柴油机SCR低温条件尿素水溶液雾化及混合性能优化研究

摘要

随着排放法规逐渐向国Ⅵ排放标准过渡，柴油机氮氧化物（NOx）的排放限值进一步降低，同时排放测试方法逐渐向全球统一的重型车发动机测量循环（World Harmonized Transient Cycle, WHTC）转变，低速小负荷工况占比大幅增多，随之低排温条件频现，给尿素选择性催化还原（Urea Selective Catalytic Reduction，Urea-SCR）系统带来了新的挑战。因此本文针对低排温条件下尿素水溶液（Urea Water Solution，UWS）雾化混合质量恶化、蒸发热解过程不完善以及沉积风险增大的问题，开展低温（180℃）条件下尿素水溶液雾化混合性能优化研究，为国Ⅵ超低排放控制提供一定的理论基础。 本文运用AVL Fire软件，建立尿素水溶液喷雾雾化、碰壁、蒸发热解和液膜生成等模型，在模型验证的基础上，重点研究了喷射压力、喷嘴轴线与排气管轴线夹角（即喷射角度）对喷雾发展、氨气浓度分布、液膜厚度等参数的影响规律，并进行了参数优化。研究得出：相比于高排温（430℃），低排温（180℃）条件下尿素水溶液碰壁现象严重，蒸发热解过程受阻，导致氨气浓度分布不均以及液膜生成。在低排温条件下对于喷嘴倾斜安装于直管的喷射系统而言，提高喷射压力有利于小尺寸液滴的形成，能够促进液滴的蒸发热解进程，但有可能会造成喷雾碰壁区域更为集中，液膜形成增多的问题，而喷射角度的降低能够使得喷雾液滴更易受到排气气流作用从而沿气流方向运动，可改善管内液滴分布，减少与管壁的碰撞。因而提高喷射压力同时适当减小喷射角度，实现两者之间合理匹配，有利于提高氨气浓度分布均匀性，减少液膜形成。 其次，在喷射雾化优化的基础上，研究了低排温（180℃）条件下，SCR 混合器对尿素水溶液喷雾混合强化的作用机理，并通过正交试验对混合器结构及位置进行了影响程度规律探寻和参数优化。研究得出：混合器的作用主要体现在较强的气流扰动作用以及液滴二次破碎过程，因此得以实现尿素水溶液喷雾混合过程的强化。混合器翼片角度对混合过程影响最为剧烈，其次为收缩角度和叶片角度，而距喷嘴距离与渐缩管宽度影响较小，并以此确定了混合器最优结构参数与位置，氨气浓度分布均匀性系数提高至0.91，压降为120Pa。此外，缩短混合距离会降低尿素水溶液雾化混合性能，而通过加装混合器，当混合距离降低至4倍管径长度时，仍能够实现良好氨气浓度分布均匀性。 最后，基于米氏散射定理，搭建了实际样机排气条件下排气管内尿素水溶液液滴分布激光可视化试验平台，测量了 180℃、200℃、220℃和 240℃排气温度下管内不同截面上的液滴分布情况，结果表明：温度越低，截面上米尔散射光强越大，液滴尺寸越大，液滴分布更为不均，抑制了尿素水溶液液滴的蒸发热解反应，突出了低排温条件下改善雾化混合过程的必要性。该试验为研究尿素水溶液雾化混合过程提供了平台，然而由于时间有限，后续将继续进行对优化方案的试验验证研究。

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