專利名稱：測試催化式排氣凈化器耐用性的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種用于測試在模擬的汽車長時間駕駛發(fā)生的狀況下汽車催化式排氣凈化器的性能的裝置和方法。
背景技術：
汽車催化式排氣凈化器是一包含在排氣總管和消音器之間的汽車排氣系統(tǒng)中的排氣控制裝置。催化式排氣凈化器包含一個或多個諸如基于鉑、鈀，或銠之類的催化劑，它們降低碳氫化合物(HC)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)在廢氣中的水平，由此，減小從車輛排放到大氣中的污染物。在典型的市場上銷售的催化式排氣凈化器中，廢氣中的HC和CO氧化生成二氧化碳(CO2)和水，而NOx還原成氮、二氧化碳和水。
由于最近規(guī)章的發(fā)端，現(xiàn)要求包括催化式排氣凈化器的汽車排放控制裝置具有較長的使用壽命。例如，美國環(huán)境保護署(EPA)在1996的40C.F.R.86.094-2中將汽車排放控制元件必須起作用的英里里程數(shù)從50,000提高到100,000英里。由于引入到典型的汽車內(nèi)燃機廢氣內(nèi)的成分對于排氣凈化器內(nèi)的催化器起作一毒物作用，所以，該要求對催化式排氣凈化器提出了嚴峻的要求。
為了推定潛在的催化式排氣凈化器催化劑毒物的作用，必須要求有一測試裝置和程序，其對會影響催化劑性能的各個可變物的長期作用作出評價。傳統(tǒng)上，一直使用一內(nèi)燃機來作這樣的評估，然而，這樣的裝置一致性差，維護強度大，以及操作費用高。此外，這樣一裝置不便于分離諸如燃料組分和油組分作用的諸可變物的評估。再者，發(fā)動機的油耗隨發(fā)動機的年齡、運行溫度、速度，以及難于控制的其它變量而變化。
需要有一克服上述不足的測試裝置和試驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明提供一用于老化一催化式排氣凈化器的裝置，其包括催化式排氣凈化器裝置；與所述催化式排氣凈化器裝置流體連通的燃燒裝置；與所述燃燒裝置流體連通的燃料噴射裝置；以及與所述催化式排氣凈化器裝置流體連通的潤滑油噴射裝置。該裝置還較佳地包括數(shù)據(jù)采集裝置；與所述燃燒裝置流體連通的空氣供應裝置；以及，與所述燃燒裝置流體連通的熱交換器裝置。
另一方面，本發(fā)明提供一用于老化一催化式排氣凈化器的裝置，其包括一燃燒器，其適于提供輸送流的基本上連續(xù)的配比燃燒并產(chǎn)生一廢氣產(chǎn)物；一與所述燃燒器流體連通的燃料噴射系統(tǒng)；一與所述廢氣產(chǎn)物流體連通的催化式排氣凈化器；以及，一與所述催化式排氣凈化器流體連通的潤滑油噴射系統(tǒng)。在一優(yōu)選的實施例中，裝置還包括一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其適于提供基本上連續(xù)的燃料計量控制，以及較佳地對催化劑安全提供基本上連續(xù)的監(jiān)視。
較佳地，燃燒器包括一漩渦板裝置。在一優(yōu)選的實施例中，該漩渦板裝置是一漩渦穩(wěn)定的燃燒器。該漩渦穩(wěn)定燃燒器較佳地包括一充氣室；一燃燒管；以及分離所述充氣室和包括一空氣輔助的燃料噴射噴頭組件裝置的所述燃燒管的漩渦板。
在另一方面，漩渦穩(wěn)定燃燒器包括一充氣室；一限定一鉆孔的燃燒管；以及，一分離所述充氣室和所述燃燒管的漩渦板，所述漩渦板適于形成一凹陷圓錐型式和沿所述燃燒管的旋渦流，所述燃燒管形成沿所述鉆孔的至少一個流道，較佳地至少三個流道。在此實施例中，漩渦板較佳地包括一與空氣供應裝置和燃料供應裝置流體連通的空氣輔助的燃料噴射噴頭組件。該空氣供應裝置和燃料供應裝置較佳地適于提供一霧化的燃料到所述燃燒裝置。由漩渦板產(chǎn)生的型式較佳地以基本上與燃燒器內(nèi)直徑相等的間距凹陷和膨脹。在本文所述的實施例中，燃燒器的內(nèi)直徑約為4英寸，所以，由漩渦板產(chǎn)生的型式較佳地以約4英寸的間距凹陷和膨脹。裝置較佳地包括至少一個與所述至少一個流道流體連通的點火器，較佳地，與三個流道的各個流道流體連通的至少一個點火器。潤滑劑噴射系統(tǒng)較佳地適于提供霧化的潤滑劑的噴射，其中包括具有充分小直徑的、暴露在所述燃燒器中即自行蒸發(fā)的霧滴。在一優(yōu)選的實施例中，霧滴的直徑約為80微米或不到，較佳地約為20微米或不到。
在另一方面，本發(fā)明提供一產(chǎn)生連續(xù)的汽車燃料配比燃燒的燃燒器。該燃燒器包括一充氣室；一燃燒管；以及一分離所述充氣室和包括一空氣輔助的燃料噴射噴頭組件裝置的所述燃燒管的漩渦板。一較佳的燃燒器是如上所述的漩渦穩(wěn)定的燃燒器。
附圖的簡要說明

