柴油机SCR系统还原NOX数值模拟与优化

摘要

柴油机主要排放污染物为氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)，随着我国国家排放标准的快速推进，单独依靠柴油机机内净化技术已不能满足日益严格的排放法规要求，选择性催化还原(SCR)已成为降低柴油机NOx排放、满足国Ⅳ及以上排放法规的必要技术手段，利用SCR技术可进一步优化缸内燃烧，降低油耗。
　　首先利用AVL FIRE建立尿素喷雾模型，探究了排气温度、排气流量、喷射速率和喷嘴布置位置对尿素水溶液分解的影响。然后结合 SCR台架试验，验证SCR反应模型的可靠性，进一步模拟探究了NH3/NO、温度、空速和喷嘴安装位置对NO转化率的影响。最后模拟计算了不同结构SCR系统的NO转化效率，优化了SCR系统结构。具体研究内容如下：
　　(1)利用AVL FIRE软件建立SCR尿素水溶液喷射雾化模型，进行尿素喷射及雾化过程的数值模拟，分析了排气温度、排气流量、喷射速率和喷嘴布置位置对尿素水溶液分解的影响。随着温度的升高，NH3体积分数呈现先增加后降低的趋势；随着排气流量的增大，排气管内壁出现尿素水溶液粒子堆砌的位置明显后移，NH3体积分数逐渐降低；随着尿素水溶液喷射速率的增大，而尿素水溶液粒子出现堆砌的位置基本不变，NH3体积分数近似呈线性增加；在本研究条件范围内，随着喷嘴布置位置距离的增大，NH3分布更加均匀，且 NH3体积分数也随之增大。
　　(2)结合SCR台架试验，对柴油机SCR系统降低柴油机NO排放各影响因素及规律进行了研究，探究了NH3/NO、温度、空速和喷嘴安装位置对NO转化率的影响。随着SCR系统NH3/NO的升高，NO转化率呈先升高后降低的变化趋势；温度在300℃至450℃范围内时，NO转化率随温度的升高而升高，当温度达到450℃时，NO转化率逐渐稳定；空速增大时，尿素水溶液在排气管中滞留时间以及NH3对NO的选择性催化还原反应时间变短，从而导致NO转化率降低；随着喷嘴与催化剂距离的增大，生成的NH3体积分数较高，NO转化率随之升高。
　　(3)在所建SCR模型基础上，优化了尿素水溶液喷射压力、喷孔喷射角度、催化器扩张角和喷孔数，提出了 SCR系统的相关优化方案。随着喷射压力的增加，尿素雾化分解更充分，NH3分布更加均匀，NO转化率也随之逐渐增大。尿素水溶液喷射压力为0.9Mpa，NO转化率最高；随着喷孔喷射角度增大，NO转化率呈先增大后降低的趋势。喷孔喷射角度设计为15°左右时，NH3分布较均匀， SCR系统的NO转化率最高；尿素水溶液喷射量和喷射压力一定时，喷孔的数目对尿素水溶液的分解影响不大，NO转化率基本一致；催化器扩张角在30°至90°范围，SCR系统的NO转化率随着催化器扩张角的增大而降低。当催化器扩张角超过30°时，NH3分布均匀性变差，NO转化率也随之逐渐降低。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 柴油机主要排放污染物

1.3 柴油机排放标准

1.4 柴油机排放后处理技术

1.5 SCR系统降低柴油机NOx排放的研究和发展现状

1.6 本文主要研究内容

第二章 SCR系统结构原理和关键问题

2.1 SCR系统基本构成

2.2 SCR基本反应过程

2.3 SCR技术关键问题

2.4 本章小结

第三章 SCR系统尿素水溶液喷雾特性数值模拟

3.1 AVL FIRE喷雾和后处理模块简介

3.2 SCR喷雾模型

3.3 喷雾几何模型及边界条件

3.4 模型验证试验

3.5 不同参数对尿素水溶液喷雾分解的影响

3.6 本章小结

第四章 柴油机SCR系统转化效率影响因素研究

4.1 数值模型

4.2 SCR催化器模型及边界条件

4.3 柴油机SCR台架试验

4.4 不同参数对NO转化率的影响

4.5 本章小结

第五章 SCR系统喷嘴及扩张角优化

5.1 尿素水溶液喷射压力的优化

5.2 喷孔喷射角度的优化

5.3 喷射孔数的优化

5.4 催化器扩张角的优化

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其它科研成果