CN115980253A - 一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法 - Google Patents

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李泽鹏
田洪越
陈双园
姚龙水
刘浩
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Abstract

本发明涉及柴油发动机后处理技术领域，具体涉及一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，包括如下步骤：S1、获取柴油发动机的n个稳态工况点；S2、在每个稳态工况点下运行柴油发动机，获得每个稳态工况点下柴油发动机后处理除氮氧系统催化剂转化效率及催化剂响应时间。本发明可以综合分析后处理催化剂转化效率和响应时间，更好地评估催化剂在发动机后处理系统瞬时工况条件下的催化能力，为其设计、选型及优化提供数据支撑；并且，本发明稳态点测试的结果能认为已排除其他因素的影响，通过调整特定发动机参数获取一系列的后处理排放数据，可以辅助优化发动机参数标定与优化。

Description

一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法
技术领域
本发明涉及柴油发动机后处理测试技术领域，具体涉及一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法。
背景技术
随着车辆氮氧化物排放上限要求降低，对发动机后处理催化性能的要求越来越严格。发动机后处理系统主要由催化器、尿素箱、尿素供给单元、尿素喷嘴、氮氧化物传感器、排气温度传感器、喷射线管路等组成，在后处理过程中，给料单元会将与发动机运行工况相匹配的尿素量喷入排气管，尿素分解出的氨与氮氧化物在催化器中经过催化还原反应最后生成无害的氮气(N2)和水(H2O)。催化剂性能是影响催化还原反应效果的关键因素，实际开发设计中，为保证产品在全生命周期都能满足排放要求，需要在选型、设计、耐久等各个阶段对后处理系统的催化转化性能进行验证。
现有技术中，验证柴油机后处理系统的催化转化性能，通常选择在发动机台架上运行GB17691-2018规定的型式检验项目标准或非标准循环进行排放试验。法规循环排放可以很好的体现发动机后处理总成整体的排放状态，但其受到发动机排放策略和后处理催化剂性能等多个因素的综合影响，无法独立评价后处理系统的催化转化效果，进而影响了后处理系统及其催化剂的进一步提升优化。
发明内容
针对现有技术的催化性能无法独立评价的问题，本发明提供一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，可独立评价柴油发动机后处理系统催化性能，有助于对后处理系统的优化和提升。
本发明提供一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，包括如下步骤：
S1、获取柴油发动机的n个稳态工况点，n为整数且≥1；
S2、在每个稳态工况点下运行柴油发动机，获得每个稳态工况点下柴油发动机后处理除氮氧系统催化剂转化效率及催化剂响应时间；
其中：
催化剂转化效率＝100％×(1-[NOx]d/[NOx]u)，[NOx]u、[NOx]d分别为柴油发动机在每个稳态工况点运行结束前一分钟内，后处理前、后氮氧化物浓度平均值；
催化剂响应时间＝t2-t1，t1为柴油发动机在每个稳态工况点下，后处理系统中氮氧化物浓度开始变化的时间，t2为后处理氮氧化物浓度降至初始浓度20％的时间。
进一步的，步骤S1中，获取柴油发动机的n个稳态工况点的方法为，分析柴油发动机排气温度和排气流量万有图，在发动机正常运行的排气温度范围内，固定温度间隔选择n个温度值，在每个温度值条件下，选择该温度值下具有最高排气流量值的点为稳态工况点。
进一步的，步骤S2中，从高温稳态工况点到低温稳态工况点依次运行柴油发动机。
进一步的，步骤S2中，每个稳态工况点执行前，柴油发动机后处理系统停喷尿素，且升温清空氨存储。
进一步的，步骤S2中，每个稳态工况点下运行柴油发动机排放状态稳定后开喷尿素，且排放状态不稳定时执行修正。
进一步的，柴油发动机排放状态稳定标准设定为，1分钟内排气温度变化＜0.1℃，且1分钟内排气氮氧化物浓度变化＜1ppm。
进一步的，每个稳态工况点下固定尿素喷射量，且该尿素喷射量使发动机后处理除氮氧系统氨氮比≥1。
进一步的，柴油发动机后处理系统排气温度、排气流量、氮氧化物浓度、尿素喷射量通过发动机试验台架测得。
本发明的有益效果在于，本发明通过稳态点试验(Steady State Test，SST)选定一系列合适的发动机稳态工况点，在各稳态工况点下运行发动机试验台架试验，可以分别获取发动机后处理系统的氮氧化物(极限)催化剂转化效率和响应时间，综合分析后处理催化剂转化效率和响应时间，可以更好地评估催化剂在发动机后处理系统瞬时工况条件下的催化能力，为其设计、选型及优化提供数据支撑；并且，本发明稳态点测试的结果能认为已排除其他因素的影响，通过调整特定发动机参数获取一系列的后处理排放数据，可以辅助优化发动机参数标定与优化。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，涉及的柴油机发动机后处理体系参数设定为：额定点时，发动机排气流量为2000kg/h，除氮氧系统前气流温度为500℃。通过分析发动机排气温度和排气流量万有图，在发动机正常运行的排气温度范围内，固定温度间隔选择n个温度值，在每个温度值条件下，选择该温度值下具有最高排气流量值的点为稳态工况点，具体为，以100℃为温度间隔，则选定温度为500℃、400℃、300℃、200℃，其对应的最高排气流量分别为2000kg/h、1600kg/h、1200kg/h、800kg/h，将上述排气温度和最高排气流量组合，在发动机试验台架上找到对应的稳态工况点，分别标记为工况一、工况二、工况三、工况四，其中工况一为额定点工况。每个工况点尿素喷射量按照氨氮比(ANR)为1.2计算。试验过程中发动机试验台架全程记录数据，包括但不限于后处理系统前后氮氧浓度、除氮氧系统前气流温度、气流流量、尿素喷射量和时间数据等。每个稳态工况点下运行柴油发动机排放状态稳定后开喷尿素，且排放状态不稳定时执行修正，柴油发动机排放状态稳定标准设定为，1分钟内排气温度变化＜0.1℃，且1分钟内排气氮氧化物浓度变化＜1ppm。
