一种颗粒物沉积路径实验台及实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种颗粒物沉积路径实验台及实验方法，实验台包括ECU、可变长度EGR冷却器和EGR出气管；EGR出气管上设置有流量计；冷却器进气管上设置有进气端颗粒物分析仪、进气温度传感器和进气压力传感器；冷却器出气管上设置有出气端颗粒物分析仪；可变长度EGR冷却器包括冷却液循环管和换热芯管，冷却液循环管连接到冷却液恒温设备，冷却液进水管上设置有进水温度传感器，换热芯管两端分别与冷却器进气管和冷却器出气管连通。本发明能够测试出各粒径范围颗粒物在换热管中的沉积路径，以及颗粒物沉积路径与压降和换热效率的对应关系，为冷却器性能提高的研究工作提供了有力的方向和支持。
【专利说明】
一种颗粒物沉积路径实验台及实验方法
技术领域
[0001] 本发明涉及内燃机废气再循环技术领域，具体为一种颗粒物沉积路径实验台及实 验方法。
【背景技术】
[0002] 废气再循环EGR技术是解决柴油机NOx和PM排放的关键技术之一，经冷却后的EGR 在NOx和PM排放以及发动机经济性方面能够实现更好的折衷选择。在EGR气体经过冷却器 时，排气当中所含的soot会在热泳力、扩散、静电力和凝结等作用下沉积到EGR冷却器的换 热元件表面而形成积碳，积碳的存在会导致EGR中冷换热效率下降达20-30%，进而导致发 动机NOx和PM排放以及经济性变差。在soot所受的几种作用力中热泳力为主要作用力，根据 热泳力的相关原理不同粒径的颗粒物所受的热泳力大小不同，因此不同粒径的颗粒物在冷 却器中沉积的位置和数量即颗粒物的沉积路径是不同的，通过测试EGR冷却器中不同粒径 颗粒物的沉积路径和颗粒物沉积路径对EGR冷却器性能的影响规律经对提高EGR冷却换热 性能具有很重要的价值。
【发明内容】
[0003] 基于上述原因本发明的目的在于提供一种能够测试内燃机EGR冷却器中颗粒物沉 积路径和EGR冷却器性能参数的实验台及实验方法，技术方案如下：
[0004] 一种颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，包括ECU、可变长度EGR冷却器和用于连 接到发动机排气总管的EGR进气管;EGR进气管通过冷却器进气管连接到可变长度EGR冷却 器的进气口，可变长度EGR冷却器的出气口通过冷却器出气管连接到EGR出气管，EGR出气管 上设置有流量计和EGR背压阀;冷却器进气管上设置有进气端颗粒物分析仪、进气温度传感 器和进气压力传感器;冷却器出气管上设置有出气端颗粒物分析仪、出气温度传感器和出 气压力传感器;所述可变长度EGR冷却器包括冷却液循环管和设置在其内部的换热芯管，冷 却液循环管侧壁上设置有分别连接到冷却液恒温设备的冷却液进水管和冷却液出水管，冷 却液进水管上设置有进水温度传感器;换热芯管两端分别与冷却器进气管和冷却器出气管 连通;流量计、EGR背压阀、进气端颗粒物分析仪、出气端颗粒物分析仪、进气温度传感器、出 气温度传感器、进水温度传感器、进气压力传感器、出气压力传感器和冷却液恒温设备都连 接到ECU。
[0005] 进一步的，所述冷却器进气管上设置有进气端气体分析仪，冷却器出气管上设置 有出气端气体分析仪;进气端气体分析仪和出气端气体分析仪都连接到ECU。
[0006] 更进一步的，所述冷却液循环管两端各密封设置有换热芯连接头，所述换热芯管 贯穿并固定在两换热芯连接头间;两换热芯连接头分别通过冷却器盖连接到冷却器进气管 和冷却器出气管。
[0007] 更进一步的，所述EGR进气管通过EGR进气管快接头连接到冷却器进气管，所述EGR 出气管通过EGR出气管快接头连接到冷却器出气管。
[0008] 更进一步的，所述冷却液进水管上还设置有冷却液流量阀，冷却液流量阀也连接 至 IJECU。
[0009] -种颗粒物沉积路径实验台的实验方法，包括：
[0010] 通过流量计采集EGR气体的流量；
