一种基于模拟燃烧的尾气催化转化器性能测试设备研制

一种基于模拟燃烧的尾气催化转化器性能测试设备研制

曲鸿达1，李艳英2

天津明川科技有限公司2.威海海洋职业学院

摘要：随着机动车尾气污染问题日益突出，催化转化器作为减少尾气污染的重要装置，其性能测试设备的研制成为关键。针对催化转化器性能测试设备的研制，提出了一种基于模拟燃烧的高效测试设备。该设备可以有效评估催化转化器的转化效率和耐久性，实现评价环境一致、筛选性强、开发周期短、成本低的目标，为机动车尾气治理提供可价值的参考依据。

关键词：尾气催化转化器；性能测试；装备研制；一致性评价

0引言

机动车尾气污染已成为我国城市环境污染的重要来源，为减少尾气污染，满足日趋严格的排放法规要求，催化转化器作为机动车尾气后处理的关键装置，其性能测试设备的研制对于评估催化转化器的效果至关重要。目前国内催化转化器性能测试设备使用的尾气源基本为发动机排气，在重复测试要求下，其尾气成份、流量、温度等测试条件难以达到一致，从而影响了催化转化器品质测试要求的一致性前提。开发以混合燃烧产生的气体为尾气源的测试设备，满足各类评价标准要求下的废气成分、温度、流量、振动等变化条件，达到评价环境一致、筛选性强、开发周期短、成本低的目的。

1研究综述

国外的催化转化器性能测试技术相对成熟，形成了多种评价和测试体系，美国西南研究院的Webb CC等开发了基于燃烧器的FOCAS快速老化评价系统，验证了与汽油机台架老化的等效性及其明显优势，并在测试领域进行了推广应用。而国内的催化转化测试评价研究起步较晚，技术上与国外存在一定的差距。清华大学朱洪涛等人开发了一套车用催化器发动机台架评价测试装置；刘浩宇等开发了发动机为492 /100型汽油机，可以同时进行活性评价和老化评价的装置；郝宝玉等人制作了3.0L发动机的试验装置。从目前文献资料来看，国内台架评价多采用发动机为尾气源，存在明显的不足：（1）评价环境的一致性不足。由于发动机自身运行原因，在多轮次评价中空燃比变化范围和稳定运行的幅度都难以精准控制和再现，难以形成一致并可重复再现的测试条件，影响了品质筛选的一致性前提，这对竞争日益激烈的催化转化器市场，无疑影响了产品评价的公正性；（2）开发周期长。市场上催化转化器产品的细分化程度越来越高，性能测试中对台架中发动机与催化转化器的匹配度要求增强，新开发的催化转化器产品要与其配合的发动机进行相关调试，无形中延长了开发周期。此外，一旦发动机控制逻辑更改，或供应商需要发动机提供新的测试工艺，都需要等待发动机生产商做重新标定，都无疑增加了产品开发周期；（3）成本高。在进行催化转化器快速老化试验时，要达到20万公里排放耐久性试验要求，发动机台架上老化测试成本相对很高。

开发一套控制精度高、评价测试环境一致、测试周期短、成本低的尾气催化转化器测试设备，对于催化转化器产品开发、匹配应用、质量认证都具有重要的实际意义。

2设备基本功能及主要技术指标

设备提供高低温振荡的测试环境，可以完成催化转化器的机械性能、颗粒物性能、净化转换效率等性能评价测试，也可以进行快速老化试验，控制精度高，空燃比稳定运行范围宽，变化幅度小。模拟产生的尾气气体温度范围在200-750℃（设备出口10cm处测温），稳态温度控制精度±5℃（测试样件前10cm处测量）；气体流量范围在100-1500kg/h，精度±0.8%（读数点）；最大排气背压60Kpa；NOx发生器浓度范围到达0-3000ppm，控制稳定性和精度±8ppm（稳态工况100-3000ppm）；尿素喷射精度<±3%（设定点），具有尿素消耗量监测功能和尿素泵冷却液温度调节功能。对同一测试样件，在同条件隔日连续测量，转化效率重复性在±1.5%以内。

3设计原理

设备测试用尾气源由燃气燃烧产生的高温气体生成，燃气在燃烧室内燃烧产生热风，气体温度通过增加或降低燃气供给来控制，如果切断燃料供给，风机通过燃烧室仅吹出空气；设备集成了温度调节单元和流量控制单元来实现对测试样件尾气的温度和流量调节；设备设置NOx发生器、尿素泵控制来实现气体成分调节，同时具有NOx浓度监控功能。具体原理见图1。

图1 模拟燃烧性能测试设备原理图

4控制系统及界面设计

测试设备的控制系统由计算机、PLC、仪表组成，采集温度、流量、压力等传感器信号，驱动执行机构调节温度和流量；测试用的流量和温度曲线可以自行定义，并存储到计算机中，用户可以在上位机自行设置温度曲线，由PLC驱动执行机构自动调节温度和流量，并记录过和数据，安装样件后，可以一键式启动试验。软件部分采用组态软件编写，由条件设定、实验过程监控、历史曲线、报表及实验报告打印等组成，具有功能多，适应性强，稳定可靠等特点。

   图2控制界面图

    5结束语

该研制的尾气催化转化器性能测试设备，以模拟混合燃烧产生的气体为尾气源，可以开展催化转化器快速老化等测试，具有高效、准确的测试性能，能有效评估催化转化器的转化效率和耐久性，具有较强的市场推广应用价值。

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课题资助：山东省船舶控制工程与智能系统工程技术研究中心2020年度科研开放专项资金项目，《基于模拟燃烧的尾气催化转化器评价系统开发》（课题编号：SSCC20200005）