本發(fā)明涉及一種汽車尾氣凈化材料性能比較裝置，尤其是涉及一種多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置。

背景技術(shù)：

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，國內(nèi)汽車年銷量和保有量都不斷提高，造成了各大城市日益嚴重的汽車尾氣污染問題。研究表明，大城市中40％以上的nox，80％以上的co和70％以上的hcx都來自于汽車尾氣，汽車尾氣污染已經(jīng)嚴重影響了生態(tài)環(huán)境和人民群眾的健康。目前控制汽車尾氣污染最有效的途徑是降低單車排放量，安裝以催化類材料或吸附類材料為核心的汽車尾氣凈化裝置是目前減輕汽車尾氣污染的有效手段，開發(fā)汽車尾氣凈化材料需要高效、準確的評價手段來配合。汽車尾氣凈化材料的研制開發(fā)過程一般要歷經(jīng)小試試驗、中試試驗和工業(yè)放大應(yīng)用研究階段。其中小試試驗階段需要進行大量的篩選和反復(fù)的比對試驗，以確定合適的活性組分、活性組分相對含量、不同的負載方式和焙燒條件等；在中試試驗階段，要進一步放大考察小試試驗條件下優(yōu)選出的凈化材料，同樣離不開大量的對比試驗。

與一般的催化劑材料篩選對比試驗相比，汽車尾氣凈化材料的研制開發(fā)在早期就要進行模擬行車工況下的汽車發(fā)動機臺架尾氣凈化測試，所耗費的時間和經(jīng)濟成本相對較高，發(fā)動機臺架試驗環(huán)境的壓力、溫度的波動相較于傳統(tǒng)實驗室測試也更大。目前汽車發(fā)動機尾氣凈化材料的一個研究重點是提高凈化材料的低溫凈化效率，減少冷啟動時的污染物排放，按照gb18352.3-2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》的要求，滿足我國第三、第四階段標準(相當于歐iii、歐iv標準)的汽車尾氣凈化認證試驗包括i型試驗(常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗)和vi型試驗(低溫下(-7℃)冷起動后排氣中co和hc排放試驗)，其采樣分析要求在發(fā)動機啟動后0秒就開始進行，這兩類試驗中汽車發(fā)動機排氣口端尾氣的溫度會有顯著的不同，這對汽車發(fā)動機尾氣凈化材料測試系統(tǒng)的溫度調(diào)控能力提出了相當高的要求。另外，目前汽車發(fā)動機尾氣凈化材料的另一個研究重點是提升材料在更寬的空/燃比(airtofuelratio)的工作窗口內(nèi)(特別是富氧條件下)提高對nox的選擇性還原性能，這體現(xiàn)在對汽車發(fā)動機尾氣凈化材料測試系統(tǒng)的要求上就是要能夠適應(yīng)不斷切換的進氣量、進氣成分等參數(shù)的變化，并能夠確保對不同批次的待測材料/參比材料進行相關(guān)測試的汽車尾氣(反應(yīng)氣)溫度、壓力、進氣組分的完全均勻化。

綜上所述，如何在確保待測試材料在壓力、流量、進氣成分、溫度等諸多控制因素保持一致的情況下進行高通量的對比測試一直是汽車尾氣凈化材料評價手段研發(fā)中的關(guān)鍵問題。提高汽車尾氣凈化材料對比試驗的可信度，同時提高篩選效率，有利于提高材料的研發(fā)效率，縮短汽車尾氣凈化材料的研發(fā)周期。

授權(quán)公告號為cn1803271b的中國發(fā)明專利公開了一種分流器及高通量并行催化反應(yīng)裝置，主要是采用了組合化學(xué)的思路，適于流體-固體多相催化反應(yīng)。該裝置包括分流器、流量控制器、并行反應(yīng)器、溫度控制器、冷卻器和產(chǎn)物收集器。反應(yīng)流體進入流量控制器中控制一種流體的總流量，然后經(jīng)分流器分流，再與從其它分流器出來的流體分別混合得到與各單個分流器通道數(shù)相同的多路流體混合物，然后分別進入反應(yīng)器的相應(yīng)通道與催化劑接觸，進行催化反應(yīng)，從而評價催化劑的性能。該型概念性裝置僅僅考慮了流量和溫度的均勻性控制，并沒有針對汽車尾氣凈化材料對比測試進行任何專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此并不能有效地消除在實際臺架測試中發(fā)動機工況頻繁改變引起的系統(tǒng)壓力波動影響，同樣也無法消除由于各反應(yīng)列管中填裝的待測試材料不同引發(fā)壓降不同導(dǎo)致的流量不均衡現(xiàn)象，無法確保針對汽車尾氣凈化材料的性能比較測試在壓力、氣體組分等諸多實驗參量完全一致的條件下進行。此外，該型裝置作為一套模擬概念，沒有考慮到在測試過程中如何使進氣管路壓力始終維持在一個設(shè)定值，也沒有考慮當臺架發(fā)動機發(fā)生喘振等工況致使系統(tǒng)內(nèi)部壓力異常升高超出限定值時，如何有效的通過相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計保護處于氣路下游的反應(yīng)器和檢測儀器。