[0011] 通过进水温度传感器采集冷却液进入可变长度EGR冷却器前的温度T_琎；
[0012] 通过进气温度传感器采集EGR废气进入可变长度EGR7令却器前的温度Te_;
[0013] 分别通过进气端颗粒物分析仪和出气端颗粒物分析仪采集EGR废气进入可变长度 EGR冷却器前和排出可变长度EGR冷却器后的各粒径范围颗粒物的数量；
[0014] 分别计算各粒径范围颗粒物的减少率；
[0015]记录某粒径范围颗粒物减少率超过90%时对应的换热管的长度；
[0016]该长度则为该粒径范围颗粒物在当前EGR气体流量、当前冷却液注入温度、当前 EGR进气口温度下的沉积路径。
[0017]进一步的，包括：
[0018] 通过出气温度传感器采集EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的温度Teg拙；
[0019]计算单位长度换热管的换热效率n:
[0021] 其中，L为换热芯管的长度，n为换热芯管的根数；
[0022] 记录单位长度换热管的换热效率与各粒径范围颗粒物的沉积路径的对应关系。 [0023]更进一步的，包括：
[0024] 分别通过进气压力传感器、出气压力传感器采集EGR废气进入可变长度EGR冷却器 前的压力P进和EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的压力P出；
[0025]计算单位长度换热芯管的压降A P:
[0027]记录单位长度换热管的压降与各粒径范围颗粒物的沉积路径与的对应关系。
[0028]更进一步的，包括：
[0029]分别通过进气端气体分析仪和出气端气体分析仪采集EGR废气进入可变长度EGR 冷却器前和排出可变长度EGR冷却器后的总碳氢的含量，计算总碳氢含量的减少量;记录总 碳氢含量的减少量与各粒径范围颗粒物的沉积路径与的对应关系。
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] 1.本发明能够通过测量并对比EGR冷却器进、出气端颗粒物排放，测试出颗粒物在 换热管中的沉积粒径和尺寸分布，即颗粒物的沉积路径，为冷却器性能提高的研究工作提 供了有力的方向和支持；
[0032] 2.本发明能够通过进气压力传感器和出气压力传感器测试出不同长度换热芯管 的EGR冷却器进、出气压力，用于研究不同粒径范围颗粒物沉积对EGR冷却器压降的影响规 律；
[0033] 3.本发明能够通过进气温度传感器、出气温度传感器和进水温度传感器测试不同 长度换热芯管的EGR冷却器的进、出气温度和EGR冷却液进水温度，分析换热芯管长度和颗 粒物沉积路径的对应关系，用于研究不同粒径范围颗粒物沉积对EGR冷却器换热效率的影 响规律；
[0034] 4.本发明能够通过气体分析仪分析进出口总碳氢的减少量和颗粒物沉积路径的 相互影响规律；
[0035] 5.本发明可通过流量计和背压阀控制EGR废气的气体流量，可通过冷却液流量阀 控制冷却液的流量；
[0036] 6.本发明可变长度EGR冷却器采用可拆卸式换热芯管，可以无损更换换热芯管的 长度，研究换热芯管长度对颗粒物的沉积路径、换热效率、压降的影响规律。
【附图说明】
[0037]图1为本发明颗粒物沉积路径实验台的结构示意图。
[0038]图2为本发明颗粒物沉积路径实验台中可变长度EGR冷却器的结构示意图。
[0039] 图3为本发明颗粒物沉积路径实验台控制系统连接示意图。
