柴油机SCR系统混合器优化设计与仿真分析

针对国六轻型柴油机混合器存在的NH₃均匀性问题,通过计算流体力学(CFD)对SCR系统内NH₃分布进行仿真研究,设计NH₃分布测试试验对仿真模型进行验证,优化设计混合器结构,研究了不同混合器方案对流场结构、SCR前端面NH₃均匀性和系统背压的影响。结果显示:仿真模型计算的NH₃分布与试验分布趋势具有较强的一致性;优化后的混合器B2方案NH₃均匀性可以达到0.97,远高于原混合器的0.88,同时背压由22.3 kPa降低到19.2 kPa;混合器多孔板从加强气流扰动和增加微小尿素液滴碰壁两个方面提升NH₃的均匀性;B3方案作为对照表明,与混合器不适用的多孔板会导致NH₃均匀性降低。     

国Ⅴ柴油机SCR系统结构对尿素结晶影响研究

针对某国Ⅴ商用柴油车SCR系统中出现的结晶问题,综合应用CFD模拟和台架试验进行分析研究,提出一系列结构优化和改进方案,改善了SCR前流场状态以及流体的流动均匀性和尿素均匀性,基本消除了排气系统在实际工况下的结晶风险,提高了全系统的抗结晶能力,保证了SCR系统的正常运行。通过对模拟结果和台架试验数据的比对分析,研究了流场分布以及混合器结构对结晶形成产生的影响。     

柴油机尿素SCR氨分布均匀性的试验与模拟优化

在发动机排气温度300℃、排气流量400kg/h的条件下,测量了尿素SCR催化剂载体前端面的NH3浓度分布。测试结果表明:载体前端面NH3浓度分布均匀性较差,NH3浓度最大值约是最小值的6倍,试验NH3分布均匀性指数仅为0.791。为了提高NH3的分布均匀性,采用CFD软件建立了该SCR系统的流动以及尿素水溶液的喷雾、热解和水解反应等模型,并研究了混合器对NH3浓度分布的影响。模拟结果表明:尿素水溶液喷射后,部分液滴发生撞壁,在排气管直管段大部分液滴集中沿管壁方向运动,进入进口多孔管后液滴分散开,但整体液滴分布不均匀。安装混合器能够使NH3分布均匀性指数和NOx转化效率提高约10%。     

氨分布对柴油机并联式SCR后处理系统NO_x排放的影响

以国六并联式SCR后处理系统为研究对象,在13 L国六柴油机上,采用速度均匀性和氨分布均匀性仿真计算、两路SCR平均氨浓度分析和氨质量加权百分数仿真计算、氨分布均匀性试验、排放性能试验等方法,对两种仅混合器不同的国六并联式SCR后处理系统NO_x排放进行研究。仿真分析研究表明:两路并联的SCR后处理系统速度均匀性和氨分布均匀性计算值在0.96～0.99之间,单个SCR装置的前端面氨浓度均匀性试验测试结果也在0.98以上,但两路SCR前端面的平均氨浓度相对偏差在5%～17%之间,会导致后处理系统NO_x排放较差;氨浓度试验验证了仿真分析的正确性。排放性能试验表明,两路SCR前端面平均氨浓度偏差较大的后处理系统WHSC排放结果会恶化;可通过氨质量加权百分数相对偏差的仿真计算评估并联式SCR后处理系统催化能力,经试验对比建议计算评价标准设定为5%以内较为合理。     

国六柴油机双旋流SCR混合器试验研究

为解决国Ⅵ柴油机SCR后处理系统在低排温、低负荷工况下存在的尿素结晶问题,采用CFD和试验研究相结合的方法,对某重型国Ⅵ柴油机后处理SCR单旋流混合器进行结构优化,设计出了一种双旋流混合器.对双旋流混合器进行NO x单点转化效率试验、瞬态WHTC排放试验以及10 h发动机台架尿素结晶验证试验.模拟结果表明:双旋流混合器能够产生更强的旋流效果,促使尿素喷雾和尾气充分混合、蒸发分解,且使氨分布均匀性指数提高了15.19％.试验结果表明:相较于单旋流混合器,双旋流混合器在氨氮比为0.7,0.9和1.2时的NOx转化率分别提高1.58％,1.78％ 和0.38％,N O x排放显著降低,混合器壁面未出现尿素结晶,解决了低温、低负荷工况下的尿素结晶问题.     