授權(quán)公告號為cn102539618b的中國發(fā)明專利公開了一種多通道高通量催化劑評價裝置及評價方法，該裝置采用了單加熱爐和多反應(yīng)器相配合的方式，可以同時評價多個相同或不同的催化劑，也可以通過設(shè)置不同反應(yīng)系統(tǒng)加熱爐的溫度研究反應(yīng)溫度的影響，提高了催化劑篩選的效率。但是該型裝置實際上是將催化反應(yīng)器進料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、取樣分析系統(tǒng)以及產(chǎn)物收集系統(tǒng)進行簡單的串并聯(lián)，并沒有針對汽車尾氣凈化材料對比測試進行任何專門的結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此也并不能有效地消除在實際臺架測試中發(fā)動機工況頻繁改變引起的系統(tǒng)壓力波動影響，同樣也無法消除由于各反應(yīng)列管中填裝的待測試材料不同引發(fā)壓降不同導(dǎo)致的流量不均衡現(xiàn)象，無法確保針對汽車尾氣凈化材料的性能比較測試在壓力、氣體組分等諸多實驗參量完全一致的條件下進行，會造成相關(guān)檢測器對凈化效果判定的嚴重誤差。此外，該型裝置作為一套實驗室模擬設(shè)備，沒有考慮到在測試過程中如何使進氣管路壓力始終維持在一個設(shè)定值，也沒有考慮當臺架發(fā)動機發(fā)生喘振等工況致使系統(tǒng)內(nèi)部壓力異常升高超出限定值時，如何有效的通過相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計保護處于氣路下游的反應(yīng)器和檢測儀器。綜上，這套裝置實際并不能滿足汽車尾氣凈化材料評價測試的特殊要求。

總之，專門針對汽車尾氣凈化材料評價測試過程的特殊性，設(shè)計一種旨在同時提高汽車尾氣凈化材料評價測試可信度和測試效率的裝置是具有相當?shù)难芯亢蛻?yīng)用前景的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠有效提高材料評價測試效率的多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置，由通過氣路系統(tǒng)結(jié)合的多列管反應(yīng)器組件、氣體壓力流量控制組件和補償溫控組件組成，

所述的多列管反應(yīng)器組件為內(nèi)藏歧管式多列管結(jié)構(gòu)，反應(yīng)器組件的入口端與汽車尾氣進氣管相連，出口端經(jīng)由各反應(yīng)列管出口分別與各分路流量調(diào)節(jié)閥連接。

所述的多列管反應(yīng)器組件包括：

耐溫外殼：采用耐溫高強度材料制成的封閉結(jié)構(gòu)，外側(cè)壁敷有絕熱層；

進氣管：設(shè)置于反應(yīng)器組件的軸心位置，中央位置安裝有補償電加熱器件，末端開口敞開于反應(yīng)器內(nèi)部上方位置；

反應(yīng)列管：設(shè)有至少四個反應(yīng)列管，呈環(huán)狀軸對稱排列，管內(nèi)分別填充有不同的待測試材料或參比材料，入口端敞開于反應(yīng)器內(nèi)部下方接近底部的位置，出口端經(jīng)由氣體管路分別與各分路流量調(diào)節(jié)閥連接。

所述的反應(yīng)列管中待測試材料或參比材料的填裝量(以填裝長度l計)可以根據(jù)具體試驗要求(反應(yīng)氣流速u、反應(yīng)列管直徑d、催化床層的阻力降δpf等)進行調(diào)整，利用以下公式進行計算決定：

上式中：δpf為催化床層的壓力降，ρ為所填充材料的密度，λ為與雷諾數(shù)re有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，d為反應(yīng)列管直徑，u為反應(yīng)氣流速。

所述的所有反應(yīng)列管內(nèi)內(nèi)部體積占整個外殼內(nèi)的體積比應(yīng)根據(jù)具體試驗要求(壓力降和氣體流量)進行設(shè)計，一般要求反應(yīng)列管的直徑小于或等于外殼直徑的1/8，從而能夠借助多列管反應(yīng)器內(nèi)部較大的腔體實現(xiàn)對氣體流量和壓力的緩沖作用。