[0040] 图中：1-发动机排气总管;2-EGR进气管;3-进气端气体取样管;4-进气端气体分析 仪;5-可变长度EGR冷却器;6-出气端气体分析仪;7-出气端气体取样管;8-EGR出气管;9-流 量计；10-EGR背压阀；11-EGR出气管快接头；12-出气温度传感器；13-出气压力传感器；14-出气端颗粒物取样管；15-出气端颗粒物分析仪；16-进水温度传感器；17-冷却液流量阀； 18-冷却液进水管；19-冷却液恒温设备;20-冷却液出水管;21-冷却液栗;22-出水温度传感 器;23-进气端颗粒物分析仪;24-进气端颗粒物取样管;25-进气温度传感器;26-进气压力 传感器;27-EGR进气管快接头;51-冷却器进气管;52-冷却器出气管;53-冷却器盖;54-热芯 连接头;55-换热芯管;56-冷却液循环管。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0042] 如图1所示，一种颗粒物沉积路径实验台，包括ECU、可变长度EGR冷却器5和用于连 接到发动机排气总管1的EGR进气管2;EGR进气管2通过冷却器进气管51连接到可变长度EGR 冷却器5的进气口，可变长度EGR冷却器5的出气口通过冷却器出气管52连接到EGR出气管8， EGR出气管8上设置有流量计9和EGR背压阀10;冷却器进气管51上设置有进气端气体分析仪 4、进气端颗粒物分析仪23、进气温度传感器25和进气压力传感器26;冷却器出气管52上设 置有出气端气体分析仪、出气端颗粒物分析仪15、出气温度传感器12和出气压力传感器13。 [0043] 如图2所示，可变长度EGR冷却器5包括冷却液循环管56和设置在其内部的换热芯 管55,冷却液循环管56侧壁上设置有分别连接到冷却液恒温设备19的冷却液进水管18和冷 却液出水管20,冷却液进水管18上设置有进水温度传感器16;换热芯管55两端分别与冷却 器进气管51和冷却器出气管52连通。所述冷却液循环管56两端各密封设置有换热芯连接头 54,所述换热芯管55贯穿并固定在两换热芯连接头54间；两换热芯连接头54分别通过冷却 器盖53连接到冷却器进气管51和冷却器出气管52。该EGR冷却器采用可拆卸式换热芯管55， 可以无损更换换热芯管55的长度，研究换热芯管长度对颗粒物的沉积路径、换热效率、压降 的影响规律。
[0044] 如图3所示，流量计9、EGR背压阀10、出气端气体分析仪4、出气端气体分析仪6、进 气端颗粒物分析仪23、出气端颗粒物分析仪15、进气温度传感器25、出气温度传感器12、进 水温度传感器16、进气压力传感器26、出气压力传感器13和冷却液恒温设备19都连接到 ECU。
[0045] 本实施例的冷却液进水管18上还设置有冷却液流量阀17，冷却液流量阀17也连接 到E⑶，通过ECE控制冷却液进入EGR冷却器的流量。
[0046]本实施例的EGR进气管2通过EGR进气管快接头27连接到冷却器进气管51，EGR出气 管8通过EGR出气管快接头11连接到冷却器出气管52。该结构使实验台安装和拆卸快捷方 便。
[0047] 进水温度传感器16的温度信号直接发送给ECU，ECU通过比较进水温度传感器16的 温度值与目标值，控制冷却液恒温设备19,使进入可变长度EGR冷却器5的冷却液温度恒定。 [0048]流量计9采集再循环气体流量并将信号传给所述ECU与预设值比较，进而将控制信 号传给EGR背压阀10控制其开度，从而保持流量恒定。
[0049]根据实验需要选择合适的所述换热芯管并安装好后，实验台连续运行一段时间， 通过对比中冷器前后的颗粒物粒径，即可知道哪些粒径的颗粒物减少了，减少了的即是沉 积在中冷器中的，以此便可判断沉积在中冷器中的颗粒物粒径，然后相应的改变换热芯管 的长度，重复实验，当某一粒径范围的颗粒物减少率超过90%时，即认为该粒径范围的颗粒 物已全部沉积，此时的换热芯管的长度就是在当前的EGR气体流量(流速）、冷却液温度、EGR 气体进口温度、换热管管径的情况下该粒径范围的颗粒物的沉积路径，也即颗粒物在换热 芯管轴向沉积所需的最短距离，在此距离内，该粒径范围的颗粒物能完全沉积在换热管中。 然后改变工况，重复上述步骤。以此方式找出换热管在不同EGR气体流量(流速）、冷却液温 度、EGR气体进口温度、换热管管径的工况下的颗粒物沉积路径。
[0051 ]具体实验方法如下：
[0052]通过流量计采集EGR气体的流量；
[0053] 通过进水温度传感器采集冷却液进入可变长度EGR冷却器前的温度T_琎；
[0054] 通过进气温度传感器采集EGR废气进入可变长度EGR冷却器前的温度Teg_;