圖1示出系統(tǒng)的一實施例的示意圖。
圖2A是適用于本發(fā)明的一燃燒器的優(yōu)選實施例的視圖。
圖2B是燃燒器圈出部分的特寫圖。
圖3A是一漩渦板的前視圖，漩渦板給予進入燃燒器的燃燒部分的空氣以要求的漩渦運動。
圖3C是圖3A的漩渦板的后視圖。
圖3B、3D和3E是通過圖3A和3C的漩渦板的截面圖。
圖4A是示出一適用于本發(fā)明的熱交換器的實施例的局部剖視圖。
圖4B是相對于圖4A的視圖約轉過90°的熱交換器的另一部分的局部剖視圖。
圖5A是一適用于本裝置的空氣輔助的燃料噴射噴頭的一實施例的分解視圖。
圖5B是圖5A的空氣輔助燃料噴射噴頭的陽配件突緣端的前視圖，示出空氣噴射孔的結構。
圖5C是圖5B的空氣輔助燃料噴射噴頭的相對端的前視圖。
圖5D是一優(yōu)選的空氣輔助燃料噴射噴頭的視圖。
圖5E是圖5D的空氣輔助燃料噴射噴頭的陽配件突緣端的前視圖。
圖5F是圖5D的空氣輔助燃料噴射噴頭的相對端的前視圖。
圖6A是示出適用于本發(fā)明的一油噴射系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的視圖。
圖6B是圖6A的油噴射噴頭的分解圖。
圖7是適用于本系統(tǒng)的一數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的方框圖。
圖8是SMD為20微米的霧滴分布中的不同大小霧滴的霧滴軌線的圖表(實例1)。
圖9是一圖表，示出用于本系統(tǒng)(50SCFM)和福特4.6L，V-8發(fā)動機(50SCFM，1500rpm，90 lb-ft，無EGR)的測量的未凈化廢氣的濃度，兩者在同批的CA PhaseII燃料上，以及在略微貧瘠和略微富有的廢氣A/F上操作。
圖10是用來保持催化劑入口溫度的一閉式環(huán)路風扇控制的邏輯示意圖。
圖11示出與發(fā)動機相比擬的FOCASTM上的RAT-A模擬。
圖12示出對于平均的發(fā)動機和燃燒器老化的催化劑的FTP性能退化的比較。
圖13示出未老化和已老化催化劑的THC凈化效率，其由基于發(fā)動機的催化劑性能評價臺架測得。
圖14是FTP驅動循環(huán)的505和867狀態(tài)的速度對時間的圖示。
圖15示出老化前后模態(tài)THC排放。
圖16示出按催化劑和老化編組的平均FTP排放。
圖17示出對于平均的發(fā)動機和燃燒器老化的催化劑的FTP性能退化的比較。
圖18示出用于燃燒器系統(tǒng)的控制軟件的面板。
圖19示出在發(fā)動機臺架上和在燃燒器臺架上操作的RAT-A循環(huán)過程中的催化劑床的溫度。
圖20示出預示燃料/空氣流與燃燒器壁沖擊的示意圖。
圖21示出作為空氣輔助噴射角的函數(shù)的燃料在燃燒器上噴霧沖擊的計算值。
圖22示出冷起動，bag-1的結果燃燒器和發(fā)動機老化催化劑。
圖23示出在冷起動過程中，老化前后的累積的THC質量。
圖24示出在冷起動過程中，老化前后的累積的NOx質量。
圖25示出根據(jù)老化類型，催化劑和老化時間的THC排放。
圖26示出根據(jù)老化類型，催化劑和老化時間的NMHC排放。
圖27示出根據(jù)老化類型，催化劑和老化時間的NOx排放。
圖28示出根據(jù)老化類型，催化劑和老化時間的CO排放。
圖29示出在FTP冷起動狀態(tài)過程中測得的質量排放。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一試驗裝置，其產(chǎn)生一成分和溫度對應于由汽車內(nèi)燃機產(chǎn)生的成分和溫度的模擬的廢氣。如果需要的話，可在廢氣中添加精確的潤滑油量。該裝置和方法適合用來老化一汽車催化式排氣凈化器，或如果要求的話，老化一在模擬延長的駕駛條件下的小尺寸芯催化式排氣凈化器。該裝置快捷地和精確地產(chǎn)生在模擬的延長運行的時間段內(nèi)來自發(fā)動機燃料和/或潤滑油的添加劑和污染物對一全尺寸催化式排氣凈化器壽命的作用。該裝置能產(chǎn)生一老化的催化式排氣凈化器，其可在實際的車輛上進行性能試驗。
如在本文中采用的術語“汽車催化式排氣凈化器”，或“催化式排氣凈化器”，是指一全尺寸的排氣控制裝置，其適合于包含在排氣總管和消音器之間的汽車排氣系統(tǒng)中。如在本文中采用的術語“延長的駕駛條件”是指至少50,000車輛英里，且較佳地至少為100,000車輛英里。
如本文所說明的，本發(fā)明允許同時地或單獨地確定在模擬的延長運行的時間段內(nèi)汽車燃料和/或潤滑油中的添加劑和污染物對一催化式排氣凈化器壽命的作用。此外，本發(fā)明能夠產(chǎn)生一適用于在實際車輛上進行試驗的老化的催化式排氣凈化器的催化劑。
汽車燃料和潤滑油的各種成分可促使催化式排氣凈化器中的催化劑劣化或毒化。例如，眾所周知，由于作為抗爆化合物而添加到汽油中的四乙鉛是已知的催化劑毒物，所以，含鉛汽油可致使催化劑中毒。此外，如果內(nèi)燃機的燃料和潤滑油系統(tǒng)中的其它的成分通過發(fā)動機并成為廢氣的一種組分，則它們也可起作催化劑毒物。例如，如果燃料中存在有硫，則其可以作為催化劑毒物存在于廢氣中。此外，如果磷和鋅存在于發(fā)動機潤滑油中，則它們可以作為催化劑毒物存在于廢氣中。
本發(fā)明提供一獨特的裝置和使用該裝置的方法，其能分離燃料和油的作用，允許精確地控制各個變量。本發(fā)明提供一由汽油或其它燃料燃燒排出的無油廢氣，燃料諸如有汽油；合成汽油；柴油；由煤、泥煤或類似材料產(chǎn)生的液化燃料；甲醇；壓縮天然氣；或液化石油氣。排氣管設置有精確的空氣到燃料比控制，和一單獨的霧化油系統(tǒng)，以便以不同的消耗率和氧化狀態(tài)最后隔絕燃料和潤滑劑的作用。該裝置能夠在不同的條件下進行操作，允許模擬發(fā)動機運行的各種模式，例如，冷起動、穩(wěn)態(tài)配比、貧瘠、富含、循環(huán)波動，等。
該裝置包括(1)一空氣供應系統(tǒng)，其提供燃燒用的空氣到燃燒器，(2)一燃料系統(tǒng)，其提供燃料到燃燒器，(3)一燃燒器系統(tǒng)，其燃燒空氣和燃料的混合物，并提供合適的廢氣組分，(4)一熱交換器，其控制廢氣的溫度，(5)一油噴射系統(tǒng)，以及(6)一計算機控制系統(tǒng)。
空氣供應系統(tǒng)現(xiàn)參照諸附圖，首先參照圖1，圖中示出該系統(tǒng)的示意圖。一空氣鼓風機30通過一入口空氣過濾器20抽取周圍的空氣，并排出一加壓的空氣流?？諝夤娘L機30和質量流傳感器50可以是本技術領域內(nèi)的技術人員熟知的任何傳統(tǒng)的設計。在一優(yōu)選的實施例中，空氣鼓風機30是一諸如富士電氣VFC404A型的環(huán)式鼓風機的電動離心式鼓風機，而質量流傳感器50是一汽車入口空氣流傳感器，例如，可從大部分汽車零件零售商店中購得的Bosh型0280214001。供應的空氣體積通過調節(jié)旁通閥40予以設定，以產(chǎn)生一要求的空氣流量，空氣流量由質量流傳感器50測定。
燃料供應系統(tǒng)一標準的汽車燃料泵10通過一燃料管12將汽車燃料泵送到一電子致動的燃料控制閥14，然后，再到燃燒器60(將在下文中詳細描述)。如在本文中采用的，術語“汽車燃料”是指可用作汽車內(nèi)燃機的燃料的任何物質，包括但不一定限制于汽油、合成汽油、柴油、由煤、泥煤或類似材料中產(chǎn)生的液化燃料；壓縮天然氣；或液化石油氣。
盡管可使用其它類型的控制閥，但較佳的燃料控制閥14是一電磁閥，其接收一由計算機控制系統(tǒng)發(fā)出的信號調制的脈沖寬度，并正比于脈沖寬度調節(jié)流到燃燒器的燃料流。電子致動的電磁閥14可以是本技術領域內(nèi)的技術人員熟知的用脈沖調制信號進行操作的一種設計。在一優(yōu)選的實施例中，電子致動的電磁閥14是可從大部分汽車零件零售商店中購得的Bosh頻率閥型0280 150306-850。從燃料控制閥14出發(fā)，燃料通過管道輸送到燃燒器組件內(nèi)的空氣輔助的燃料噴射噴頭16(將在下文中描述)。
燃燒器燃燒器是如下文所述特殊加工的燃燒器，以形成燃料和空氣的配比燃燒。在一優(yōu)選的實施例中，燃燒器60是一能夠產(chǎn)生霧化燃料的連續(xù)的配比燃燒的漩渦穩(wěn)定的燃燒器。
現(xiàn)參照圖2，在一優(yōu)選的實施例中，燃燒器包括一充氣室200和一燃燒管210。一漩渦板18從燃燒管210中分離充氣室200。燃燒管210由能耐極度高溫的材料構造。較佳的材料包括但不一定限制于因康鎳合金(INCONEL)或不銹鋼，并可選擇地在INCONEL管的地方裝備有一石英管，以便觀察合成的火焰型式。
空氣和燃料單獨地引入到燃燒器60內(nèi)。來自于質量流傳感器50的空氣通過管道進入充氣室200(圖2)，然后，通過漩渦板18進入燃燒管中。漩渦板18裝備有一燃料噴頭16。
燃料噴頭在第一實施例中，一空氣輔助燃料噴射噴頭16利用傳統(tǒng)的方法接合在充氣室200內(nèi)的漩渦板18的中心處(圖2)。來自燃料供應管12的燃料輸送到空氣輔助燃料噴射噴頭16，在那里燃料與來自空氣管道15的壓縮空氣混合，并噴射到燃燒管210中(圖2)。壓縮空氣管道15提供高壓空氣，以幫助燃料霧化。
圖5A是空氣輔助燃料噴射噴頭16的一實施例。如圖5A所示，空氣輔助燃料噴射噴頭16包括陽和陰突緣的配件，它們與漩渦板18接合。各種合適的接合方法均為本技術領域內(nèi)的技術人員所熟知。陰配件250具有一突緣端252和一基本上呈管形的延伸件251。一陽配件254包括一突緣端256和一基本上呈圓柱形具有一相對端268的延伸件253。圓柱形延伸件沿其長度配裝在陰配件的管形延伸件內(nèi)。在一優(yōu)選的實施例中，管形延伸件251的內(nèi)壁259和管形延伸件253的外壁263之間的間隙270較佳地約為1/8”。間隙形成一用于燃料噴射的周向槽257，它與燃料噴射孔264連通。
空氣噴射鉆孔262(較佳地約為1/16”)通過突緣端256，并大致地平行于陽配件的管形延伸件253的軸線延伸到一與漩渦板18接口的鉆孔260。燃料噴射鉆孔264從鄰近空氣噴射鉆孔262的外壁263出發(fā)并徑向向內(nèi)延伸?？諝鈬娚溷@孔262以任何合適的方式與空氣管道15接合。燃料噴射鉆孔264以任何合適的方式與燃料管道12接合。
圖5B是示出空氣噴射鉆孔262的結構的陽配件的突緣端254的前視圖。如圖5B所示，五個空氣噴射鉆孔262a-d和265類似于游戲骰子上的數(shù)字“5”那樣進行排列。具體來說，通過中心空氣孔265的中心引出一直線和通過角上的空氣孔262中的任何一個的中心引出一直線，當與沿圖5B中5x-5x引出的一直線相比是，上述兩直線將具有45°的夾角。換句話說，角上的空氣孔262a-d的中心形成在一圍繞中心空氣孔265畫出的正方形的四個角上。
空氣輔助噴頭16在接合時的所有部分的相對端的前視圖示于圖5C中。在此“靶心”圖中，內(nèi)圓周是陰配件的鉆孔260；下一個同心環(huán)是陽配件的管形延伸件253的相對端268；下一個同心環(huán)是由陰配件的管形延伸件251和陽配件的延伸件253之間的間隙形成的環(huán)形槽270；以及，最外環(huán)是形成端口255的突緣252。
在燃料噴頭16的一優(yōu)選實施例中(圖5D-F)，同樣的零件給以與圖5A-5C相同的標號。參照圖5D，空氣噴射鉆孔262呈傾斜引導燃料進入到用于混合和保護的空氣罩蓋，同時剪切通過燃料噴射鉆孔264的燃料輸入，使噴射的空氣直接地通過燃料噴射流。燃料噴射鉆孔264較佳地直接地指向到用于混合和保護的空氣罩蓋內(nèi)。噴射角度使空間要求內(nèi)的燃料霧化達到最大，并與漩渦板18協(xié)作。
空氣輔助燃料噴射噴頭16使用傳統(tǒng)的方法接合在漩渦板18的中心處?？諝廨o助燃料噴射噴頭16包括一適于與漩渦板18內(nèi)的中心孔244(圖3C)匹配的突緣的陽配件252。在一優(yōu)選的實施例中，在空氣輔助燃料噴射噴頭的外壁254a和漩渦板18的中心鉆孔的壁281之間的同心間隙270較佳地從約0.2”至約0.75”，最佳地約為0.25”?？諝廨o助燃料噴射噴頭16形成具有一由線Y-Y’代表的縱向軸線的空氣噴射鉆孔262。線Y-Y’相對于線5F-5F形成沿漩渦板的內(nèi)壁280畫出的角度x，x’，。角度x，x’較佳地約從65°至80°，較佳地約為76°。空氣噴射鉆孔262基本上可具有任何結構。在一優(yōu)選的實施例中，空氣噴射鉆孔262從一供應端298延伸到一噴射端299，并具有一內(nèi)直徑有效地允許燃料的適當流動。在一優(yōu)選的實施例中，空氣噴射鉆孔262具有的內(nèi)直徑從約0.060”至0.080”，較佳地約為0.070”?？諝鈬娚溷@孔262從供應端298延伸到在噴射端299上的燃燒管210(圖2)。
空氣輔助燃料噴射噴頭16包括一適于與漩渦板18的外壁282匹配的第一突緣端252a。第一突緣端252a和外壁282的對齊可采取多種結構，例如，互補的槽，互補的角，或其它類型的匹配的機器配件。在一優(yōu)選的實施例中，第一突緣端252a和外壁282基本上是平的，并互相平行，沿大致垂直于縱向軸線A-B的線互相鄰接。在一優(yōu)選的實施例中，第一突緣端252a從縱向軸線(由A-B線所示)徑向向外地延伸到一距離，該距離約從0.38”至0.65”，較佳地延伸到約0.38”的距離。
然而，一第二突緣端不完全地必要；在一優(yōu)選的實施例中，空氣輔助燃料噴射噴頭16還包括一第二突緣端252b，其從由A-B線限定的縱向軸線徑向向外地延伸到一距離，該距離約從0.3”至0.45”，較佳地延伸到約0.38”的距離。
如圖5D所示，第一突緣端252a和第二突緣端252b形成一包括一在供應端298處的端口255的流動腔室297。該端口255的結構和尺寸不是關鍵的，只要端口255允許一足夠的燃料量通過流動腔室297到由空氣輔助燃料噴射噴頭16限定的燃料噴射鉆孔264?？諝廨o助燃料噴射噴頭16的噴射端299形成燃料噴射鉆孔264，其從流動腔室297延伸到在空氣噴射鉆孔262內(nèi)的一開口291中。燃料噴射鉆孔264基本上可具有任何的結構，只要它們供應足夠的燃料流。燃料噴射鉆孔264具有一由線R-R’代表的縱向軸線，其相對于線5F-5F形成角度z，z’。在一優(yōu)選的實施例中，燃料噴射鉆孔264呈圓柱形并具有一約從0.020”至0.040”的直徑，較佳地約為0.031”。較佳地，角度z，z’約從60°至80°，較佳地約為73°。
在操作中，燃料流動通過端口255，通過流動腔室297，且通過燃料噴射鉆孔264和開口291，并噴射入空氣噴射鉆孔262，其導致空氣和燃料同時地在空氣輔助燃料噴射噴頭16的噴射端299噴入。燃料在開口291處與空氣碰撞，導致流動的射流有效地與空氣罩蓋碰撞。用于噴射噴頭16的所有部件的結構材料和尺寸將根據(jù)過程的操作條件變化。
如圖5E所示，空氣噴射鉆孔262包括在噴射端299處的諸開口262a-d，它們的布置如同游戲骰子上的數(shù)字“4”。諸開口262a-d較佳地互相近似地間隔90°(如AB和A’B’所示)。
圖5F是空氣輔助燃料噴射噴頭16的供應端298的前視圖。在此“靶心”圖中，內(nèi)圓周是鉆孔260，而其余的同心環(huán)包括第二突緣端252b的外表面261。燃料從燃料管道12通過端口255流到噴射噴頭16，進入到燃料流動腔室297內(nèi)，并通過燃料噴射鉆孔264進入到空氣噴射鉆孔262。
漩渦板在一優(yōu)選的實施例中，漩渦板18能產(chǎn)生高度紊流的漩渦燃燒，如圖3A-E所示，以便在燃燒區(qū)域內(nèi)提供一截頂圓錐的復雜型式和漩渦流。由漩渦板18造成的流道圖形包括多個漩渦射流的互相作用，它們是旋渦射流242和242a-c、253和253a-c和紊流射流248和248a-c、249和249a-c、以及250和250a-c。這些射流的互相作用造成一坍縮和膨脹的漩渦流，兩者的間隔較佳地大致等于燃燒管210的內(nèi)直徑的長度。在一優(yōu)選的實施例中，燃燒管210的內(nèi)直徑是4英寸，而旋渦流坍縮和膨脹的每個間隔是4英寸。圖形清晰地限定沿燃燒管210壁的流道，燃燒管210限定點火器220沿燃燒管210的位置。在本文描述的實施例中，點火器位于沿內(nèi)漩渦射流(253a，b，c)的流道上的第一和第二全膨脹處。
在一優(yōu)選的實施例中，如圖3A-3E所示，漩渦板18是一大致呈圓形的盤，其厚度足以固定空氣流動圖形，并形成一有效保護燃料噴射器的“空氣罩蓋”。厚度通常約為1/2英寸或以上。漩渦板18具有一中心圓孔255。空氣輔助噴頭16利用合適的方法配裝在漩渦板18的該中心鉆孔255內(nèi)。在所述的實施例中，漩渦板18具有通過板的鉆孔240，以便連接空氣輔助噴頭16。漩渦板18由能夠耐受高溫的基本上任何的材料制成，一種較佳的材料是不銹鋼。
