CN101517392A - 使用不基于发动机的测试系统评价部件的方法 - Google Patents

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CN101517392A CNA2005800344395A CN200580034439A CN101517392A CN 101517392 A CN101517392 A CN 101517392A CN A2005800344395 A CNA2005800344395 A CN A2005800344395A CN 200580034439 A CN200580034439 A CN 200580034439A CN 101517392 A CN101517392 A CN 101517392A
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G·J·J·巴特雷
C·C·韦伯
M·J·黑姆瑞奇
T·R·加博哈特
B·B·柏考瓦斯基
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Abstract

一种使用不基于发动机的测试系统来评价一个或多个部件的方法。该方法包括：提供不基于发动机的测试系统，该系统包括与一个或多个部件流体地连通的燃烧器；在包括有控制的空气对燃料比(AFR)的馈送条件下将燃料和空气供应到燃烧器，该馈送条件产生馈送流的流动路径；在燃烧条件下燃烧馈送流流动路径内的至少一部分燃料，该燃烧条件能产生排气产物而基本防止对燃烧器造成损坏；以及在加速老化条件或驱动循环条件之外的替代条件下将一个或多个部件暴露于排气产物。

Description

使用不基于发动机的测试系统评价部件的方法
相关申请
本申请是2002年8月6日提交的美国专利申请系列第10/213,890号的部分继续，其作为US 2003-0079520A1(未决)于2003年5月1日公开，本文援引其以供参考。
技术领域
本申请一般地涉及一种使用不基于发动机的测试系统作为热源来评价一个或多个部件的方法。
背景技术
有各种试验用来评价车辆的排气系统部件。各种试验通常需要将部件暴露在热的排气产物前。一般地来说，使用试验台架上的汽油发动机来产生热的排气产物。
使用试验台架上的发动机相当花费人力，其需要一个或多个技术人员长时间在场来维持所需要的流量和温度条件。劳动力成本和汽油成本使得试验台架上的发动机试验相当地昂贵。
需要花费劳动力较少和成本较低的方法和装置来评价部件。
发明内容
本申请提供一种使用不基于发动机的测试系统来评价一个或多个部件的方法。该方法包括：提供不基于发动机的测试系统，该系统包括与一个或多个部件流体地连通的燃烧器；在包括有控制的空气对燃料比(AFR)的馈送条件下将燃料和空气供应到燃烧器，所述馈送条件产生馈送流的流动路径；在燃烧条件下燃烧馈送流流动路径内的至少一部分燃料，所述燃烧条件能产生排气产物而防止对燃烧器的很大损坏；以及在加速老化条件或驱动循环条件之外的替代条件下将一个或多个部件暴露于排气产物。
附图说明
图1示出系统一实施例的示意图。
图2A是适用于不基于发动机的热源的燃烧器的优选实施例的视图。
图2B是图2A中燃烧器的圈出部分的局部放大图。
图3A是一涡流片的前视图，该涡流片使进入燃烧器的燃烧部分的空气产生漩涡运动。
图3C是图3A的涡流片的后视图。
图3B、3D和3E是通过图3A和3C的涡流片的截面图。
图4A是空气辅助的燃料喷嘴的一个实施例的分解图。
图4B是图4A的空气辅助的燃料喷嘴的阳配件的突缘端的前视图，其示出空气喷射开口的结构。
图4C是图4B的空气辅助的燃料喷嘴的相对端的前视图。
图4D是优选的空气辅助的燃料喷嘴的视图。
图4E是图4D的空气辅助的燃料喷嘴的阳配件的突缘端的前视图。
图4F是图4D的空气辅助的燃料喷嘴的相对端的前视图。
图5是根据本方法提供交替应力条件而装备的系统的箱形图。
图6是使用试验台架发动机时在空气对燃料比扫描试验过程中产生的数据曲线图。
具体实施方式
减少汽车排气排放而形成的两个一般的领域是：(1)减少发动机产生的排气排放，以及(2)优化发动机产生的排气排放的后处理。排气后处理通常包括放置在发动机排气路径内的一个或多个催化式排气净化器。
为优化发动机特性而需控制的发动机主要运行参数是空气流、燃料流(或空气-燃料比或“AFR”)，以及点火时间。随着更快的催化剂点火(light-off)总的碳氢化合物排放将减小。然而，通过调整AFR、点火时间等来提高催化剂的加热通常会导致更高的排气排放速率。为了将总的排放降到最低，一旦催化剂点火，就需要变换到化学计量燃烧。优化催化式排气净化器的净化效率通常需要控制AFR和催化剂能量(温度)。
本发明提供使用不基于发动机的热源精确地测试上述参数和其它的各种方法。
示范的不基于发动机的热源
示范的不基于发动机的热源是
Figure A20058003443900081
台架。是西南研究院的注册商标。开发
Figure A20058003443900083
台架来实施老化试验，即，评价催化式排气净化器长期特性上的个别变量的长期效果。
Figure A20058003443900084
台架能产生排气产物，其成分和温度对应于由机动车辆的内燃机产生的排气产物。
不基于发动机的热源诸如
Figure A20058003443900085
台架上的燃烧器系统，它可用来供应实施各种其它试验所需的热量，各种试验包括但不一定局限于设计验证试验和耐用性试验。尽管将在下文中详细描述的
Figure A20058003443900086
