基于尾气模拟的柴油机全尺寸SCR催化器性能测试平台的制作方法

本发明涉及一种基于尾气模拟的柴油机全尺寸SCR催化器性能测试平台，可代替传统柴油机性能试验台架，通过模拟柴油机尾气流量、尾气温度和关键尾气成分，对柴油机后处理用全尺寸SCR催化器的温度特性、氨氮比特性、空速特性以及压降特性等性能进行全面测试。

背景技术：

随着世界范围排放法规的日趋严格化，机内净化结合高效尾气后处理控制车用柴油机尾气排放已成为共识。基于尿素的选择性催化还原SCR降NOx后处理技术因其更好的燃油经济性、更高的NOx转化效率，已成为新型车用柴油机排放达标的首先技术路线。尿素SCR系统中，全尺寸SCR催化器是关键部件之一，在尿素还原剂添加和选择性还原NOx过程中起着重要催化作用，也是整个尿素SCR过程的催化反应载体。SCR催化器的催化性能直接影响柴油机整机排放水平。

目前整车和零部件厂商对柴油机全尺寸SCR催化器的性能测试均是直接基于柴油机性能试验台架进行的，虽然这样的测试方式最接近SCR催化器的实际使用环境，但也存在如下问题：(1)柴油机尾气能量仅占燃油输入总量的30％左右，直接采用柴油机尾气进行SCR催化器性能测试能耗大；(2)柴油机尾气流量、尾气温度及排放物成分高度耦合，且调整范围受限于整机工况，无法对SCR催化器的性能进行全面评估；(3)柴油机尾气状态受多种整机运行和调整参数影响，SCR催化器性能测试过程重复性差；(4)柴油机试验过程中有起动、暖机、怠速等特殊工况要求，试验工况点加载和等待尾气状态稳定过程中也需要一定的时间，整个测试周期比较长。因此，设计和开发一种面向柴油机全尺寸SCR催化器的低运行成本、高测试效率、测试状态灵活、测试过程重复性好的SCR性能测试平台具有重要的理论和现实意义。

技术实现要素：

本发明针对目前基于柴油机试验台架开展全尺寸SCR催化器性能测试时存在的运行能耗大、测试工况调整复杂、测试过程重复性差、测试周期比较长等问题，提出了一种基于尾气模拟的柴油机全尺寸SCR催化器性能测试平台，可代替传统柴油机性能试验台架，通过模拟柴油机尾气流量、尾气温度和关键尾气成分，对柴油机后处理用全尺寸SCR催化器的温度特性、氨氮比特性、空速特性以及压降特性等性能进行全面测试。

本发明包括空气供给系统、燃烧加热系统、混合加注系统、尿素喷射系统以及信号采集与控制系统。空气供给系统提供所需试验空速的尾气流量，燃烧加热系统控制尾气温度，混合加注系统完成关键尾气成分的标准气注入和尾气充分混合，尿素喷射系统用于模拟实际SCR系统还原剂添加过程，信号采集与控制系统负责对整个试验平台的监控，并分析不同试验工况下全尺寸SCR催化器的性能。

所述的空气供给系统包括空滤器、高压主风机、变频器、第一温度传感器、第一压力传感器、文丘里流量计及配套压差传感器、流量积算仪和尾气流量控制仪表。空滤器的输出口与高压主风机的气流输入口连通；高压主风机的气流输出口与燃气燃烧器燃气气源入口及混合筒入口管道连通；高压主风机受变频器控制；变频器接收尾气流量控制仪表的4-20mA控制信号；当前实际尾气流量由根据文丘里流量计及配套压差传感器测量得到的混合筒出口管道流动压差信号，经流量积算仪内部开方和基于混合筒出口管道处第一温度传感器与第一压力传感器的温度及压力补偿，再根据标况下的温度及压力换算后获得，并作为尾气流量控制仪表的反馈信号；尾气流量控制仪表根据目标尾气流量与当前实际尾气流量差值经PID算法，输出4-20mA控制信号给变频器。

所述燃烧加热系统包括燃气气源、燃气燃烧器、背压压差传感器、比例阀、助燃风控制仪表、第二温度传感器和尾气温度控制仪表。燃气燃烧器内注入燃气气源，并给混合筒提供热源，燃气燃烧器的助燃风入口和混合筒出口之间安装有背压压差传感器，背压压差传感器的压差信号作为助燃风控制仪表的反馈信号；助燃风控制仪表根据当前压差反馈信号输出4-20mA控制信号调整燃气燃烧器助燃空气管路中比例阀开度。当前实际尾气温度由第二温度传感器测量，并作为尾气温度控制仪表的反馈信号；尾气温度控制仪表根据目标温度与当前实际温度差值经PID算法，输出4-20mA控制信号给燃气燃烧器，调整燃气燃烧器功率。