中心鉆孔255由壁244形成。一般來說，位于離漩渦板縱向軸線一給定徑向距離處的各種類型的射流具有四個元件(有時稱之為射流的一“組”)，它們沿一同心圓在離中心鉆孔255一給定距離處約以90°間隔開。三組紊流射流248、249和250引導空氣朝向中心鉆孔255。漩渦射流的內(nèi)和外組242、253分別引導空氣從漩渦板18的外圓周256，并基本上平行于線3C-3C或4E-4E(圖3C)通過沿燃燒器的方向對應的象限內(nèi)的漩渦板的直徑、射流的精確的尺寸和角度定向將非常取決于燃燒器的內(nèi)直徑，在本文所述的實施例中該內(nèi)直徑約為4英寸。給出本文的描述，則本技術領域內(nèi)的技術人員能夠修改漩渦板來用于具有不同尺寸的燃燒器。
射流的定向將根據(jù)漩渦板的前面257、漩渦板18的縱向軸線241、以及將漩渦板18劃分為四個象限的圖3C中的線3C-3C和4E-4E來進行描述。示出六個同心圓244和244a-e(圖3C)，在內(nèi)部以形成中心鉆孔255的壁244為起始，并同心地延伸到漩渦板18的外圓周244e。在本文所述的實施例中，中心鉆孔具有1.25英寸的內(nèi)直徑，或0.625英寸的內(nèi)半徑。第一同心圓244a離壁244為0.0795英寸；第二同心圓244b離壁244為0.5625英寸；第三同心圓244c離壁244為1.125英寸；第四同心圓244d離壁244為1.3125英寸；以及，第五同心圓244e離壁244為1.4375英寸。
一組外漩渦射流標以242和242a，b，c。一組內(nèi)漩渦射流標以253和253a，b，c。外漩渦射流242和242a-c和內(nèi)漩渦射流253和253a-c相對于漩渦板18的表面257具有相同的角z(圖3B)，較佳地為25°角。在一優(yōu)選的實施例中，外漩渦射流242和242a-c和內(nèi)漩渦射流253和253a-c具有內(nèi)直徑5/16”。外漩渦射流242引導空氣從入口點242x沿在燃料噴射側59上的漩渦板的外圓周256，到沿在燃燒器側60上的圓244b的出口點242y。外漩渦射流242的縱向軸線平行于在對應象限內(nèi)的線3C-3C和4E-4E并離線間隔0.44英寸。內(nèi)漩渦射流253沿在燃料噴射側59上的圓244b從入口點延伸到沿中心鉆孔244的燃燒器側60上的出口點。內(nèi)漩渦射流253的縱向軸線也平行于對應象限內(nèi)的線3C-3C和4E-4E。
空氣罩蓋射流250引導空氣從沿圓244b直接向內(nèi)朝向中心鉆孔255的中心?？諝庹稚w射流250的縱向軸線沿線(3C-3C和4E-4E)走向?？諝庹稚w射流250的縱向軸線251相對于漩渦板18的縱向軸線241的角度a(圖3D)是43.5°?？諝庹稚w射流250較佳地具有約1/4英寸的內(nèi)直徑。在漩渦板18上的燃燒器側60上的外漩渦射流242的出口點242y較佳地沿縱向對齊，或沿平行于漩渦板的縱向軸線241的方向，使空氣罩蓋射流250的入口點在漩渦板18的燃料噴射側59。
空氣罩蓋射流250主要用來防止火焰接觸空氣輔助噴射噴頭16。從空氣罩蓋射流250流出的空氣會聚在燃料噴射器16(圖1和2)前面的位置，并形成一錐形的空氣罩蓋，其導致在漩渦板18的燃料噴射側59(圖1)上的低壓區(qū)域，以及在漩渦板18的燃燒器側60上的高壓區(qū)域。在燃料噴射側59上的低壓區(qū)域有助于抽取燃料進入到燃燒管210內(nèi)，而燃燒器側60上的高壓區(qū)域防止燃燒器火焰附連到空氣輔助噴射噴頭16的表面上，并防止噴頭16的焦化和過熱。在一優(yōu)選的實施例中，空氣罩蓋射流250會聚在噴頭16前面約0.5cm至1cm處。
燃燒管210裝備有若干個火花點火器220(見圖2)。在一優(yōu)選的實施例中，三個基本上等間隔的點火器220位于由漩渦板18形成的氣體“漩渦流道”內(nèi)的燃燒管的圓周周圍。在一優(yōu)選的實施例中，這些點火器220是船用火花塞。
在另一實施例中，為了適用于燃燒低揮發(fā)性燃料。燃燒管210還裝備有位于離噴射噴頭16下游約一英尺處的陶瓷泡沫?；旧峡墒褂萌魏魏线m的泡沫，較佳地是可從加利福尼亞州91331的Pacoima市的Ultra-Met Corporation購得的10孔/英寸的SiC陶瓷泡沫。
燃料噴射器和漩渦板的互相作用燃燒器60和燃料噴射器16一起工作來提供基本上連續(xù)的和“有效配比燃燒”。如本文中所采用的術語“有效配比燃燒”是指保持燃燒管壁的完整性，而燃料噴射器基本上無焦化現(xiàn)象的配比燃燒。其結果，燃燒器可以配比地基本上連續(xù)運行至少200小時而不需維護保養(yǎng)。在一優(yōu)選的實施例中，燃燒器可以配比地基本上連續(xù)運行至少1500小時而只需最少的維護保養(yǎng)。所謂最少的維護保養(yǎng)是指只變換火花塞。
(上述)的燃料噴射器16的設計考慮漩渦板18的主要特征，即1.外紊流射流248和249(部分3C-3C所示)保持火焰不與燃燒管210的內(nèi)壁持續(xù)的接觸。因為燃燒器60連續(xù)地操作，并在配比(最熱空氣/燃料比的操作點)下延長的時間內(nèi)，所以必須保持燃燒管210的壁的完整性。目前，INCONEL燃燒管210已經(jīng)暴露在1500小時的操作中，而沒有劣化的跡象。該特征基本上不影響燃料噴射。
2.內(nèi)漩渦射流242在燃燒器內(nèi)建立總的漩渦圖形。從內(nèi)漩渦射流242退出的空氣在漩渦板18的下游約3英寸處沖擊燃燒管210的內(nèi)壁，并直接地與從燃料噴射器16噴出的燃料發(fā)生互相作用。
3.內(nèi)紊流射流250有時被稱之為“空氣罩蓋”射流。從內(nèi)紊流射流250中退出的空氣會聚在燃料噴射器16前面的0.75英寸處。該特征提供兩個非常重要的功能。會聚點在燃燒器60內(nèi)形成一高壓點，其防止燃燒器火焰附連到燃料噴射器16上(防止焦化)。第二個功能是直接與燃料噴射互相作用并影響火焰質量，該功能在于當霧滴進入到燃燒器火焰時其剪切余下的大的燃料霧滴。
熱交換器從燃燒器60排出的廢氣走向到熱交換器70。熱交換器70可以是本技術領域內(nèi)的技術人員熟知的任何類型的傳統(tǒng)的設計。在一優(yōu)選的實施例中，熱交換器70包括兩個部分。上游部分包括一水套管。下游部分是一垂直的橫向流的殼和管的熱交換器。垂直的橫向流設計最大程度地減小蒸汽的形成和蒸汽分離在冷卻管內(nèi)。熱交換器70設置有一入口水管80和一出口水管90，它們供應和排出冷卻水來將廢氣冷卻到模擬存在于典型的汽車催化式排氣凈化器入口處的一溫度。
現(xiàn)參照圖4，其示出優(yōu)選實施例的的熱交換器的細節(jié)，對于上游部分，一殼305配裝有一水入口連接306。殼305對包含從燃燒器排出的廢氣的內(nèi)管起作一水套作用。水流過設置有若干個折流板308的水套，以引導水繞過內(nèi)管的所有部分。在下游端處，殼305配裝有一出口水連接309。
對于熱交換器的下游部分，殼310配裝有一水入口連接320，它又連接到一入口集管330。入口集管330與從殼310的底到頂延伸的多個半英寸的管340流體連通，由此，多個半英寸的管在位置上與配裝有一出口水連接360的出口集管350流體連通。在操作中，熱廢氣引導通過廢氣與多個半英寸的管340接觸的殼310。冷卻水循環(huán)流入入口水入口連接320，于是，其被入口集管330引導流過多個半英寸的管340。存在于廢氣中的熱量傳導到冷卻水中，在圖1的熱交換器70的出口處形成一溫度降低的廢氣。
油噴射系統(tǒng)接下來，廢氣走向到一油噴射部分110(圖1)。油噴射部分提供一霧化的油噴射，其包括具有充分小直徑的油霧滴，以便在其到達催化劑之前蒸發(fā)和氧化油。油噴射系統(tǒng)可位于燃燒器下游的任何地方。
利用一Malvern激光顆粒尺寸儀進行一系列的試驗，以確定作為氣體輔助管內(nèi)的氮氣壓力的函數(shù)的較佳的油霧滴尺寸。合適的油滴尺寸具有小于80微米的沙得(Sauter)平均尺寸，較佳地沙得平均尺寸約為20微米或更小。
在操作中，借助于一油泵160從一油箱150(圖1)抽取發(fā)動機油的取樣。基本上可使用任何類型的泵，較佳地是一蠕動泵，其從油箱通過一油噴射管140將油輸送到一水冷卻的探針120，油從該探針噴射到存在于油噴射部分110內(nèi)的廢氣中。
油噴射系統(tǒng)安裝在一四英寸直徑的管子上，并放置在廢氣溫度近似為600℃的位置上。在一優(yōu)選的實施例中，油噴射部分110構造成如圖6A和6B所示。在此實施例中，一分離的油噴射管道434和氮噴射管道410通過一連接430，該連接430旋入到噴射部分外殼432內(nèi)和旋入到在噴射部分外殼432內(nèi)的水冷卻套筒420內(nèi)。油噴射管道434與油噴射噴頭440的機加工的油環(huán)444(圖6B)連通。氮噴射管道410與油噴射噴頭440的機加工的空氣環(huán)448(圖6B)連通。除機加工的油環(huán)444和機加工的空氣環(huán)448之外，油噴射噴頭還包括一修改的螺栓442，一O形環(huán)密封446，一備料射流450，以及一備料噴頭452。
在操作中，一冷卻劑溶液(較佳地為水)連續(xù)地循環(huán)通過套筒420，其夾套油噴射管道434和氮噴射管道410，致使油和氮噴射器系統(tǒng)保持在要求的溫度上。潤滑油通過油噴射管道434泵送到噴頭440，在那里，油與氮進行混合。合成的氮/油混合物通過噴頭440噴射到廢氣中。已與噴射的油混合的廢氣最終通過一汽車催化式排氣凈化器170，其后，廢氣通過一排氣管180排氣到大氣中。
計算機控制系統(tǒng)現(xiàn)參照圖7，設置一適用于本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)較佳地提供一裝置，其控制點火、空氣輔助燃料噴射器、輔助空氣、燃料輸送、鼓風機空氣輸送、油噴射等(下文中將更完全地予以描述)。合適的控制系統(tǒng)的實例是一比例積分微分(PID)控制回路，例如，用來控制燃料計量。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一系列測試探針610、620、630，它們采集有關多種參數(shù)的數(shù)據(jù)。合適的參數(shù)選自下面的組群系統(tǒng)中的質量流；空氣/燃料比(線性和EGO)；離熱交換器出口處的廢氣溫度；到催化劑的入口處的廢氣溫度；離催化劑的出口處的廢氣溫度；以及它們的組合。在一優(yōu)選的實施例中，采集上述所有參數(shù)的數(shù)據(jù)。由測試探針測得的信息通過電子信號傳輸?shù)揭浑娮訑?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)650。在一優(yōu)選的實施例中，電子數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)包括一帶有程序的計算機系統(tǒng)，該程序使計算機定期地測量所有上述的參數(shù)，將所有獲得數(shù)據(jù)記錄在硬盤驅動器上。
較佳地，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)監(jiān)視代表安全性的測試(例如，通過證實燃燒器是否點著，廢氣是否在對于溫度和空氣/燃料比的規(guī)定的限值內(nèi))?？刂葡到y(tǒng)包含一自動起始和自動關閉的選項。燃燒器燃料被致動之后，一組安全校合自動地起始，并監(jiān)視燃燒器的故障。在測試進行過程中，程序以4Hz采集數(shù)據(jù)，以0.5Hz儲存數(shù)據(jù)，并以1Hz顯示催化劑入口、床和出口的溫度以及測得的空氣對燃料比，以允許操作者觀察系統(tǒng)的總體穩(wěn)定性。長時間無人照看情況下操作一汽油燃料燃燒器可能是危險的。系統(tǒng)使用三個內(nèi)置的安全限值來檢查系統(tǒng)的故障。在燃料噴射致動后的四秒鐘內(nèi)，熱交換器出口必須達到大于100℃的溫度，并在運行過程中，保持最小的安全設定點水平，這指示燃燒器已合適地點著并保持點燃。第三設定點檢查催化劑床的溫度，以證實催化劑不處在對試驗有害的溫度。如果任何的安全設定點均得到兼顧，則計算機程序關閉所有的試驗系統(tǒng)，分流鼓風機的氣流，致動兩分鐘氮的吹洗進到燃燒器頭，以熄滅燃燒器火焰，并在氮氣中暫停任何未燃燒的燃料，由此，阻止試驗裝置內(nèi)大的發(fā)熱反應。一光亮的紅屏顯示，描述系統(tǒng)關閉的狀態(tài)，以及數(shù)據(jù)和時間。在兼顧安全性后的十分鐘內(nèi)以4Hz連續(xù)地記錄數(shù)據(jù)。
此外，當探測到失去電力時，也致動氮吹氣系統(tǒng)，隨后緊跟著安全關閉。
在一優(yōu)選的實施例中，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)還能控制多個參數(shù)，其中包括控制潤滑油噴射和燃燒器系統(tǒng)。計算機裝備有接觸屏監(jiān)視器和一連接到一數(shù)字中繼模塊上的多功能的DAQ卡，以監(jiān)視和記錄系統(tǒng)信息，并控制系統(tǒng)的電子系統(tǒng)。使用計算機接口，操作者可切換電源到鼓風機和燃料泵，并控制空氣輔助燃料噴射器、燃燒器火花、油噴射，以及輔助空氣，所有操作通過接觸屏。系統(tǒng)溫度、用于燃燒器空氣的大量空氣流，以及燃燒器空氣對燃料比經(jīng)測量后轉換為工程單位。軟件程序使用測得的數(shù)據(jù)來計算總的廢氣流量和燃燒器空氣對燃料比，并校合指示系統(tǒng)故障的狀況。燃燒器空氣對燃料比可控制為開式或閉式回路，或者保持規(guī)定的燃料流量，或者保持規(guī)定的空氣對燃料比。通過變化供應到燃燒器的燃料比率(修改一固定的頻率控制波形的脈沖占空周期)，可達到空氣對燃料比的控制。不管何時需要的時候，可致動開式回路的控制，以允許操作者進入一固定的燃料噴射脈沖占空循環(huán)。可致動閉式回路控制，其中，測量實際的燃燒器空氣對燃料比，并與測得的空氣對燃料設定點的值進行比較，然后，調整燃料噴射器占空循環(huán)以糾正測得的誤差。程序的面板用來允許使用者輸入一老化循環(huán)，并使用一單一屏來進行試驗。
在一優(yōu)選的實施例中，數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)設置有一計算機程序來控制系統(tǒng)，并獲得和處理來自測得的參數(shù)中的信號。計算機程序可以本技術領域內(nèi)的精通人士熟知的各種不同的方式寫入?？刂破鬏^佳地設置有一閉合環(huán)路的風扇控制，以保持催化劑入口的溫度，較佳地圍繞一設定點溫度約從-50℃至+50℃，較佳地圍繞一設定點溫度約從-5℃至+5℃。設定點溫度受被模擬的循環(huán)所支配。圖10示出一合適的閉式回路風扇控制的示意圖，其中，控制器的輸出從關閉至低速到高速變化冷卻風扇的速度。
參照下面的工作實例(它們僅是為了說明而已)本發(fā)明將會得到更好地理解。
實例1實施一系列的試驗來確定噴射入系統(tǒng)內(nèi)的潤滑劑的霧滴的尺寸。霧滴尺寸試驗的結果示于圖8中。該圖示出作為預計油流量0.8mL/min的空氣壓力的函數(shù)的微米級的霧滴的“沙得平均直徑”(標以D(3，2))。沙得平均直徑(或SMD或D32)是一理想的單分散噴霧的霧滴的直徑，該噴霧具有與實際的多分散噴霧相同的表面面積對體積的比。表面面積對體積比與噴霧的蒸發(fā)率相關，這樣，SMD對于蒸發(fā)或燃燒噴霧是噴霧特性的一公共測量。SMD數(shù)學上定義如下 其中，ni是尺寸級Di的霧滴數(shù)。從圖中可見，霧滴尺寸隨空氣壓力的增加而減小。如果沒有其它的考慮，最高壓力將用來給出最小霧滴，由于要求具有盡可能多的油蒸發(fā)。然而，對于此裝置，氮(不是空氣)被用作“空氣輔助”氣體。無論從操作成本的觀點，還是將廢氣流中的氮的百分比保持在盡可能低的水平上來看，氮的消耗較佳地保持在最小。其結果，在霧滴尺寸和壓力之間存在著一交替換位。在裝置的優(yōu)化試驗過程中，確定可接受的壓力。
為了幫助確定壓力-霧滴尺寸的交替換位，使用一計算機程序(TESS，SouthwestResearch Institute)來運行一計算機模擬過程，其計算在液體霧滴噴射的下游的不同位置處蒸發(fā)的液體量。計算機模擬假定一2.5英寸直徑管和在400℃的50scfm的廢氣流。油噴霧具有20微米的SMD。噴霧的半角相對于中心線為9度。
圖8示出在SMD為20微米的霧滴分布中的各種尺寸的霧滴的軌線。較大的霧滴在噴頭下游約250mm處擊中2.5英寸直徑管(31.75mm半徑)的壁。采用20微米的SMD，約75％油蒸發(fā)，25％撞擊在壁上。采用30微米的SMD，在撞擊在壁上之前只有50％油蒸發(fā)。根據(jù)該數(shù)據(jù)，重要的是具有盡可能小的SMD。
實例2為了證明裝置能對全尺寸催化式排氣凈化器油噴射耐用性提供有用的信息，實施一系列試驗。實施的試驗采用的催化劑磚表示在下表中

