柴油机中低温SCR催化剂测试装置的制作方法

本实用新型涉及的是一种内燃机技术领域的SCR后处理测试装置和测试方法，具体涉及测试柴油机SCR催化剂中低温性能的测试装置及测试方法。

背景技术：

氮氧化物(NOx)是车用柴油机排放的主要染污物，据统计，城市大气中的NOx约有1/4来自柴油机排放。NOx是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是控制环境污染的研究热点。随着近年车用柴油机数量不断增加，各国政府对车用柴油机的排放控制日益严格，仅仅依靠机内净化很难达到未来的排放法规要求，因而需要增加辅助排放装置。选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction.SCR)技术具有安全性高、燃油经济性好、对燃油中硫敏感程度低等优点，被认为是一种可以有效净化NOx，从而达到车用柴油机未来排放要求的方法。在船舶发动机排放控制方面，根据相关法规(如国际海事组织(IMO)的Tier III和国家环保部将发布的《船舶发动机排气污染物排放限值和测量方法(第一、二阶段)》)要求NOx排放量相比TierⅠ阶段降低80％。因此，为了满足排放法规要求，船舶必须采取有效手段降低自身污染物的排放。

SCR后处理装置的核心为反应器内部负载的催化剂，但催化剂在运行过程中会出现热老化、磨损、中毒、开裂等，导致后处理装置效率逐渐降低，因此，催化剂转化效率的测试尤为重要。催化剂的转化效率与发动机的排温、NOx浓度和空速等密切相关，目前商业上应用比较广泛的催化剂适用温度在300～450℃，而中低温SCR是指催化剂的适用范围在150～300℃。随着排放法规的日益严格，柴油机SCR催化剂的中低温特性研究逐渐成为热点，尤其对于船用低速柴油机空速小，温度低的特点。但是目前国内对于中低温SCR催化剂的性能研究主要依靠软件进行模拟仿真，缺乏良好的中低温SCR催化剂的测试平台，尤其对于船用低速机SCR的测试装置非常匮乏，严重影响了我国船用低速机SCR后处理装置的研究进程。

技术实现要素：

本实用新型针对上述现有技术的不足，提供了一种柴油机中低温SCR催化剂测试装置及测试方法，采用两路排气管路，即主排气管和旁通测试排气管，来控制测试SCR装置的排气温度和流量；通过自主研发的数据采集控制系统，可以在宽范围内对尾气的温度、流量、NOx浓度等参数进行稳定调节。该装置研发成本低、周期短，加快了SCR后处理装置的研发速度。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的，本实用新型包括电力测功机、柴油发动机、中冷器、空滤器、进气流量计、涡轮增压器、主排气管、进气管、第一NOx传感器、原车SCR装置、主流量控制阀、水冷换热器、第一温度传感器、换热控制阀、直通控制阀、第二温度传感器、第三温度传感器、尿素喷射装置、尿素泵、加热装置、混合腔、第四温度传感器、第五温度传感器、第二NOx传感器、排气流量计、SCR测试装置、旁通测试管、SCR催化剂、数据采集控制系统、直通支管、换热支管，电力测功机与发动机相连，进气管的出气口与涡轮增压器的进气口相连，主排气管的进气口与涡轮增压器的出气口相连，空滤器、进气流量计依次安装在进气管上，中冷器安装在柴油发动机、涡轮增压器之间的管路上，第一NOx传感器、原车SCR装置、主流量控制阀依次安装在主排气管上，直通支管的进气口与涡轮增压器、原车SCR装置之间的主排气管相连接，直通支管的出气口与混合腔的进气口相连接，直通控制阀安装在直通支管上，换热支管的两端分别与直通控制阀两端的直通支管相连接，换热控制阀、第一温度传感器、水冷换热器、第二温度传感器依次安装在换热支管上，混合腔的出气口与旁通测试管的进气口相连接，第三温度传感器和尿素喷射装置依次安装在混合腔前端，尿素泵与尿素喷射装置相连，SCR测试装置、排气流量计依次安装在旁通测试管上，加热装置和第四温度传感器依次安装在SCR测试装置进口处，第五温度传感器和第二NOx传感器依次安装在 SCR测试装置出口处，SCR催化剂布置在SCR测试装置内；数据采集控制系统通过线束分别与第一NOx传感器、主流量控制阀、第一温度传感器、换热控制阀、直通控制阀、第二温度传感器、第三温度传感器、尿素泵、加热装置、第四温度传感器、第五温度传感器、第二NOx传感器相连接。

