柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬排氣試驗(yàn)臺(tái)的研制

劉元成

摘要：設(shè)計(jì)并建造了一個(gè)模擬多種柴油機(jī)尾氣的試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)的熱源由柴油燃燒提供，煙氣的溫度和流量由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)臺(tái)能夠模擬出和實(shí)際柴油機(jī)工作時(shí)尾氣特性（溫度、壓力、流量）相似的熱煙氣。模擬的柴油機(jī)尾氣的試驗(yàn)臺(tái)和SCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)相結(jié)合，可以降低試驗(yàn)成本，并使試驗(yàn)的可信度更高，為給定熱源條件下SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

Abstract： A test bed for simulating multiple type of diesel engines exhaust gas is designed and manufactured. The heat source is produced by diesel combustion. The temperature and the flow is controlled by the control system. The characteristics， temperature， pressure and flow， of the heat gas from the device can be simulated as the same as that of the exhaust gas from the practical diesel engine. This device can be used to experiment the SCR （selective catalytic reduction） system to get the theoretical and experimental data in specified heat source conditions. In this way， the cost of the experiment is reduced， and the data is more reliable.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);試驗(yàn)臺(tái);選擇性催化還原系統(tǒng)

Key words： diesel engines;test bed;SCR

中圖分類號(hào)：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）01-0001-02

0? 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的氮氧化物（NOX）已成為大氣污染物的主要來(lái)源，選擇性催化還原SCR技術(shù)可以有效控制近90%的NOX排放，也是目前唯一可使NOX排放濃度低于50mg/Nm3的脫硝技術(shù)，是繼煙氣脫硫之后又一新興的環(huán)保產(chǎn)業(yè)[1]。該技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)脫硝技術(shù)尚處于起步階段，主要依賴國(guó)外的技術(shù)支持。由于柴油機(jī)以t接近于λ=2的空氣燃油比工作，使用不上小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為減少NOX所用的三元催化器，柴油機(jī)廢氣中的氮氧化物只能通過(guò)SCR催化器來(lái)減少[2]。如能成功地將SCR技術(shù)用于各類發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)成功性能良好的柴油機(jī)尾氣SCR系統(tǒng)，有效減少氮氧化物（NOX）的排放，必將改善空氣質(zhì)量，帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

1? SCR脫硝反應(yīng)原理

SCR脫硝技術(shù)以氨作還原劑，以V2O5/TiO2為催化劑，在250～450℃的條件下，利用催化劑作用將NOX還原為對(duì)大氣沒(méi)有影響的N2和水。反應(yīng)時(shí)，排放氣體中的NOX和注入的NH3幾乎是以1∶1的物質(zhì)的量之比進(jìn)行反應(yīng)，可以得到80～90%的脫硝率。NOX和NH3反應(yīng)原理和催化反應(yīng)機(jī)理（見(jiàn)圖1、圖2）。

分析幾種典型柴油機(jī)的尾氣排放數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）可知，如果直接用柴油機(jī)做選擇性催化還原SCR技術(shù)研究，每種發(fā)動(dòng)機(jī)提供的流量和溫度基本上不同，對(duì)試驗(yàn)研究有很大的局限。為此，建立模擬多種柴油機(jī)尾氣的試驗(yàn)臺(tái)，輸出的熱量由柴油燃燒。此臺(tái)架在研究不同柴油機(jī)熱源和排放以及柴油機(jī)在不同工況下對(duì)選擇性催化還原SCR性能的影響時(shí)都可應(yīng)用。

2? 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬排氣試驗(yàn)臺(tái)組成

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬排氣試驗(yàn)臺(tái)由供風(fēng)系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和供油系統(tǒng)4部分組成。

2.1 供風(fēng)系統(tǒng)

供風(fēng)系統(tǒng)由點(diǎn)火風(fēng)機(jī)、配風(fēng)筒、混合風(fēng)機(jī)、配風(fēng)風(fēng)道、風(fēng)門(mén)組成，其中點(diǎn)火風(fēng)機(jī)采用2臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)并聯(lián)，為燃料的燃燒提供足夠風(fēng)速和風(fēng)量的空氣?；旌巷L(fēng)機(jī)用于克服系統(tǒng)背壓，使煙氣的總量達(dá)到系統(tǒng)所需的要求，并用于調(diào)節(jié)燃燒熱煙氣的溫度?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制燃燒風(fēng)機(jī)和混合風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行供風(fēng)量的粗調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)火風(fēng)機(jī)和混合風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)對(duì)供風(fēng)量的微調(diào)。