台架是优选的用于试验的不基于发动机的热源，但本技术领域内的技术人员显然明白，根据这里所述的原理，任何功能的和有效的不基于发动机的热源也可适用。不基于发动机的热源产生模拟的排气产物，其成分和温度对应于由机动车辆的内燃机产生的排气产物。
较佳地，不基于发动机的热源从汽油或其它燃料的燃烧中提供无油的排气，其它燃料诸如汽油；合成汽油；柴油；由煤、泥煤或类似材料生成的液化燃料；甲醇；压缩天然气；或液化石油气。不基于发动机的热源对空气与燃料之比提供精确的控制，并较佳地提供油雾分离系统，该系统用于在各种耗率和氧化状态下的完全隔离燃料效果和润滑剂效果。不基于发动机的热源较佳地能在各种条件上操作，允许模拟发动机运行的各种模式，例如，冷起动、稳态化学计量运行、贫瘠(或贫燃料)、富裕(或富燃料)、循环紊乱等。
在一优选的实施例中，不基于发动机的热源包括：(1)空气供应系统，其对燃烧器提供用于燃烧的空气，(2)将燃料提供到燃烧器的燃料系统，(3)燃烧器系统，其燃烧空气和燃料混和物并提供合适的排气产物的成分，(4)热交换器，用来控制排气产物温度，以及(5)计算机化的控制系统。在一实施例中，不基于发动机的热源还包括一喷油系统。
Figure A20058003443900087
台架
空气供应系统
现参照诸图，为了说明的目的，首先参照图1，图中示出
Figure A20058003443900088
台架的示意图。鼓风机30抽取周围空气通过入口空气过滤器20并排出压缩空气流。鼓风机30和空气质量流传感器50可以是本技术领域内的技术人员熟知的任何传统的设计。在一优选的实施例中，鼓风机30是电动离心鼓风机，诸如Fuji Electric ModelVFC404A Ring Blower，而空气质量流传感器50是汽车入口空气流传感器，诸如可从大多数汽车零件零售商店购得的Bosh Model Number 0280214001。供应的空气体积通过调整一旁通阀40来产生要求的空气流量而设定，空气流量由质量流传感器50进行测量。
燃料供应系统
标准的汽车燃料泵10泵送汽车燃料通过燃料管路12到电动的燃料控制阀14，然后再到燃烧器60(将在下面详细描述)。如这里所采用的，术语“汽车燃料”意指可用作为机动车辆内燃机燃料的任何物质，包括但不一定局限于汽油；合成汽油；柴油；由煤、泥煤或类似材料生成的液化燃料；甲醇；压缩天然气；或液化石油气。
尽管也可使用其它类型的控制阀，但较佳的燃料控制阀14是电磁阀，它从计算机控制的系统接受脉冲宽度调制过的信号，并正比于脉冲宽度调节流入燃烧器的燃料流。电动的电磁阀14可以是用一脉冲调制过的信号进行控制的一种设计，其是本技术领域内的技术人员众所周知的。在一优选的实施例中，电动的燃料控制阀14是可从大多数汽车零件零售商那里购得的Bosch frequency valve model number0280 150 306-850。燃料用管道从燃料控制阀14输送到燃烧器组件内的空气辅助燃料喷嘴16(下文中描述)。
燃烧器
燃烧器是特殊加工的，如下文中所述用来产生燃料和空气的化学计量燃烧。在一优选实施例中，燃烧器60是一漩涡稳定的燃烧器，其能产生汽车燃料的连续的化学计量燃烧。
现参照图2，在一优选的实施例中，燃烧器包括充气室200和燃烧管210。涡流片18使充气室200与燃烧管210分离。燃烧管210用能够承受极高温度的材料构造。较佳的材料包括但不一定局限于INCONEL或不锈钢，可供选择地是，可装备有石英管来代替INCONEL管，以便可肉眼观察生成的火焰型式。
空气和燃料可单独地引入到燃烧器60内。从质量流传感器50流出的空气用管道引入到充气室200(图2)，然后通过涡流片18引入到燃烧器管内。涡流片18装备有燃料喷射器16。
燃料喷射器
在第一实施例中，空气辅助的燃料喷嘴16使用传统的装置接合在充气室200内的涡流片18中心处(图2)。燃料从燃料供应管路14馈送到空气辅助的燃料喷嘴16，在那里，它与来自空气管路15的压缩空气混和并喷射到燃烧管210内(图2)。压缩空气管路15提供高压空气以帮助燃料雾化。
图4A是空气辅助的燃料喷嘴16的一实施例。如图4A所示，空气辅助的燃料喷嘴16包括阳和阴的突缘配件，它们与涡流片18接合。本技术领域内的技术人员熟知接合的各种合适的方法。阴配件250具有突缘端252和基本管状的延伸部251。阳配件254包括突缘端256和具有相对端268的基本圆柱形的延伸部253。圆柱形延伸部沿其长度配装在阴配件的管状延伸部内。在一优选的实施例中，管状延伸部251的内壁259和管状延伸部253的外壁263之间的间隙270最好约为1/8英寸。该间隙为燃料的喷射形成圆周槽257，其与燃料喷射孔264连通。
空气喷射孔262(最好约为1/16英寸)通过突缘端256并基本上平行于的阳配件的管状延伸部253的轴线，延伸到孔260，该孔260与涡流片18交界。燃料喷射孔264从邻近于空气喷射孔262的外壁263径向向内延伸。空气喷射孔262以任何合适的方式与空气管路15接合。燃料喷射孔264以任何合适的方式与燃料管路12接合。
图4B是阳配件的突缘端254的前视图，其示出空气喷射孔262的布置。如图4B所示，五个空气喷射孔262a-d和265类似于博奕骰子上的数字“5”那样地布置。具体来说，当与图4B中沿5x-5x所画的直线相比时，通过中心空气孔265的中心和通过任一个角上的空气孔262a-d的中心画的一直线将具有45°角。换句话说，角上的空气孔262a-d的中心位于围绕中心空气孔265画的正方形的四个角上。
空气辅助的燃料喷嘴16的所有部分的相对端在接合时的前视图示于图4C中。在该“靶心”图中：内圆是阴配件的孔260；下一同心环是阳配件的管状延伸部253的相对端268；再下一同心环是由阴配件的管状延伸部251和阳配件的延伸部253之间的间隙形成的环形槽270；以及最外的环是形成端口255的突缘252。