[0055] 分别通过进气端颗粒物分析仪和出气端颗粒物分析仪采集EGR废气进入可变长度 EGR冷却器前和排出可变长度EGR冷却器后的各粒径范围颗粒物的数量；
[0056] 分别计算各粒径范围颗粒物的减少率；
[0057]记录某粒径范围颗粒物减少率超过90%时对应的换热管的长度；
[0058] 该长度则为该粒径范围颗粒物在当前EGR气体流量、当前冷却液注入温度、当前 EGR进气口温度下的沉积路径。
[0059] 进一步的实验步骤为，通过改变冷却液的温度来改变冷却器的换热率，进而分析 出颗粒物沉积路径对EGR冷却器换热效率的影响规律。具体为：
[0060] 通过出气温度传感器采集EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的温度TEG拙；
[0061]计算单位长度换热管的换热效率n，并将信号传给所述显示器，使单位长度换热芯 管换热效率可以实时显示。
[0063]其中，L为换热芯管的长度，n为换热芯管的根数。
[0064]根据前述实验步骤取得各粒径范围颗粒物相应的沉积路径，然后记录单位长度换 热管的换热效率与各粒径范围颗粒物的沉积路径的对应关系，通过对比分析颗粒物沉积路 径和单位长度换热芯管换热效率的变化就可以找出颗粒物沉积路径对EGR冷却器换热效率 的影响规律。
[0065]进一步的实验步骤为，通过改变EGR废气进入冷却器的压力来改变单位长度换热 芯管压降，进而分析出颗粒物沉积路径对EGR冷却器单位长度换热芯管压降的影响规律。具 体为：
[0066] 分别通过进气压力传感器、出气压力传感器采集EGR废气进入可变长度EGR冷却器 前的压力P进和EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的压力P出；
[0067]计算单位长度换热芯管的压降A P，并将信号传给所述显示器，使单位长度换热芯 管压降可以实时显示。
[0069] 根据前述实验步骤取得各粒径范围颗粒物相应的沉积路径，然后记录单位长度换 热管的压降与各粒径范围颗粒物的沉积路径与的对应关系，通过对比分析颗粒物沉积路径 和单位长度换热芯管压降的变化就可以找出颗粒物沉积路径对EGR冷却器单位长度换热芯 管压降的影响规律。
[0070] 进一步的实验步骤为，分别通过进气端气体分析仪和出气端气体分析仪采集EGR 废气进入可变长度EGR冷却器前和排出可变长度EGR冷却器后的总碳氢的含量，并将信号传 给所述显示器，计算总碳氢含量的减少量。然后记录总碳氢含量的减少量与各粒径范围颗 粒物的沉积路径与的对应关系，通过对比分析颗粒物沉积路径和总碳氢含量的减少量的变 化就可以找出颗粒物沉积路径对总碳氢含量的减少量的影响规律。
[0071] 总之，当某粒径范围颗粒物完全沉积时对应的压降、换热效率，即为尺寸颗粒物当 前沉积路径时的换热效率和压降，通过对比不同沉积路径对应的换热效率和压降就可以分 析、总结出颗粒物沉积路径与压降和换热效率的对应关系，即规律。
【主权项】
1. 一种颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，包括ECU、可变长度EGR冷却器（5)和用于 连接到发动机排气总管（1)的EGR进气管（2) ;EGR进气管(2)通过冷却器进气管(51)连接到 可变长度EGR冷却器(5)的进气口，可变长度EGR冷却器巧）的出气口通过冷却器出气管巧2) 连接至化GR出气管(8)，EGR出气管(8)上设置有流量计(9)和EGR背压阀（10);冷却器进气管 (51)上设置有进气端颗粒物分析仪(23)、进气溫度传感器(25)和进气压力传感器(26);冷 却器出气管巧2)上设置有出气端颗粒物分析仪（15)、出气溫度传感器(12)和出气压力传感 器（13);所述可变长度EGR冷却器（5)包括冷却液循环管（56)和设置在其内部的换热忍管 (55)，冷却液循环管（56)侧壁上设置有分别连接到冷却液恒溫设备（19)的冷却液进水管 (18)和冷却液出水管（20)，冷却液进水管（18)上设置有进水溫度传感器（16);换热忍管 (55)两端分别与冷却器进气管(51)和冷却器出气管巧2)连通;流量计(9)、EGR背压阀（10)、 进气端颗粒物分析仪(23)、出气端颗粒物分析仪(15)、进气溫度传感器(25)、出气溫度传感 器（12)、进水溫度传感器（16)、进气压力传感器(26)、出气压力传感器（13)和冷却液恒溫设 备（19)都连接到ECU。