—单元孔道i内氧化铝粉末质量，等效为碳烟颗粒质量；
Figure BDA0003168625980000032
—所有选取孔道中捕集的氧化铝粉末的平均质量，等效为碳烟平均质量。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1.现有技术多采用气流的分布均匀度来近似描述柴油机DPF系统的碳烟分布均匀度。但柴油机废气中的碳烟由于有一定的体积和质量，其在DPF中的分布和气流分布有较大不同。本发明采用同等质量级的氧化铝粉末近似模拟气流中的碳烟颗粒，和实际情况更加近似。
2.现有技术中，多数采用风机作为气源提供常温气流来测试气流的分布均匀性，无法考虑高温对气流分布和碳烟分布的影响，本发明采用燃烧器排出的高温气流作为气源，可以考虑600℃至650℃的温度影响。
3.现有技术中，由于现有流速和流量传感器无法耐200℃以上的高温，因此流速计和流量计难以精确测量气流分布，本发明则采用预估质量分布的方法来评价碳烟分布的均匀度。
4.本发明首次采用CT扫描的方式获得不同截面上的碳烟分布情况，可通过增加扫描截面的数量提升碳烟均匀度的测试精度；首次采用CT扫描等效描述颗粒物在DPF内部捕集分布的均匀程度，实现了可视化、数据化描述。
5.由于碳烟颗粒的累积无法通过CT中扫描观察，本发明采用采用等效粒径、相同质量浓度的氧化铝粉末颗粒近似模拟碳烟颗粒，氧化铝粉能够通过CT扫描清晰地看到累积情况，便于观察和计算；
6.现有技术在测试气流均匀度时，一般选择在DPF前端面进行测试，无法测试进入DPF内部的碳烟分布情况，本发明直接测试进入DPF内部的“等效颗粒物”的质量来反应碳烟分布均匀度。
7.现有技术中均采用插入导气管或者流速计的方式进行流速的测试，导气管和流速测试装置尺寸一般较大，当其伸入DPF前端面时，容易影响气流分布，导致测试误差较大，本发明不需要采用任何导气管和流速测试装置，减小了测试误差；
8.现有技术中，由于受到导气管或流速计探头的尺寸影响，布置的流速测点数量有限(一般8～20个测点)，本发明则可通过扫描无限个截面以及在扫描的截面上选取多个点来获取更多的数据，且所取的点数无需在测试前和测试中设定，测试结束后可随时增加数据点。
9.现有技术观察DPF孔道中捕集的碳烟质量一般采用切割DPF的方法，本方法无需破坏DPF即可完成。
10.现有技术采用切割DPF的方法进行观察和统计碳烟质量时，由于孔道被熏黑，导致观察困难，且切割过程中容易损失碳烟质量而造成较大试验误差。本方法则避免了碳烟的损失，同时更加容易观察。
11.本方法既可以方便的测试颗粒物分布均匀度，在精度要求不高时，也能够近似模拟气流的流速分布均匀度，操作简单方便，并且碳烟均匀性测试不受限于发动机台架，测试速度快，成本低。
附图说明
图1是柴油机国六后处理DPF碳烟捕集均匀度测试系统示意图。
图2是柴油机SDPF碳烟捕集均匀度测试系统示意图。
图3是DPF上CT扫描的纵切面分布图。
图4是DPF横截面上的碳烟孔道取点位置分布图。
图5是CT扫描的DPF某纵向切面上的氧化铝粉末颗粒分布图。
附图标记说明：1-燃烧器；2-连接管；3-锥形扩张管；4-整流筒体；5-引射管；6-容器；7-国六后处理器；7’-SDPF后处理器；71、71’-第一混合装置；72、72’-DOC单元；73-DPF单元；7-3’-SDPF单元；74、74’-第二混合装置；75、75’-SCR单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置，包括气流引射系统，气流引射系统包括用于提供气流和温度的燃烧器1，所述燃烧器1通过连接管2与锥形扩张管3连接，所述锥形扩张管3的出气端连接有整流管4，所述整流管4的出气端连接有国六后处理器7，所述锥形扩张管3的扩张口处设置有引射管5，所述引射管5用于将储放在容器6内的氧化铝颗粒物吸入锥形扩张管3中。
所述整流管4的长度为1.5m，所述氧化铝颗粒物的平均粒径为6nm。
所述国六后处理器7包括依次设置的第一混合装置71、DOC单元72、DPF单元73、第二混合装置74及SCR单元75，所述第一混合装置71与所述整流管4的出气端连接，充分混合均匀的氧化铝颗粒物和废气经所述第一混合装置71先后进入所述DOC单元72和DPF单元73，并最终被捕集在DPF单元73的孔道中。
所述DPF单元73可拆卸地连接在所述DOC单元72与第二混合装置74之间。
所述燃烧器1排出的高温气流的温度为620℃。
一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，在上述模拟测试装置上进行测试，包括以下步骤：
