本發(fā)明涉及一種基于尾氣模擬的柴油機全尺寸SCR催化器性能測試平臺，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機性能試驗臺架，通過模擬柴油機尾氣流量、尾氣溫度和關(guān)鍵尾氣成分，對柴油機后處理用全尺寸SCR催化器的溫度特性、氨氮比特性、空速特性以及壓降特性等性能進行全面測試。

背景技術(shù)：

隨著世界范圍排放法規(guī)的日趨嚴格化，機內(nèi)凈化結(jié)合高效尾氣后處理控制車用柴油機尾氣排放已成為共識?；谀蛩氐倪x擇性催化還原SCR降NOx后處理技術(shù)因其更好的燃油經(jīng)濟性、更高的NOx轉(zhuǎn)化效率，已成為新型車用柴油機排放達標的首先技術(shù)路線。尿素SCR系統(tǒng)中，全尺寸SCR催化器是關(guān)鍵部件之一，在尿素還原劑添加和選擇性還原NOx過程中起著重要催化作用，也是整個尿素SCR過程的催化反應(yīng)載體。SCR催化器的催化性能直接影響柴油機整機排放水平。

目前整車和零部件廠商對柴油機全尺寸SCR催化器的性能測試均是直接基于柴油機性能試驗臺架進行的，雖然這樣的測試方式最接近SCR催化器的實際使用環(huán)境，但也存在如下問題：(1)柴油機尾氣能量僅占燃油輸入總量的30％左右，直接采用柴油機尾氣進行SCR催化器性能測試能耗大；(2)柴油機尾氣流量、尾氣溫度及排放物成分高度耦合，且調(diào)整范圍受限于整機工況，無法對SCR催化器的性能進行全面評估；(3)柴油機尾氣狀態(tài)受多種整機運行和調(diào)整參數(shù)影響，SCR催化器性能測試過程重復(fù)性差；(4)柴油機試驗過程中有起動、暖機、怠速等特殊工況要求，試驗工況點加載和等待尾氣狀態(tài)穩(wěn)定過程中也需要一定的時間，整個測試周期比較長。因此，設(shè)計和開發(fā)一種面向柴油機全尺寸SCR催化器的低運行成本、高測試效率、測試狀態(tài)靈活、測試過程重復(fù)性好的SCR性能測試平臺具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前基于柴油機試驗臺架開展全尺寸SCR催化器性能測試時存在的運行能耗大、測試工況調(diào)整復(fù)雜、測試過程重復(fù)性差、測試周期比較長等問題，提出了一種基于尾氣模擬的柴油機全尺寸SCR催化器性能測試平臺，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油機性能試驗臺架，通過模擬柴油機尾氣流量、尾氣溫度和關(guān)鍵尾氣成分，對柴油機后處理用全尺寸SCR催化器的溫度特性、氨氮比特性、空速特性以及壓降特性等性能進行全面測試。

本發(fā)明包括空氣供給系統(tǒng)、燃燒加熱系統(tǒng)、混合加注系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)以及信號采集與控制系統(tǒng)。空氣供給系統(tǒng)提供所需試驗空速的尾氣流量，燃燒加熱系統(tǒng)控制尾氣溫度，混合加注系統(tǒng)完成關(guān)鍵尾氣成分的標準氣注入和尾氣充分混合，尿素噴射系統(tǒng)用于模擬實際SCR系統(tǒng)還原劑添加過程，信號采集與控制系統(tǒng)負責對整個試驗平臺的監(jiān)控，并分析不同試驗工況下全尺寸SCR催化器的性能。

所述的空氣供給系統(tǒng)包括空濾器、高壓主風機、變頻器、第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、文丘里流量計及配套壓差傳感器、流量積算儀和尾氣流量控制儀表?？諡V器的輸出口與高壓主風機的氣流輸入口連通；高壓主風機的氣流輸出口與燃氣燃燒器燃氣氣源入口及混合筒入口管道連通；高壓主風機受變頻器控制；變頻器接收尾氣流量控制儀表的4-20mA控制信號；當前實際尾氣流量由根據(jù)文丘里流量計及配套壓差傳感器測量得到的混合筒出口管道流動壓差信號，經(jīng)流量積算儀內(nèi)部開方和基于混合筒出口管道處第一溫度傳感器與第一壓力傳感器的溫度及壓力補償，再根據(jù)標況下的溫度及壓力換算后獲得，并作為尾氣流量控制儀表的反饋信號；尾氣流量控制儀表根據(jù)目標尾氣流量與當前實際尾氣流量差值經(jīng)PID算法，輸出4-20mA控制信號給變頻器。