在燃料喷射器16的一优选实施例中(图4D-F)，相同的零件给予与图4A-4C相同的标号。参照图4D，空气喷射孔262呈倾斜以将燃料引入到空气屏蔽中，以便混和和保护，同时，用直接通过燃料喷嘴喷射的空气来剪切通过燃料喷射孔264的燃料。燃料喷射孔264最好直接指向空气屏蔽内，以便混和和保护。喷射角使得空间要求内的燃料雾化和与涡流片18的工作达到最大。
空气辅助的燃料喷嘴16使用传统的装置接合在涡流片18的中心处。空气辅助的燃料喷嘴16包括适于与涡流片18内的中心孔244(图3C)相匹配的带突缘的阳配件252。在一优选的实施例中，空气辅助的燃料喷嘴的外壁254a和涡流片18的中心孔壁281之间的同心间隙270较佳地约为0.2-0.75英寸，最佳约为0.25英寸。空气辅助的燃料喷嘴16形成空气喷射孔262，其具有的纵向轴线用直线Y-Y’代表。直线Y-Y’相对于沿涡流片的内壁280画出的直线5F-5F形成角度x，x’。角度x，x’较佳地约为65°-80°，最好约为76°。空气喷射孔262可基本上具有任何的结构。在一优选的结构中，空气喷射孔262是圆柱形孔。
空气喷射孔262从供应端298延伸到喷射端299，并具有有效地允许燃料合适流动的内直径。在一优选实施例中，空气喷射孔262具有从约0.060-0.080英寸的内直径，最好约为0.070英寸。空气喷射孔262从供应端298延伸到喷射端299上的燃烧管210(图2)。
空气辅助的燃料喷嘴16包括适于与涡流片18的外壁282匹配的第一突缘端252a。第一突缘端252a与外壁282的对齐可采取多种结构，诸如互补的槽、互补的角，或其它类型匹配的机器配件。在一优选的实施例中，第一突缘端252a和外壁282是基本上平坦的并彼此平行，沿着基本上垂直于纵向轴线A-B的直线彼此邻接。在一优选实施例中，第一突缘端252a从由直线A-B所示的纵向轴线径向地向外延伸到约为0.38-0.65英寸的距离处，最好延伸到约为0.38英寸的距离处。
第二突缘端不是完全必要的；然而，在一优选实施例中，空气辅助的燃料喷嘴16还包括第二突缘端252b，其从由直线A-B定义的纵向轴线径向地向外延伸到约为0.3-0.45英寸的距离处，最好延伸到约为0.38英寸的距离处。
如图4D所示，第一突缘端252a和第二突缘端252b形成流动腔297，其在供应端298处包括端口255。该端口255的结构和大小不是关键的，只要端口255允许有足够量的燃料流过流动腔297进入由空气辅助的燃料喷嘴16形成的燃料喷射孔264就可。空气辅助的燃料喷嘴16的喷射端299形成燃料喷射孔264，喷射孔264从流动腔297延伸到空气喷射孔262内的开口291。燃料喷射孔264基本上可具有任何的结构，只要它们能供应足够的燃料流。燃料喷射孔264具有一由直线R-R’代表的纵向轴线，其相对于直线5F-5F形成角度z、z’。在一优选实施例中，燃料喷射孔264呈圆柱形并具有约0.020-0.040英寸的直径，最好约为0.031英寸。较佳地，角度z、z’约为60°至80°，最好约为73°。
在操作中，燃料流过端口255，通过流动腔297并通过燃料喷射孔264和开口291，喷射到空气喷射孔262，这导致空气和燃料在空气辅助的燃料喷嘴16的喷射端299处同时喷射。燃料与空气在开口291处碰撞，导致流动喷口有效地与空气屏蔽碰撞。用于空气辅助的燃料喷嘴16的所有部件的结构材料和尺寸将根据过程操作条件变化。
如图4E所示，空气喷射孔262在喷射端299处包括多个开口262a-d，它们类似于博奕骰子上的数字“4”那样布置。开口262a-d最好相对于彼此隔开约90°，如AB和A’B’所示。
图4F是空气辅助的燃料喷嘴16的供应端298的前视图。在此“靶心”图中：内圆是孔260，其余的同心环包括第二突缘端252b的外表面261。燃料从燃料管路12流入燃料喷嘴16，通过端口255进入燃料流动腔297内并通过燃料喷射孔264到空气喷射孔262。
涡流片
在一优选实施例中，涡流片18能产生高紊流的涡流燃烧，如图3A-E所示，以便在燃烧区域内提供复杂图形的坍瘪锥形和漩涡流动。由涡流片18产生的流动图形包括多个漩涡喷口242和242a-c，253和253a-c，以及紊流喷口248和248a-c，249和249a-c和250和250a-c的互相作用。这些喷口的互相作用形成皱缩和膨胀的漩涡流，最好保持一定间距，该间距长度基本上等于燃烧管210的内直径。在一优选实施例中，燃烧管210的内直径是4英寸，而漩涡流皱缩和膨胀的间距是每隔4英寸的距离。该图形清楚地规定了沿燃烧管210壁的流动路径，其规定了点火器220沿燃烧管210的位置。在这里所描述的实施例中，点火器位于沿内漩涡喷口(253a、b、c)的路径的第一和第二全膨胀处。
在一优选实施例中，如图3A-3E所示，涡流片18基本上呈圆盘形，其具有的厚度足够固定空气流动图形并形成有效地保护燃料喷射器的“空气屏蔽”。厚度通常约为1/2英寸或以上。涡流片18具有中心孔255。空气辅助的燃料喷嘴16使用合适的装置在该中心孔255处配装到涡流片18。在所述的实施例中，涡流片18具有通过其中的孔240以便附连空气辅助的燃料喷嘴16。涡流片18基本上用能耐高温的任何材料制造，优选的材料是不锈钢。
中心孔255由壁244形成。一般地来说，位于离涡流片的纵向轴线给定径向距离处各种类型喷口具有四个成分(有时称之为一“组”喷口)，它们沿离中心孔255给定距离处的同心圆间隔开大致90°。三组紊流喷口248、249和250引导空气朝向中心孔255。内组和外组的漩涡喷口242、253分别从涡流片18的外圆周256并基本上平行于直线3C-3C或4E-4E(图3)引导空气通过燃烧器方向内的对应象限内的涡流片的直径。