步骤S1：如图1所示，将所述国六后处理器7通过法兰连接安装在测试装置中，采用塞锥堵塞所述引射管5的下端入口；
步骤S2：去除所述DOC单元72前端的第一混合装置71，通过所述燃烧器1提供高温气流，达到预设的流量及温度值并保持稳定状态10min；
步骤S3：开启所述引射管5的下端入口，利用所述锥形扩张管3在引射管5的上端出口位置产生的负压吸入容器6中的氧化铝粉末，并在整流管4内实现氧化铝粉末的均匀混合，混合均匀的氧化铝粉末将最终在DPF单元73中捕集下来；
步骤S4：捕集至一定量后，将所述DPF单元73拆卸下来，对其截面进行CT扫描，扫描若干个横向切面和纵向切面，如图3、图4所示，获得CT扫描截面图，如图5所示，在获得的CT扫描截面图上确定每个碳烟孔道中捕集到的氧化铝颗粒的高度h(h1、h2、h3……,hi)，并根据氧化铝颗粒积累的高度h(h1、h2、h3……,hi)计算单元孔道内的氧化铝粉末累积质量m(m1、m2、m3……,mi)，氧化铝粉末累积质量m等效视为碳烟颗粒质量累积质量，并根据PM_UI公式计算碳烟捕集均匀度：
mi＝ρAihi
式中：
ρ—氧化铝的密度；
Ai—单元孔道i面积；
hi—单元孔道i氧化铝粉末累积高度；
mi—单元孔道i氧化铝粉末累积质量，等效为碳烟累积质量。
所述PM_UI公式如下：
Figure BDA0003168625980000051
式中：
PM_UI—氧化铝粉末等效为碳烟的捕集均匀性系数；
A—DPF单元或SDPF单元的横截面面积；
Ai—单元孔道i面积；
mi—单元孔道i内氧化铝粉末质量，等效为碳烟颗粒质量；
Figure BDA0003168625980000052
—所有选取孔道中捕集的氧化铝粉末的平均质量，等效为碳烟平均质量。
实施例2
如图2所示，一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试装置，包括气流引射系统，所述气流引射系统包括用于提供气流和温度的燃烧器1，所述燃烧器1通过连接管2与锥形扩张管3连接，所述锥形扩张管3的出气端连接有整流管4，所述整流管4的出气端连接有SDPF后处理器7’，所述锥形扩张管3的扩张口处设置有引射管5，所述引射管5用于将储放在容器6内的氧化铝颗粒物吸入锥形扩张管3中。
所述整流管4的长度为2.0m，所述氧化铝颗粒物的平均粒径为8nm。
所述SDPF后处理器7’包括依次设置的第一混合装置71’、DOC单元72’、SDPF单元73’、第二混合装置74’及SCR单元75’，所述第一混合装置71’与所述整流管4的出气端连接，混合均匀的氧化铝颗粒物和废气先后经过所述第一混合装置71’及DOC单元72’，并最终被捕集在所述SDPF单元73’的孔道中。
所述SDPF单元73’可拆卸地连接在所述DOC单元72’与第二混合装置74’之间。
所述燃烧器1排出的高温气流的温度为645℃。
一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，在上述模拟测试装置上进行测试，包括以下步骤：
步骤S1：如图2所示，将所述SDPF后处理器7’通过法兰连接安装在测试装置中，采用塞锥堵塞所述引射管5的下端入口；
步骤S2：去除所述DOC单元72’前端的第一混合装置71’，通过所述燃烧器1提供高温气流，达到预设的流量及温度值并保持稳定状态12min；
步骤S3：开启所述引射管5的下端入口，利用所述锥形扩张管3在引射管5的上端出口位置产生的负压吸入容器6中的氧化铝粉末，并在整流管4内实现氧化铝粉末的均匀混合，混合均匀的氧化铝粉末将最终在SDPF单元73’中捕集下来；
步骤S4：捕集至一定量后，将所述SDPF单元73’拆卸下来，对其截面进行CT扫描，扫描若干个横向切面和纵向切面，获得CT扫描截面图，在获得的CT扫描截面图上确定每个碳烟孔道中捕集到的氧化铝颗粒的高度h(h1、h2、h3……,hi)，并根据氧化铝颗粒积累的高度h(h1、h2、h3……,hi)计算单元孔道内的氧化铝粉末累积质量m(m1、m2、m3……,mi)，氧化铝粉末累积质量m等效视为碳烟颗粒质量累积质量，并根据PM_UI公式计算碳烟捕集均匀度：
mi＝ρAihi
式中：
ρ—氧化铝的密度；
Ai—单元孔道i面积；
hi—单元孔道i氧化铝粉末累积高度；
mi—单元孔道i氧化铝粉末累积质量，等效为碳烟累积质量。
所述PM_UI公式如下：
Figure BDA0003168625980000061
式中：
PM_UI—氧化铝粉末等效为碳烟的捕集均匀性系数；
A—DPF单元或SDPF单元的横截面面积；
Ai—单元孔道i面积；
mi—单元孔道i内氧化铝粉末质量，等效为碳烟颗粒质量；
Figure BDA0003168625980000071