所述燃燒加熱系統(tǒng)包括燃氣氣源、燃氣燃燒器、背壓壓差傳感器、比例閥、助燃風控制儀表、第二溫度傳感器和尾氣溫度控制儀表。燃氣燃燒器內(nèi)注入燃氣氣源，并給混合筒提供熱源，燃氣燃燒器的助燃風入口和混合筒出口之間安裝有背壓壓差傳感器，背壓壓差傳感器的壓差信號作為助燃風控制儀表的反饋信號；助燃風控制儀表根據(jù)當前壓差反饋信號輸出4-20mA控制信號調(diào)整燃氣燃燒器助燃空氣管路中比例閥開度。當前實際尾氣溫度由第二溫度傳感器測量，并作為尾氣溫度控制儀表的反饋信號；尾氣溫度控制儀表根據(jù)目標溫度與當前實際溫度差值經(jīng)PID算法，輸出4-20mA控制信號給燃氣燃燒器，調(diào)整燃氣燃燒器功率。

所述混合加注系統(tǒng)包括混合筒、氮氧化物加注氣源、還原氣體加注氣源、氮氧化物質(zhì)量流量控制器、還原氣體質(zhì)量流量控制器、還原氣體加注控制儀表和氮氧化物加注控制儀表；氮氧化物加注氣源經(jīng)減壓閥、截止閥及氮氧化物質(zhì)量流量控制器后注入混合筒入口管道中；混合筒將燃氣燃燒器產(chǎn)生的廢氣、高壓主風機的空氣以及氮氧化物加注氣源進行混合；還原氣體加注氣源經(jīng)減壓閥、截止閥及還原氣體質(zhì)量流量控制器后注入混合筒出口管道中；氮氧化物質(zhì)量流量控制器的流量由氮氧化物加注控制儀表的0-5V輸出控制，還原氣體質(zhì)量流量控制器的流量由還原氣體加注控制儀表的0-5V輸出控制；

所述尿素噴射系統(tǒng)包括尿素箱、空壓機、尿素計量泵和氣助尿素噴嘴。所述的尿素計量泵接收上位機尿素噴射量控制指令，將尿素箱中的尿素水溶液通過氣助尿素噴嘴噴入混合筒出口管道中；尿素計量泵的壓縮空氣源由空壓機提供。

所述的信號采集與控制系統(tǒng)包括上位機、入口壓力顯示儀表、第二壓力傳感器、出口壓力顯示儀表、第三壓力傳感器、出口溫度顯示儀表、第三溫度傳感器、第一NOx傳感器和第二NOx傳感器。第一NOx傳感器和第二NOx傳感器分別安裝在全尺寸SCR催化器入、出口；第一NOx傳感器和第二NOx傳感器與尿素計量泵進行CAN并網(wǎng)后與上位機相連；第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別安裝在全尺寸SCR催化器入、出口；第二壓力傳感器通過入口壓力顯示儀表顯示壓力，第三壓力傳感器通過出口壓力顯示儀表顯示壓力。全尺寸SCR催化器出口溫度由第三溫度傳感器檢測，第三溫度傳感器由出口溫度顯示儀表顯示溫度。上位機配有隔離型RS232轉(zhuǎn)RS485模塊，通過RS485總線讀寫、控制和顯示各儀表。上位機通過讀寫尾氣流量控制儀表監(jiān)控模擬尾氣流量，通過讀寫助燃風控制儀表監(jiān)控燃氣燃燒器前后壓差，通過讀寫尾氣溫度控制儀表監(jiān)控尾氣溫度，通過讀寫氮氧化物加注控制儀表監(jiān)控氮氧化物加注氣源加注量，通過讀寫還原氣體加注控制儀表監(jiān)控還原氣體加注氣源加注量，通過讀取入口壓力顯示儀表和出口壓力顯示儀表獲得全尺寸SCR催化器的入、出口壓力，通過讀取尾氣溫度控制儀表和出口溫度顯示儀表獲得全尺寸SCR催化器的入、出口溫度。上位機配有USB轉(zhuǎn)CAN模塊，通過CAN總線讀寫尿素計量泵、第一和第二NOx傳感器。上位機通過尿素計量泵監(jiān)控尿素噴射量，通過入口處第一NOx傳感器檢測全尺寸SCR催化器入口NOx濃度，通過出口處第二NOx傳感器檢測全尺寸SCR催化器出口NOx濃度。上位機根據(jù)全尺寸SCR催化器的入、出口NOx濃度，獲得NOx轉(zhuǎn)化效率，根據(jù)全尺寸SCR催化器的入、出口壓力，獲得流動壓降。