喷口的精确尺寸和角度定向将根据燃烧器的内直径变化，这在所述实施例中约为4英寸。根据这里给出的描述，本技术领域内的技术人员将能改变涡流片来用于具有不同尺寸的燃烧器。
相对于涡流片257的前面、相对于涡流片18的纵向轴线241并相对于图3C中的直线3C-3C和4E-4E来描述喷口的定向，以上所述将涡流片18分为四个象限。图中示出六个同心圆244和244a-e(图3C)，它们起始于形成中心孔255的壁244的内部并同心地延伸到涡流片18的外圆周244e。在这里所述的实施例中，中心孔具有1.25英寸的内直径，或0.625英寸的内半径。第一同心圆244a离壁244为0.0795英寸；第二同心圆244b离壁244为0.5625英寸；第三同心圆244c离壁244为1.125英寸；第四同心圆244d离壁244为1.3125英寸；以及第五同心圆244e离壁244为1.4375英寸。
一组外漩涡喷口标识为242和242a、b、c。一组内漩涡喷口标识为253和253a、b、c。外漩涡喷口242和242a-c和内漩涡喷口253和253a-c具有相同的相对于涡流片18的表面257的角度z(图3B)，最好为25°的角度。在一优选的实施例中，外漩涡喷口242和242a-c和内漩涡喷口253和253a-c具有5/16英寸的内直径。外漩涡喷口242沿着燃料喷射侧59上的涡流片18的外圆周256从入口点242x引导空气到燃烧器侧60上的沿圆244b的出口点242y。外漩涡喷口242的纵向轴线在其对应象限内平行于直线3C-3C和4E-4E并间隔开为0.44英寸。内漩涡喷口253沿着燃料喷射侧59上的圆244b从入口点延伸到沿中心孔244的燃烧器侧60上的出口点。内漩涡喷口253的纵向轴线在其对应象限内也平行于直线3C-3C和4E-4E。
空气屏蔽喷口250沿着圆244b从一点引导空气直接向内朝向中心孔255的中心。空气屏蔽喷口250纵向轴线沿着直线(3C-3C和4E-4E)走向。空气屏蔽喷口250的纵向轴线251相对于涡流片18的纵向轴线241的夹角a(图3D)为43.5°。空气屏蔽喷口250较佳地具有约为1/4英寸的内直径。涡流片18的燃烧器侧60上的外漩涡喷口242的出口点242y最好纵向地或沿平行于涡流片的纵向轴线241的方向与涡流片18的燃料喷射侧59上的空气屏蔽喷口250的入口点对齐。
空气屏蔽喷口250主要负责防止火焰接触到空气辅助的燃料喷嘴16。从空气屏蔽喷口250流出的空气汇聚在燃料喷嘴16前面的一位置处(图1和2)并形成锥形的空气屏蔽，这导致在涡流片18的燃料喷射侧59(图1)上形成低压区域，而在涡流片18的燃烧器侧60上形成高压区域。燃料喷射侧59的低压区域有助于抽出燃料进入到燃烧管210内，而燃烧器侧60上的高压区域防止燃烧器火焰附连到空气辅助的燃料喷嘴16的面上，并防止喷嘴16焦化和过热。在一优选的实施例中，空气屏蔽喷口250汇聚在喷嘴16前面的约0.5-1cm处。
燃烧管210装备有好几个火花点火器220(见图2)。在一优选实施例中，三个基本上等距离间隔开的点火器220围绕燃烧管的圆周定位在由涡流片18形成的气体“漩涡路径”内。在一优选实施例中，这些点火器220是船用火花塞。
在一适用于低挥发燃料燃烧的替代的实施例中，燃烧管210还装备有离燃料喷嘴16下游约一英尺处定位的泡沫陶瓷。基本上可使用任何合适的泡沫，最好是从Ultra-Met Corporation，Pacoima，CA 91331购得的10孔/英寸的SiC泡沫陶瓷。
燃料喷射器和涡流片的互相作用
燃烧器60和燃料喷嘴16一起工作而提供基本上连续和“有效的化学计量燃烧”。正如这里所采用的，术语“有效的化学计量燃烧”是指这样的化学计量燃烧，其保持燃烧管壁的完整性而使燃料喷射器基本上没有焦化。其结果，燃烧器可基本上连续地持续至少200小时化学计量燃烧而无需维护。在一优选实施例中，燃烧器可基本上连续地持续至少1500小时化学计量燃烧而只需最少量的维护。所谓最少量的维护是指只更换火花塞。
燃料喷射器16的(上述)设计考虑到涡流片18的主要特征，即：
(1)外紊流喷口248和249(显示在截面3C-3C)使火焰不再与燃烧管210的内壁保持恒定的接触。因为燃烧器60连续地运行，且对于长时间的化学计量燃烧(最热的空气/燃料比运行点)，必须保持燃烧管210壁的完整性。目前，INCONEL燃烧管210已经经受1500小时以上的运行，没有出现退化的迹象。该特征基本上不影响燃料喷射。
(2)内漩涡喷口242在燃烧器内建立起总的漩涡图形。排出内漩涡喷口242的空气在涡流片18下游约3英寸处冲击燃烧管210的内壁，并与燃料喷射器16喷出的燃料直接地互相作用。
(3)内紊流喷口250有时也称之为“空气屏蔽”喷口。排出内紊流喷口250的空气汇聚在燃料喷射器16前面的0.75英寸处。该特征提供两个非常重要的功能。汇聚点在燃烧器60内形成高压点，其阻止燃烧器火焰附连到燃料喷射器16(防止焦化)。第二功能与燃料喷射直接地互相作用并影响火焰质量，该功能在于，当燃料液滴进入燃烧器火焰内时，它剪切其余大的燃料液滴。
从燃烧器60排出的排气引导到热交换器70。热交换器70可以是本技术领域内的技术人员熟知的任何传统的设计。排气产物接下来引导到油喷射部分110(图1)。油喷射部分提供雾化的油喷射，其包括具有足够小直径的油液滴以便在油到达催化剂之前进行蒸发和氧化油。油喷射系统可以位于燃烧器下游的任何地方。