—所有选取孔道中捕集的氧化铝粉末的平均质量，等效为碳烟平均质量。
本申请实施例中采用CT扫描DPF单元或SDPF单元的多个横截面进行观察和测量，在扫描的横截面上选取若干个积碳孔道，并测量这些孔道中碳烟的高度，通过积碳高度换算出该孔道中的积碳质量(忽略了各个孔道中积碳紧实度的差异)。本方法采用氧化铝粉末颗粒物替代碳烟颗粒物，氧化铝粉末的性质稳定，可以做到各种粒径的颗粒物，且最高分解温度达到2000℃以上。由于柴油机碳烟颗粒一般粒径在10纳米左右，因此在本测试装置中，选用5～10纳米的氧化铝粉末颗粒替代碳烟颗粒物。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，燃烧器(1)通过连接管(2)与锥形扩张管(3)连接，所述锥形扩张管(3)的出气端连接有整流管(4)，所述整流管(4)的出气端连接有国六后处理器(7)，所述国六后处理器(7)包括第一混合装置、DOC单元及DPF单元(73)、第二混合装置及SCR单元；
所述锥形扩张管(3)的扩张口处设置有引射管(5)，所述引射管(5)用于将储放在容器(6)内的氧化铝颗粒物吸入锥形扩张管(3)中；
所述测试方法包括以下步骤：
步骤S1：将所述国六后处理器(7)通过法兰连接安装在测试装置中，堵塞所述引射管(5)的下端入口；
步骤S2：去除所述DOC单元前端的第一混合装置，通过所述燃烧器(1)提供高温气流，达到预设的流量及温度值并保持稳定状态5-15min；
步骤S3：开启所述引射管(5)的下端入口，利用所述锥形扩张管(3)在引射管(5)的上端出口位置产生的负压吸入容器(6)中的氧化铝粉末，并在整流管(4)内实现氧化铝粉末的均匀混合，混合均匀的氧化铝粉末将最终在DPF单元(73)中捕集下来；
步骤S4：捕集至一定量后，将所述DPF单元(73)拆卸下来，对其截面进行CT扫描，扫描若干个横向切面和纵向切面，在获得的CT扫描截面图上确定每个碳烟孔道中捕集到的氧化铝颗粒的高度h，并根据氧化铝颗粒积累的高度h计算单元孔道内的氧化铝粉末累积质量m，氧化铝粉末累积质量m等效视为碳烟颗粒质量累积质量，并根据PM_UI公式计算碳烟捕集均匀度：
mi＝ρAihi
式中：
ρ-氧化铝的密度；
Ai—单元孔道i面积；
hi—单元孔道i氧化铝粉末累积高度；
mi—单元孔道i氧化铝粉末累积质量，等效为碳烟累积质量；
所述PM_UI公式如下：
Figure FDA0004119499190000011
式中：
PM_UI—氧化铝粉末等效为碳烟的捕集均匀性系数；
A—DPF单元或SDPF单元的横截面面积；
Ai—单元孔道i面积；
mi—单元孔道i内氧化铝粉末质量，等效为碳烟颗粒质量；
Figure FDA0004119499190000012
—所有选取孔道中捕集的氧化铝粉末的平均质量，等效为碳烟平均质量。
2.根据权利要求1所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述整流管(4)的长度为1.0～2.5m，所述氧化铝颗粒物的平均粒径为5～10nm。
3.根据权利要求1所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述第一混合装置与所述整流管(4)的出气端连接，充分混合均匀的氧化铝颗粒物和废气经所述第一混合装置先后进入所述DOC单元和DPF单元(73)，并最终被捕集在DPF单元(73)的孔道中。
4.根据权利要求1所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述国六后处理器(7)替换为SDPF后处理器，所述SDPF后处理器包括依次设置的第一混合装置、DOC单元、SDPF单元(73’)、第二混合装置及SCR单元，所述第一混合装置与所述整流管(4)的出气端连接，混合均匀的氧化铝颗粒物和废气先后经过所述第一混合装置及DOC单元，并最终被捕集在所述SDPF单元(73’)的孔道中。
5.根据权利要求1所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述DPF单元(73)可拆卸地连接在所述DOC单元与第二混合装置之间。
6.根据权利要求4所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述SDPF单元(73’)可拆卸地连接在所述DOC单元与第二混合装置之间。
7.根据权利要求1所述的柴油机DPF碳烟捕集均匀度的模拟测试方法，其特征在于，所述燃烧器(1)排出的高温气流的温度为600-650℃。
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