用于試驗的完全合成的潤滑油是指潤滑油具有清潔劑和其它的添加劑以及基礎的潤滑劑原料。潤滑劑油描述在下面表中

現(xiàn)代計算機控制的車輛發(fā)動機提供兩種燃料控制模式，一種在催化劑達到操作溫度之后的開式回路控制(發(fā)動機曲柄，預熱，急加速)，以及配比閉式回路控制(部分節(jié)流和空轉狀態(tài))。在閉式回路模式過程中發(fā)動機的空氣對燃料比在略微富有和略微貧瘠之間恒定地攝動(由于用于反饋的廢氣氧傳感器的開閉的開關型操作)。因此，利用富有的開式回路(穩(wěn)態(tài))模式和攝動的配比閉式回路模式來執(zhí)行性能評估試驗。HC、CO和NOx的轉換有效地達到50％時的溫度在富有的穩(wěn)態(tài)空氣對燃料比試驗過程中進行評估，而催化劑HC、CO和NOx在425℃時的效率在攝動配比試驗過程中進行評估。
點燃和穩(wěn)態(tài)的效率評估的結果呈現(xiàn)在下表中。數(shù)據(jù)按噴射油量遞增的次序排列，而不是按催化劑老化或評估的時間次序排列。
確認的試驗結果

確定從攝動配比試驗中得到的作為噴射油量函數(shù)的HC、CO和NOx的催化劑轉換效率。對于HC和CO，在最小噴射油量和最大油量之間的轉換效率上有10個百分點的下降。對于NOx，在同樣的噴射油量范圍內(nèi)有約5個百分點的下降。應注意到，盡管在0.11重量百分比的磷油和0.06重量百分比的磷油之間有時存在轉換效率的差異，但與百分比磷沒有明顯的相關。
在富有點燃的過程中獲得作為噴射油量函數(shù)的50％的轉換效率，確定此時的溫度。從上面的確認試驗結果表中可見，在HC、CO和NOx的50％轉換效率溫度上只有略微的增加，這指明在催化劑對點燃的能力上有略微的變劣。然而，該溫度的增加是很小的。從效率的測量上可見，在0.11和0.06百分比磷油之間似乎沒有點燃溫度的測量差異。
本技術領域內(nèi)的技術人員一般地認為油中的磷毒化催化式排氣凈化器的催化劑。因此，對于相等的噴射油量，可以預計帶有較高磷含量水平的油將在較大程度上毒化催化劑。這個趨勢在上面的確認試驗結果中不顯然可見。由此引起的問題是隨著變化的磷的水平催化劑的特性是否真正不存在差異，至少在試驗的范圍內(nèi)，或本發(fā)明是否不能重現(xiàn)在實際發(fā)動機操作中可見的差異。為了更完全地探索催化劑性能的差異，根據(jù)重量百分比的磷，油密度以及噴射的油量計算在各試驗過程中噴射的磷含量。噴射的油和磷的總量，以及每次試驗的油和磷的噴射率，也呈現(xiàn)在上面的確認試驗結果表中。
作為總的磷質量噴射的函數(shù)的HC、CO和NOx的攝動的轉換效率分別地予以確定。比較作為磷質量的函數(shù)和噴射油的函數(shù)的所有的排放的轉換效率，對于磷質量繪出的圖顯示出比油耗繪出的圖略少的數(shù)據(jù)分散。這種觀察對比給予假設予以確信的佐證正是油中的磷毒化催化劑。確定作為總的磷質量的函數(shù)的對于富有的點燃試驗的50％轉換溫度。可見較之先前的實例具有較少的數(shù)據(jù)分散。
實例3進行試驗來比較典型的汽油燃料的發(fā)動機排出的廢氣和本發(fā)明的燃燒器系統(tǒng)。圖9示出本系統(tǒng)(50SCFM)和福特4.6L，V-8發(fā)動機(50SCFM，1500rpm，90lb-ft，無EGR)的測量的未凈化廢氣濃度，兩者均以同一批的CA Phase II燃料，略微的貧瘠和略微富有的廢氣A/F運行。采用測量的未凈化的廢氣成分和燃料特性(一種本技術領域內(nèi)技術人員熟知的方法)計算A/F。
圖9示出較之福特4.6L發(fā)動機本系統(tǒng)的廢氣包含遠低得多THC和NOx的水平。CO水平約是發(fā)動機水平的二分之一至四分之三，而CO2和O2大致相同(這兩種元素主要受AFR的控制，而不是燃燒條件的控制)。因為燃燒器由于穩(wěn)定而高蒸發(fā)的燃料流，且如在發(fā)動機中的無導致部分燃燒的熄滅的區(qū)域，所以THC較低。因為燃燒器在接近大氣壓力下操作，不象在一發(fā)動機中，NOx是高壓燃燒的結果，所以，NOx較低。然而，可認為本系統(tǒng)的廢氣足夠地類似于發(fā)動機的廢氣，因為對于潛在的催化劑毒物，可認為廢氣只是一“載體氣體”。
實例4為了比較由瞬時應用產(chǎn)生的結果和用實際內(nèi)燃機獲得的結果，這些結果可與下文中提供的結果進行比較，由Beck，D.C.，Somer，J.W.和DiMaggio，C.L.所著的“緊密偶聯(lián)的點燃和裝于車底下的催化式排氣凈化器的催化劑活性的軸向特征”一文可見應用催化作用B環(huán)境卷11(1977)，第257-272頁，ElsevierScience B.V.(“Beck”)。Beck車具有一3.8升的V-6發(fā)動機，其帶有從每排發(fā)動機氣缸出來的排氣管中的緊密偶聯(lián)的“點燃”的催化式排氣凈化器，以及從組合到包含單一車底下凈化器的單一管中的諸出口。點燃的催化劑在75g/.cu.ft.載荷處僅包含鈀。該催化劑類似于在實例2的第一表中所述的瞬時應用的試驗中使用的催化劑。
磷趨于更多地聚集在催化劑的上游端。在Beck車中，三英寸長的點燃催化劑被切割成三部分，從上游面開始每個一英寸厚?？梢灶A料，包含在每個部分內(nèi)的內(nèi)的磷隨離前面的距離而減少。每個部分的磷分析表明上游部分包含1.6重量百分比磷，中間部分包含0.9百分比，以及下游部分包含0.25百分比磷。類似于用來確定瞬時應用的轉換效率的取樣，對取自Beck催化劑的取樣進行試驗，測試其在合成氣體反應器系統(tǒng)內(nèi)的轉換效率。在配比的空氣對燃料比和對HC、CO和NOx的600℃下分別地試驗取樣的預熱特性。與帶有不同水平磷的瞬時應用的確認試驗相比，Beck從三種取樣中呈現(xiàn)的轉換效率具有三種不同水平的磷毒化。此外，Beck陳述“磷和鋅的絕對濃度與已經(jīng)大大老化的凈化器系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那些濃度相一致”，并提出用于該研究的車輛以相對公稱的速率耗油。該56,000英里的名義的暴露也可與37.5小時的100mL/hr的瞬時應用的最大確認試驗下比擬，后者與大致37,500英里的名義暴露相當。因此，瞬時應用的轉換效率的結果看來在數(shù)量上可與Beck研究的轉換效率的結果相比擬，假定在該研究和瞬時應用的確認試驗中的最大含磷率都代表對于大約50,000英里的名義油耗。
比較HC、CO和NOx的轉換效率和兩種研究中增加的磷含量，在兩組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)范圍上存在有約10％的HC效率的下降。對于CO效率，對兩組數(shù)據(jù)下降小于10個百分點。對于NOx效率，隨增加的磷含量效率下降的總趨勢與兩數(shù)據(jù)組相同，但從Beck研究得出的數(shù)據(jù)組比瞬時應用的數(shù)據(jù)有略微較大的下降。從瞬時應用得出的數(shù)據(jù)也顯示比Beck數(shù)據(jù)低的NOx效率。總體上來說，數(shù)據(jù)組看來非常相似，因此，證實瞬時應用可產(chǎn)生類似于野外見到的磷毒化的數(shù)據(jù)。
實例5本工作的目的是開發(fā)一用于FOCASTM燃燒器系統(tǒng)(如果必要的話添加的副系統(tǒng))的控制方法，其允許燃燒器模擬廢氣溫度、流量，以及由發(fā)動機在加速熱老化過程中產(chǎn)生的AFR。接下來，通過確定燃燒器系統(tǒng)是否提供與發(fā)動機相比擬的加速熱老化來對該方法的確認。采用通用發(fā)動機快速老化試驗型式A(RAT-A)進行老化試驗，該研究的確認部分檢查在六個類似催化劑之間的老化差異。三個催化劑采用汽油燃料發(fā)動機進行老化，另三個催化劑用于修改的FOCASTM燃燒器系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)編程在發(fā)動機試驗循環(huán)技術規(guī)格書要求下運行，以提供同樣的入口溫度、AFR曲線，以及催化劑空間速度條件。在限定的間隔和老化結束時測量催化劑的特性，并在兩個系統(tǒng)之間進行比較。此外，評估和比較各系統(tǒng)的溫度變化和重復性以及AFR控制。
一工業(yè)界認可的基于發(fā)動機的催化劑加速老化循環(huán)(其用作本研究中的一參考點)是通用發(fā)動機快速老化試驗型式A(RAT-A)循環(huán)。RAT-A循環(huán)的模擬在FOCASTM燃燒器系統(tǒng)上進行，并與在發(fā)動機上運行的循環(huán)進行比較。業(yè)已證實燃燒器可以用來產(chǎn)生與由發(fā)動機產(chǎn)生的曲線相比時，在催化劑內(nèi)的非常類似的熱力曲線。熱偏移的形狀可以再生，而進入到催化劑內(nèi)的AFR可被控制和再生。在兩個系統(tǒng)之間可注意到兩種差異；在進入到燃燒器系統(tǒng)內(nèi)的催化劑之前，排氣管中出現(xiàn)某些反應劑的燃燒，而FOCASTM燃燒器比發(fā)動機具有更緊密的AFR控制。反應劑在催化劑前的燃燒導致在熱偏移過程中峰值溫度的位置略微向前移動。由發(fā)動機和燃燒器產(chǎn)生的熱力曲線，連同每個系統(tǒng)的測得的AFR示于圖11中。
然后，通過使用FOCASTM燃燒器系統(tǒng)來老化催化劑，測試類似性。在程序的試驗部分中，六個催化劑在RAT-A循環(huán)上持續(xù)100小時老化；三個在發(fā)動機老化臺架上，三個在FOCASTM燃燒器系統(tǒng)上。在限定的間隔和老化結束時測量催化劑的特性，并在兩個系統(tǒng)之間進行比較。此外，評估和比較各系統(tǒng)的溫度變化和重復性以及AFR控制。
特性評估包括比較在聯(lián)邦試驗程序(FTP)上的控制的排放，以及使用基于發(fā)動機的催化劑特性評估裝置來測量作為廢氣空氣/燃料比(AFR)的函數(shù)的催化劑轉換效率及催化劑點燃溫度。FTP排放采用一1998 Honda Accord汽車，而基于發(fā)動機的催化劑特性評估在一發(fā)動機臺架上進行。
FTP特性評估顯示燃燒器和發(fā)動機產(chǎn)生相當?shù)睦匣饔?，導致對于THC、CO和NOx的劣化因素，THC、CO和NOx從統(tǒng)計上講在兩種方法之間沒有差異。圖12示出對于發(fā)動機老化和燃燒器老化的催化劑在老化前和老化后的平均FTP特性?；诎l(fā)動機的催化劑特性評估揭示兩種方法在接近的配比(其中調節(jié)一汽油發(fā)動機運行)產(chǎn)生相當?shù)慕Y果。然而，如從配比導出的AFR至富有的側，業(yè)已觀察到，燃燒器老化導致對于THC和CO更嚴重的老化效果(在AFR＞14.1時，輕微，在AFR＜14.1時，更嚴重)。盡管在此效果中差異小且離典型的操作位置偏移，但可注意到是一差異。圖13示出作為AFR函數(shù)的測量的THC轉換效率以及催化劑老化。
最終的催化劑評估涉及催化劑取芯，以及分析表面區(qū)域和成分。兩個分析運行是用于表面區(qū)域和多孔性評估的BET(Bruhauer-Emmett-Teller)，以及用于成分分析的PIXE(中子誘發(fā)的X射線發(fā)射)。BET試驗提供在基底和修補基面涂層表面區(qū)域上的信息。該分析可與熱降級相關。PIXE提供在基底、修補基面涂層和在催化劑表面上的任何沉積的成分上的信息。PIXE分析可提供在發(fā)動機和燃燒器(其提供無油老化)之間的催化劑上的沉積中的差異的信息。業(yè)已發(fā)現(xiàn)催化劑由非常類似水平的修補基面涂層組成，若非FOCASTM老化的催化劑具有明顯的缺乏由油形成的沉積。然而，在發(fā)動機老化的催化劑上發(fā)現(xiàn)的油沉積的水平是小的，可能它們不影響特性。
總的來說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OCASTM燃燒器系統(tǒng)提供一用來模擬發(fā)動機老化循環(huán)的靈活的裝置，并產(chǎn)生與發(fā)動機循環(huán)相當?shù)臒崂匣Y果。事后分析表明FOCASTM老化提供缺少非熱老化(即，油沉積)情況下的熱老化，由此，形成一用于最后隔絕熱和非熱老化效果的裝置。使用燃燒器提供一發(fā)動機的老化的某些優(yōu)點包括非常緊密的AFR控制(±0.02AFR)，非常寬范圍的穩(wěn)定AFR操作(8∶1至25∶1)，較少的運動部件(一鼓風機和一燃料計量閥)，以及最少的調整來達到設定點。再者，一燃燒器可以非常高的溫度運行而不嚴重損壞系統(tǒng)的部件，形成一低成本、低風險的非常高溫循環(huán)的模擬。
實例6采用七個通用的設計標準/準則來設計優(yōu)選的燃料噴射器。這些標準是1.空氣通道內(nèi)的壓力不超過燃料通道內(nèi)的壓力，否則燃料流將中斷。假定燃燒器流是穩(wěn)態(tài)(合理的假設)對于空氣P1AA1A×A2A=P2A]]>對于燃料P1fA1f×A2f=P2f]]>2.要求的燃料入口壓力(根據(jù)燃料泵的技術條件)是40psig＜Pf＜60psig。
3.燃料流的區(qū)域在給定的操作壓力范圍內(nèi)必須對要求的流動范圍提供足夠的燃料流。
4.燃料孔的尺寸必須是標準的鉆頭尺寸，并必須足夠大以允許機加工而無過度的困難。
5.燃料/空氣噴霧應對準在空氣罩蓋外會聚，以保持燃燒器火焰遠離燃燒器壁的距離盡可能長。
6.燃料射流會聚的直接的點在空氣罩蓋后面。調整PA可用來變化燃料噴霧相對于空氣罩蓋的位置。
7.在組合的出口孔的中心處保持燃料和空氣射流的互相作用點，以防止驅動燃料噴霧到噴射器的內(nèi)壁。這將導致油滴和噴射器面的焦化。
8.霧化和穩(wěn)定的程度采用石英燃燒器用目視確定。評估根據(jù)火焰的藍色度(橙色火焰指示多煙灰狀態(tài))，煤煙形成的可能(由檢查噴射器、燃燒器、熱交換器和排氣管加以評定)，以及火焰的穩(wěn)定性(使用一線性AFR傳感器進行評定)。
由于設計燃燒器主要在配比下操作，所以，使用要求的總的廢氣流和用來老化的燃料的配比AFR，來計算要求的燃料流。下列分析呈現(xiàn)用于以配比操作的燃燒器所要求的燃料流的計算，其中，總的廢氣流為70SCFM。
mexh＝70SCFM＝2.3015kg/minmfuel＝mexh×AFRstoich-1×1lb/0.45359kg×60min/hrmfuel＝21.28lb/hr以配比mair＝mfuel×(AFRavg/AFRstoich)AFRavg＝(16/60×13)+(44/60×14.4)＝14.03RAT-A循環(huán)mair＝65.1SCFM因此，燃燒器在循環(huán)上的能耗率是Q＝mfuel×燃料的能量Q＝mfuel×18,400BTU/lb＝21.28lb/hr×hr/3600sec×18,400BTU/lb×1.055Q＝115kW參照圖20，距離l1是燃燒器管的半徑，而l2是與燃燒器管210的內(nèi)壁沖擊的距離。距離l2可用幾何方法進行計算，但然后對與燃料射流(其趨于延長l2)和內(nèi)漩渦射流242(其趨于縮短l2)互相作用進行修整。內(nèi)漩渦射流242具有最大的沖擊。X、X’的最終的角是燃料剪切和霧化(其隨低的X、X’改進)的函數(shù)，并通過引導燃料噴霧到圖3中的外漩渦射流253會聚(約離漩渦板的面四至五英寸)的區(qū)域內(nèi)，防止與燃燒管210壁的沖擊。這些外漩渦射流253幫助火焰最熱的部分保持遠離燃燒管210的內(nèi)壁，其能使燃燒器在延長的時間段內(nèi)配比地運行。表1示出燃料噴霧與燃燒管210壁的計算的沖擊(有和沒有漩渦射流的互相作用)。從這些數(shù)據(jù)，建立兩個燃料噴射器，E-62和E-76(其中，數(shù)字是指角X、X’的度數(shù))。
表1