提供一种适用于不基于发动机的热源的数据采集和控制系统。该系统较佳地提供一种装置，用来控制点火、空气辅助燃料喷射、辅助的空气、燃料馈送、鼓风机空气馈送、油喷射等(将在下面详细地讨论)。合适控制系统的一个实例是，例如，用于控制燃料计量用的比例积分微分(PID)控制回路。
诸如台架的NEBECRAS的燃烧器系统可用来产生化学计量的、富裕以及贫瘠热气体条件，而基本上不损坏燃烧器。在一优选实施例中，燃烧器包括馈送构件，其包括涡流片，甚至在产生馈送流的流道的化学计量的空气对燃料比(AFR)的情况下也是有效的，该馈送流流道包括空气屏蔽，其在燃料燃烧过程中有效地防止火焰附连到馈送构件上。馈送流流道也较佳地在燃料燃烧过程中防止火焰保持与燃烧器内壁恒定地接触。热量通过由NEBECRAS产生的排气产物提供，而不是由汽油动力发动机产生的排气产物提供。
使用不基于发动机的热源来实施包括“替代条件”的试验
本应用涉及使用不基于发动机的热源来实施包括“替代条件”的试验。术语“替代条件”是指加速老化条件和驱动循环条件之外的基本上任何的条件。在一优选实施例中，替代条件是RAT-A循环条件之外和FTP-75条件之外的条件。在一更加优选的实施例中，替代条件选自：振动条件、温度分布试验条件、热应力条件、熄火条件、点火条件，以及空气-燃料比扫描条件。
加速老化试验之外的“Rat-A循环条件”
“替代条件”是“加速老化条件”之外的条件。以下是加速老化条件的简要描述。
催化式排气净化器的热老化可以有效地加速进行，因为催化式排气净化器的热钝化发生速率可以通过在较高催化剂温度下操作而提高。“加速老化条件”通常包括以下的组合：提高的催化剂入口温度，化学反应诱导的热漂移(模拟不发火事件)，以及有效加速试验部件老化的平均的空气/燃料比(AFR)。“RAT-A循环”是指General Motors“快速老化试验循环”。在GM RAT-A循环上的一百小时老化通常被理解为演示耐用性的水平。
RAT-A循环的特征主要在于，稳态、具有短的热漂移的化学计量操作。热漂移由富裕运行形成，以产生约3％的一氧化碳(CO)，同时在催化剂前喷射二次空气(约3％氧气，O2)。过度的还原剂和氧化剂在催化剂中反应，以热量形式释放化学能。催化剂入口温度和排气产物流量也用来规定试验的循环装置。流量被规定为每分钟标准立方英尺(scfm)，通常为75scfm。C.Webb和B.Bykowski所著的“Development of a Methodology to Separate Thermal from Oil Aging of a CatalystUsing a Gasoline-Fueled Burner System”SAE 2003-01-0663被本文援引以供参考。
在发动机上调整发动机速度建立起流动规格。在通向催化剂的入口处的气体温度可通过在循环的稳态、化学计量部分中调整发动机载荷(节流位置)得以实现。热漂移通过在循环的富裕部分过程中调整发动机操作的AFR，并调整空气喷射以达到3％的CO和O2的规格而形成。(下)表提供了对于循环建立的条件。应该指出的是，催化剂入口温度规定为在循环的化学计量部分过程中，但形成放热曲线的排气产物浓度(和非催化剂入口温度)规定为在循环的热漂移部分过程中。两个规格形成催化剂内的热量分布。
老化循环规格：
  模式No.   描述   参数规格   模式长度，秒
  1   闭环，化学计量   入口温度＝800℃   40
  2   开环，富裕   3％CO到催化剂   6
  3   开环，带有空气喷射的富裕   3％CO，3％O2到催化剂   10
  4   闭环，带有空气喷射的化学计量   发动机外的化学计量，连续的空气喷射   4
驱动循环模拟试验之外或“FTP-75条件”
“替代条件”也是“驱动循环条件”之外的条件。以下是驱动循环条件的简要描述。
在驱动循环条件过程中，所有以下的条件变化来模拟实际的驱动：排气流量、排气产物温度，以及排气产物化学计量。FTP-75条件包括：
1)变化排气流量，最好在0至约200每分钟标准立方英尺(scfm)范围内，来模拟整个FTP的试验车辆的排气流量；
2)变化排气产物温度，最好在约20至900℃范围内，来模拟整个FTP的催化剂入口处的排气产物温度；以及
3)变化排气产物化学计量，较佳地在约10至40AFR范围内，最好约在10至20AFR之间，来模拟整个FTP的车辆的排气产物化学计量。
在FTP试验的任何时刻，系统排气产物混合物理想地包含与车辆排气中所看到的碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物相近似的浓度。
存在有多个标准试验，它们使用NEBECRAS代替汽油发动机来实施各种试验。基本上任何的部件，包括汽车和非汽车的部件可以使用本申请的方法进行试验。首选的部件是汽车部件，最好是车辆排气系统的部件。更为首选的部件是催化式排气净化器。其它如此的部件包括但不一定局限于排气歧管、排气压力传感器、所有类型的催化器、所有类型的颗粒过滤器和捕捉器、EGR阀、EGR冷却器、EGR系统和部件、排气系统部件、突缘、管道、垫片、偶联器、振动隔离器、偏流器、氧传感器、排气管、消声器，以及它们的各种组合。其它类型的催化器包括但不一定局限于三效催化器(TWC)、贫瘠NOx催化器(LNC)、贫瘠NOx捕捉器(LNT)、有选择的催化还原器(SCR)、碳氢化合物捕捉器、吸附器、吸收器。柴油颗粒过滤器包括催化的和非催化的DPF，也可使用本方法进行试验，但是另一单独应用的课题。
不基于发动机的试验系统，较佳地是
Figure A20058003443900171