進入多列管反應(yīng)器組件的汽車尾氣(反應(yīng)氣)將首先在外殼內(nèi)回流，一方面可以與反應(yīng)列管中裝填的待評價材料進行充分的熱交換，另一方面可以借助多列管反應(yīng)器內(nèi)部較大的腔體實現(xiàn)對氣體流量和壓力的緩沖作用，以及通過腔體-反應(yīng)列管之間的動態(tài)熱平衡，確保隨后進入各反應(yīng)列管進行相關(guān)測試的汽車尾氣(反應(yīng)氣)溫度、壓力、流量、進氣組分的均衡。

所述的補償溫控組件由熱電偶以及設(shè)置于進氣管的中央位置的補償電加熱器件組成，所述的熱電偶的測溫端安裝在多列管反應(yīng)器組件內(nèi)部，通過反饋回路控制補償電加熱器件的電流強度。補償溫控組件可以用于實時檢測并調(diào)節(jié)汽車尾氣(反應(yīng)氣)的溫度，以實現(xiàn)在模擬發(fā)動機排氣管中溫度的條件下對汽車尾氣凈化材料性能進行比較測試。

所述的氣體壓力流量控制組件由設(shè)置在多列管反應(yīng)器組件前端的汽車尾氣進氣管、尾氣過濾器、自力式背壓穩(wěn)定閥、排氣旁路以及與多列管反應(yīng)器組件的后端多個反應(yīng)列管出口分別連接的流量調(diào)節(jié)閥、流量計、三通換向閥組成。

所述的汽車尾氣進氣管的進氣端與臺架發(fā)動機排氣管直接相連，

所述的尾氣過濾器安裝在汽車尾氣進氣管的進氣端與臺架發(fā)動機排氣管的連接處，套接在汽車尾氣進氣管的最前端，內(nèi)裝有玻璃纖維濾膜，用于過濾發(fā)動機尾氣中未燃盡的碳及其他雜質(zhì)顆粒，避免引入所述多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置造成待評價材料污染或氣體管路堵塞等不良影響，

所述的自力式背壓穩(wěn)定閥安裝在尾氣過濾器后端引出的排氣旁路上，并連有檢測系統(tǒng)背壓的壓力表，通過內(nèi)置的彈簧儲存的彈力實現(xiàn)穩(wěn)壓。

當臺架發(fā)動機處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)壓力正常波動時，該閥可以根據(jù)主進氣管路壓力的變化調(diào)節(jié)背壓閥膜片的位置，從而調(diào)節(jié)排氣旁路的開啟程度，使主進氣管路壓力始終保持在一個設(shè)定值，本套裝置處于正常運行狀態(tài)；當臺架發(fā)動機發(fā)生喘振等異常工況致使系統(tǒng)內(nèi)部壓力異常升高超出限定值時，背壓閥膜片將壓縮彈簧，從而完全打開排氣旁路以徹底泄壓，保護處于氣路下游的反應(yīng)器和檢測儀器。

所述的流量調(diào)節(jié)閥和流量計的數(shù)量與多列管反應(yīng)器組件的反應(yīng)列管的數(shù)量相同，分別串接在各反應(yīng)列管出口端，

所述的三通換向閥設(shè)置在各反應(yīng)列管出口引出的氣路上，一端接在流量計的后端，一端聯(lián)通氣路聯(lián)結(jié)檢測儀器(如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀或氧濃度監(jiān)測儀等)接口，一端接排氣管道放空。

氣體壓力流量控制組件可以有效地消除在實際臺架測試中發(fā)動機工況頻繁改變引起的系統(tǒng)壓力波動影響，也可以最大程度上消除由于各反應(yīng)列管中填裝的待測試材料不同引發(fā)的流量不均衡現(xiàn)象，確保針對汽車尾氣凈化材料的性能比較測試在壓力、流量、空燃比等諸多實驗參量完全一致的條件下進行。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和和一系列的模塊化組件思路，能夠在充分考慮到目前汽車尾氣凈化材料性能測試特別是汽車發(fā)動機臺架尾氣凈化測試中存在的壓力波動較大、測試溫度范圍變化劇烈、空/燃比(airtofuelratio)工作窗口寬且切換頻繁等實際情況下，能夠做到在精確控制溫度、壓力、流量、氣體組分等諸多實驗參量完全一致的條件下同時對不同凈化材料進行高通量的準確對比測試，能夠有效的提高材料評價測試的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為多列管反應(yīng)器組件的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為多列管反應(yīng)器組件的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為排氣管、2為檢測儀器i接口、3為檢測儀器ii接口、4為保溫箱體、5為耐溫外殼、6為放水閥、7為玻璃纖維濾膜、8為尾氣進氣管、9為保溫套管、10為尾氣過濾器、11為自力式背壓穩(wěn)定閥、12為排氣旁路、13為壓力表、14為多列管反應(yīng)器組件、15為流量調(diào)節(jié)閥、16為流量計、17為三通換向閥；