實施諸多試驗來開發(fā)一用于FOCASTM燃燒器系統(tǒng)(如果需要的話，添加的副系統(tǒng))的控制方法，其允許燃燒器模擬廢氣溫度、流量，以及在加速熱老化過程中由發(fā)動機形成的AFR。通過確定燃燒器系統(tǒng)是否提供與發(fā)動機相比擬的加速熱老化來對該方法確認。采用通用發(fā)動機快速老化試驗型式A(RAT-A)循環(huán)進行老化試驗，該研究的確認部分檢查在六個類似催化劑之間的老化差異。三個催化劑采用汽油燃料發(fā)動機進行老化，另三個催化劑用于修改的FOCASTM燃燒器系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)編程在發(fā)動機試驗循環(huán)技術規(guī)格書要求下運行，以提供同樣的入口溫度、AFR曲線，以及催化劑空間速度條件。在限定的間隔和老化結束時測量催化劑的特性，并在兩個系統(tǒng)之間進行比較。此外，評估和比較各系統(tǒng)的溫度變化和重復性以及AFR控制。
使用基于發(fā)動機的催化劑特性評估臺架來試驗系統(tǒng)的基線的特性。催化劑的特性是作為廢氣的空氣/燃料比和廢氣溫度函數(shù)進行測量。通過在RAT-A發(fā)動機老化循環(huán)上持續(xù)四小時操作，催化劑被分級。然后，重新評估各催化劑的特性。各系統(tǒng)然后安裝在車輛上，并實施兩個聯(lián)邦試驗程序(FTP)的評估。FTP是底盤基的車輛排放試驗循環(huán)，用來證明車輛的排放和燃料的經(jīng)濟性。從FTP循環(huán)出來的排放根據(jù)車輛的類型由EPA進行調節(jié)。選擇六個特性最接近的催化劑，并隨機地分配到老化的發(fā)動機或燃燒器。第七個催化劑是“調定”催化劑。
試驗設備和程序從Phillips 66中獲得的一合格級的California Phase II的汽油用作整個車輛試驗的試驗燃料。下表給出該燃料供貨商的分析結果。

泵級的California Phase II的汽油用作老化和進行評估，兩種燃料的差別是泵級具有防止發(fā)動機沉淀的清潔劑。
A.底盤功率計試驗所有的排放試驗根據(jù)EPA聯(lián)邦試驗程序(FTP)實施，該程序利用城市功率計驅動計劃(UDDS)。UDDS是各集團十多年努力的結果，他們改變洛杉磯產(chǎn)生煙氣的駕車狀況為底盤功率計操作，并以19.7mph的平均速度在1372秒內(nèi)無重復地駕車循環(huán)達7.5英里。其最大速度為56.7mph。
一FTP包括一冷起動505秒，冷瞬態(tài)(Bagl)，其后立即是867秒的穩(wěn)態(tài)(Bag2)。在穩(wěn)態(tài)之后，允許車輛在熱起動之前發(fā)動機關閉保溫10分鐘，505秒熱瞬態(tài)(Bag3)以完成試驗。對于3-bag FTP，行走距離是11.1英里，平均速度為21.6mph。車輛的廢氣被收集、稀釋，并徹底地與過濾后的本底空氣混合，用一正壓的往復式泵達到已知的恒定體積流量。該程序已知為恒定體積采樣(CVS)。稀釋的廢氣的成比例的取樣被收集在一采樣袋中，以供在試驗結束時進行分析。排放在數(shù)學上進行加權，以代表由冷和熱起動造成的若干個7.5英里行程的平均數(shù)。FTP駕駛循環(huán)的505和867態(tài)的速度對時間的圖示在圖14中給出。循環(huán)的時間、駕駛的距離，以及平均速度概括在下表中

從FTP排出的廢氣涵蓋車輛的效果和車輛在循環(huán)上操作時排放控制系統(tǒng)的預熱?！胺€(wěn)定”態(tài)從完全預熱或穩(wěn)定的車輛和排放控制系統(tǒng)產(chǎn)生排放。當車輛和排放控制系統(tǒng)在操作過程中已經(jīng)穩(wěn)定，并然后保溫(關閉)10分鐘之后，車輛起動時，產(chǎn)生“熱起動”或“熱瞬態(tài)”排放的結果。
在68°F至86°F的環(huán)境溫度條件下從FTP得到的加權的總排放，由EPA進行調節(jié)。在冷態(tài)(20°F)下的對于FTP的唯一控制的污染物是一氧化碳(CO)。小汽車Tierl的冷態(tài)CO水平是10.0g/mile。對于輕型小汽車，中間壽命-50,000英里的加利福尼亞州的ULEV 1998排放標準(試驗車輛準許的標準)是NMOG0.04g/mile
CO 1.7g/mileNOx 0.2g/mile對EPA FTP-75的加權的總質量的相當?shù)呐欧?，按U.S.EPA導則(40CFR86.144-90)的要求，采用以下方程進行計算


各老化組完成之后，催化劑安裝在試驗車輛上，并在FTP試驗循環(huán)上重新試驗，以獲得變劣的信息。然后，比較老化FTP之前和之后的結果，以對各催化劑量化出一變壞因子。由催化劑和老化條件平均的FTP結果在表11中給出。
表11冷-BAG和老化前和后的加權的FTP結果


圖15示出老化前和后的所有FTP試驗的累積的排氣管碳氫化合物(THC)質量。圖15A是分級的催化劑，其老化結果示于圖15C。圖15B是分級的催化劑，其老化結果示于圖15D。對饋送氣體THC在冷起動的更詳細的研究(也示于圖15中)揭示，正是發(fā)動機輸出造成排氣管的變化。然后利用模態(tài)的排放來計算車輛的空氣對燃料比(AFR)。
圖16示出老化前和后凈化器的加權的FTP排放的比較。圖17比較發(fā)動機老化的催化劑對燃燒器老化的催化劑的平均特性。在THC中有某種的變劣，但最大的影響是對NOx質量排放(主要由于在車輛上的催化劑的毒化)。在兩組催化劑上也出現(xiàn)非常類似的劣化的影響。表12給出由老化類型控制的各排放的計算得到的劣化因子。劣化因子由各催化劑的平均特性，利用以下方程進行計算

