一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置的制作方法

本发明属于机械领域，具体涉及一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置。

背景技术：

现有的发动机催化转换器后处理实验测试装置大多数使用实验发动机模拟车辆真实运行工况，且实验发动机多采用金属壳体的催化转换器，其缺点是实验发动机的工况无法精确控制，每次实验过程中的尾气成分和含量不稳定，且尾气中含有大量固体悬浮颗粒，实验结束后整台装置清洗困难。其次，由于采用金属壳体的催化转换器，不能利用piv测速系统，其数据测量范围有限，无法获取催化转换器扩张管及收缩管内的速度分布和压力分布规律，且可视性不强，不易观察和分析。更为重要的是，在需要进行多组催化转化器对比实验的情况下，现有的发动机催化转换器后处理实验测试装置无法同时进行多组具有不同类型载体的催化转换器在同一工况下的流动与转换性能的对比实验，费时费力。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对发动机催化转换器后处理实验测试装置现有技术中存在的缺陷，提供一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置。本发明使用六个单一气体钢瓶，通过尾气混合罐混合六种单一气体来制备尾气成分混合气，利用得到的尾气成分混合气代替实验发动机排放的尾气进行模拟实验；温度采集与控制系统按照不同工况下、各单一气体在汽车尾气中所占比重精确控制减压阀与流量控制阀的开度，实现发动机不同运行工况的精确模拟；采用耐高温玻璃壳体的催化转换器，并增加piv测速系统，结合insight图像处理软件，得到催化转换器扩张管及收缩管内的速度场数据，然后利用拉格朗日方法与poisson法等方法进行数据处理，进而获得催化转换器扩张管及收缩管内的压强分布；通过增加分歧管组件，本发明可同时进行多组具有不同类型载体的催化转换器在同一工况下的流动与转换性能的对比实验，相比现有的发动机催化转换器后处理实验测试装置，测量范围更大，测试效率更高，对比分析更加省时省力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置，其特征在于由气体混合组件、混合气电加热系统、分歧管组件、催化转换器组件、尾气分析仪系统、piv测速系统、台架装置、温度采集与控制系统组成；气体混合组件与piv测速系统中的示踪粒子发生器通过法兰连接，示踪粒子发生器与混合气电加热系统通过混合气电加热器连接管接通，连接处通过法兰连接，混合气电加热系统中的混合气电加热器排气管与分歧管组件中的分歧管进气管通过法兰连接，分歧管组件中的分歧管排气管与催化转换器组件中的开关阀通过法兰连接，尾气分析仪系统置于台架上，其钳夹式取样探头夹持在催化转换器组件中的伸长管上，经伸长管上的开孔插入伸长管内，piv测速系统和温度采集与控制系统均置于台架上方，温度采集与控制系统中的热电偶插入催化转换器组件的过渡管和伸长管中部；气体混合组件由钢瓶、减压阀、流量控制阀、尾气混合罐连接管、尾气混合罐组成，本发明设有六个单一气体钢瓶，六个减压阀、六个流量控制阀，以及六根尾气混合罐连接管，六个单一气体钢瓶内的单一气体分别为一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、甲烷、乙烯和乙炔，每个钢瓶与减压阀通过螺纹连接，减压阀与流量控制阀通过法兰连接，流量控制阀与尾气混合罐连接管通过法兰连接，尾气混合罐连接管与尾气混合罐进气管通过法兰连接，尾气混合罐连接管用于连接流量控制阀与尾气混合罐，尾气混合罐由尾气混合罐罐体、尾气混合罐进气管、尾气混合罐排气管以及折流板组成，折流板焊接在尾气混合罐内表面，交叉等距排布在尾气混合罐内部两侧，用于充分混合多种单一气体。

进一步所述混合气电加热系统由温度控制柜、混合气电加热器、混合气电加热器鞍座和混合气电加热器连接管组成，其中混合气电加热器由混合气电加热器壳体、混合气电加热器进气管、混合气电加热器排气管组成，混合气电加热器进气管与混合气电加热器连接管通过法兰连接，混合气电加热器排气管与分歧管进气管通过法兰连接，实验前向温度控制柜输入本次实验工况下的尾气成分混合气温度，通过温度控制柜控制，使得混合气电加热器壳体内部尾气成分混合气温度保持恒定。

