基于WHSC的重型柴油机后处理系统匹配设计

摘要

日益严格的排放法规给柴油机后处理系统匹配设计提出了更高的要求，国Ⅵ阶段需要使用复合后处理技术来实现柴油机的减排。复合后处理系统的匹配设计对柴油机的动力性能、经济性能和排放性能有重要影响。随着后处理系统体积增加，排气流经催化器的空速降低，增加了反应时间，后处理系统的转化效率更高。但后处理系统体积越大，空间布置越困难，柴油机的排气背压越大，柴油机的性能恶化越严重。因此，需要对复合后处理系统与柴油机的匹配技术进行研究，为国Ⅵ阶段柴油机后处理系统的设计提供指导。
　　本文围绕某重型柴油机国Ⅵ阶段后处理系统匹配设计开展研究，以世界统一稳态测试循环(World Harmonized Steady Cycle，WHSC)的结果作为评价标准。首先根据柴油机与后处理系统之间的相互影响，确定了柴油机背压—柴油氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)—柴油机颗粒物捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)—选择性催化还原器(Selective Catalytic Reduction，SCR)的研究顺序。然后根据柴油机台架实验数据、三维模型及其它配置参数利用GT-Power软件建立了可靠地柴油机仿真模型。研究了额定工况下排气背压对该柴油机性能的影响，结果表明，排气背压从22kPa增加至45kPa时，柴油机动力性和经济性均恶化约5％，为后处理系统匹配设计提供了压降要求。
　　建立了DOC仿真模型，研究了DOC载体规格对HC、CO和NO转化效率、DOC压降、主动再生过程升温速率、HC二次污染等的影响。随载体体积和目数增加，HC、CO和NO转化效率增加。不同载体规格均能满足国Ⅵ的HC和CO排放要求，但载体规格为267mm×102mm×400目时，DOC对NO有较理想的平均转化效率，约为43.0％左右，可以提高DPF被动再生速度。主动再生时，随载体体积和目数增加，HC转化效率增加，DOC出口排气温度增加，但由于载体热惯性的原因，排气升温速率减小。综合考虑，DOC载体规格为267mm×102mm×400目时，不仅可以满足HC和CO排放，而且有良好的主动再生性能，并能够较大幅度得提高DPF入口NO2的比例。
　　建立了DPF仿真模型，研究了不同规格的DPF载体在WHSC循环下的颗粒物捕集效率。随着DPF载体体积、目数和直径的增加，WHSC循环下DPF的捕集效率逐渐增加。267mm×305mm×200目和286mm×305mm×200目的DPF载体均可以满足国Ⅵ排放标准，劣化后的颗粒物(Particulate Matter,PM)排放分别为7.7mg/(kW·h)和6.3mg/(kW·h)。压降方面，载体目数、长度的增加会使压降增加，但在载体长度一定时，载体直径增加系统压降由于排气流速降低而降低。对不同碳载量下的DPF压降进行了研究，两种方案在碳载量为4g/L时的压降分别为31kPa和25kPa，表明两种DPF方案均不会发生频繁再生。为了提高SCR反应效率，研究了DPF中贵金属(Platinum Group Metals，PGM)涂覆量对SCR入口NO2比例和主动再生过程HC二次污染的影响。
　　建立SCR仿真模型，并将之与DOC、DPF模型耦合，为SCR仿真提供了更加准确的边界条件。研究了SCR载体规格对NOx转化效率、NH3泄漏和压降的影响。结果表明，NOx转化效率和压降随SCR载体体积和目数的增加而增加，氨泄漏随SCR载体体积和目数的增加而减少;当SCR载体体积一定时，载体直径对NOx转化效率和NH3泄漏的影响较小，但压降随着载体直径减小增幅较大。选择规格为267mm×305mm×400目的SCR载体，优化喷射策略后，WHSC循环下该机NOx比排放和NH3泄漏量分别为0.37g/(kW·h)和9.2ppm，满足国Ⅵ阶段排放标准。
　　研究了SCR前置和后置两种后处理系统布置方案对发动机性能的影响。SCR后置时，主动再生时DPF入口升温速率更高，燃油经济性较SCR前置方案节约3.7％。SCR前置时，WHSC循环的NOx比排放较SCR后置方案降低约2.7％。选择SCR后置方案并搭建实验台架对后处理系统的性能进行验证，结果表明，该后处理系统匹配方案可以在WHSC循环下使发动机满足国Ⅵ排放标准。

目录

声明

摘要

主要符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 重型柴油机排放法规

1．2．1 测试循环变更

1．2．2 排放限值更加严格

1．3 柴油机污染物的生成

1．3．1 污染物生成原因

1．3．2 污染物生成机理

1．4 重型柴油机排放控制方法

1．4．1 燃料品质

1．4．2 机内净化

1．4．3 后处理技术

1．5 排气背压对柴油机性能的影响

1．6 选题背景和研究思路

第2章 发动机整机建模

2．1 发动机台架布置

2．2 WHSC循环十三工况点的选取

2．3 发动机仿真模型搭建

2．3．1 离散化建模

2．3．2 燃烧模型的选择

2．3．3 控制模块和监测窗口

2．4 发动机模型验证

2．5 DPF再生时机探索

2．6 本章小结

第3章 DOC和DPF系统设计

3．1 DOC系统工作原理

3．2 DOC载体尺寸设计

3．2．1 化学反应动力学

3．2．2 DOC入口边界条件

3．2．3 DOC系统建模

3．2．4 DOC载体匹配

3．3 DPF系统工作原理

3．3．1 DPF过滤机理

3．3．2 DPF再生机理

3．4 DPF载体尺寸设计

3．4．1 DPF系统建模

3．4．2 DPF规格匹配设计

3．5 本章小结

第4章 SCR系统设计

4．1 SCR系统工作原理

4．2 SCR反应机理

4．2．1 尿素的热解和水解

4．2．2 NOx的选择性催化还原

4．3 SCR系统建模

4．3．1 SCR化学反应动力学

4．3．2 尿素喷射量的计算

4．3．3 边界条件和载体规格设置

4．4 SCR载体匹配设计

4．4．1 SCR载体体积选择

4．4．2 载体直径对SCR催化器性能的影响

4．5 WHSC循环SCR尿素喷射策略的优化

4．6 本章小结

第5章 后处理系统的布置与性能验证

5．1 后处理系统布置形式对发动机和后处理性能的影响

5．1．1 后处理系统布置形式对燃油经济性的影响

5．1．2 后处理系统布置形式对NOx转化效率的影响

5．2 后处理系统性能的实验验证

5．2．1 后处理模型与发动机模型的耦合

5．2．2 后处理系统实验台架

5．2．3 排放结果验证

5．3 本章小结

第6章 总结及展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利