14-1為反應(yīng)列管、14-2為熱電偶、14-3為待測試材料、14-4為補償電加熱器件、14-5為參比材料、14-6為固定螺栓及密封圈。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

一種多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括多列管反應(yīng)器組件14、氣體壓力流量控制組件和補償溫控組件。其中多列管反應(yīng)器組件14由耐溫外殼5、尾氣進氣管8、反應(yīng)列管14-1等構(gòu)成，采用內(nèi)藏歧管式多列管結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示。耐溫外殼5采用耐溫高強度材料制成的封閉結(jié)構(gòu)，外側(cè)壁敷有絕熱層，另外還連接有放水閥6。尾氣進氣管8設(shè)置于反應(yīng)器組件的軸心位置，中央位置安裝有補償電加熱器件14-4，末端開口敞開于反應(yīng)器內(nèi)部上方位置。反應(yīng)列管14-1設(shè)有至少四個并呈環(huán)狀軸對稱排列，管內(nèi)填充有待測試材料14-3以及參比材料14-5，其入口端于反應(yīng)器14中敞開，出口端分別與各分路流量調(diào)節(jié)閥15相連接。反應(yīng)列管14-1與耐溫外殼5的連接處設(shè)有固定螺栓及密封圈14-6。

反應(yīng)列管中待測試材料或參比材料的填裝量(以填裝長度l計)可以根據(jù)具體試驗要求(反應(yīng)氣流速u、反應(yīng)列管直徑d、催化床層的阻力降δpf等)進行調(diào)整，利用以下公式進行計算決定：

上式中：δpf為催化床層的壓力降，ρ為所填充材料的密度，λ為與雷諾數(shù)re有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù)，d為反應(yīng)列管直徑，u為反應(yīng)氣流速。

所有反應(yīng)列管內(nèi)內(nèi)部體積占整個外殼內(nèi)的體積比應(yīng)根據(jù)具體試驗要求(壓力降和氣體流量)進行設(shè)計，一般要求反應(yīng)列管的直徑小于或等于外殼直徑的1/8，從而能夠借助多列管反應(yīng)器內(nèi)部較大的腔體實現(xiàn)對氣體流量和壓力的緩沖作用。

氣體壓力流量控制組件由設(shè)置在多列管反應(yīng)器組件14前端的尾氣進氣管8、尾氣過濾器10、自力式背壓穩(wěn)定閥11、排氣旁路12以及與多列管反應(yīng)器組件14的后端多個反應(yīng)列管出口分別連接的流量調(diào)節(jié)閥15、流量計16、三通換向閥17組成，另外還包括必要的氣體管路。流量調(diào)節(jié)閥15、流量計16、三通換向閥17可以設(shè)置在保溫箱體4內(nèi)。尾氣進氣管8的進氣端與臺架發(fā)動機排氣管直接相連，尾氣過濾器10安裝在汽車尾氣進氣管8的進氣端與臺架發(fā)動機排氣管的連接處，套接在汽車尾氣進氣管8的最前端，內(nèi)裝有玻璃纖維濾膜7，并且設(shè)置在保溫套管9內(nèi)，用于過濾發(fā)動機尾氣中未燃盡的碳及其他雜質(zhì)顆粒，避免引入所述多路環(huán)列式汽車尾氣凈化材料性能比較裝置造成待評價材料污染或氣體管路堵塞等不良影響。

自力式背壓穩(wěn)定閥11安裝在尾氣過濾器10后端引出的排氣旁路12上，并連有檢測系統(tǒng)背壓的壓力表13，通過內(nèi)置的彈簧儲存的彈力實現(xiàn)穩(wěn)壓。當臺架發(fā)動機處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)壓力正常波動時，該閥可以根據(jù)主進氣管路壓力的變化調(diào)節(jié)背壓閥膜片的位置，從而調(diào)節(jié)排氣旁路的開啟程度，使主進氣管路壓力始終保持在一個設(shè)定值，本套裝置處于正常運行狀態(tài)；當臺架發(fā)動機發(fā)生喘振等異常工況致使系統(tǒng)內(nèi)部壓力異常升高超出限定值時，背壓閥膜片將壓縮彈簧，從而完全打開排氣旁路以徹底泄壓，保護處于氣路下游的反應(yīng)器和檢測儀器。