稳态工况点下，测试程序按如下步骤执行：
步骤一：发动机运行工况一，不喷尿素，当达到稳定状态时，开始记录数据，此时记录时间t0＝0s，运行该工况30分钟。
步骤二：按照氨氮比1.2喷尿素，运行30分钟。期间，后处理器后氮氧化物浓度开始变化时刻记为t1,500℃＝1210s；当其降至原浓度20％时，记录t2,500℃＝1212s。最后1分钟内，后处理器前氮氧化物浓度平均值记为[NOx]u，500℃＝1000ppm，后处理器后氮氧化物浓度平均值记为[NOx]d，500℃＝100ppm。
步骤三：停喷尿素，运行工况一10分钟。在不喷尿素条件下，调节发动机至工况二，运行30分钟至稳定状态。
步骤四：按照氨氮比1.2喷尿素，运行30分钟。期间，后处理器后氮氧化物浓度开始变化时刻记为t1,400℃＝6010s；当其降至原浓度20％时，记录t2，400℃＝6013s；最后1分钟内，后处理器前氮氧化物浓度平均值记为[NOx]u，400℃＝800ppm，后处理器后氮氧化物浓度平均值记为[NOx]d，400℃＝60ppm。
步骤五：停喷尿素，运行工况一10分钟。在不喷尿素条件下，调节发动机至工况三，运行30分钟至稳定状态。
步骤六：按照氨氮比1.2喷尿素，运行30分钟。期间，后处理器后氮氧化物浓度开始变化时刻记为t1，300℃＝10210s；当其降至原浓度20％时，记录t2，300℃＝10270s；最后1分钟内，后处理器前氮氧化物浓度平均值记为[NOx]u，300℃＝500ppm，后处理器后氮氧化物浓度平均值记为[NOx]d，300℃＝15ppm。
步骤七：停喷尿素，运行工况一10分钟。在不喷尿素条件下，调节发动机至工况四，运行30分钟至稳定状态。
步骤六：按照氨氮比1.2喷尿素，运行60分钟。期间，后处理器后氮氧化物浓度开始变化时刻记为t1，200℃＝14410s；当其降至原浓度20％时，记录t2，300℃＝16810s；最后1分钟内，后处理器前氮氧化物浓度平均值记为[NOx]u，300℃＝200ppm，后处理器后氮氧化物浓度平均值记为[NOx]d，300℃＝20ppm。
按如下公式计算各工况下的催化剂转化效率，催化剂转化效率(％)＝100％×(1-[NOx]d/[NOx]u)；
按如下公式计算各工况下的催化剂响应时间，催化剂响应时间(s)＝t2-t1。具体结果见表1。
表1实施例1各工况下发动机后处理系统催化剂转化效率及催化剂响应时间
项目 工况一 工况二 工况三 工况四
催化剂转化效率/％ 90 92.5 97 90
催化剂响应时间/s 2 3 60 2400
通过综合分析各工况点后处理催化剂转化效率和响应时间，可以更好地评估催化剂在发动机后处理系统瞬时工况条件下的催化能力，为其设计、选型及优化提供数据支撑。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取柴油发动机的n个稳态工况点，n为整数且≥1；
S2、在每个稳态工况点下运行柴油发动机，获得每个稳态工况点下柴油发动机后处理除氮氧系统催化剂转化效率及催化剂响应时间；
其中：
催化剂转化效率＝100％×(1-[NOx]d/[NOx]u)，[NOx]u、[NOx]d分别为柴油发动机在每个稳态工况点运行结束前一分钟内，后处理前、后氮氧化物浓度平均值；
催化剂响应时间＝t2-t1，t1为柴油发动机在每个稳态工况点下，后处理系统中氮氧化物浓度开始变化的时间，t2为后处理氮氧化物浓度降至初始浓度20％的时间。
2.如权利要求1所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，步骤S1中，获取柴油发动机的n个稳态工况点的方法为，分析柴油发动机排气温度和排气流量万有图，在发动机正常运行的排气温度范围内，固定温度间隔选择n个温度值，在每个温度值条件下，选择该温度值下具有最高排气流量值的点为稳态工况点。
3.如权利要求1所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，步骤S2中，从高温稳态工况点到低温稳态工况点依次运行柴油发动机。
4.如权利要求3所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，步骤S2中，每个稳态工况点执行前，柴油发动机后处理系统停喷尿素，且升温清空氨存储。
5.如权利要求4所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，步骤S2中，每个稳态工况点下运行柴油发动机排放状态稳定后开喷尿素，且排放状态不稳定时执行修正。
6.如权利要求5所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，柴油发动机排放状态稳定标准设定为，1分钟内排气温度变化＜0.1℃，且1分钟内排气氮氧化物浓度变化＜1ppm。
7.如权利要求5所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，每个稳态工况点下固定尿素喷射量，且该尿素喷射量使发动机后处理除氮氧系统氨氮比≥1。
8.如权利要求7所述的柴油发动机后处理除氮氧系统的催化性能评价方法，其特征在于，柴油发动机后处理系统排气温度、排气流量、氮氧化物浓度、尿素喷射量通过发动机试验台架测得。
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