所述混合加注系统包括混合筒、氮氧化物加注气源、还原气体加注气源、氮氧化物质量流量控制器、还原气体质量流量控制器、还原气体加注控制仪表和氮氧化物加注控制仪表；氮氧化物加注气源经减压阀、截止阀及氮氧化物质量流量控制器后注入混合筒入口管道中；混合筒将燃气燃烧器产生的废气、高压主风机的空气以及氮氧化物加注气源进行混合；还原气体加注气源经减压阀、截止阀及还原气体质量流量控制器后注入混合筒出口管道中；氮氧化物质量流量控制器的流量由氮氧化物加注控制仪表的0-5V输出控制，还原气体质量流量控制器的流量由还原气体加注控制仪表的0-5V输出控制；

所述尿素喷射系统包括尿素箱、空压机、尿素计量泵和气助尿素喷嘴。所述的尿素计量泵接收上位机尿素喷射量控制指令，将尿素箱中的尿素水溶液通过气助尿素喷嘴喷入混合筒出口管道中；尿素计量泵的压缩空气源由空压机提供。

所述的信号采集与控制系统包括上位机、入口压力显示仪表、第二压力传感器、出口压力显示仪表、第三压力传感器、出口温度显示仪表、第三温度传感器、第一NOx传感器和第二NOx传感器。第一NOx传感器和第二NOx传感器分别安装在全尺寸SCR催化器入、出口；第一NOx传感器和第二NOx传感器与尿素计量泵进行CAN并网后与上位机相连；第二压力传感器和第三压力传感器分别安装在全尺寸SCR催化器入、出口；第二压力传感器通过入口压力显示仪表显示压力，第三压力传感器通过出口压力显示仪表显示压力。全尺寸SCR催化器出口温度由第三温度传感器检测，第三温度传感器由出口温度显示仪表显示温度。上位机配有隔离型RS232转RS485模块，通过RS485总线读写、控制和显示各仪表。上位机通过读写尾气流量控制仪表监控模拟尾气流量，通过读写助燃风控制仪表监控燃气燃烧器前后压差，通过读写尾气温度控制仪表监控尾气温度，通过读写氮氧化物加注控制仪表监控氮氧化物加注气源加注量，通过读写还原气体加注控制仪表监控还原气体加注气源加注量，通过读取入口压力显示仪表和出口压力显示仪表获得全尺寸SCR催化器的入、出口压力，通过读取尾气温度控制仪表和出口温度显示仪表获得全尺寸SCR催化器的入、出口温度。上位机配有USB转CAN模块，通过CAN总线读写尿素计量泵、第一和第二NOx传感器。上位机通过尿素计量泵监控尿素喷射量，通过入口处第一NOx传感器检测全尺寸SCR催化器入口NOx浓度，通过出口处第二NOx传感器检测全尺寸SCR催化器出口NOx浓度。上位机根据全尺寸SCR催化器的入、出口NOx浓度，获得NOx转化效率，根据全尺寸SCR催化器的入、出口压力，获得流动压降。

所述流量积算仪的型号为XSR22FC；尾气流量控制仪表、助燃风控制仪表、尾气温度控制仪表、氮氧化物加注控制仪表、还原气体加注控制仪表、入口压力显示仪表、出口压力显示仪表、出口温度显示仪表均采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器。

所述尾气流量控制仪表中的目标尾气流量通过自身仪表面板修改或者由上位机通过RS485总线修改；尾气温度控制仪表中的目标尾气温度通过自身仪表面板修改或者由上位机通过RS485总线修改；助燃风控制仪表中的燃气燃烧器前后压差目标值通过自身仪表面板修改或者由上位机通过RS485总线修改；氮氧化物和还原气体加注控制仪表给定流量通过各自仪表面板设定或由上位机通过RS485总线修改。

所述上位机隔离型RS232转RS485模块型号为厦门宇电自动化科技有限公司的AI-485G，控制及显示仪表通讯均遵循厦门宇电自动化科技有限公司的AIBUS协议；USB转CAN模块型号为周立功USBCAN-2E-U，尿素计量泵、第一和第二NOx传感器通讯均遵循SAE J1939协议。

所述的氮氧化物加注气源为NO，还原气体加注气源为NH₃。

本发明的有益效果：

1.利用燃烧加热系统中一体式燃气燃烧器产生的高温废气，经空气供给系统新鲜空气的混合稀释和关键尾气成分加注，产生全尺寸SCR催化器性能测试所需的模拟柴油机尾气，相比传统柴油机性能试验台架，本发明测试平台运行成本更低且更环保。