流量調(diào)節(jié)閥15和流量計16的數(shù)量與多列管反應(yīng)器組件的反應(yīng)列管的數(shù)量相同，分別串接在各反應(yīng)列管出口端，三通換向閥17設(shè)置在各反應(yīng)列管出口引出的氣路上，一端接在流量計的后端，一端聯(lián)通氣路聯(lián)結(jié)檢測儀器(如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的檢測儀器i接口2或氧濃度監(jiān)測儀的檢測儀器ii接口3等)接口，一端接排氣管1放空。

補償溫控組件由熱電偶14-2以及設(shè)置于尾氣進氣管8的中央位置的補償電加熱器件14-4組成，熱電偶14-2的測溫端安裝在多列管反應(yīng)器組件內(nèi)部，通過反饋回路控制補償電加熱器件的電流強度。補償溫控組件可以用于實時檢測并調(diào)節(jié)汽車尾氣(反應(yīng)氣)的溫度，以實現(xiàn)在模擬發(fā)動機排氣管中溫度的條件下對汽車尾氣凈化材料性能進行比較測試。

實施例2

以氧化鈰基汽車尾氣三效催化劑(threewaycatalyst)應(yīng)用于汽車尾氣凈化評價測試為例，選用國外某知名催化劑公司生產(chǎn)的商用三效催化劑作為參比材料，以實驗室合成的三種不同活性組分(pt/rh/pd)配比的氧化鈰基汽車尾氣三效催化劑為待測材料，以相同的質(zhì)量分別填充于本裝置的四個反應(yīng)列管中進行對比在線評價。臺架試驗的發(fā)動機選用福特公司ecoboost2.0lgtdi240型號，采用93號(京92號)燃油進行測試，供油方式采用缸內(nèi)直噴，發(fā)動機排氣管直接與本裝置的尾氣進氣管相連接。測試試驗為低溫下冷起動后排氣中co和hc排放及消除試驗(gb18352.3-2005vi型試驗)。首先檢查整個裝置的氣密性，隨后設(shè)置補償溫控組件中的補償電加熱器件，待整個系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定，檢查自力式背壓穩(wěn)定閥和壓力表，確保排氣旁路的設(shè)置處于正常位置，系統(tǒng)內(nèi)背壓穩(wěn)定。啟動發(fā)動機待工作穩(wěn)定后，參考流量計的讀數(shù)，調(diào)節(jié)與多列管反應(yīng)器后端多個反應(yīng)列管出口分別連接的分路流量調(diào)節(jié)閥，確保四個反應(yīng)列管中尾氣流量保持穩(wěn)定并一致。此時發(fā)動機連續(xù)工作產(chǎn)生的尾氣將經(jīng)由尾氣過濾器進入多列管反應(yīng)器前端的進氣管，經(jīng)過補償電加熱器件調(diào)節(jié)溫度后在多列管反應(yīng)器的外殼內(nèi)回流，一方面可以與反應(yīng)列管中裝填的待評價材料進行充分的熱交換，另一方面可以借助反應(yīng)器內(nèi)部較大的體積實現(xiàn)對發(fā)動機的工作壓力起到緩沖作用，確保隨后進入各反應(yīng)列管進行相關(guān)測試的汽車尾氣(反應(yīng)氣)溫度、壓力、進氣組分的均衡。尾氣(反應(yīng)氣)擴散進入各反應(yīng)列管后將與事先裝填的參比材料和三種待測材料分別發(fā)生反應(yīng)，待反應(yīng)穩(wěn)定進行一段時間后，切換與多列管反應(yīng)器后端多個反應(yīng)列管出口分別連接的三通換向閥，將產(chǎn)物氣體導(dǎo)入檢測儀器i(氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀)中，檢測產(chǎn)物氣體中nox，co和hcx的含量，以確定參比材料和三種待測材料分別對汽車尾氣的凈化效果。隨后，再次切換與多列管反應(yīng)器后端多個反應(yīng)列管出口分別連接的三通換向閥，將產(chǎn)物氣體導(dǎo)入檢測儀器ii(氧濃度監(jiān)測儀)中，檢測產(chǎn)物氣體中剩余o2濃度比例，用于推算在安裝相應(yīng)的汽車尾氣的凈化裝置后發(fā)動機的工作效率等參數(shù)。本裝置可以長時間連續(xù)、間歇或切換運轉(zhuǎn)，從而可以全面評價待測材料/參比材料的凈化效率在不同工況下的下降情況及整體壽命。整個裝置具有簡便、安全、模塊化等特點。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當認識到，以上的具體實施方式僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述具體實施方式的變化、變型都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。