车用柴油机尿素SCR系统数值分析与试验研究

• 作 者: 张铎
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 车用柴油机 NOx排放 选择性催化还原 数值模拟 SCR混合器

近年来，柴油机以良好的经济性、动力性和可靠性，以及较低的CO、HC排放等优点在汽车领域得到了广泛的应用，但与此同时，柴油机由于自身的运行方式和燃烧特点，其较高的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放也对大气环境和人体健康造成了一定的危害。我国即将实施柴油机第Ⅳ阶段排放法规，尿素选择性催化还原技术(Urea-SCR)被认为是降低柴油机排放的一种最有前景的技术，是目前国内外内燃机领域研究热点之一。本文对柴油机SCR系统进行深入的探讨和研究，为SCR技术的开发和应用提供了理论依据和指导。　　
本文首先深入研究了车用SCR系统的工作特性，对SCR系统的化学反应机理，系统组成，还原剂的性质等方面进行了详细的介绍，其中催化器是影响SCR系统转化效率最重要的组成部分，本文着重分析了催化器的构成及工作性能指标。对SCR系统存在的尿素管路沉积问题进行了详细的研究分析，并提出了相应的解决方案与措施。　　
在对Urea-SCR系统工作特性深入研究的基础上，本文运用数值模拟手段，基于AVLFIRE软件对某柴油机SCR催化器系统进行了三维数值建模，所建模型综合考虑了尿素雾化，尿素的蒸发及热解，撞壁及液膜的形成，以及水解和催化剂内的化学反应等过程。通过数值模拟方法获得了催化器内部详细的流动与化学反应特性。影响SCR系统转化效率的因素众多，模拟结果表明，空速、排气温度、NO2含量、尿素喷射压力等都对SCR系统有较大的影响。同时对排气管尺寸和SCR混合器等结构参数的优化也可以较好改善SCR系统转化性能。经过对比分析挡板式和叶片式SCR混合器对SCR系统的影响，表明叶片式混合器在改善还原剂分布均匀性，提高系统转化效率和降低系统压力损失方面，明显优于挡板式混合器。　　
最后本文对装有SCR系统的某型6缸柴油机分别进行了ESC和ETC循环测试试验，结果表明，在开环控制策略下，测试柴油机的各污染物排放均达到了国Ⅳ阶段排放限值，其中NOx转化效率达到了65％。试验表明，尿素消耗量占燃油消耗量的比例仅占5％左右，同时氨的泄漏量较少，避免了氨气的二次污染。