表12 催化劑和組的特性劣化因子


審視表12揭示兩種老化方法在NMHC排放上產(chǎn)生相當?shù)挠绊懀紵骼匣拇呋瘎┰谟嬎愕牧踊芯哂休^小的變化。在NOx的劣化因子上也出現(xiàn)差異，但在統(tǒng)計上來看差異不顯著。再者，在檢查各催化劑的NOx特性中可見，催化劑B3顯現(xiàn)有較差的NOx特性，并對NOx維持最差的劣化。該外露的特性也顯現(xiàn)在AFR的掃描數(shù)據(jù)上，并將呈現(xiàn)在下一部分中。
B.加速的熱老化循環(huán)用于本工作中的加速熱老化程序可見諸于以下出版物Sims，G.，Sjohri，S.，的“采用Taguchi方法的催化劑特性研究”，SAE881589；Theis，J.，的“采用催化劑放熱曲線的催化式排氣凈化器的診斷”，SAE94058；Ball，D.，Mohammed，A.，Schmidt，W.，的“帶有毒物的加速快速老化試驗(RAT)計劃的應用油引發(fā)的毒物作用，熱降質，以及在FTP排放上的催化劑體積”，SAE972846，各文獻被援引在本文中以供參考。通用發(fā)動機快速老化試驗型式A(RAT-A)循環(huán)。在GMRAT-A循環(huán)上的一百小時的老化已經(jīng)與某些平臺上的路面運行的100,000英里相關，但對于試驗比較和其它的平臺的精確的英里對小時的相關還是未知。然而，GM RAT-A循環(huán)上的老化100小時并不證明能被工業(yè)界認可的耐用水平。下表概括出GM RAT-A老化計劃。


上述計劃描述廢氣和催化劑的條件，不規(guī)定如何設定發(fā)動機來達到這些條件；因此，用來建立發(fā)動機老化的同樣的技術條件被用來建立燃燒器的老化。在老化過程中，廢氣AFR和溫度，以及催化劑溫度以1Hz進行監(jiān)視，并儲存在文件中以備后處理。
C.試驗車輛用于程序的試驗車輛是1998 Honda Accord，帶有2.3L，4氣缸VTEC發(fā)動機，通過加利福尼亞州的ULEV標準。下表提供車輛信息和排放證書的數(shù)據(jù)


E.試驗催化劑采用的催化劑是1997 Honda Civic ULEV生產(chǎn)的催化劑。使用這些催化劑的過去的經(jīng)驗已指出它們產(chǎn)生非?？芍貜偷慕Y果并顯現(xiàn)以非常接近的技術條件進行生產(chǎn)。Civic ULEV催化劑多重地安裝，并供應附連到排氣總管上。在接納零件之后，催化劑從原始的安裝中取出，然后，罐裝在“拆開”的小罐中，以允許容易地安裝在老化和性能試驗臺架上，并選擇車輛上的催化劑的毒物。催化劑的位置從總管移動安裝到下體中，以便減小廢氣溫度進入到催化劑中，其會延遲冷起動的點燃(點火的致動)。因為該程序的目的是小心地比較兩種老化方法之間的熱變劣效果，所以，延遲的點燃應證實對于更精確地洞悉在催化劑老化中的變化是有利的。
F.發(fā)動機老化臺架采用福特7.5L，V-8發(fā)動機進行老化。在老化過程中也監(jiān)視油耗。
G.FOCASTM臺架FOCASTM臺架的燃燒器是一靈活的燃料裝置，并設定在汽油上運行。操作者預設定提供給燃燒器的空氣流，并在整個試驗中不再變化。通過修改供應到空氣輔助的噴射系統(tǒng)的燃料，計算機控制燃燒器AFR。燃燒器系統(tǒng)形成一非常穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)恒定壓力的燃燒，其與汽油的燃燒能夠以大的向下轉折比進行操作(AFR操作的范圍是8∶1至25∶1)。在配比下連續(xù)地操作可進行至少200小時，較佳地為1500小時或以上，并且維護保養(yǎng)降到最少?？烧{整燃燒器的操作以達到從20至70SCFM范圍的流量(對此工作以50SCFM進行操作)，臺架具有一編程的冷起動模擬模式，以允許冷起動的效果容易地添加到一老化循環(huán)中。
圖9示出FOCASTM系統(tǒng)(50SCFM)和福特4.6L，V-8發(fā)動機(50SCFM，1500rpm，90lb-ft，無EGR)的未凈化的廢氣濃度，兩種均在同一批的CA Phase II燃料上運行，并在略微貧瘠和略微富有的穩(wěn)態(tài)排氣A/F上(采用城市A/F方法進行測量)。城市AFR計算方法利用測量的未凈化的廢氣成分和燃料特性計算排氣AFR。
圖9顯示FOCASTM臺架包含較之福特4.6L發(fā)動機遠低得多的THC和NOx水平。CO水平大約是發(fā)動機水平的二分之一至四分之三，而CO2和O2近似相等(由于這些兩個組分主要由AFR控制，不是由燃燒條件控制)。因為燃燒器高度有效且穩(wěn)定，良好蒸發(fā)的燃料流，以及沒有導致如在發(fā)動機內(nèi)的局部燃燒的熄滅區(qū)域，所以，THC較低。因為燃燒器以接近大氣壓力操作，不象在發(fā)動機中，NOx是高壓和對應的燃燒的高峰值溫度的結果。
FOCASTM臺架的控制系統(tǒng)包括一LabVIEW編程的PC，其裝備有一接觸屏監(jiān)視器和一連接到持有兩個SCXI 1120多元模塊的SCXI底盤的多功能DAQ卡，一饋通屏，以及一監(jiān)視和記錄系統(tǒng)信息的SCXI 1160“中繼模塊”，操作者可將電源切換到鼓風機和燃料泵，并控制空氣輔助的燃料噴射器、燃燒器火花、油噴射器，以及輔助的空氣，所有操作都用手指接觸屏來實施。
測量系統(tǒng)溫度、燃燒器所需空氣的大量空氣流，以及燃燒器AFR，并轉換為工程單位。軟件利用測得的數(shù)據(jù)來計算總的廢氣流和燃燒器AFR，并核查指示系統(tǒng)故障的狀況。燃燒器AFR可被控制為開式或閉式的環(huán)路，以保持規(guī)定的A/F。通過變化供應給燃燒器的燃料率(修整固定頻率控制波形的脈沖占空循環(huán))來實現(xiàn)A/F控制。如果必要的話，通過操作者輸入一固定的燃料噴射器脈沖占空循環(huán)(脈沖寬度)，實現(xiàn)開式的環(huán)路控制。通過測量實際的燃燒器A/F(使用一UEGO傳感器)，比較測量值和A/F設定點，然后，調整燃料噴射器占空循環(huán)以糾正測量誤差，來實現(xiàn)閉式的環(huán)路控制。程序的前屏設計成允許使用者輸入一老化循環(huán)，并利用單一屏來運行試驗操作。控制器包括一“自動起動”和“自動關閉”的選擇以便于操作。在燃燒器燃料被致動之后，自動開始一組安全核查，并監(jiān)視燃燒器的故障。在試驗進行過程中，程序在4Hz糾正數(shù)據(jù)，在5Hz儲存數(shù)據(jù)，并在1Hz顯示催化劑入口、床和出口溫度和測量A/F比，以允許操作者考察系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。
圖18示出控制軟件的前屏。前屏示出實際試驗系統(tǒng)的布置和在系統(tǒng)各點處測得數(shù)據(jù)的位置和值。由于在長時間內(nèi)無人照看地操作一汽油燃料的燃燒器存在著潛在的危險，所以，系統(tǒng)使用三個核查系統(tǒng)故障的內(nèi)置的安全限值。首先，熱交換器輸出必須在致動燃料噴射之后四秒鐘內(nèi)達到大于100℃的溫度，并在操作過程中必須保持最低的安全點水平，這表明燃燒器合適地點火并保持點著。第三個設定點核查催化劑床的溫度，以證實催化劑不在會有害于試驗部分的溫度上。如果任何一個安全點受到危及，則計算機程序關閉所有試驗系統(tǒng)，轉向到鼓風機并致動兩分鐘N2的吹洗到燃燒器頭(吹熄燃燒器并在N2中暫停任何未燃燒的燃料，由此，阻止在試驗塊中發(fā)生大的放熱反應)，并顯示一光亮的紅的屏，其描述系統(tǒng)關閉狀況連同數(shù)據(jù)和時間，以及安全受到危及之后的十分鐘時間內(nèi)以4Hz記錄的所有數(shù)據(jù)。此外，也致動N2吹洗系統(tǒng)，當探測到失電時，緊接著實施安全關閉，由此，在有問題的氣候條件過程中，使其能安全地操作臺架。
B.在FOCASTM臺架上的RAT-A模擬RAT-A循環(huán)的特征主要是穩(wěn)態(tài)、配比操作以及短的熱偏移(先前已給出技術條件)。熱偏移的產(chǎn)生來自于操作富有的、產(chǎn)生約3％的一氧化碳(CO)，同時在催化劑前噴射二次空氣(約3％氧，O2)。過分的還原劑和氧化劑在催化劑中反應，以熱的形式釋放化學能。催化劑入口溫度和廢氣流量也被用來規(guī)定試驗循環(huán)的建立。流量被規(guī)定為scfm，本工作中采用70scfm。
在發(fā)動機上，流量的技術條件通過調整發(fā)動機速度來建立。在循環(huán)的穩(wěn)態(tài)、配比部分過程中，通過調整發(fā)動機的載荷(節(jié)流位置)，來達到通往催化劑入口處的氣體溫度。通過在循環(huán)的富有部分的過程中，調整發(fā)動機的操作AFR，并調整空氣的噴射以達到3％的CO和O2的技術要求，以產(chǎn)生熱偏移。
在燃燒器上，流量通過變化設定燃燒器的旁路值來加以修整，通過增加或減少熱交換器單元數(shù)量，流過諸單元的流量，以及在熱交換器出口和催化劑入口之間的廢氣部分的空氣冷卻，來調節(jié)催化劑入口氣體溫度。初步的氣體入口溫度控制通過熱交換器來實現(xiàn)，而精細的控制來自于廢氣部分的空氣冷卻。
圖19示出發(fā)動機和燃燒器老化過程中測量的廢氣和催化劑床的溫度。圖中還示出在發(fā)動機和燃燒器出口處的測量的AFR。上左角示出在發(fā)動機上的RAT-A循環(huán)，而上右角示出在FOCASTM上的RAT-A循環(huán)。底部兩個圖示出互相直接比較的燃燒器和發(fā)動機的特征。出口的熱耦連位于略微不同的位置，并不作比較。
下右圖示出在循環(huán)過程中催化劑入口和床的溫度的比較。床溫度在兩個老化系統(tǒng)之間非常相似。然而，燃料切割和空氣噴射的效果在兩個系統(tǒng)之間產(chǎn)生不同的入口溫度曲線。燃燒器示出更快的溫度跌落(由于熱偏移)但然后顯示在循環(huán)的富有空氣部分過程中，一較高的進入催化劑的溫度。這表示在進入催化劑之前某些反應劑在管內(nèi)正在燃燒。這種燃燒可能是兩種系統(tǒng)之間空氣噴射方式差異造成的結果，并導致一種其潛在的影響還不能完全理解的效果。這種效果在于，催化劑中的峰值溫度在燃燒器催化劑中在0.5”處被觀察到，與之相反，在發(fā)動機催化劑中(比較圖19A和19B)在1.0”處觀察到。圖19C示出測量的廢氣AFR和催化劑床溫度(1.0”深度)。比較AFR控制，可見燃燒器比發(fā)動機具有更高的AFR控制。圖中示出的其它的特性是在熱偏移的過程中，燃燒器比發(fā)動機更富有。這對于克服管中燃燒和保持催化劑中的熱偏移是必要的?？偟膩碚f，產(chǎn)生反應劑和導致兩個系統(tǒng)之間的催化劑床溫度的能力的差異是非常小的。
然而，隨著程序的進展，開始出現(xiàn)作為燃燒器系統(tǒng)的問題的一個控制因素。該問題是日與日和日與夜在催化劑入口溫度上的略微的變化。這個問題的原因似乎是熱交換器和催化劑入口之間的部分的空氣冷卻的變化。通過變化廢氣絕熱量，以及在各試驗開始處放置冷卻風扇，可控制催化劑入口溫度的微調，然而，隨著試驗的進展，可以發(fā)現(xiàn)冷卻塔水的變化和在新的單元內(nèi)的狀況形成可隨日與夜和日與日顯著變化的狀況。這使得催化劑入口溫度變化高達20℃。出于這個原因，形成一閉合環(huán)路的風扇控制，并嵌入在FOCASTM控制器內(nèi)。圖10示出為催化劑入口溫度而建立的閉合環(huán)路的風扇控制的示意圖?？刂破鬏敵鰪耐Ｖ沟降退俚礁咚僮兓鋮s風扇的速度。
實例6采用七個一般的設計標準/導則來設計本較佳的燃料噴射器。這些標準是1.空氣通道內(nèi)的壓力不超過燃料通道內(nèi)的壓力，否則燃料流將中斷。假定燃燒器流是穩(wěn)態(tài)(合理的假設)對于空氣P1AA1A×A2A=P2A]]>對于燃料P1fA1f×A2f=P2f]]>2.要求的燃料入口壓力(根據(jù)燃料泵的技術條件)是40psig＜Pf＜60psig。
3.燃料流的區(qū)域在給定的操作壓力范圍內(nèi)必須對要求的流動范圍提供足夠的燃料流。
4.燃料孔的尺寸必須是標準的鉆頭尺寸，并必須足夠大以允許機加工而無過度的困難。
5.燃料/空氣噴霧應對準在空氣罩蓋外會聚，以保持燃燒器火焰遠離燃燒器壁的距離盡可能長。
6.燃料射流會聚的直接的點在空氣罩蓋后面。調整PA可用來變化燃料噴霧相對于空氣罩蓋的位置。
7.在組合的出口孔的中心處保持燃料和空氣射流的互相作用點，以防止驅動燃料噴霧到噴射器的內(nèi)壁。這將導致油滴和噴射器面的焦化。
8.霧化和穩(wěn)定的程度采用石英燃燒器用目視確定。評估根據(jù)火焰的藍色度(橙色火焰指示多煙灰狀態(tài))，煤煙形成的可能(由檢查噴射器、燃燒器、熱交換器和排氣管加以評定)，以及火焰的穩(wěn)定性(使用一線性AFR傳感器進行評定)。
由于設計燃燒器主要在配比下操作，所以，使用要求的總的廢氣流和用來老化的燃料的配比AFR，來計算要求的燃料流。下列分析呈現(xiàn)用于以配比操作的燃燒器所要求的燃料流的計算，其中，總的廢氣流為70SCFM。
mexh＝70SCFM＝2.3015kg/minmfuel＝mexh×AFRstoich-1×1lb/0.45359kg×60min/hrmfuel＝21.28lb/hr以配比mair＝mfuel×(AFRavg/AFRstoich)AFRavg＝(16/60×13)+(44/60×14.4)＝14.03RAT-A循環(huán)mair＝65.1SCFM因此，燃燒器在循環(huán)上的能耗率是Q＝mfuel×燃料的能量Q＝mfuel×18,400BTU/lb＝21.28lb/hr×hr/3600sec×18,400BTU/lb×1.055Q＝115kW參照圖20，距離l1是燃燒器管210的半徑，而l2是與內(nèi)壁沖擊的距離。距離l2可用幾何方法進行計算，但然后對與燃料射流(其趨于延長l2)和內(nèi)漩渦射流242(其趨于縮短l2)互相作用進行修整。內(nèi)漩渦射流242具有最大的沖擊。X、X’的最終的角是燃料剪切和霧化(其隨低的X、X’改進)的函數(shù)，并通過引導燃料噴霧到圖3中的外漩渦射流253會聚(約離漩渦板的面四至五英寸)的區(qū)域內(nèi)，防止與燃燒管210壁的沖擊。這些外漩渦射流253幫助火焰最熱的部分保持遠離燃燒管210的內(nèi)壁，其能使燃燒器在延長的時間段內(nèi)配比地運行。表1示出燃料噴霧與燃燒管210壁的計算的沖擊(有和沒有漩渦射流的互相作用)。從這些數(shù)據(jù)，建立兩個燃料噴射器，E-62和E-76(其中，數(shù)字是指角X、X’的度數(shù))。
表1