2.测试平台中，空气供给系统、燃烧加热系统以及混合加注系统相对独立，实现了全尺寸SCR催化器性能测试所需模拟柴油机尾气的流量、温度以及成分的完全解耦控制，相比传统柴油机性能试验台架，测试用尾气状态控制更加方便且调整范围不受发动机工况限制。

3.测试用模拟柴油机尾气状态包括流量、温度及成分由独立控制仪表控制，响应速度快且耦合度低，内部和外部干扰因素少，无起动、暖机、怠速等特殊工况要求，相比传统柴油机性能试验台架，全尺寸SCR催化器性能测试过程重复性更好、效率更高。

4.全尺寸SCR催化器性能测试过程中，SCR还原剂的通入方式可以选择混合加注系统中的还原气体NH₃直接加注，仅考虑SCR催化器的选择性催化还原过程，也可以选择尿素喷射系统的尿素水溶液喷雾，考察实际SCR系统还原剂添加过程对SCR催化器性能的影响。

5.基于智能显示与控制仪表的层次化信号采集与控制系统可方便进行手动和自动化测试。智能显示与控制仪表的操控面板允许手动控制全尺寸SCR催化器性能测试用尾气状态，并通过仪表面板显示测试过程数据。通过上位机编辑或调取测试序列，由上位机与智能显示与控制仪表通信，也可实现SCR催化器性能的自动化测试功能。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于尾气模拟的柴油机全尺寸SCR催化器性能测试平台，包括空气供给系统、燃烧加热系统、混合加注系统、尿素喷射系统以及信号采集与控制系统，可灵活模拟柴油机尾气流量、尾气温度和关键尾气成分，对柴油机后处理用全尺寸SCR催化器的NOx转化效率以及压降进行测定，全面获得全尺寸SCR催化器的温度特性、氨氮比特性、空速特性以及压降特性等。

空气供给系统包括空滤器1、高压主风机2、变频器3、第一温度传感器25、第一压力传感器26、文丘里流量计及配套压差传感器24、流量积算仪35和尾气流量控制仪表4，用于提供全尺寸SCR催化器性能测试所需空速的尾气流量。新鲜空气经空滤器1滤除粉尘杂质后进入高压主风机2，并由高压主风机2加压后产生测试所需空速的尾气流量。高压主风机2受变频器3控制。变频器3接收尾气流量控制仪表4的4-20mA控制信号。当前实际尾气流量由根据文丘里流量计及配套压差传感器24测量得到的压差信号，经流量积算仪35内部开方和基于第一温度传感器25与第一压力传感器26的温度及压力补偿，再根据标况下的温度及压力换算后获得，并作为尾气流量控制仪表4的反馈信号；流量积算仪35的型号为XSR22FC；尾气流量控制仪表4采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器。尾气流量控制仪表4根据目标流量与实际流量差值经PID算法，输出4-20mA控制信号给变频器3，调整高压主风机2，将尾气流量控制在目标值附近。尾气流量控制仪表4中的目标尾气流量通过自身仪表面板修改或者由上位机8通过RS485总线修改。

燃烧加热系统包括燃气气源、燃气燃烧器30、背压压差传感器31、比例阀33、助燃风控制仪表32、第二温度传感器17和尾气温度控制仪表22，用于控制全尺寸SCR催化器性能测试所需模拟尾气的温度。燃气燃烧器30内注入燃气气源；模拟尾气温度控制所需热源主要来自一体式燃气燃烧器30。燃气燃烧器30助燃风入口和混合筒29出口之间安装有背压压差传感器31，背压压差传感器31的压差信号作为助燃风控制仪表32的反馈信号；助燃风控制仪表32采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器。助燃风控制仪表32根据当前压差反馈信号输出4-20mA控制信号调整燃气燃烧器助燃空气管路中比例阀33开度，使燃气燃烧器30前后压差满足使用要求，保证火焰稳定。燃气燃烧器30前后压差目标值通过助燃风控制仪表32面板修改或者由上位机8通过RS485总线修改。当前实际尾气温度由第二温度传感器17测量，并作为尾气温度控制仪表22的反馈信号；尾气温度控制仪表22采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器。尾气温度控制仪表22根据目标温度与实际温度差值经PID算法，输出4-20mA控制信号给燃气燃烧器30，调整燃气燃烧器功率，将尾气温度控制在目标值附近。尾气温度控制仪表22中的目标尾气温度通过自身仪表面板修改或者由上位机8通过RS485总线修改。