喷射参数对柴油机SCR内部NH_3均匀性影响分析

研究尿素喷射参数对选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)系统催化箱载体内部NH_3分布均匀性的影响。选择典型发动机工况的排气流量、尾气体成分比例、排气温度、压力等物理信息作为边界条件,应用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对SCR系统进行全尺寸模拟,并提出了NH_3均匀性系数γ来评价六串孔催化箱入口截面NH_3的均匀性程度。研究分析了5个尿素喷射位置、4种喷射角度对入口截面NH_3均匀性的影响。结果表明,在90°弯管喷射位置、45°喷射角度,六串孔催化箱入口截面的NH_3均匀性最好。     

基于CFD的SCR系统结构仿真研究

为研究SCR系统结构对尿素雾化效果的影响,利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件建立尿素-SCR系统结构模型,进行尿素喷射及雾化过程仿真模拟,分析喷孔夹角及管道截面突变位置等结构参数对尿素-SCR系统雾化效果的影响。结果表明,增大喷孔夹角有利于促进NH3与排气气流的混合,考虑实际应用条件,喷射夹角在45°左右为最优;喷射管道与载体壳体之间的突变位置距载体前端面的位置逐渐增大,NH3浓度的标准偏差先减小,后增大,位于喷嘴与载体前端面中间位置处时,尿素与气流的混合效果最好。     

SCR尾气后处理系统尿素结晶成因及风险试验分析

通过分析柴油机选择性催化还原(SCR)尾气后处理系统尿素结晶成因,提出尿素结晶风险评估方法,并在此基础上采用台架试验的方法进行SCR尾气后处理系统性能和抗结晶性能的仿真验证。结果表明：流速均匀性和NH₃均匀性的仿真结果与试验结果接近,仿真结果对SCR尾气后处理系统设计具有一定参考作用。对优化前后混合器进行稳态尿素结晶试验,结果表明优化后混合器结晶量明显减少,与仿真计算结果吻合较好,优化后的抗结晶效果明显提升,验证了所提出的尿素结晶风险评估标准具有一定的工程实践参考价值,可以帮助提高SCR尾气后处理系统抗结晶设计的工作效率。     

某国IV柴油机催化器流场分析

为分析某国IV柴油机后处理装置内部流场的气流分布,文章通过CFD软件AVL-FIRE对该柴油机的催化器进行了CFD仿真分析,计算得到了催化器载体DOC和POC前端的速度均匀性系数,该结果符合评价标准。结果表明,裁体前端的速度均匀性系数均处在一个较高的水平,能够满足气流分布均匀性要求。     

基于CFD分析的NOx传感器监测特性研究

根据国六柴油机台架上的性能试验经验,某些后处理系统SCR下游NO x传感器测量的NO x值与台架气体分析仪的测量值之间存在较大偏差.利用计算流体力学(C FD)技术对两种后处理方案进行计算,分析了尿素喷雾的形态及蒸发分解,对SCR载体前端面和NO x传感器安装位置的氨分布均匀性进行了评估,针对NO x传感器探头位置的氨分布偏差值占比进行了分析.仿真结果表明,SCR前氨气不均匀是NO x传感器测量偏差大的原因,SCR下游增加螺旋混合装置后,测量偏差可从15％ 降低到0.5％,解决了偏差大的问题.台架试验显示仿真与试验结果吻合良好,证明了C FD分析结果的可信性.     

尿素喷射量对SCR催化箱内温度场影响的试验研究

在发动机台架上,通过转动SCR催化箱内呈一字形布置热电偶的测量段,在稳态工况下对沿轴向多个截面内的温度场进行了测量,研究氨氮比对SCR催化箱内温度场分布规律的影响。结果表明:在试验条件下,当氨氮比小于1时,随着氨氮比的增加,催化箱内各截面温度分布的均匀性降低,而当氨氮比大于1,排气温度较低时,氨氮比的增加对催化箱内温度的分布几乎没有影响,而排气温度较高时,催化箱内温度分布的均匀性随氨氮比的增加而变差;随着氨氮比的增加,催化剂入口截面平均温度逐渐降低,而催化剂内各截面平均温度因反应放热大于散热损失而逐渐升高,且催化剂后端温度高于前端温度。     

基于Fluent进气系统流场数值模拟与结构优化

针对某车型平台上4A91S发动机进气系统结构,提出了基于CFD的结构优化方法。利用Fluent对该进气系统进行数值模拟,分析其流场特性,以发动机进气阻力最小和气体流动均匀为优化目标,改进对发动机进气阻力和流动均匀性影响大的结构因素。对比进气系统结构改进前后的流场特性,为汽车进气系统结构设计提供相应参考。     

轻型柴油车SCR催化转化器流场研究与优化

为改善某轻型柴油车SCR催化转化器的流动特性,对其内部排气的流动和温度分布情况进行CFD仿真研究。结果表明,载体入口端的流动分布均匀性和整体压力损失对隔板穿孔数的灵敏度随孔数的增加而逐渐减弱,当穿孔面积与进气管截面积之比大于1.2后,催化器有较好的流动特性。使用径向变孔密度载体的方法对后催化剂载体进行优化,结果表明,优化后的载体入口端面气流分布情况改善,内部温度分布更平稳,提高了催化剂利用率,延长载体使用寿命。     