进一步所述分歧管组件由分歧管管体、分歧管进气管、分歧管排气管组成，分歧管进气管与混合气电加热器排气管通过法兰连接，分歧管排气管与催化转换器组件中的开关阀通过法兰连接，分歧管排气管有三根，可分别接通三组催化转换器组件。

进一步所述催化转换器组件由开关阀、过渡管、石英卡套、催化转换器、伸长管组成，其中，石英卡套有两个，即第一石英卡套和第二石英卡套，开关阀与分歧管排气管通过法兰连接，开关阀与过渡管通过法兰连接，通过打开或关闭开关阀，本装置可实现单组和多组实验的切换，催化转换器前壳体与过渡管通过第一石英卡套连接，催化转换器后壳体与伸长管通过第二石英卡套连接，过渡管及伸长管中部均设有小型裸露k型热电偶，用以测量催化转换器进、排气口温度，催化转换器内部由壳体、衬垫、载体及密封环组成，且催化转换器壳体分为两节，即前壳体和后壳体，两节玻璃壳体通过螺纹连接，便于实验结束时旋出两节壳体，进行载体的更换，连接处设有密封环，防止漏气，衬垫置于载体外表面，并随载体一同放入前壳体内，伸长管尾端设有法兰，用来连接外部管道，实验过程中产生的尾气经外部管道排入大气中。前壳体、后壳体材质均为1000摄氏度耐高温透明玻璃，以便所述piv测速系统对催化转换器内示踪粒子进行拍摄，本发明的三组催化转换器组件内部结构及连接方式均相同，仅催化转化器的载体类型不同，如常规单一载体催化转换器、双载体催化转换器及变孔密度载体催化转换器。

进一步所述尾气分析仪系统由尾气分析仪、钳夹式取样探头组成，尾气分析仪与钳夹式取样探头通过螺纹连接，钳夹式取样探头夹持在催化转换器组件中的伸长管上，经伸长管中部的开孔插入伸长管内，通过尾气分析仪分析后即可获得催化转换器出口处的尾气成分，本发明选用的尾气分析仪为英国凯恩auto52汽车尾气分析仪。

进一步所述piv测速系统由示踪粒子发生器、同步器、激光器固定连接装置、摄像机固定连接装置组成，其中，激光器固定连接装置由激光器、固定钢套、激光器伸缩杆、激光器滑动装置组成，本发明使用的激光器固定连接装置共三套，摄像机固定连接装置由摄像机、固定罩、摄像机伸缩杆、摄像机滑动装置组成，本发明使用的示踪粒子发生器为双流型雾化器，主要由示踪粒子发生器进气管、示踪粒子发生器主体和示踪粒子发生器排气管组成，本发明采用的示踪粒子为平均直径在2~5μm范围内的二氧化钛粉末，示踪粒子发生器与混合气电加热器连接管、尾气混合罐排气管均通过法兰连接，同步器分别与计算机、激光器、摄像机通过连接线连接并正常工作。固定罩内部为空心圆柱状，实验时，摄像机放入固定罩内部实现紧固，实验结束后摄像机可从固定罩中取下，固定罩和摄像机滑动装置通过摄像机伸缩杆相连，摄像机伸缩杆可沿水平面伸缩，其左端焊接在摄像机固定罩上，右端焊接在摄像机滑动装置上，使得摄像机固定罩可沿水平方向移动，同时摄像机滑动装置具有沿第一轨道方向移动的自由度，操作人员可通过移动摄像机滑动装置的位置，并调整摄像机伸缩杆长度来调整摄像机拍摄的位置；固定钢套和激光器滑动装置通过激光器伸缩杆相连，激光器伸缩杆可沿水平面伸缩，其左端焊接在固定缸套上，右端焊接在激光器滑动装置上，使得固定缸套可沿水平方向移动，激光器放在固定钢套内，激光器滑动装置具有沿第二轨道方向移动的自由度，操作人员可通过移动激光器滑动装置来调整激光器的位置。