系统，可以停下来不工作，系统可在几分钟内冷却到环境条件，然后在冷却之后系统立即可用来执行另一试验。系统能提高可重复性和减少冷却停机时间。与汽油发动机相比，系统还提供相当容易的维护保养，而汽油发动机需要定期保养(换油，调整)并进行耗时修理。该系统还相当简单(移动零件和摩擦区域较少)，当贫瘠运行时，该系统可以提高的燃料经济性运行。作为研究和开发工具，这些优点是特别需要的。
“替代条件”的实例
“替代条件”是加速老化条件和驱动循环条件之外的条件，通常它包括：
(a)变化一个或多个运行条件，这些条件选自：温度、温度变化之间的时间间隔、空气-燃料比，以及它们的组合；以及
(b)变换一个或多个其它的条件，同时保持基本上恒定的一个或多个运行条件，这些运行条件选自：温度、空气-燃料比，以及它们的组合。
下面是落入分类(a)和(b)内的多个试验的具体描述。这些描述只是说明而已，不应认为是对优选实施例所主张要求的限制：
a)变化一个或多个运行条件，这些条件选自：温度、温度变化之间的时间间隔、空气-燃料比，以及它们的组合：
分类(a)内的试验包括但不一定局限于设计验证试验，包括耐用性试验。这样的试验可包括一个或多个不同于加速老化和驱动循环试验的参数。“不同参数”的实例包括但不一定局限于：步进的温度、温度循环之间较短的间隔、提高的温度循环值、上述类型循环的多次重复，以及它们的组合。
分类(a)中试验的具体实例包括但不一定局限于壳体变形试验、温度分布试验、热循环、净化器点火试验，以及空气-燃料比扫描。上述试验在下文中作更为详细的描述：
壳体变形试验
催化式排气净化器通常构造为催化剂壳包在壳体内。单块的催化剂壳通常由陶瓷形成，陶瓷脆性并易于损坏。为了避免损坏，催化剂通常弹性地支承在壳体内。
本发明提供一种使用不基于发动机的试验系统评估壳体膨胀趋势的方法，通常称之为壳体变形试验。在壳体变形试验中，催化式排气净化器(图1中的标号330)包括与由NEBECRAS(较佳地是
Figure A20058003443900181
台架)产生的热排气产物流体地连通的容器，该催化式排气净化器暴露在若干加热和冷却的周期中。换句话说，替代的应力条件包括：在第一温度下将部件暴露于排气产物第一时间周期，以及在第二温度下将部件暴露于排气产物第二时间周期。第一温度充分地不同于第二温度以便评价部件(最好包括催化式排气净化器和壳体)对于第一和第二温度的动态和永久的响应。
温度分布试验
温度分布试验需要将部件暴露在逐步提高的高温(稳态)下，最好在稳态的AFR和流量条件下，以便获得内部(催化剂)和外部(罐表面)的热梯度信息。替代的条件通常包括排气产物递增的温度以便产生热梯度的条件，但温度也可以是递减的。换句话说，催化式排气净化器在第一时间周期中暴露在第一温度下，然后，在第二时间周期中暴露在第二温度下，再然后，在第三时间周期中暴露在第三温度下，等等。使用已知的方法进行评估以确定暴露于热梯度下的外和内冲击。
热循环
本发明使用NEBECRAS来产生热排气产物用于热循环试验。
由于快速地和反复地变化试验部件温度热循环加剧了试验部件的应力。试验部件(最好是催化式排气净化器)在第一时间周期中暴露在第一温度，然后，在第二时间周期中暴露在第二温度下等。第一温度和第二温度充分地不同以使部件产生热应力。
热循环还试验单块催化剂的耐用性。传统的单块陶瓷的催化剂通常包括带有涂层的陶瓷支承件，催化剂实际上沉淀在涂层上。为了获得相当的密度和强度，陶瓷材料通常必须在高温下烧过。如此高温燃烧必定烧结陶瓷材料，产生非常小的表面积。因此，陶瓷必须涂以具有较高表面积以及沉淀催化剂所需的特殊化学特征的另一种材料。高的表面积涂层或“基面涂层”和下面的陶瓷材料通常具有不同的热膨胀系数。当部件暴露在热循环中时，高表面积涂层可趋于造成下层陶瓷支承件的剥落。
点火试验
点火试验确定催化式排气净化器变为催化活性时的温度。快速催化剂点火通常是减少冷起动排放所要求的。本发明提供一种在点火试验过程中使用NEBECRAS(较佳地是
Figure A20058003443900191
台架)作为热源的方法。
在点火试验过程中催化式排气净化器在初始温度下暴露于排气产物前，然后温度提高到大于点火温度时的温度。在暴露于催化式排气净化器之前和暴露于催化式排气净化器之后，基本上连续地测量排气产物成分的浓度。
热排气产物的初始温度低于试验催化剂的点火温度。点火温度将随特定的催化式排气净化器和排气产物成分而变化。在排气产物从汽油中产生的情形中，初始温度约为200℃或不到，最好低于200℃。
催化式排气净化器的“点火”点是净化效率提高的点，正如所指出的，在催化剂床温度超过入口温度之时。在排气产物从汽油中产生的情形中，催化剂点火温度通常发生在约250℃。
空气-燃料比扫描
本发明提供一种方法，其中，NEBECRAS在空气-燃料比扫描中用作为排气产物发生器和热源。为了评估不同AFR下的催化剂净化，在从贫瘠到富裕调整AFR(反之亦然)时测量排气成分。在步进的AFR扫描试验中，保持各AFR直到达到稳态的运行。在连续的AFR扫描试验中，AFR以预定的速率连续地进行调整。图6的曲线图示出了使用台架发动机试验单元进行空气对燃料比扫描的结果。
b)变换一个或多个其它的条件，同时保持基本上恒定的一个或多个运行条件，这些运行条件选自：温度、空气-燃料比，以及它们的组合。
分类(b)中的试验通常是耐用性试验，其评价部件的物理完整性。在这样的试验中，替代的条件通常包括通过排气产物的热量，并包括热应力之外的其它应力条件。其它应力条件的实例包括但不一定局限于：暴露于液体、暴露于振动(暴露于加速或减速力)、部件定向的改变、反复地暴露于上述中的任何一个，以及它们的组合。热振动试验和熄火试验只是示范而已，它们可在下面作更详细的描述：
热振动试验
在热振动试验中，
Figure A20058003443900192