2.2 點(diǎn)火系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)根據(jù)PLC控制器指令，通過(guò)點(diǎn)火電磁閥控制工作，在點(diǎn)火電極間隙中形成高能火花，點(diǎn)燃空氣與燃料的混合物。點(diǎn)火方式采用高壓點(diǎn)火，其主要部件有：點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火高壓電纜、點(diǎn)火電極。

2.3 燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)由混合室、燃燒器、火焰監(jiān)測(cè)器和排風(fēng)風(fēng)道組成，燃燒噴嘴安裝在穩(wěn)焰筒內(nèi)，穩(wěn)焰筒上設(shè)置旋流器，旋流器可形成高壓旋轉(zhuǎn)風(fēng)保持火焰的穩(wěn)定。發(fā)生器本體上裝有光電火焰監(jiān)測(cè)器，把發(fā)生器內(nèi)非正常熄火停車(chē)的信息及時(shí)反饋給控制器，在火焰熄滅的瞬間切斷供油系統(tǒng)，防止意外事故發(fā)生，維護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.4 供油系統(tǒng)

供油系統(tǒng)通過(guò)燃燒噴嘴將高壓油泵提供的高壓燃油霧化成細(xì)液滴，以一定的擴(kuò)散角（也稱霧化角）噴入燃燒室內(nèi)，與點(diǎn)火風(fēng)機(jī)送入的空氣相混后點(diǎn)火燃燒。供油系統(tǒng)由油箱、油泵、變頻器、過(guò)濾器、燃燒噴嘴、比例噴嘴以及電磁閥和供回油管路等部件組成。油泵由控制系統(tǒng)通過(guò)油泵繼電器控制，燃燒控制采用比例調(diào)節(jié)的控制方式，控制系統(tǒng)通過(guò)控制燃燒噴嘴電磁閥的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行噴油量的粗調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)比例噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的微調(diào)。

3? 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)模擬排氣試驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)

①燃燒風(fēng)機(jī)采用兩臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)并聯(lián)，通過(guò)配風(fēng)箱送風(fēng)，以提高燃燒煙氣的出口風(fēng)量，彌補(bǔ)單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量不足的缺點(diǎn)。②混合風(fēng)機(jī)提供大量的冷風(fēng)，保證試驗(yàn)臺(tái)的排氣溫度在可控范圍內(nèi)，并克服了排氣背壓所引起的壓頭損失。③混合室出口射流引射冷卻風(fēng)，可提高熱煙氣出口壓力，供風(fēng)系統(tǒng)采用分組啟動(dòng)方式，節(jié)約了電能，同時(shí)延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命。④燃燒系統(tǒng)采用了平衡風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)燃燒區(qū)域缺氧時(shí)，可通過(guò)平衡風(fēng)閥門(mén)進(jìn)行供風(fēng)，保證燃料的充分穩(wěn)定燃燒。⑤試驗(yàn)臺(tái)輸出煙氣的參數(shù)調(diào)節(jié)采用了以下措施：在配風(fēng)筒出口處加可調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén);燃燒方式采用比例調(diào)節(jié)的燃燒方式，保證了系統(tǒng)煙氣的溫度和風(fēng)量連續(xù)可調(diào)。

4? 參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 排氣量設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

4.2 噴油量設(shè)計(jì)計(jì)算

由能量守恒，可得總的氣體吸收的熱量等于燃油燃燒放出的熱量，即：Q吸=Q放（4）

參照典型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室參數(shù)，系統(tǒng)換熱效率（90～95%），燃燒效率c（90～99%）[4]，柴油低位熱值Hu=42934kJ/kg[5]。

5? 試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行和調(diào)試

本試驗(yàn)臺(tái)輸出煙氣的參數(shù)（流量、溫度和壓力）可以調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)通過(guò)控制點(diǎn)火風(fēng)機(jī)和混合風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行供風(fēng)量的粗調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)在配風(fēng)筒出口處可調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)對(duì)供風(fēng)量的微調(diào)。通過(guò)控制燃燒噴嘴電磁閥的開(kāi)關(guān)和對(duì)比例噴嘴的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油量的調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)流程圖見(jiàn)圖4，控制系統(tǒng)根據(jù)排氣管道內(nèi)流體的流量、溫度和壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)點(diǎn)火和配風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和對(duì)噴油量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)排風(fēng)風(fēng)量、溫度和壓力的控制，使系統(tǒng)的風(fēng)量、溫度和壓力達(dá)到設(shè)定工況并保持穩(wěn)定。

6? 結(jié)論

本試驗(yàn)臺(tái)可試參數(shù)多，調(diào)解范圍廣，能滿足不同柴油機(jī)多種工況下的試驗(yàn)要求，為研究不同柴油機(jī)在多種工況下對(duì)選擇性催化還原SCR性能的影響及試驗(yàn)驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)保證，有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

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