混合加注系统包括混合筒29、NH₃喷嘴20、NH₃质量流量控制器21、NH₃加注控制仪表23、NO喷嘴34、NO质量流量控制器28和NO加注控制仪表27，完成全尺寸SCR催化器性能测试所需模拟尾气中关键尾气成分的标准气注入，并确保尾气成分以及温度的充分混合。一体式燃气燃烧器属于低压燃烧，燃烧废气中NOx比例很小，因此模拟尾气中NOx浓度通过外部NO标准气注入实现。NO气源由高压气瓶提供，经减压阀、截止阀及NO质量流量控制器28后，由NO喷嘴34注入混合筒29入口管道中。NO质量流量控制器28的NO流量由NO加注控制仪表27的0-5V输出控制，NO加注控制仪表采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器，NO给定流量通过NO加注控制仪表27面板设定或由上位机8通过RS485总线修改。混合筒29负责将燃烧器30产生的废气、高压主风机2新鲜空气以及NO喷嘴34的NO加注气体进行充分混合。全尺寸SCR催化器性能测试所需还原剂通过模拟尾气注入NH₃完成。NH₃气源由高压气瓶提供，经减压阀、截止阀及NH₃质量流量控制器21后，由NH₃喷嘴20注入混合筒29出口管道中。NH₃质量流量控制器21的NH₃流量由NH₃加注控制仪表23的0-5V输出控制，NH₃加注控制仪表23采用厦门宇电自动化科技有限公司的AI-716智能型温控器，NH₃给定流量通过NH₃加注控制仪表23面板设定或由上位机8通过RS485总线修改。

尿素喷射系统包括尿素箱5、空压机6、尿素计量泵7和气助尿素喷嘴18，用于全尺寸SCR催化器性能测试过程中模拟实际尿素还原剂添加过程。尿素水溶液存储在尿素箱5中。尿素计量泵7带有CAN接口，接收上位机8尿素喷射量控制指令，将尿素箱5中的定量尿素水溶液通过气助尿素喷嘴18喷入高温排气中，尿素计量泵7的压缩空气源由空压机6提供。

信号采集与控制系统包括上位机8、入口压力显示仪表15、第二压力传感器16、出口压力显示仪表9、第三压力传感器10、出口温度显示仪表13、第三温度传感器12、第一NOx传感器19和第二NOx传感器11，负责对整个柴油机全尺寸SCR催化器性能测试平台的监控，并分析不同试验工况下全尺寸SCR催化器的性能。为检测全尺寸SCR催化器14的NOx转化效率，全尺寸SCR催化器入、出口分别安装第一NOx传感器19和第二NOx传感器11，第一NOx传感器19和第二NOx传感器11与尿素计量泵7进行CAN并网后与上位机8相连。为检测全尺寸SCR催化器14的流动压降，全尺寸SCR催化器入、出口分别安装第二压力传感器16和第三压力传感器10；第二压力传感器16通过入口压力显示仪表15显示压力，第三压力传感器10通过出口压力显示仪表9显示压力。全尺寸SCR催化器出口温度由第三温度传感器12检测，第三温度传感器12由出口温度显示仪表13显示温度。信号采集与控制系统总体上采用了层次化的设计方案，核心是配备CAN转USB模块和隔离型RS232转RS485模块的上位机8。隔离型RS232转RS485模块型号为厦门宇电自动化科技有限公司的AI-485G；USB转CAN模块型号为周立功USBCAN-2E-U。基于RS485总线，上位机8通过读写尾气流量控制仪表4监控模拟尾气流量，通过读写助燃风控制仪表32监控燃气燃烧器30前后压差，通过读写尾气温度控制仪表22监控尾气温度，通过读写NO加注控制仪表27和NH₃加注控制仪表23监控尾气中NO和NH₃加注量，通过读取入口压力显示仪表15和出口压力显示仪表9获得全尺寸SCR催化器14的入、出口压力，通过读取尾气温度控制仪表22和出口温度显示仪表13获得全尺寸SCR催化器14的入、出口温度，控制及显示仪表通讯均遵循宇电AIBUS协议。基于CAN总线，上位机8通过尿素计量泵7监控尿素喷射量，通过入口处第一NOx传感器19检测催化器入口NOx浓度，通过出口处第二NOx传感器11检测催化器出口NOx浓度，CAN通讯均遵循SAE J1939协议。根据全尺寸SCR催化器14的入、出口NOx浓度，获得NOx转化效率。根据全尺寸SCR催化器14的入、出口压力，获得流动压降。通过改变模拟尾气的温度、流量、还原剂/氮氧化物比例，开展不同尾气状态下的NOx转化效率和流动压降测试，可获得全尺寸SCR催化器14的温度特性、氨氮比特性、空速特性以及压降特性。各类智能显示与控制仪表提供了手动操作面板，通过上位机编辑或调取测试序列，也可实现SCR催化器性能的自动化测试功能。