柴油机尿素SCR催化器优化设计

运用计算流体力学手段对柴油机SCR催化器内排气流动、尿素水溶液喷射雾化、液滴蒸发、尿素热解和催化剂表面化学反应等整个NOx后处理过程进行了模拟,通过考察不同方案下载体前端面的尿素浓度分布及NOx转化率,研究了还原剂添加位置、喷嘴型式以及催化器入口扩张管形状等因素对催化器系统NOx转化性能的影响,研究结果为催化器的优化设计提供了指导依据。     

柴油机Urea-SCR系统建模与仿真研究

分别建立了基于GT-Power软件的目标发动机模型和尿素SCR一维催化器模型,依据搭建的试验装置,验证了模型的有效性。在十三工况中,排气流量和排气温度的最大误差分别为4.13%和8.3%。在SCR催化器模型验证中,模拟值与试验值趋势一致,吻合较好。将上述模型耦合,对柴油机尿素SCR系统进行模拟分析。模拟结果表明:催化剂温度分布沿排气流向基本呈线性分布;选择催化还原反应主要集中在催化剂的入口段;催化剂的催化效能利用率与催化剂表面NH3覆盖度密切相关,随排气流向下降,提高催化剂的NH3吸附能力可以显著提高催化剂的转化效能。模拟结果可以用于柴油机尿素SCR系统控制策略的制定和SCR催化器的设计与定型。     

中重型柴油机SCR系统集成匹配研究

针对高紧凑高效清洁柴油机的开发,选取了SCR后处理技术路线,为了实现国Ⅴ的排放指标要求,分别进行了SCR催化剂及催化器载体的分析与匹配,SCR尿素喷射系统的匹配标定研究,并通过三维仿真分析方法以及尿素喷射水解、热解和化学反应动力学理论完成了喷射管路布置方式的优化设计及SCR系统转化效率的计算与验证。通过发动机台架试验验证了通过上述方法匹配的SCR系统可以满足国Ⅴ的排放指标要求。     

柴油机DOC+SCR系统NO_x转化效率影响因素研究

为了研究柴油机DOC+SCR系统NO_x转化效率的影响因素,利用AVL Boost仿真软件对催化器的化学反应过程进行了数值仿真及试验验证。结果表明,建立的仿真计算模型能很好地模拟DOC+SCR系统的催化反应过程。DOC+SCR系统中,NO_x的最佳转化温度范围为280℃~500℃,在最佳反应温度范围内,排气流量对DOC+SCR系统的NO_x转化效率基本没有影响,前置DOC在保证排气中NO/NO_2的比例不同时,NO_x转化效率都能保持在较高水平,排气中NO_2占比的增加对NO_x转化效率的提升作用非常小。     

SCR催化器温度在线预估算法及试验研究

为实时获取柴油机SCR催化器内部反应单元的温度,在分析SCR催化器传热过程的基础上,建立温度预估算法的Matlab/Simulink模型。使用RTW将温度预估算法转化为单片机可执行的嵌入式代码,并下载到SCR控制单元中。试验结果表明:所建模型适用于SCR控制单元,并能够在线预测催化器内部和催化器下游的温度;稳态工况和连续工况下,模型计算值与实测值之间的相对误差小于5%;阶跃工况下,最大相对误差为5.2%;整车测试工况下,最大相对误差为9.3%,相对误差小于6%的概率分布达91%。该算法可用于指导尿素喷射控制,提高SCR系统尿素喷射精度。     

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。     

紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统数值模拟

为提高SCR系统的转化效率,提出紧凑型DOC-混合器-SCR后处理系统,建立了3种不同结构的后处理模型。采用计算流体力学(CFD)结合化学反应动力学的方法,建立了柴油机SCR-NOx催化器三维数值模型,该模型包含尿素水溶液喷射、液滴蒸发和热解、NOx催化还原化学反应整个尾气后处理过程,得到了紧凑型后处理系统的湍流动能场、速度流场、浓度场的分布规律,并与传统型后处理系统模拟仿真结果进行对比。研究结果对柴油机后处理系统设计具有参考价值。     

柴油机SCR系统车用尿素喷雾特性仿真与试验研究北大核心

通过建立喷射系统CFD三维仿真模型,研究了柴油机SCR系统在空气辅助雾化条件下尿素喷射的喷雾速度流场、雾化粒径、喷雾形态和贯穿距等变化规律,并通过试验对模型进行了验证;根据喷射模型对SCR系统的喷孔直径等结构参数进行了优化设计,通过发动机ESC,ETC试验对还原剂雾化性能进行试验验证。试验结果表明:采用改进后的柴油机空气辅助喷射还原剂供给系统后,柴油机NOx排放和NH3泄漏等指标均满足国Ⅴ阶段排放法规要求,验证了所采用的喷雾特性仿真优化设计方法有效可行。     

尿素-SCR催化器与发动机性能匹配试验研究

对一台国IV重型柴油机装用不同厂家生产的3种典型商用尿素-SCR催化转化器在台架上进行了动力性、经济性和排放等性能匹配试验,重点研究催化转化器的压降特性、起燃特性、动态响应和转化效率等性能.结果表明,催化器目数越少,其压降越小;起燃温度低,动态响应快的催化器具有较好的NOx控制效果,且在减少NH3、SO2、N2O和NO2排放方面效果也较好.SCR尺寸和结构相同时,发动机动力性和经济性基本不受催化剂配方和涂层工艺的影响.     

