柴油发动机模拟排气试验台的研制

刘元成

摘要：设计并建造了一个模拟多种柴油机尾气的试验台。试验台的热源由柴油燃烧提供，烟气的温度和流量由控制系统调节实现。试验台能够模拟出和实际柴油机工作时尾气特性（温度、压力、流量）相似的热烟气。模拟的柴油机尾气的试验台和SCR（选择性催化还原）系统相结合，可以降低试验成本，并使试验的可信度更高，为给定热源条件下SCR系统的设计提供一定的理论和实验依据。

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.

關键词：柴油机;试验台;选择性催化还原系统

Key words： diesel engines;test bed;SCR

中图分类号：TK427                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0001-02

0  引言

柴油发动机尾气排放的氮氧化物（NOX）已成为大气污染物的主要来源，选择性催化还原SCR技术可以有效控制近90%的NOX排放，也是目前唯一可使NOX排放浓度低于50mg/Nm3的脱硝技术，是继烟气脱硫之后又一新兴的环保产业[1]。该技术在国外已经比较成熟，国内脱硝技术尚处于起步阶段，主要依赖国外的技术支持。由于柴油机以t接近于λ=2的空气燃油比工作，使用不上小型汽油发动机为减少NOX所用的三元催化器，柴油机废气中的氮氧化物只能通过SCR催化器来减少[2]。如能成功地将SCR技术用于各类发动机尾气排放控制系统，开发成功性能良好的柴油机尾气SCR系统，有效减少氮氧化物（NOX）的排放，必将改善空气质量，带来巨大的社会效益。

1  SCR脱硝反应原理

SCR脱硝技术以氨作还原剂，以V2O5/TiO2为催化剂，在250～450℃的条件下，利用催化剂作用将NOX还原为对大气没有影响的N2和水。反应时，排放气体中的NOX和注入的NH3几乎是以1∶1的物质的量之比进行反应，可以得到80～90%的脱硝率。NOX和NH3反应原理和催化反应机理（见图1、图2）。

分析几种典型柴油机的尾气排放数据（见表1）可知，如果直接用柴油机做选择性催化还原SCR技术研究，每种发动机提供的流量和温度基本上不同，对试验研究有很大的局限。为此，建立模拟多种柴油机尾气的试验台，输出的热量由柴油燃烧。此台架在研究不同柴油机热源和排放以及柴油机在不同工况下对选择性催化还原SCR性能的影响时都可应用。

2  柴油发动机模拟排气试验台组成

柴油发动机模拟排气试验台由供风系统、点火系统、燃烧系统和供油系统4部分组成。

2.1 供风系统

供风系统由点火风机、配风筒、混合风机、配风风道、风门组成，其中点火风机采用2台高压风机并联，为燃料的燃烧提供足够风速和风量的空气。混合风机用于克服系统背压，使烟气的总量达到系统所需的要求，并用于调节燃烧热烟气的温度。控制系统通过控制燃烧风机和混合风机的开关来进行供风量的粗调，通过调节点火风机和混合风机出口风门的开度实现对供风量的微调。

2.2 点火系统

点火系统根据PLC控制器指令，通过点火电磁阀控制工作，在点火电极间隙中形成高能火花，点燃空气与燃料的混合物。点火方式采用高压点火，其主要部件有：点火变压器、点火高压电缆、点火电极。

2.3 燃烧系统

燃烧系统由混合室、燃烧器、火焰监测器和排风风道组成，燃烧喷嘴安装在稳焰筒内，稳焰筒上设置旋流器，旋流器可形成高压旋转风保持火焰的稳定。发生器本体上装有光电火焰监测器，把发生器内非正常熄火停车的信息及时反馈给控制器，在火焰熄灭的瞬间切断供油系统，防止意外事故发生，维护设备的安全运行。

2.4 供油系统

供油系统通过燃烧喷嘴将高压油泵提供的高压燃油雾化成细液滴，以一定的扩散角（也称雾化角）喷入燃烧室内，与点火风机送入的空气相混后点火燃烧。供油系统由油箱、油泵、变频器、过滤器、燃烧喷嘴、比例喷嘴以及电磁阀和供回油管路等部件组成。油泵由控制系统通过油泵继电器控制，燃烧控制采用比例调节的控制方式，控制系统通过控制燃烧喷嘴电磁阀的开关来进行喷油量的粗调，通过调节比例喷嘴实现对喷油量的微调。

3  柴油发动机模拟排气试验台特点

①燃烧风机采用两台高压风机并联，通过配风箱送风，以提高燃烧烟气的出口风量，弥补单台风机风量不足的缺点。②混合风机提供大量的冷风，保证试验台的排气温度在可控范围内，并克服了排气背压所引起的压头损失。③混合室出口射流引射冷却风，可提高热烟气出口压力，供风系统采用分组启动方式，节约了电能，同时延长了风机的使用寿命。④燃烧系统采用了平衡风系统，当燃烧区域缺氧时，可通过平衡风阀门进行供风，保证燃料的充分稳定燃烧。⑤试验台输出烟气的参数调节采用了以下措施：在配风筒出口处加可调节风门;燃烧方式采用比例调节的燃烧方式，保证了系统烟气的温度和风量连续可调。

4  参数设计

4.1 排气量设计计算

根據理想气体状态方程：

4.2 喷油量设计计算

由能量守恒，可得总的气体吸收的热量等于燃油燃烧放出的热量，即：Q吸=Q放（4）

参照典型燃气轮机燃烧室参数，系统换热效率（90～95%），燃烧效率c（90～99%）[4]，柴油低位热值Hu=42934kJ/kg[5]。

5  试验台的运行和调试

本试验台输出烟气的参数（流量、温度和压力）可以调节，控制系统通过控制点火风机和混合风机的开关来进行供风量的粗调，通过调节在配风筒出口处可调节风门的开度实现对供风量的微调。通过控制燃烧喷嘴电磁阀的开关和对比例喷嘴的控制，实现对喷油量的调节。控制系统流程图见图4，控制系统根据排气管道内流体的流量、温度和压力，通过调节点火和配风风机的风量和对喷油量的控制，实现对整个系统排风风量、温度和压力的控制，使系统的风量、温度和压力达到设定工况并保持稳定。

6  结论

本试验台可试参数多，调解范围广，能满足不同柴油机多种工况下的试验要求，为研究不同柴油机在多种工况下对选择性催化还原SCR性能的影响及试验验证提供了基础保证，有良好的经济性和实用性。

参考文献：

[1]赵宗让.电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化[J].中国电力，2005，11：69-72.

[2]杨飏编著.氮氧化物减排技术与烟气脱硝工程[M].北京：冶金工业出版社，2007，1：60-61.

[3]焦树建编.燃气轮机燃烧室[M].北京：机械工业出版社，1990，10：237.

[4]海泽.W.H.航空发动机设计[M].北京：科学出版社，1992：2-120.

[5]沈维道，蒋志敏，童均耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2001：429.