进一步所述台架装置由第一轨道、第二轨道、催化转换器鞍座、混合气电加热器鞍座、台架组成，其中催化转换器鞍座左右两侧各焊有两个矩形环，使用薄金属片穿过左右矩形环可将催化转换器固定在催化转换器鞍座上，第一轨道为u形轨道，催化转换器鞍座、混合气电加热器鞍座均通过螺栓固定在台架上，第一轨道以及第二轨道均焊接在台架上。

进一步所述温度采集与控制系统由计算机、小型裸露k型热电偶、接线端子板、数据采集板组成，计算机上装有温度采集与显示软件、流量、浓度与压强监控可视化软件，小型裸露k型热电偶一端设在催化转换器组件的过渡管及伸长管中部，用以测量催化转换器进、排气口温度，小型裸露k型热电偶另一端连接接线端子板，接线端子板和数据采集板相连，数据采集板插在计算机主板上，计算机通过温度采集与显示软件实时获取进、排气口温度，同时，减压阀与流量控制阀通过控制线与计算机相连，计算机通过流量、浓度与压强监控可视化软件，按照不同工况下、单一气体在汽车尾气中所占比重精确控制减压阀与流量控制阀的开度，从而实现发动机不同运行工况的精确模拟。

本发明的积极效果是：利用制得的尾气成分混合气代替实验发动机排放的尾气进行发动机催化转换器流动与转换性能的测试实验，利用计算机精确控制减压阀与流量控制阀的开度，实现发动机不同运行工况的精确模拟，所得尾气成分混合气的压强、温度、流速、组分及浓度非常稳定且精确可控，实验结束后整台装置清洗方便；采用耐高温玻璃壳体的催化转换器，并增加piv测速系统，结合图像处理软件，得到速度分布，然后利用拉格朗日方法与poisson法等方法等进行数据处理，进而获得催化转换器扩张管及收缩管内的压强分布，相比现有的催化转换器后处理装置，本发明测量范围更大，可视性更强；通过增加分歧管组件，本发明可同时进行多组具有不同类型载体的催化转换器在同一工况下的流动与转换性能的对比实验，相比现有的发动机催化转换器后处理实验测试装置，测量范围更大，测试效率更高，对比分析更加省时省力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置的基本结构示意图

图2是本发明所述尾气混合罐内部结构示意图

图3是本发明所述催化转换器组件示意图

图4是本发明所述变孔密度载体催化转换器内部结构示意图

图5是本发明所述激光器固定连接装置示意图

图6是本发明所述摄像机固定连接装置示意图

图7是本发明所述分歧管组件结构示意图

图1-图7中，1是一氧化碳钢瓶，2是一氧化氮钢瓶，3是二氧化氮钢瓶，4是甲烷钢瓶，5是乙烯钢瓶，6是乙炔钢瓶，7是减压阀，8是流量控制阀，9是尾气混合罐连接管，10是尾气混合罐进气管，11是尾气混合罐，12是尾气混合罐罐体，13是尾气混合罐排气管，14是示踪粒子发生器进气管，15是示踪粒子发生器主体，16是示踪粒子发生器排气管，17是混合气电加热器连接管，18是示踪粒子发生器，19是混合气电加热器进气管，20是混合气电加热器，21是混合气电加热器壳体，22是混合气电加热器鞍座，23是混合气电加热器排气管，24是分歧管组件,25是台架，26是摄像机固定连接装置，27是第一轨道，28是催化转换器鞍座,29是矩形环，30是薄金属片，31是催化转换器组件，32是接线端子板，33是钳夹式取样探头，34是尾气分析仪，35是计算机，36是数据采集板，37是同步器，38是第二轨道，39是激光器固定连接装置，40是温度控制柜，41是折流板，42是开关阀，43是过渡管，44是第一石英卡套，45是催化转换器，46是第二石英卡套，47是伸长管，48是小型裸露k型热电偶，49是前壳体，50是后壳体，51是载体，52是衬垫，53是密封环，54是激光器，55是固定钢套，56是激光器伸缩杆，57是激光器滑动装置，58是固定罩，59是摄像机，60是摄像机伸缩杆，61是摄像机滑动装置，62是分歧管管体，63是分歧管进气管，64是分歧管排气管。