所述流量積算儀的型號為XSR22FC；尾氣流量控制儀表、助燃風控制儀表、尾氣溫度控制儀表、氮氧化物加注控制儀表、還原氣體加注控制儀表、入口壓力顯示儀表、出口壓力顯示儀表、出口溫度顯示儀表均采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器。

所述尾氣流量控制儀表中的目標尾氣流量通過自身儀表面板修改或者由上位機通過RS485總線修改；尾氣溫度控制儀表中的目標尾氣溫度通過自身儀表面板修改或者由上位機通過RS485總線修改；助燃風控制儀表中的燃氣燃燒器前后壓差目標值通過自身儀表面板修改或者由上位機通過RS485總線修改；氮氧化物和還原氣體加注控制儀表給定流量通過各自儀表面板設(shè)定或由上位機通過RS485總線修改。

所述上位機隔離型RS232轉(zhuǎn)RS485模塊型號為廈門宇電自動化科技有限公司的AI-485G，控制及顯示儀表通訊均遵循廈門宇電自動化科技有限公司的AIBUS協(xié)議；USB轉(zhuǎn)CAN模塊型號為周立功USBCAN-2E-U，尿素計量泵、第一和第二NOx傳感器通訊均遵循SAE J1939協(xié)議。

所述的氮氧化物加注氣源為NO，還原氣體加注氣源為NH₃。

本發(fā)明的有益效果：

1.利用燃燒加熱系統(tǒng)中一體式燃氣燃燒器產(chǎn)生的高溫廢氣，經(jīng)空氣供給系統(tǒng)新鮮空氣的混合稀釋和關(guān)鍵尾氣成分加注，產(chǎn)生全尺寸SCR催化器性能測試所需的模擬柴油機尾氣，相比傳統(tǒng)柴油機性能試驗臺架，本發(fā)明測試平臺運行成本更低且更環(huán)保。

2.測試平臺中，空氣供給系統(tǒng)、燃燒加熱系統(tǒng)以及混合加注系統(tǒng)相對獨立，實現(xiàn)了全尺寸SCR催化器性能測試所需模擬柴油機尾氣的流量、溫度以及成分的完全解耦控制，相比傳統(tǒng)柴油機性能試驗臺架，測試用尾氣狀態(tài)控制更加方便且調(diào)整范圍不受發(fā)動機工況限制。

3.測試用模擬柴油機尾氣狀態(tài)包括流量、溫度及成分由獨立控制儀表控制，響應(yīng)速度快且耦合度低，內(nèi)部和外部干擾因素少，無起動、暖機、怠速等特殊工況要求，相比傳統(tǒng)柴油機性能試驗臺架，全尺寸SCR催化器性能測試過程重復(fù)性更好、效率更高。

4.全尺寸SCR催化器性能測試過程中，SCR還原劑的通入方式可以選擇混合加注系統(tǒng)中的還原氣體NH₃直接加注，僅考慮SCR催化器的選擇性催化還原過程，也可以選擇尿素噴射系統(tǒng)的尿素水溶液噴霧，考察實際SCR系統(tǒng)還原劑添加過程對SCR催化器性能的影響。

5.基于智能顯示與控制儀表的層次化信號采集與控制系統(tǒng)可方便進行手動和自動化測試。智能顯示與控制儀表的操控面板允許手動控制全尺寸SCR催化器性能測試用尾氣狀態(tài)，并通過儀表面板顯示測試過程數(shù)據(jù)。通過上位機編輯或調(diào)取測試序列，由上位機與智能顯示與控制儀表通信，也可實現(xiàn)SCR催化器性能的自動化測試功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，基于尾氣模擬的柴油機全尺寸SCR催化器性能測試平臺，包括空氣供給系統(tǒng)、燃燒加熱系統(tǒng)、混合加注系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)以及信號采集與控制系統(tǒng)，可靈活模擬柴油機尾氣流量、尾氣溫度和關(guān)鍵尾氣成分，對柴油機后處理用全尺寸SCR催化器的NOx轉(zhuǎn)化效率以及壓降進行測定，全面獲得全尺寸SCR催化器的溫度特性、氨氮比特性、空速特性以及壓降特性等。