2. 根据权利要求1所述的颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，所述冷却器进气管(51) 上设置有进气端气体分析仪(4)，冷却器出气管(52)上设置有出气端气体分析仪(6);进气 端气体分析仪(4)和出气端气体分析仪(6)都连接到ECU。3. 根据权利要求1所述的颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，所述冷却液循环管(56) 两端各密封设置有换热忍连接头（54)，所述换热忍管（55)贯穿并固定在两换热忍连接头 (54)间；两换热忍连接头巧4)分别通过冷却器盖(53)连接到冷却器进气管(51)和冷却器出 气管(52)。4. 根据权利要求1所述的颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，所述EGR进气管(2)通过 EGR进气管快接头(27)连接到冷却器进气管(51 )，所述EGR出气管(8)通过EGR出气管快接头 (11)连接到冷却器出气管(52)。5. 根据权利要求1所述的颗粒物沉积路径实验台，其特征在于，所述冷却液进水管（18) 上还设置有冷却液流量阀（17)，冷却液流量阀（17)也连接到ECU。6. -种如权利要求1所述的颗粒物沉积路径实验台的实验方法，其特征在于，包括： 通过流量计采集EGR气体的流量； 通过进水溫度传感器采集冷却液进入可变长度EGR冷却器前的溫度T。。。地； 通过进气溫度传感器采集EGR废气进入可变长度EGR冷却器前的溫度Tecrjs; 分别通过进气端颗粒物分析仪和出气端颗粒物分析仪采集EGR废气进入可变长度EGR 冷却器前和排出可变长度EGR冷却器后的各粒径范围颗粒物的数量； 分别计算各粒径范围颗粒物的减少率； 记录某粒径范围颗粒物减少率超过90%时对应的换热管的长度； 该长度则为该粒径范围颗粒物在当前EGR气体流量、当前冷却液注入溫度、当前EGR进 气口溫度下的沉积路径。7. 根据权利要求6所述的颗粒物沉积路径实验台的实验方法，其特征在于，包括： 通过出气溫度传感器采集EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的溫度Tecr出； 计算单位长度换热管的换热效率n:其中，L为换热忍管的长度，n为换热忍管的根数； 记录单位长度换热管的换热效率与各粒径范围颗粒物的沉积路径的对应关系。8. 根据权利要求6所述的颗粒物沉积路径实验台的实验方法，其特征在于，包括： 分别通过进气压力传感器、出气压力传感器采集EGR废气进入可变长度EGR冷却器前的 压力P进和EGR废气排出可变长度EGR冷却器后的压力P出； 计算单位长度换热忍管的压产A n记录单位长度换热管的压降与各粒位疆围微粒物的沉积路径与的对应关系。9. 根据权利要求6所述的颗粒物沉积路径实验台的实验方法，其特征在于，包括： 分别通过进气端气体分析仪和出气端气体分析仪采集EGR废气进入可变长度EGR冷却 器前和排出可变长度EGR冷却器后的总碳氨的含量，计算总碳氨含量的减少量;记录总碳氨 含量的减少量与各粒径范围颗粒物的沉积路径与的对应关系。
【文档编号】G01N15/04GK105910966SQ201610451432
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】田维, 张洵, 刘智, 李鑫
【申请人】西华大学