具体实施方式

如图1-图7所示，本发明的一种测试发动机催化转换器流动与转换性能的实验装置由气体混合组件、混合气电加热系统、分歧管组件21、催化转换器组件31、尾气分析仪系统、piv测速系统、台架装置、温度采集与控制系统组成；气体混合组件与示踪粒子发生器18通过法兰连接，示踪粒子发生器18与混合气电加热系统通过混合气电加热器连接管17接通，连接处为法兰连接，混合气电加热系统中的混合气电加热器排气管23与分歧管进气管63通过法兰连接，分歧管排气管64与催化转换器组件中的开关阀42通过法兰连接，尾气分析仪34置于台架上，其钳夹式取样探头33夹持在催化转换器组件中的伸长管47上，经伸长管47上的开孔插入伸长管47内，piv测速系统和温度采集与控制系统均置于台架25上方，温度采集与控制系统中的小型裸露k型热电偶48插入催化转换器组件的过渡管43和伸长管47中部；所述气体混合组件由钢瓶、减压阀7、流量控制阀8、尾气混合罐连接管9、尾气混合罐11组成，本发明设有六个单一气体钢瓶，六个减压阀7、六个流量控制阀8，以及六根尾气混合罐连接管9，六个单一气体钢瓶1、2、3、4、5和6内的单一气体分别为一氧化碳、一氧化氮、二氧化氮、甲烷、乙烯和乙炔，每个钢瓶与减压阀7通过螺纹连接，减压阀7与流量控制阀8通过法兰连接，流量控制阀8与尾气混合罐连接管9通过法兰连接，尾气混合罐连接管9与尾气混合罐进气管10通过法兰连接，尾气混合罐连接管9用于连接流量控制阀8与尾气混合罐11，尾气混合罐11由尾气混合罐罐体12、尾气混合罐进气管10、尾气混合罐排气管13以及折流板41组成，折流板41焊接在尾气混合罐11内表面，交叉等距排布在尾气混合罐11内部两侧，用于充分混合多种单一气体，本发明的温度采集与控制系统会按照不同工况下、单一气体在汽车尾气中所占比重精确控制减压阀7与流量控制阀8的开度，六种不同单一气体便按设计压强和设计质量分数进入尾气混合罐11内，经多个折流板41混合后，尾气混合罐排气管13输出实验尾气成分混合气，利用得到的尾气成分混合气代替实验发动机排放的尾气进行模拟实验。

所述混合气电加热系统由温度控制柜40、混合气电加热器20、混合气电加热器鞍座22和混合气电加热器连接管17组成，其中混合气电加热器20由混合气电加热器壳体21、混合气电加热器进气管19、混合气电加热器排气管23组成，混合气电加热器进气管19与混合气电加热器连接管17通过法兰连接，混合气电加热器排气管23与分歧管进气管63通过法兰连接，实验前向温度控制柜40输入本次实验工况下的尾气成分混合气温度，通过温度控制柜40控制，使得混合气电加热器壳体21内部尾气成分混合气温度保持恒定。

所述分歧管组件24由分歧管管体62、分歧管进气管63、分歧管排气管64组成，分歧管进气管63与混合气电加热器排气管23通过法兰连接，分歧管排气管64与催化转换器组件中的开关阀42通过法兰连接，分歧管排气管64有三根，可分别接通三组催化转换器组件。