台架或其它的NEBECRAS代替已知热振动试验中的汽油发动机或其它加热装置，诸如在美国专利第6,298,729号中所描述的，本文援引其以供参考。参照图5，由NEBECRAS300产生的排气产物通过管道310与试验固定设备流体地连通。该装置用机械方法与振动发生器330连通，最好通过隔振连接器340连通。部件330放置在与振动发生器机械地连通的试验固定设备320上，最好放置在与由NEBECRAS(较佳地是
Figure A20058003443900201
台架)产生的热排气产物流体地连通的振动台上。在一优选的实施例中，试验部件固定在振动台上，其通过隔振连接器340与排气产物管道310密封地接合。振动台和/或附连在其上的固定装置适于提供垂直的、水平的和倾斜的部件定向。部件承受长时间暴露于振动和稳态或瞬态的热排气产物流中。
在热振动试验的一优选实施例中，部件固定在振动台上并暴露于热排气产物中。致动振动台而以预定的振动频率和幅值振动，部件的加速度由刚性地附连在部件(未示出)上的探测器予以确定。激励能量的幅值模拟部件在实际车辆上可能遇到的运动范围。施加的振动的输入幅值可以增加而加速试验烈度，而振动的频率分布可设定为匹配于对于特定机动车辆或特定车辆运行条件的排气系统振动条件。
横贯部件传递的力由加载单元探测并在试验进程中收集和分析。
振动发生器可具有任何合适的结构。例如，参见美国专利第6,672,434号；美国专利申请公开第20040025608号，本文援引其以供参考。
熄火试验
熄火试验模拟车辆的催化式排气净化器暴露于水前时的条件，例如，当车辆驾驶通过水坑或水淹地区时。在熄火试验中，部件暴露于相对恒定的排气产物温度前，但部件表面很快被液体冷却，较佳地是水，或者是喷溅或者是浸在液体中。在液体是水的情形中，水可以淡水或盐水，并可包含有污染物。
用来实施水熄火试验的台架将包括液体馈送构件，其与液体源和试验部件表面流体地连通，最好是催化式排气净化器表面。在试验过程中致动液体馈送构件以将表面暴露于液体前，或者是单次地或者是重复地。在一优选实施例中，液体馈送构件(最好是喷嘴或歧管装置)实现为用液体喷溅部件的表面或将部件浸在液体中。然后，使用已知方法评价部件，以评估部件上表面冷却的影响。
由此可见，优选的替代的条件包括但不一定局限于重复的加热和冷却时间、步进的温度递增、快速地改变温度、暴露于外部液体、逐渐地增加温度直到给定的催化式排气净化器点火、使用逐渐地增加空气对燃料比进行扫描试验，以及它们的组合。
本技术领域内的技术人员将会认识到，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对于本发明可作出许多修改。本文所描述的实施例意在说明而已，不应认为限制本发明，本发明由权利要求书予以限定。

Claims (29)

1.一种使用不基于发动机的测试系统来评价一个或多个部件的方法，该方法包括：
提供不基于发动机的测试系统，该系统包括与一个或多个部件流体地连通的燃烧器；
在包括受控的空气对燃料比(AFR)的馈送条件下将燃料和空气供应到燃烧器，所述馈送条件产生馈送流的流动路径；
在燃烧条件下燃烧馈送流流动路径内的至少一部分燃料，所述燃烧条件能产生排气产物且同时基本防止对燃烧器造成损坏；以及
在加速老化条件或驱动循环条件之外的替代条件下将一个或多个部件暴露于排气产物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，馈送条件产生馈送流的流道，该馈送流的流道包括第一皱缩、第一膨胀、以及第二皱缩，并防止火焰在燃料燃烧过程中附连到馈送构件上，并防止火焰在燃料燃烧过程中保持与燃烧器的内壁恒定地接触。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式排气净化器。
4.如权利要求1-2和3中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括评价排气产物和替代的条件对部件的影响。
5.如权利要求1-3和4中任何一项所述的方法，其特征在于，替代的条件选自：
(a)变化一个或多个运行条件，这些条件选自：温度、温度变化之间的时间间隔、AFR、以及它们的组合；以及
(b)变化一个或多个其它的条件，同时保持基本上一个或多个运行条件恒定，这些运行条件选自：温度、AFR、以及它们的组合。
6.如权利要求1-4和5中任何一项所述的方法，其特征在于，替代的条件是设计验证条件。
7.如权利要求1-5和6中任何一项所述的方法，其特征在于，馈送条件产生空气和燃料混和的馈送流，并在馈送流中基本上连续地和有效地按化学计量地燃烧燃料以产生排气产物。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，替代的条件是RAT-A循环条件和FTP-75模拟条件之外的条件。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，替代的条件是RAT-A循环条件之外的条件，该RAT-A循环条件包括稳态、化学计量运行条件以及热漂移条件。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，RAT-A循环条件包括：
第一闭环的化学计量条件，其包括持续第一闭环时间的约为800℃的催化剂入口温度；
第一开环富燃料条件，其有效地模拟持续第一开环富燃料时间的热漂移；
第二开环富燃料条件，其包括持续第二开环富燃料时间的二次空气流动；以及
第二闭合环路的化学计量条件，其包括持续第二闭合环路时间的二次空气。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