從這些數(shù)據(jù)，建立兩個燃料噴射器，其中角度“_”為度數(shù)62和76(下文中有時分別稱之為“E-62”和“E-76”)。在噴射器建立之后，它們在FOCASTM臺架上進行試驗。火焰的質量采用三個標準進行評估目視測量廢氣中煙氣，燃燒器、熱交換器和催化劑上的煙灰；火焰的外觀(藍度和透明度)；以及火焰沖擊燃燒器壁的位置。此外，目視并使用一UEGO傳感器測量AFR的反饋，評估火焰的穩(wěn)定性。通過測量在70scfm的催化劑的放熱和配比還量化燃燒的完整性。催化劑中的放熱是未燃燒燃料水平的一種指示。對于汽油發(fā)動機，在這些情形中催化劑的放熱約為60℃(使用本試驗催化劑)。最終FOCASTM噴射器給出約為50至60℃的放熱。在目視分析過程中燃燒器的狀況如下E-68-062 E-76-062燃料噴射壓力 50psig 50psig
空氣噴射壓力100psig 55psig燃燒器流量 70scfm70scfm這兩種火焰的目視質量是非常能接受的(無形成的煙灰，無煙氣)，且催化劑床的溫度在可接受的范圍內(nèi)。E-68-062顯示一非常藍的火焰，表示極好的霧化；但撞擊在壁上的火焰非常靠近漩渦板，經(jīng)驗表明，這種類型的沖擊會損壞燃燒器壁。這導致使用E-76-062，其在藍度和透明度上火焰的質量不高，但其火焰對燃燒器壁的沖擊延伸到不會損壞燃燒器壁的區(qū)域。盡管某些火焰質量為了燃燒器的耐用性而作出犧牲，但與試驗采用的市場上出售的噴射器相比，E-76-062在藍度和透明度上卻顯示一非常高質量的火焰。
圖21示出計算的燃料噴霧沖擊的圖表。一般來說，熱老化在催化劑一英寸前損壞催化劑的修補基面涂層，其影響催化劑的點火特性。圖22示出在FTP的冷起動態(tài)過程中測得的質量排放。圖中可見，NMHC、CO和NOx的質量排放有某些的差異。圖29示出在冷起動過程中測得的催化劑床溫度。檢查圖29表明，在第一加速過程中的開始，從該點繼續(xù)，在老化和未老化的催化劑之間存在著催化劑床溫度的分離。發(fā)動機老化和燃燒器老化的催化劑顯示出老化前后可比較的性能。這種溫度上的差異指明，老化的催化劑以低的效率運行。圖22示出老化前后THC和NOx的積累模態(tài)的質量排放。從這些圖中可見，在老化的凈化器中確實存在著低的活性，看來發(fā)動機老化和燃燒器老化的催化劑具有非常相似的性能。
實例7FTP性能數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析在本研究中檢查六種催化劑，以確定基于實施老化類型的排放差異。三種催化劑在發(fā)動機上進行老化，三種在FOCASTM上進行老化。各催化劑老化100小時。FTP在所有六種催化劑上運行，其中，在老化過程前后測量NOx、THC、NMHC和CO。在各催化劑上進行多FTP。表13列出本研究中對各催化劑進行的FTP運行。
表13. 催化劑FTP統(tǒng)計數(shù)據(jù)

為了比較老化類型在排放上的效應，采用一重復測量分析的變量統(tǒng)計模型。該模型包含下列諸因素-老化類型(發(fā)動機或FOCAS)-嵌套在老化類型內(nèi)的催化劑(各催化劑只用一種方法進行老化)-老化時間(0和100小時)-老化類型×老化時間互相作用采用本模型分別對四種排放中的各排放進行分析。表14列出重復測量模型的結果。試驗各因素的假設是對于該因素的各水平的平均排放是否顯著地不同。例如，老化類型因素在所有的時間段內(nèi)發(fā)動機上老化的催化劑和在FOCASTM上老化的催化劑之間，比較平均的NOx，對于模型中的各個因素，列出一p值，其表示接受因素水平之間的平均排放沒有顯著的差異的假設的概率。所有的統(tǒng)計比較作成5％的有效度水平。因此，p值小于0.05表示對于該因素平均排放差異在統(tǒng)計上是顯著的。
表14.重復測量的ANOVA模型結果

根據(jù)重復的測量ANOVA模型得出的結論如下-在兩個時間段上發(fā)動機上老化的催化劑和FOCAS上老化的催化劑之間的平均排放沒有顯著的差異。
-在兩個時間段上發(fā)動機上老化的三種催化劑的平均排放沒有顯著的差異。
-在兩個時間段上FOCAS上老化的三種催化劑的平均排放沒有顯著的差異。
-在零小時老化時間的催化劑和100小時老化時間的催化劑之間的平均排放在統(tǒng)計上具有顯著的差異。
-在對NOx、THC和NMHC排放的老化類型和老化時間之間的平均排放沒有顯著的差異。然而，在老化類型和老化時間之間的平均的CO在統(tǒng)計上存在顯著的差異。在此情形中，在發(fā)動機上老化的催化劑較之在FOCASTM上老化的催化劑，在從零小時至100小時CO顯著地有更大的增加。由催化劑和老化時間繪出的THC、NMHC、NOx和CO排放的圖分別示于圖25至圖28。在x軸線上標以核對符號，第一字母代表老化類型(B＝FOCAS，E＝發(fā)動機)，第二數(shù)字代表催化劑數(shù)量，以及最后數(shù)字代表老化時間(0或100小時)。
實例8事后催化劑評估在所有的性能分析完成之后，催化劑進行拆卸，取出各催化劑的中心(一英寸直徑，一英寸深)，以便作表面區(qū)域和成分分析。兩個分析操作是BET(Bruhauer-Emmett-Teller)和PIXE(Proton-Induced X-Ray Emission)，前者用來評估表面區(qū)域和多孔性，后者用來作成分分析。
BET試驗提供基底和修補基面涂層的表面區(qū)域上的信息。這種分析與熱劣化相關。PIXE提供基底和修補基面涂層以及催化劑表面上的任何的沉積物的成分的信息。PIXE分析提供關于發(fā)動機和燃燒器(其提供無油老化)之間的催化劑上的沉積物差異的信息。
表15給出對于選擇的元素的PIXE分析的結果。
表15.對于選擇的元素的PIXE分析結果

表15突出兩種基本類別的元素，油的組分，以及在催化劑的修補基面涂層內(nèi)發(fā)現(xiàn)的元素。PIXE分析表明修補基面涂層材料(銠、鈀、鉑、鈰)在五種試驗的催化劑中相當?shù)匾恢隆Ｓ^察組之間的鋅(Zn)沉積物可以看到，發(fā)動機催化劑基本上具有更多的Zn。磷(P)顯得低于探測限值(約700ppm)。然而，P添加到油中作為一防磨損添加劑，并通常呈ZDP的形式；催化劑在野外的沉積物顯示Zn∶P的重量比約為0.5-0.75。這表明可能有某些P在發(fā)動機催化劑上，大約在400-600的范圍內(nèi)，其低于本分析中采用的探測限值。
在催化劑上進行的最終分析是對于規(guī)定的表面區(qū)域的BET分析。處于良好狀態(tài)下的催化劑具有高的表面區(qū)域。隨著催化劑的老化，其熱力上通過凝結(貴金屬的遷移)和燒結(熔化)，以及非熱力上通過沉積物對孔的物理的阻塞，失去表面的區(qū)域。表16給出BET表面區(qū)域分析結果。
表16.老化的催化劑的BET表面區(qū)域分析