歧管式催化器的优化方案及验证

为解决冷启动THC排放超标问题,对歧管式催化器内部温度场监测发现是由于催化器内气流分布不均匀导致催化转化效率低,运用CFD分析对气流分布进行仿真,计算得到气流分布均匀性系数,接着对歧管式催化转化器方案进行优化改进并进行CFD分析,气流分布均匀性明显改进,最后制作样件进行气流分布和排放测试验证,气流分布与CFD分析结果相吻合,催化转化效率明显提升,THC排放得到明显改进。     

提高柴油机尿素SCR系统氮氧化物转化效率的试验研究

针对柴油机Urea-SCR后处理系统,为了有效提高NOx转化效率,考虑了包裹保温材料减少排气管散热从而提高载体温度、调整喷嘴位置、安装混合器等3种方法,并进行了不同温度和空速下SCR的NOx转化效率试验。试验结果表明:包裹保温材料能够在ETC循环中提高SCR载体温度20℃左右,从而使发动机更多工况处于SCR催化剂反应高效区域;喷嘴安装在更靠近发动机涡轮出口处(沿排气流反方向移动20 cm后),各工况下NOx转化效率均有所提高;安装混合器后在各工况下NOx的转化效率均有5%左右的提高,尤其在低温220℃时NOx的转化效率提高7%。     

结构参数对Urea-SCR系统性能的影响研究

通过建立SCR系统数值模型,对柴油机SCR系统尿素水溶液喷雾分解和催化剂表面的化学反应过程进行模拟。结合台架试验,研究了喷嘴喷射角度α、催化器扩张角β和混合器及其安装位置等因素对SCR系统NO_x转化率、NH_3分布均匀性和液膜质量等的影响规律。结果表明:喷射角度和催化器扩张角的影响规律比较复杂,须根据具体情况选定;加装混合器后,可产生明显的排气旋流,有效延长UWS液滴的运动轨迹,促进其与排气的良好混合,明显提高SCR系统NO_x的转化率,它安装于喷嘴下游100～200mm处较为合理。     

发动机三元催化器数值分析

为了分析某发动机三元催化器载体前端气流分布情况,文章对该催化器进行了CFD数值分析。计算模式采取稳态计算,计算时分别考虑每个气缸排气,当一个缸排气歧管设定为排气时,其他缸的排气歧管设定为关闭状态。通过计算得到了载体前端的速度均匀性系数,由于4个缸分别排气时,速度均匀性系数均大于0.85,满足评价指标,因此该催化器满足设计要求。     

某柴油机催化器性能的CFD模拟分析

在某柴油机催化转化器的设计开发阶段,需要对其催化转化器进行分析,目的是找出优化措施。使用FIRE软件对优化前和优化后的DOC和SCR进行了CFD分析。结果表明：优化前的DOC和SCR在入口段扩张管存在漩涡,出现流动分离现象;优化后的DOC和SCR消除了漩涡,气流速度均匀性系数提高了。     

逆流式混合器的设计及尿素结晶风险评估方法研究

传统双层管SCR混合器在排气温度低的工况易在混合器壁面形成尿素结晶。为解决此问题,设计了一种新型逆流式SCR混合器及其与喷嘴座的集成布置方案。利用CFD技术和台架试验相结合验证了逆流式混合器的预防尿素结晶能力和对NO_x排放的影响,并对尿素结晶机理及尿素结晶风险评估方法进行了深入研究,提出了基于"尿素结晶能量因子"比较不同工况尿素结晶风险的方法。对逆流式SCR催化器进行台架瞬态排放测试试验和30 h发动机台架尿素结晶验证试验,台架试验结果表明:逆流式结构混合器的瞬态NO_x转化率提高了1.8%,30 h台架尿素结晶试验表明逆流式混合器壁面未出现尿素结晶。     

CFD在车用催化转化器结构优化设计中的应用

本文用当量连续法建立了蜂窝载体的流体动力学模型，并用ＣＦＤ软件对两个不同的结构扩张管的以载体催化转化器的流场进行了三维稳态流动数值模拟，模拟结果显示：在相同气流条件下，短扩张管较长晚容易造成气流在锥形管壁面出现分离并产生较强的扰动，使局部流动损失增大同时使得载体前气流速度分布更加不均匀；此外，载体之间的缝隙空间使第二块载体的速度分布更均匀，模拟结果来催化转化器的优化设计提供了依据。