进一步地，在本实用新型中，水冷换热器可以调节测试支路一侧的最低温度为 100℃。

更进一步地，在本实用新型中，旁通测试管上装有隔热保温的石棉带，且加热装置的最高加热温度为400℃。

更进一步地，在本实用新型中，混合腔的管径为旁通测试管管径的2倍，且混合腔内部含有混合装置。

更进一步地，在本实用新型中，尿素喷射装置的安装位置距离SCR测试装置入口2m。

更进一步地，在本实用新型中，数据采集控制系统使用二十路数据通道，包括五路温度通道，一路路喷嘴控制通道，一路尿素泵马达控制通道，一路空气电磁阀控制通道，三路流量阀控制通道，三路流量阀位置反馈通道，一路尿素水溶液压力测量通道，一路尿素-空气混合腔喷射压力测量通道，一路尿素水溶液吹扫泄压控制通道，二路NOx浓度测量通道，一路排气流量计测量通道等。

更进一步地，在本实用新型中，SCR测试装置可根据测试催化剂的形状大小来设计改变。

更进一步地，在本实用新型中，自主研发的SCR数据采集控制系统能够有效地控制换热器、加热装置和流量控制阀，且通过排气流量计和温度传感器进行反馈，使其SCR 催化剂的温度调节在100～400℃。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果为：本实用新型设计合理，研发周期短，是一可靠的中低温SCR催化剂的测试装置和测试方法；自主研发的SCR数据采集控制系统能够有效地控制换热器、加热装置和流量控制阀，且通过排气流量计和温度传感器进行反馈，可以在宽范围内对尾气的温度、流量、NOx浓度等参数进行稳定调节，尤其适用于中低温SCR催化剂的性能评价。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

其中：1、电力测功机，2、柴油发动机，3、中冷器，4、空气过滤器，5、进气流量计，6、增压器，7、第一NOx传感器，8、原车SCR装置，9、主排气管，10、主流量控制阀，11、水冷换热器，12、第一温度传感器，13、换热控制阀，14、直通控制阀， 15、第二温度传感器，16、第三温度传感器，17、尿素喷射装置，18、尿素泵，19、加热装置，20、混合腔，21、第四温度传感器，22、第五温度传感器，23、第二NOx传感器，24、排气流量计，25、SCR测试装置，26、旁通测试管，27、SCR催化剂，28、数据采集控制系统，29、进气管，30、直通支管，31、换热支管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施案例

如图1所示，本实用新型包括电力测功机1、柴油发动机2、中冷器3、空滤器4、进气流量计5、涡轮增压器6、主排气管9、进气管29、第一NOx传感器7、原车SCR 装置8、主流量控制阀10、水冷换热器11、第一温度传感器12、换热控制阀13、直通控制阀14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、尿素喷射装置17、尿素泵18、加热装置19、混合腔20、第四温度传感器21、第五温度传感器22、第二NOx传感器23、排气流量计24、SCR测试装置25、旁通测试管26、SCR催化剂27、数据采集控制系统 28、直通支管30、换热支管31，电力测功机1与发动机2相连，进气管29的出气口与涡轮增压器6的进气口相连，主排气管9的进气口与涡轮增压器6的出气口相连，空滤器4、进气流量计5依次安装在进气管29上，中冷器3安装在柴油发动机2、涡轮增压器6之间的管路上，第一NOx传感器7、原车SCR装置8、主流量控制阀10依次安装在主排气管9上，直通支管30的进气口与涡轮增压器6、原车SCR装置8之间的主排气管 9相连接，直通支管30的出气口与混合腔20的进气口相连接，直通控制阀14安装在直通支管30上，换热支管31的两端分别与直通控制阀14两端的直通支管30相连接，换热控制阀13、第一温度传感器12、水冷换热器11、第二温度传感器15依次安装在换热支管31上，混合腔20的出气口与旁通测试管26的进气口相连接，第三温度传感器16 和尿素喷射装置17依次安装在混合腔20前端，尿素泵18与尿素喷射装置17相连，SCR 测试装置25、排气流量计24依次安装在旁通测试管26上，加热装置19和第四温度传感器21依次安装在SCR测试装置25进口处，第五温度传感器22和第二NOx传感器23 依次安装在SCR测试装置25出口处，SCR催化剂27布置在SCR测试装置25内；数据采集控制系统28通过线束分别与第一NOx传感器7、主流量控制阀10、第一温度传感器 12、换热控制阀13、直通控制阀14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、尿素泵 18、加热装置19、第四温度传感器21、第五温度传感器22、第二NOx传感器23相连接；混合腔20的管径为旁通测试管26管径的2倍，且混合腔20内部含有混合装置；尿素喷射装置17的安装位置距离SCR测试装置25入口2m。