所述催化转换器组件31由开关阀42、过渡管43、石英卡套、催化转换器45、伸长管47组成，其中，石英卡套有两个，即第一石英卡套44和第二石英卡套46，开关阀42与分歧管排气管64通过法兰连接，开关阀42与过渡管43通过法兰连接，通过打开或关闭开关阀42，本装置可实现单组和多组实验的切换，催化转换器前壳体49与过渡管43通过第一石英卡套44连接，催化转换器后壳体50与伸长管47通过第二石英卡套46连接，过渡管43及伸长管47中部均设有小型裸露k型热电偶48，用以测量催化转换器45进、排气口温度，催化转换器45内部由壳体、衬垫52、载体51及密封环53组成，且催化转换器壳体分为两节，即前壳体49和后壳体50，两节玻璃壳体通过螺纹连接，便于实验结束时旋出两节壳体，进行载体51的更换，连接处设有密封环53，防止漏气，衬垫52置于载体51外表面，并随载体51一同放入后壳体50内，伸长管47尾端设有法兰，用来连接外部管道，实验过程中产生的尾气经外部管道排入大气中，前壳体49、后壳体50材质均为1000摄氏度耐高温透明玻璃，以便所述piv测速系统对催化转换器45内示踪粒子进行拍摄，本发明的三组催化转换器组件31内部结构及连接方式均相同，仅催化转化器45的载体51类型不同，如常规单一载体催化转换器、双载体催化转换器及变孔密度载体催化转换器。

所述尾气分析仪系统由尾气分析仪34、钳夹式取样探头33组成，尾气分析仪34与钳夹式取样探头33通过螺纹连接，钳夹式取样探头33夹持在催化转换器组件31中的伸长管47上，经伸长管47中部的开孔插入伸长管47内，通过尾气分析仪34分析后即可获得催化转换器45出口处的尾气成分，本发明选用的尾气分析仪34为英国凯恩auto52汽车尾气分析仪。

所述piv测速系统由示踪粒子发生器18、同步器37、激光器固定连接装置39、摄像机固定连接装置26组成，其中，激光器固定连接装置39由激光器54、固定钢套55、激光器伸缩杆56、激光器滑动装置57组成，本发明使用的激光器固定连接装置39共三套，摄像机固定连接装置26由摄像机59、固定罩58、摄像机伸缩杆60、摄像机滑动装置61组成，本发明使用的示踪粒子发生器18为双流型雾化器，主要由示踪粒子发生器进气管14、示踪粒子发生器主体15和示踪粒子发生器排气管16组成，本发明采用的示踪粒子为平均直径在2~5μm范围内的二氧化钛粉末，示踪粒子发生器18与混合气电加热器连接管17、尾气混合罐排气管13均通过法兰连接，同步器37分别与计算机35、激光器54、摄像机59通过连接线连接并正常工作，固定罩58内部为空心圆柱状，实验时，摄像机59放入固定罩58内部实现紧固，实验结束后摄像机59可从固定罩58中取下，固定罩58和摄像机滑动装置61通过摄像机伸缩杆60相连，摄像机伸缩杆60可沿水平面伸缩，其左端焊接在固定罩58上，右端焊接在摄像机滑动装置61上，使得固定罩58可沿水平方向移动，同时摄像机滑动装置61具有沿第一轨道方向移动的自由度，操作人员可通过移动摄像机滑动装置61的位置，并调整摄像机伸缩杆60长度来调整摄像机59拍摄的位置；固定钢套55和激光器滑动装置57通过激光器伸缩杆56相连，激光器伸缩杆56可沿水平面伸缩，其左端焊接在固定缸套55上，右端焊接在激光器滑动装置57上，使得固定缸套55可沿水平方向移动，激光器54放在固定钢套55内，激光器滑动装置57具有沿第二轨道方向移动的自由度，故操作人员可通过移动激光器滑动装置57来调整激光器54的位置。

所述台架装置由第一轨道27、第二轨道38、催化转换器鞍座28、混合气电加热器鞍座22、台架25组成，其中催化转换器鞍座28左右两侧各焊有两个矩形环29，使用薄金属片30穿过左右矩形环29可将催化转换器45固定在催化转换器鞍座28上，第一轨道27为u形轨道，催化转换器鞍座28、混合气电加热器鞍座22均通过螺栓固定在台架25上，第一轨道27以及第二轨道38均焊接在台架上。