空氣供給系統(tǒng)包括空濾器1、高壓主風機2、變頻器3、第一溫度傳感器25、第一壓力傳感器26、文丘里流量計及配套壓差傳感器24、流量積算儀35和尾氣流量控制儀表4，用于提供全尺寸SCR催化器性能測試所需空速的尾氣流量。新鮮空氣經(jīng)空濾器1濾除粉塵雜質(zhì)后進入高壓主風機2，并由高壓主風機2加壓后產(chǎn)生測試所需空速的尾氣流量。高壓主風機2受變頻器3控制。變頻器3接收尾氣流量控制儀表4的4-20mA控制信號。當前實際尾氣流量由根據(jù)文丘里流量計及配套壓差傳感器24測量得到的壓差信號，經(jīng)流量積算儀35內(nèi)部開方和基于第一溫度傳感器25與第一壓力傳感器26的溫度及壓力補償，再根據(jù)標況下的溫度及壓力換算后獲得，并作為尾氣流量控制儀表4的反饋信號；流量積算儀35的型號為XSR22FC；尾氣流量控制儀表4采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器。尾氣流量控制儀表4根據(jù)目標流量與實際流量差值經(jīng)PID算法，輸出4-20mA控制信號給變頻器3，調(diào)整高壓主風機2，將尾氣流量控制在目標值附近。尾氣流量控制儀表4中的目標尾氣流量通過自身儀表面板修改或者由上位機8通過RS485總線修改。

燃燒加熱系統(tǒng)包括燃氣氣源、燃氣燃燒器30、背壓壓差傳感器31、比例閥33、助燃風控制儀表32、第二溫度傳感器17和尾氣溫度控制儀表22，用于控制全尺寸SCR催化器性能測試所需模擬尾氣的溫度。燃氣燃燒器30內(nèi)注入燃氣氣源；模擬尾氣溫度控制所需熱源主要來自一體式燃氣燃燒器30。燃氣燃燒器30助燃風入口和混合筒29出口之間安裝有背壓壓差傳感器31，背壓壓差傳感器31的壓差信號作為助燃風控制儀表32的反饋信號；助燃風控制儀表32采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器。助燃風控制儀表32根據(jù)當前壓差反饋信號輸出4-20mA控制信號調(diào)整燃氣燃燒器助燃空氣管路中比例閥33開度，使燃氣燃燒器30前后壓差滿足使用要求，保證火焰穩(wěn)定。燃氣燃燒器30前后壓差目標值通過助燃風控制儀表32面板修改或者由上位機8通過RS485總線修改。當前實際尾氣溫度由第二溫度傳感器17測量，并作為尾氣溫度控制儀表22的反饋信號；尾氣溫度控制儀表22采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器。尾氣溫度控制儀表22根據(jù)目標溫度與實際溫度差值經(jīng)PID算法，輸出4-20mA控制信號給燃氣燃燒器30，調(diào)整燃氣燃燒器功率，將尾氣溫度控制在目標值附近。尾氣溫度控制儀表22中的目標尾氣溫度通過自身儀表面板修改或者由上位機8通過RS485總線修改。

混合加注系統(tǒng)包括混合筒29、NH₃噴嘴20、NH₃質(zhì)量流量控制器21、NH₃加注控制儀表23、NO噴嘴34、NO質(zhì)量流量控制器28和NO加注控制儀表27，完成全尺寸SCR催化器性能測試所需模擬尾氣中關(guān)鍵尾氣成分的標準氣注入，并確保尾氣成分以及溫度的充分混合。一體式燃氣燃燒器屬于低壓燃燒，燃燒廢氣中NOx比例很小，因此模擬尾氣中NOx濃度通過外部NO標準氣注入實現(xiàn)。NO氣源由高壓氣瓶提供，經(jīng)減壓閥、截止閥及NO質(zhì)量流量控制器28后，由NO噴嘴34注入混合筒29入口管道中。NO質(zhì)量流量控制器28的NO流量由NO加注控制儀表27的0-5V輸出控制，NO加注控制儀表采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器，NO給定流量通過NO加注控制儀表27面板設(shè)定或由上位機8通過RS485總線修改?；旌贤?9負責將燃燒器30產(chǎn)生的廢氣、高壓主風機2新鮮空氣以及NO噴嘴34的NO加注氣體進行充分混合。全尺寸SCR催化器性能測試所需還原劑通過模擬尾氣注入NH₃完成。NH₃氣源由高壓氣瓶提供，經(jīng)減壓閥、截止閥及NH₃質(zhì)量流量控制器21后，由NH₃噴嘴20注入混合筒29出口管道中。NH₃質(zhì)量流量控制器21的NH₃流量由NH₃加注控制儀表23的0-5V輸出控制，NH₃加注控制儀表23采用廈門宇電自動化科技有限公司的AI-716智能型溫控器，NH₃給定流量通過NH₃加注控制儀表23面板設(shè)定或由上位機8通過RS485總線修改。