在本实用新型的工作过程中，采用两路排气管：主排气管9和旁通测试排气管26，来控制测试支路一侧的流量和温度，通过调节发动机不同的工况点，能够有效地在宽范围内对尾气的温度、流量、NOx浓度等参数进行稳定调节。装置中通过主流量控制阀10、换热控制阀13、直通控制阀14来控制支路的流量和温度，阀的开启大小通过第一温度传感器12、第二温度传感器15、第三温度传感器16、第四温度传感器21、第五温度传感器22和安装在支路一侧的排气流量计24进行反馈。第一NOx传感器7、第二NOx传感器23用以监测催化剂对NOx的转化效率，其中第一NOx传感器7安装在排气总管前端，用来监测转化前的NOx浓度；第二NOx传感器23安装在催化器后，用来监测转化后NOx的浓度。

为了实现对尿素水溶液流量的精确控制，本实用新型中自主研发了一套SCR数据采集控制系统28，能够实现排气流量调节、温度调节和NOx浓度调节。数据采集控制系统 28使用二十路数据通道，包括五路温度通道，一路路喷嘴控制通道，一路尿素泵马达控制通道，一路空气电磁阀控制通道，三路流量阀控制通道，三路流量阀位置反馈通道，一路尿素水溶液压力测量通道，一路尿素-空气混合腔喷射压力测量通道，一路尿素水溶液吹扫泄压控制通道，二路NOx浓度测量通道，一路排气流量计测量通道。

空气通过空气过滤器4、进气流量计5进入发动机增压器6进口，然后通过中冷器 3进入发动机2，通过电力测功机1能够调节发动机2的不同工况点。

发动机2产生的尾气经排气歧管出来后，一路流经带有原台架SCR装置8和主流量阀10的排气总管9，一路流经装有换热器11、混合腔20、加热装置19、SCR测试装置 25和排气流量计24的旁通测试管26。

确定好测试点后，通过调节发动机的工况达到转化前设定的NOx浓度，由第一NOx 传感器7反馈；通过调节三个流量阀的开启大小，调节到所需的温度和空速。待NOx浓度、温度和空速确定后，按照事先标定好的尿素喷射周期和喷射脉宽，驱动电路驱动计量阀动作，尿素水溶液与雾化空气混合经喷嘴进入排气管。为了更好地将喷射后的尿素水溶液与尾气进行混合，本实用新型中加装了一个带有静态混合器的大口径混合腔20。在排气管中尿素水溶液经蒸发、热解以及水解一系列的物理化学反应后部分或全部分解成氨气(NH3)和水(H20)并与排气充分混合，然后进入SCR测试装置25。在SCR催化剂 27的催化作用下，氨气与NOx迅速反应生成氮气(N2)和水(H20)，随排气经过装有排气流量计24的排气管排入大气。

因此，本实用新型适用于与柴油机中低温SCR催化剂的各式测试实验，特别是有关于船用低速柴油机SCR催化剂的性能测试、快速老化测试。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。