第一闭环时间约为40秒；
第一开环富燃料条件包括约3％CO，而第一开环富燃料时间约为6秒；
第二开环富燃料条件包括约3％CO，而第二开环富燃料时间约为10秒；以及
第二闭环时间约为4秒。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，替代的条件是FTP-75模拟条件之外的条件，该FTP-75模拟条件包括：
从约0至200每分钟标准立方英尺(scfm)变化排气流量；
从约20℃至900℃变化排气产物温度，以及
从约10至40AFR变化排气产物化学计量。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，
从约10至20AFR变化排气产物化学计量；以及
温度保持在从约200℃到约1050℃。
14.如权利要求7所述的方法，其特征在于，替代条件选自：振动条件、温度分布条件、热应力条件、熄火条件、点火条件、以及空气-燃料比扫描条件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，替代条件是实现模拟车辆中催化式排气净化器的运动范围的振动条件。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，将催化式排气净化器暴露于排气产物和振动条件包括：
将催化式排气净化器固定于振动台并与加载单元机械地连通；
致动振动台以预定的振动频率和幅值进行振动；
测量横贯催化式排气净化器传递的力。
17.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式排气净化器，其包括封装在壳体内的单块的催化剂，该方法包括：
在温度分布条件下将催化式排气净化器暴露于排气产物的同时，保持馈送条件基本上恒定不变，该温度分布条件包括在第一时间周期中将催化式排气净化器暴露于第一温度，而在第二时间周期中将催化式排气净化器暴露于第二温度；
其中，第一温度充分地不同于第二温度，以便评价单块催化剂和壳体在馈送条件下对于第一温度和第二温度的动态和永久的响应。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，第二温度大于第一温度，该方法还包括在其后的时间周期中在一个或多个其后的温度下将催化式排气净化器暴露于排气产物，在产生用于评价单块催化剂和壳体的热梯度信息的条件下，各连续相继的温度大于先前的温度。
19.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式排气净化器，该催化式排气净化器包括封装在壳体内的单块催化剂，该方法包括：
在热应力条件下将催化式排气净化器暴露于排气产物的同时，保持馈送条件基本上恒定不变，该热应力条件包括在第一时间周期中将催化式排气净化器暴露于第一温度，而在第二时间周期中将催化式排气净化器暴露于第二温度；
其中，第一温度充分地不同于第二温度，第一时间周期和第二时间周期具有充分短的持续时间，以使催化式排气净化器产生热应力。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在一个或多个其后的时间周期中在一个或多个其后的温度下将催化式排气净化器暴露于排气产物，所述一个或多个其后的温度具有足够的差，所述其后的时间周期具有充分短的持续时间，以使单块的催化剂和壳体产生热应力。
21.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式排气净化器，该方法包括将排气产物保持在基本上恒定的温度下并将催化式排气净化器壳体暴露于水。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，将催化式排气净化器壳体暴露于水包括将水喷溅在催化式排气净化器的壳体上。
23.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式部件，该方法包括：
在高于初始温度的试验温度下产生排气产物的燃烧条件下，使至少一部分燃料在馈送流的流道内燃烧；以及
在对催化式排气净化器确定点火条件的条件下，在初始温度和一个或多个不同的试验温度下测量排气产物成分。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，点火条件包括温度大于初始温度的催化剂床的温度。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，燃料是汽油，且初始温度约为200℃或低于200℃。
26.如权利要求7所述的方法，其特征在于，一个或多个部件包括催化式排气净化器，而燃烧条件包括初始AFR，该方法包括：
在将催化式排气净化器暴露于在初始AFR下产生的排气产物的同时，测量排气产物成分；
将初始AFR变化到一个或多个不同的试验AFR，以及在将催化式排气净化器暴露于在一个或多个不同试验AFR下产生的排气产物的同时测量排气产物成分。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，初始AFR是贫瘠的，而一个或多个不同的试验AFR是富裕的。
28.如权利要求26或27所述的方法，其特征在于，保持初始的AFR和一个或多个不同的试验AFR直到达到稳态的运行。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，一个或多个不同的试验AFR在预定的速率下连续地调整。
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