尿素噴射系統(tǒng)包括尿素箱5、空壓機6、尿素計量泵7和氣助尿素噴嘴18，用于全尺寸SCR催化器性能測試過程中模擬實際尿素還原劑添加過程。尿素水溶液存儲在尿素箱5中。尿素計量泵7帶有CAN接口，接收上位機8尿素噴射量控制指令，將尿素箱5中的定量尿素水溶液通過氣助尿素噴嘴18噴入高溫排氣中，尿素計量泵7的壓縮空氣源由空壓機6提供。

信號采集與控制系統(tǒng)包括上位機8、入口壓力顯示儀表15、第二壓力傳感器16、出口壓力顯示儀表9、第三壓力傳感器10、出口溫度顯示儀表13、第三溫度傳感器12、第一NOx傳感器19和第二NOx傳感器11，負責對整個柴油機全尺寸SCR催化器性能測試平臺的監(jiān)控，并分析不同試驗工況下全尺寸SCR催化器的性能。為檢測全尺寸SCR催化器14的NOx轉(zhuǎn)化效率，全尺寸SCR催化器入、出口分別安裝第一NOx傳感器19和第二NOx傳感器11，第一NOx傳感器19和第二NOx傳感器11與尿素計量泵7進行CAN并網(wǎng)后與上位機8相連。為檢測全尺寸SCR催化器14的流動壓降，全尺寸SCR催化器入、出口分別安裝第二壓力傳感器16和第三壓力傳感器10；第二壓力傳感器16通過入口壓力顯示儀表15顯示壓力，第三壓力傳感器10通過出口壓力顯示儀表9顯示壓力。全尺寸SCR催化器出口溫度由第三溫度傳感器12檢測，第三溫度傳感器12由出口溫度顯示儀表13顯示溫度。信號采集與控制系統(tǒng)總體上采用了層次化的設(shè)計方案，核心是配備CAN轉(zhuǎn)USB模塊和隔離型RS232轉(zhuǎn)RS485模塊的上位機8。隔離型RS232轉(zhuǎn)RS485模塊型號為廈門宇電自動化科技有限公司的AI-485G；USB轉(zhuǎn)CAN模塊型號為周立功USBCAN-2E-U?；赗S485總線，上位機8通過讀寫尾氣流量控制儀表4監(jiān)控模擬尾氣流量，通過讀寫助燃風控制儀表32監(jiān)控燃氣燃燒器30前后壓差，通過讀寫尾氣溫度控制儀表22監(jiān)控尾氣溫度，通過讀寫NO加注控制儀表27和NH₃加注控制儀表23監(jiān)控尾氣中NO和NH₃加注量，通過讀取入口壓力顯示儀表15和出口壓力顯示儀表9獲得全尺寸SCR催化器14的入、出口壓力，通過讀取尾氣溫度控制儀表22和出口溫度顯示儀表13獲得全尺寸SCR催化器14的入、出口溫度，控制及顯示儀表通訊均遵循宇電AIBUS協(xié)議?；贑AN總線，上位機8通過尿素計量泵7監(jiān)控尿素噴射量，通過入口處第一NOx傳感器19檢測催化器入口NOx濃度，通過出口處第二NOx傳感器11檢測催化器出口NOx濃度，CAN通訊均遵循SAE J1939協(xié)議。根據(jù)全尺寸SCR催化器14的入、出口NOx濃度，獲得NOx轉(zhuǎn)化效率。根據(jù)全尺寸SCR催化器14的入、出口壓力，獲得流動壓降。通過改變模擬尾氣的溫度、流量、還原劑/氮氧化物比例，開展不同尾氣狀態(tài)下的NOx轉(zhuǎn)化效率和流動壓降測試，可獲得全尺寸SCR催化器14的溫度特性、氨氮比特性、空速特性以及壓降特性。各類智能顯示與控制儀表提供了手動操作面板，通過上位機編輯或調(diào)取測試序列，也可實現(xiàn)SCR催化器性能的自動化測試功能。