所述温度采集与控制系统由计算机35、小型裸露k型热电偶48、接线端子板32、数据采集板36组成，计算机35上装有温度采集与显示软件、流量、浓度与压强监控可视化软件，小型裸露k型热电偶48一端设在催化转换器组件的过渡管43及伸长管47中部，用以测量催化转换器45进、排气口温度，小型裸露k型热电偶48另一端连接接线端子板32，接线端子板32和数据采集板36相连，数据采集板36插在计算机35主板上，计算机35通过温度采集与显示软件实时获取催化转换器45进、排气口温度，同时，减压阀7与流量控制阀8通过控制线与计算机35相连，计算机35通过流量、浓度与压强监控可视化软件，按照不同工况下、单一气体在汽车尾气中所占比重精确控制减压阀7与流量控制阀8的开度，从而实现发动机不同运行工况的精确模拟。

结合图1-图7，实验开始前，连接好各装置，打开计算机35，检查计算机35能否进行正常数据采集与压强、流量控制，同时，检查整个装置中各仪器能否正常工作，检查各个管道连接处是否气密可靠，检查各仪器线路是否接触良好，检查催化转换器45内载体51是否换新，调整激光器54照射平面和摄像机59拍摄平面过催化转换器45中心轴线，且激光器54照射平面与摄像机59拍摄平面平行，待检查正常后，向流量、浓度与压强监控可视化软件输入本次实验工况下各钢瓶的输出流量及压强，向温度控制柜40输入本次实验工况下的尾气成分混合气温度，待预热30秒后开始实验。

结合图1-图7，实验装置运行时，开启激光器54和摄像机59，打开六个单一气体钢瓶1、2、3、4、5和6，温度采集与控制系统会按照不同工况下、单一气体在汽车尾气中所占比重精确控制减压阀7与流量控制阀8的开度，使得六种不同单一气体按设计质量分数进入尾气混合罐11内，经多个折流板41混合，尾气混合罐排气管13输出实验尾气成分混合气，尾气成分混合气通过示踪粒子发生器18后将大量示踪粒子均匀散布在混合气电加热器壳体21内进行加热，当尾气成分混合气通过催化转换器45时，温度采集与控制系统通过过渡管43及伸长管47中部的小型裸露k型热电偶48实时获取催化转换器45进、排气口温度，利用摄像机59拍摄示踪粒子位置分布，结合insight图像处理软件，可获得催化转换器45扩张管内的速度场数据，尾气分析仪34可以实时获得伸长管47内气体的成分及其所占比重，当需要测量收缩管时，取下激光器固定连接装置39，将其反方向安装在第二轨道38上，同时，沿第一轨道27移动摄像机固定连接装置26至u形轨道另一边，调整激光器54照射平面与和摄像机59拍摄平面过催化转换器45中心轴线，且激光器54照射平面与摄像机59拍摄平面平行，其余操作与测量扩张管时保持一致。

参见图1、图5及图6，实验结束后，将温度控制柜40、激光器54、摄像机59、尾气分析仪34关闭，待5分钟后关闭六个单一气体钢瓶的气体输出，将尾气混合罐连接管9和尾气混合罐进气管10分开，并向尾气混合罐进气管10中通入空气，使得装置中残余的尾气成分混合气完全排出，以免装置中残余的尾气成分混合气影响下一次实验。若要做不同工况的实验，实验前只需向温度控制柜40输入下次实验工况下的尾气温度，并修改计算机35流量、浓度与压强监控可视化软件中输出压强与流量参数，温度采集与控制系统便可精确控制减压阀7与流量控制阀8的阀门开度，不同工况下其余操作过程均相同。实验结束后，利用tecplot软件对piv测速系统得到的速度场数据进行后处理，可获得催化转换器45扩张管及收缩管内的速度分布，此外，通过拉格朗日方法（或欧拉方法）对piv测速系统得到的速度场数据进行计算，可得到流场中的压强梯度，通过poisson法（或直接空间积分法）对压强梯度进行处理，进而求得催化转换器45扩张管及收缩管内的压强分布，通过比较实验前后各尾气成分混合气组分所占比重，可计算出所述催化转换器45对尾气成分混合气中各单一气体的转化率。

以上所述为本发明专利关于汽油机的实施例而已，但本发明专利不应该局限于该实施例和附图所公开的内容，对于柴油机，亦可根据其尾气成分调整各个钢瓶内单一气体成分或微粒。所以凡是不脱离本发明专利所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明专利保护的范围。