柴油發動機模擬排氣試驗臺的研制

劉元成

摘要：設計并建造了一個模擬多種柴油機尾氣的試驗臺。試驗臺的熱源由柴油燃燒提供，煙氣的溫度和流量由控制系統調節實現。試驗臺能夠模擬出和實際柴油機工作時尾氣特性（溫度、壓力、流量）相似的熱煙氣。模擬的柴油機尾氣的試驗臺和SCR（選擇性催化還原）系統相結合，可以降低試驗成本，并使試驗的可信度更高，為給定熱源條件下SCR系統的設計提供一定的理論和實驗依據。

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.

關鍵詞：柴油機;試驗臺;選擇性催化還原系統

Key words： diesel engines;test bed;SCR

中圖分類號：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0001-02

0? 引言

柴油發動機尾氣排放的氮氧化物（NOX）已成為大氣污染物的主要來源，選擇性催化還原SCR技術可以有效控制近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，是繼煙氣脫硫之后又一新興的環保產業[1]。該技術在國外已經比較成熟，國內脫硝技術尚處于起步階段，主要依賴國外的技術支持。由于柴油機以t接近于λ=2的空氣燃油比工作，使用不上小型汽油發動機為減少NOX所用的三元催化器，柴油機廢氣中的氮氧化物只能通過SCR催化器來減少[2]。如能成功地將SCR技術用于各類發動機尾氣排放控制系統，開發成功性能良好的柴油機尾氣SCR系統，有效減少氮氧化物（NOX）的排放，必將改善空氣質量，帶來巨大的社會效益。

1? SCR脫硝反應原理

SCR脫硝技術以氨作還原劑，以V2O5/TiO2為催化劑，在250～450℃的條件下，利用催化劑作用將NOX還原為對大氣沒有影響的N2和水。反應時，排放氣體中的NOX和注入的NH3幾乎是以1∶1的物質的量之比進行反應，可以得到80～90%的脫硝率。NOX和NH3反應原理和催化反應機理（見圖1、圖2）。

分析幾種典型柴油機的尾氣排放數據（見表1）可知，如果直接用柴油機做選擇性催化還原SCR技術研究，每種發動機提供的流量和溫度基本上不同，對試驗研究有很大的局限。為此，建立模擬多種柴油機尾氣的試驗臺，輸出的熱量由柴油燃燒。此臺架在研究不同柴油機熱源和排放以及柴油機在不同工況下對選擇性催化還原SCR性能的影響時都可應用。

2? 柴油發動機模擬排氣試驗臺組成

柴油發動機模擬排氣試驗臺由供風系統、點火系統、燃燒系統和供油系統4部分組成。

2.1 供風系統

供風系統由點火風機、配風筒、混合風機、配風風道、風門組成，其中點火風機采用2臺高壓風機并聯，為燃料的燃燒提供足夠風速和風量的空氣。混合風機用于克服系統背壓，使煙氣的總量達到系統所需的要求，并用于調節燃燒熱煙氣的溫度。控制系統通過控制燃燒風機和混合風機的開關來進行供風量的粗調，通過調節點火風機和混合風機出口風門的開度實現對供風量的微調。

2.2 點火系統

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

2.3 燃燒系統

燃燒系統由混合室、燃燒器、火焰監測器和排風風道組成，燃燒噴嘴安裝在穩焰筒內，穩焰筒上設置旋流器，旋流器可形成高壓旋轉風保持火焰的穩定。發生器本體上裝有光電火焰監測器，把發生器內非正常熄火停車的信息及時反饋給控制器，在火焰熄滅的瞬間切斷供油系統，防止意外事故發生，維護設備的安全運行。

2.4 供油系統

供油系統通過燃燒噴嘴將高壓油泵提供的高壓燃油霧化成細液滴，以一定的擴散角（也稱霧化角）噴入燃燒室內，與點火風機送入的空氣相混后點火燃燒。供油系統由油箱、油泵、變頻器、過濾器、燃燒噴嘴、比例噴嘴以及電磁閥和供回油管路等部件組成。油泵由控制系統通過油泵繼電器控制，燃燒控制采用比例調節的控制方式，控制系統通過控制燃燒噴嘴電磁閥的開關來進行噴油量的粗調，通過調節比例噴嘴實現對噴油量的微調。

3? 柴油發動機模擬排氣試驗臺特點

①燃燒風機采用兩臺高壓風機并聯，通過配風箱送風，以提高燃燒煙氣的出口風量，彌補單臺風機風量不足的缺點。②混合風機提供大量的冷風，保證試驗臺的排氣溫度在可控范圍內，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，可提高熱煙氣出口壓力，供風系統采用分組啟動方式，節約了電能，同時延長了風機的使用壽命。④燃燒系統采用了平衡風系統，當燃燒區域缺氧時，可通過平衡風閥門進行供風，保證燃料的充分穩定燃燒。⑤試驗臺輸出煙氣的參數調節采用了以下措施：在配風筒出口處加可調節風門;燃燒方式采用比例調節的燃燒方式，保證了系統煙氣的溫度和風量連續可調。

4? 參數設計

4.1 排氣量設計計算

根據理想氣體狀態方程：

4.2 噴油量設計計算

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）

參照典型燃氣輪機燃燒室參數，系統換熱效率（90～95%），燃燒效率c（90～99%）[4]，柴油低位熱值Hu=42934kJ/kg[5]。

5? 試驗臺的運行和調試

本試驗臺輸出煙氣的參數（流量、溫度和壓力）可以調節，控制系統通過控制點火風機和混合風機的開關來進行供風量的粗調，通過調節在配風筒出口處可調節風門的開度實現對供風量的微調。通過控制燃燒噴嘴電磁閥的開關和對比例噴嘴的控制，實現對噴油量的調節。控制系統流程圖見圖4，控制系統根據排氣管道內流體的流量、溫度和壓力，通過調節點火和配風風機的風量和對噴油量的控制，實現對整個系統排風風量、溫度和壓力的控制，使系統的風量、溫度和壓力達到設定工況并保持穩定。

6? 結論

本試驗臺可試參數多，調解范圍廣，能滿足不同柴油機多種工況下的試驗要求，為研究不同柴油機在多種工況下對選擇性催化還原SCR性能的影響及試驗驗證提供了基礎保證，有良好的經濟性和實用性。

參考文獻：

[1]趙宗讓.電廠鍋爐SCR煙氣脫硝系統設計優化[J].中國電力，2005，11：69-72.

[2]楊飏編著.氮氧化物減排技術與煙氣脫硝工程[M].北京：冶金工業出版社，2007，1：60-61.

[3]焦樹建編.燃氣輪機燃燒室[M].北京：機械工業出版社，1990，10：237.

[4]海澤.W.H.航空發動機設計[M].北京：科學出版社，1992：2-120.

[5]沈維道，蔣志敏，童均耕.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2001：429.