BET分析顯示兩種老化方法之間的最終規(guī)定的區(qū)域的差別，發(fā)動機老化部分較之燃燒器老化部分具有較低的表面區(qū)域。新鮮的催化劑規(guī)定的表面區(qū)域大約為18-25m2/g(盡管新鮮的催化劑不作為本程序的部分進行分析)。發(fā)動機老化和燃燒器老化的催化劑之間的表面區(qū)域的差別不大，但可歸結于下列原因中的一個或多個發(fā)動機老化的催化劑中觀察到的少量的與油有關的沉積物；由于沉積物(由于表面區(qū)域測量為m2/g)引起的增加的質量；和/或，當沉積物開始涂覆催化劑表面時，由于發(fā)生非熱力上的不致動，所以催化劑孔開始阻塞。通常已認可在沉積物顯著地影響催化劑性能之前，油沉積要求一最小的質量。
事后分析表明FOCASTM老化在沒有非熱力老化(即，油沉積)的情形下提供熱力的老化，由此，對熱力的和非熱力的老化效應的最終的隔絕造成一裝置。
在FOCASTM燃燒器系統(tǒng)上模擬的RAT-A循環(huán)與發(fā)動機上的循環(huán)進行比較。證實燃燒器可用來在催化劑內(nèi)產(chǎn)生與由發(fā)動機產(chǎn)生的曲線相比時非常類似的熱力曲線。熱偏移的形狀可以再生，進入催化劑的AFR可以被控制和再生。兩個系統(tǒng)之間值得注意的一個差異是，在進入燃燒器系統(tǒng)內(nèi)的催化劑之前似乎有某些反應劑在廢氣管內(nèi)燃燒。這導致在熱偏移過程中峰值溫度位置中的峰值略微地向前移動。
實例9采用FOCASTM燃燒器系統(tǒng)模擬通用汽車快速老化試驗型式A(RAT-A)循環(huán)來試驗該方法。在程序的試驗部分過程中，六種催化劑在RAT-A循環(huán)上進行100小時的老化；三個在發(fā)動機臺架上，三個在FOCASTM燃燒器系統(tǒng)上。在規(guī)定的間隔和老化結束時測量催化劑的性能，并在兩個系統(tǒng)之間進行比較。此外，評價和比較各系統(tǒng)的溫度的變化和重復性以及AFR控制。
性能評估包括比較聯(lián)邦試驗程序(FTP)有控制的排放，使用基于發(fā)動機催化劑性能評價臺架來測量作為廢氣空氣/燃料比(AFR)函數(shù)的催化劑轉換效率以及催化劑點火溫度。
FTP性能評估顯示燃燒器和發(fā)動機產(chǎn)生相當?shù)睦匣Ч?，導致對于THC、CO和NOx的劣化因子，它們在統(tǒng)計上在兩種方法之間沒有差異。在FTP試驗上對于NOx、THC和NMHC，老化類型和老化時間之間的平均排放沒有顯著的差別。然而，在老化類型和老化時間之間的CO平均排放有顯著的統(tǒng)計上差別。在此情形中，在發(fā)動機上老化的催化劑較之在FOCASTM上老化的催化劑顯示出從零小時到100小時CO有顯著較大的增加。評估揭示兩種方法產(chǎn)生接近配比的相當?shù)慕Y果(其中調節(jié)汽油發(fā)動機運行)。然而，由于AFR偏移配比至富有側，可以看到，燃燒器老化在THC和CO上具有略微嚴重的老化效果。
最后的催化劑評估涉及到催化劑的取芯，并分析表面區(qū)域和成分。兩個分析運行是用于表面區(qū)域和多孔性評估的BET，以及用于成分分析的PIXE。BET試驗提供在基底和修補基面涂層表面區(qū)域上的信息。PIXE提供在基底、修補基面涂層和在催化劑表面上的任何沉積的成分上的信息。PIXE分析可提供在發(fā)動機和燃燒器(其提供無油老化)之間的催化劑上的沉積中的差異的信息。業(yè)已發(fā)現(xiàn)催化劑由非常類似水平的修補基面涂層組成，若非FOCASTM老化的催化劑具有明顯的缺乏由油形成的沉積。然而，在發(fā)動機老化的催化劑上發(fā)現(xiàn)的油沉積的水平是小的，在本研究中沉積可能不影響催化劑的特性。然而，隨著發(fā)動機老化，油耗將增加，對催化劑老化添加變化的油毒化成分。通常已認可在沉積物顯著地影響催化劑性能之前，油沉積要求一最小的質量。BET分析顯示在兩種老化之間的最終規(guī)定的表面區(qū)域內(nèi)的差異，發(fā)動機老化部分較之燃燒器老化部分具有一更低的表面區(qū)域。減小的表面區(qū)域可以是由于沉積物(由于表面區(qū)域測量為m2/g)引起的增加的取芯質量的結果。當沉積物開始涂覆催化劑表面時，由于發(fā)生非熱力上的不致動，所以，減小的表面區(qū)域也可以是催化劑孔開始阻塞。還可以是兩種效果組合的結果。
總的來說，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OCASTM燃燒器系統(tǒng)提供一用來模擬發(fā)動機老化循環(huán)的靈活的裝置，并產(chǎn)生與發(fā)動機循環(huán)相當?shù)臒崂匣Y果。事后分析表明FOCASTM老化提供缺少非熱老化(即，油沉積)情況下的熱老化，由此，形成一用于最后隔絕熱和非熱老化效果的裝置。使用燃燒器提供勝于發(fā)動機的老化的某些優(yōu)點包括非常緊密的AFR控制(±0.02AFR)，非常寬范圍的穩(wěn)定AFR操作(8∶1至25∶1)，較少的運動部件(一鼓風機和一燃料計量閥)，以及最少的調整來達到設定點。再者，一燃燒器可以非常高的溫度運行而不嚴重損壞系統(tǒng)的部件，形成一低成本、低風險的非常高溫循環(huán)的模擬。
在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，本技術領域內(nèi)的技術人員將會認識到對于本發(fā)明可作出許多修改。本文所述的實施例意在說明而已，不應認為限制本發(fā)明，本發(fā)明由附后的權利要求書予以定義。
權利要求
1.一不基于發(fā)動機的排氣部件快速老化系統(tǒng)(NEBECRAS)，包括一與空氣供應器流體連通的燃燒器，一燃料供應器，以及一催化式排氣凈化器，所述燃燒器適于提供一燃料饋送流的基本上連續(xù)的和有效配比的燃燒，以提供一廢氣產(chǎn)物。
2.如權利要求1所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器包括一燃燒管，其包括一內(nèi)壁，所述燃燒器產(chǎn)生一流道，其包括至少一第一凹陷，一膨脹，以及一第二凹陷。
3.如權利要求1或2所述的NEBECRAS，其特征在于，所述第一凹陷和所述第二凹陷間隔的距離基本上與所述內(nèi)直徑相同。
4.如權利要求1、2或3中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器包括一漩渦板，漩渦板包括一基本上中心的鉆孔，鉆孔包括一空氣輔助的燃料噴霧噴頭。
5.如權利要求1-4中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括沿所述燃燒管的所述內(nèi)壁的至少一個點火器，所述至少一個點火器位于所述膨脹部。
6.如權利要求1-5中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述空氣流道還包括一第二膨脹和一第三凹陷，所述燃燒器還至少包括位于所述第二膨脹部的第二點火器。
7.如權利要求1-6中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器產(chǎn)生一火焰，所述漩渦板具有足夠的厚度來固定所述空氣流道，并形成一鄰近所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭的空氣罩蓋，以便有效地防止所述火焰附連到所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭。
8.如權利要求7所述的NEBECRAS，其特征在于，所述厚度約為1/2英寸或以上。
9.如權利要求1-8中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板包括一內(nèi)紊流射流組；第一和第二外紊流射流組，它們位于所述內(nèi)紊流射流組的徑向向外，各個所述內(nèi)紊流射流組和第二和第三外紊流射流組適于引導空氣向內(nèi)朝向所述鉆孔；以及一內(nèi)漩渦射流組；以及一外漩渦射流組，其位于所述內(nèi)漩渦射流組的徑向向外，所述內(nèi)漩渦射流組和所述外漩渦射流組適于引導空氣向外朝向所述燃燒管的所述內(nèi)壁。
10.如權利要求1-9中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器包括一燃料噴射側和一燃燒器側，經(jīng)致動后在所述燃燒器側產(chǎn)生一火焰，所述第一和第二外紊流射流組適于防止所述火焰與所述燃燒器管的所述內(nèi)壁保持恒定的接觸；所述內(nèi)紊流射流組適于在所述燃料噴射側產(chǎn)生一第一區(qū)域，其具有足夠低的壓力來抽吸燃料進入到所述燃燒管內(nèi)，所述內(nèi)紊流射流組還在所述燃燒器側產(chǎn)生一第二區(qū)域，其具有足夠高的壓力來防止所述火焰附連到所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭，所述壓力還足夠高，當燃料霧滴進入所述火焰時足以剪切燃料霧滴；以及所述內(nèi)漩渦射流適于引導空氣朝向在所述漩渦板下游的所述燃燒管的所述內(nèi)壁，在與從所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭中噴出的燃料噴霧相交的位置處。
12.如權利要求1-11中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述內(nèi)紊流射流組和所述第一和第二外紊流射流組各包括四個單獨的射流，它們沿位于從所述鉆孔同心地向外的圓，彼此之間間隔約90°。
13.如權利要求1-12中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板具有一板表面，而所述第二漩渦射流組包括一外漩渦射流組和一內(nèi)漩渦射流組，它們相對于所述板表面的角度約為25°。
14.如權利要求1-13中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板具有一縱向軸線，所述紊流射流相對于所述縱向軸線的夾角約為43.5°。
15.如權利要求1-14中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板包括一燃料噴射側和一燃燒器側，所述燃燒器在所述燃燒器側產(chǎn)生一火焰；以及所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭包括一適于與所述漩渦板內(nèi)的中心鉆孔相匹配的突緣的陽配件，所述突緣的陽配件形成至少一個與空氣源和燃料源流體連通的空氣噴射鉆孔；所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭還包括至少一個與所述燃料源和所述空氣噴射鉆孔流體連通的燃料噴射鉆孔。
16.如權利要求1-15中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述火焰包括一熱區(qū)域，其包括最高溫度；所述空氣噴射鉆孔具有一縱向軸線，在所述燃料噴射側相對于所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭的表面具有一空氣噴射角；以及，所述空氣噴射角有效地提供充分的燃料剪切和霧化，以及防止所述熱區(qū)域影響所述燃燒器的所述內(nèi)壁。
17.如權利要求1-16中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述空氣噴射角大約從65°至80°。
18.如權利要求1-17中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃料噴射鉆孔具有一縱向軸線，在所述燃料噴射側相對于所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭的表面具有一夾角，所述夾角大約從60°至80°。
19.一用于不基于發(fā)動機的排氣部件快速老化系統(tǒng)的漩渦板，包括一大致中心的鉆孔；一內(nèi)紊流射流組；第一和第二外紊流射流組，它們位于所述內(nèi)紊流射流組的徑向向外，各個所述內(nèi)紊流射流組和第二和第三外紊流射流組適于引導空氣沿所述中心鉆孔的方向向內(nèi)；一內(nèi)漩渦射流組；以及，一外漩渦射流組，其位于所述內(nèi)漩渦射流組的徑向向外，所述內(nèi)漩渦射流組和所述外漩渦射流組適于引導空氣朝向所述漩渦板的外周緣。
20.如權利要求19所述的漩渦板，其特征在于，所述內(nèi)紊流射流組和所述第一和第二外紊流射流組各包括四個單獨的射流，它們沿位于從所述鉆孔同心地向外的圓，彼此之間間隔約90°。
21.如權利要求19-20中任何一項所述的漩渦板，其特征在于，所述漩渦板包括一板表面，而所述第二漩渦射流組包括一外漩渦射流組和一內(nèi)漩渦射流組，它們相對于所述板表面的角度約為25°。
22.如權利要求19-21中任何一項所述的漩渦板，其特征在于，所述漩渦板具有一縱向軸線，所述紊流射流相對于所述縱向軸線的夾角約為43.5°。
23.一空氣輔助的燃料噴霧噴頭，包括一燃料噴射側和一燃燒器側，所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭包括一適于與漩渦板內(nèi)的一中心鉆孔相匹配的突緣的陽配件，所述突緣的陽配件形成至少一個適于提供與空氣源和燃料源流體連通的空氣噴射鉆孔；所述空氣輔助的燃料噴射噴頭還包括至少一個適于提供與所述燃料源和所述空氣噴射鉆孔流體連通的燃料噴射鉆孔。
24.如權利要求23所述的空氣輔助的燃料噴霧噴頭，其特征在于，所述空氣噴射角大約從65°至80°。
25.如權利要求23-24中任何一項所述的空氣輔助的燃料噴霧噴頭，其特征在于，所述燃料噴射鉆孔具有一縱向軸線，在所述燃料噴射側相對于所述空氣輔助的燃料噴霧噴頭的表面具有一夾角，所述夾角大約從60°至80°。
26.一用于老化一催化式排氣凈化器的NEBECRAS，包括催化式排氣凈化器裝置；與所述催化式排氣凈化器裝置流體連通的燃燒裝置，所述燃燒裝置有效地提供汽車燃料的基本上連續(xù)的配比的燃燒；與所述燃燒裝置流體連通的燃料噴射裝置；以及與所述催化式排氣凈化器裝置流體連通的潤滑劑噴射裝置。
27.如權利要求26所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒裝置包括一漩渦板裝置。
28.如權利要求26-27中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)采集裝置；與所述燃燒裝置流體連通的空氣供應裝置；以及，與所述燃燒裝置流體連通的熱交換器裝置。
29.一用于老化一催化式排氣凈化器的NEBECRAS，包括一燃燒器，其適于提供饋送流的基本上連續(xù)的和有效配比的燃燒以產(chǎn)生一廢氣產(chǎn)物；一與所述燃燒器流體連通的燃料噴射器系統(tǒng)；一與所述廢氣產(chǎn)物流體連通的催化式排氣凈化器。
30.如權利要求29所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括一與所述催化式排氣凈化器流體連通的潤滑劑噴射系統(tǒng)。
31.如權利要求29-30中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括一適于提供基本上連續(xù)的燃料計量控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
32.如權利要求29-31中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還適于提供基本上連續(xù)的催化劑安全監(jiān)視。
33.如權利要求29-31中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括一適于提供基本上連續(xù)的燃料計量控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
34.如權利要求29-33中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器包括一漩渦板。
35.如權利要求29-34中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器包括一充氣腔室；一形成有一鉆孔的燃燒管；以及，一分離所述充氣腔室和所述燃燒管的漩渦板，所述漩渦板包括一空氣輔助的燃料噴霧噴頭組件裝置，并適于產(chǎn)生凹陷的錐體的圖形和在所述燃燒管內(nèi)的漩渦流，所述燃燒管沿所述鉆孔形成至少一個流道，較佳地至少為三個流道。
36.如權利要求29-35中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板包括一與空氣供應和燃料供應流體連通的空氣輔助的燃料噴霧噴頭組件，所述空氣供應和所述燃料供應適于向所述燃燒裝置提供霧化的燃料。
37.如權利要求29-36中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述漩渦板包括一與空氣供應和燃料供應流體連通的空氣輔助的燃料噴霧噴頭組件，所述空氣供應和所述燃料供應適于向所述燃燒裝置提供霧化的燃料。
38.如權利要求29-37中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述鉆孔包括一內(nèi)直徑，以及一由所述流道內(nèi)間隔的凹陷和膨脹產(chǎn)生的圖形，所述間隔基本上等于所述燃燒器的所述內(nèi)直徑。
39.如權利要求29-38所述的NEBECRAS，其特征在于，所述燃燒器的所述內(nèi)直徑約為4英寸，而所述圖形的凹陷和膨脹的間隔約為4英寸。
40.如權利要求29-39所述的NEBECRAS，其特征在于，還包括至少一個與所述至少一個流道流體連通的點火器。
41.如權利要求29-40中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述潤滑劑噴射系統(tǒng)適于提供潤滑劑霧化的噴霧，霧化的潤滑劑包括具有足夠小直徑的霧滴，以便所述霧滴面對所述燃燒器而蒸發(fā)。
42.如權利要求29-41中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述霧滴的所述直徑約為80微米或不到。
43.如權利要求29-42中任何一項所述的NEBECRAS，其特征在于，所述霧滴的所述直徑約為20微米或不到。
全文摘要
本發(fā)明一般涉及一種用于測試在模擬的汽車長時間駕駛發(fā)生的狀況下汽車催化式排氣凈化器的性能的裝置和方法。本發(fā)明提供一新穎的漩渦板和一新穎的燃料噴射器，它們能使燃燒器在延伸的時間段內(nèi)按配比地運行。
文檔編號F23D11/10GK1539070SQ02815339
公開日2004年10月20日 申請日期2002年8月6日 優(yōu)先權日2001年8月6日
發(fā)明者M·N·小因高爾斯, M N 小因高爾斯, G·J·巴特利, 巴特利, C·C·維布, 維布 申請人:西南研究會