国IV重型卡车SCR系统及车用尿素溶液解析

车用尿素是重卡达标的必备产品国内柴油机生产厂家为达到日趋严格的国家机动车污染物排放标准,从国IV开始,除采取改进燃油喷射系统、优化燃烧过程等机内净化措施外,还增加了机外后处理装置。目前,国内满足国IV排放标准的主流技术路线主要有2种：一是机内优化燃烧＋选择性催化还原（SCR）路线;二是废气再循环（EGR）＋柴油微粒捕捉器／氧化催化转换器（DPF／DOC）路线。由于采用SCR技术的国IV柴油机具有改动小、燃油要求较低等优点,更适应国内目前柴油品质相刈较差、含硫量较高的现状,且燃油经济性比EGR技术好,在技术升级连续性上具有优势;此外,SCR系统的催化器耐久性好且不存在堵塞的风险,因此,国内重卡生产厂家为应对国IV排放标准要求,大多都采用了SCR的后处理技术。但使用SCR后处理技术的柴油车必须添加尿索溶液作为催化还原剂对尾气中的氮氧化物进行处理,通过车用尿素溶液与SCR技术的共同作用,在优化柴油机性能和减少燃料消耗的同时,还可以显著降低成本（通常车用尿素溶液的平均消耗量约为柴油消耗量的5％）。     

柴油机尿素 SCR 反应特性的试验研究

利用可独立控制尿素喷射量的SCR系统,通过柴油机台架试验,研究了钒基催化剂温度和空速对SCR催化还原反应NOx 转化效率和反应速率的影响,以及尿素喷嘴安装位置对转化效率的影响。结果表明：NOx 转化率随着氨氮比（NH3与NOx 物质的量之比）的升高而逐渐升高,由于尿素水解和热解不完全等因素,氨氮比上升到2时NOx 转化率才可达到最大;NOx 转化率随着催化剂温度升高而升高,到400℃时基本趋于稳定,NOx 转化率随空速升高略有下降;SCR反应速率随温度的升高而升高,随空速的变化不明显;相同氨氮比时,尿素喷嘴与催化剂的距离增加,有利于NOx 转化率的升高。     

尿素喷嘴对SCR系统喷射雾化影响仿真研究

为了提高尿素选择性催化还原技术(selective catalytic reduction,SCR)系统对柴油机尾气中的氮氧化物(NOx)的转化效率,通过使用软件模拟仿真改变尿素水溶液喷嘴的安装位置、数量、安装方向的方法,研究尿素喷嘴参数对系统性能的影响。结果表明:随着喷嘴和尾气进口之间距离的增大,NH3的均匀性系数和平均质量分数均逐渐地减小;随着喷嘴数目的增加、喷射方向与尾气流动方向夹角的增加,载体前端NH3分布均匀性均呈现先增大后减小的趋势。     

分子筛型SCR对车用柴油机排放改善的试验研究

商用车柴油机多采用DOC+SCR的后处理系统来满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的要求,而不同类型SCR的催化特性对最终污染物排放影响也不同。试验获取了一支铜基分子筛型SCR,基于1台2.8L柴油机和一支钒基SCR,运行了车用柴油机稳态循环(ESC)和瞬态排放循环(ETC),研究并分析了其对柴油机污染物的减排特性。结果表明,相较于钒基SCR,运行ETC循环时分子筛型SCR对发动机NOx和PM排放的减排效率分别提升19%和33%;分子筛型SCR对NOx的低温转化效率更高,且由于对排气流量不敏感,在高空速工况下其转化效率显著高于钒基SCR;分子筛型SCR对颗粒物个数的减排效率弱于钒基SCR,达7%以上,容易将大质量颗粒物分解为小质量颗粒物;两种SCR均对CO和HC具有一定的减排效果,减排率可达20%左右。     

柴油机SCR系统NOx转化率影响因素的研究

利用计算流体动力学的方法对柴油机SCR尿素水溶液喷雾分解和催化剂表面的化学反应过程进行了数值模拟,结合SCR台架试验,探究了氨氮比、温度、空速和喷嘴安装位置对NO转化率的影响。结果表明:当氨氮比在0.6~2.0时,NO转化率随氨氮比的升高呈先升后降趋势,氨氮比为1.2时的NO转化率较高;当催化剂温度在300~500℃时,NO转化率随温度的升高呈先升高后趋于稳定的变化趋势,温度达450℃时基本稳定;空速在13 000~21 000h-1时,NO转化率随空速升高逐渐降低;随着喷嘴与催化剂距离的增加,NO转化率逐渐增加,当喷嘴与催化剂距离大于450mm时,NO转化率逐渐趋于稳定。     

柴油机SCR后处理控制策略开发与研究

为选择性催化还原技术提出了还原剂喷射的控制策略。它根据原机NOx排放浓度脉谱、排气温度和空速脉谱等计算还原剂的喷射速率。分别通过试验研究了NH3/NOx比值、排气温度和空速对NOx转化率和氨泄漏浓度的影响以及SCR催化剂的氨吸附和脱附特性,并根据研究结果,分别确定稳态和瞬态工况下尿素溶液喷射的控制方案,因而实现了ESC稳态循环和ETC瞬态循环下的控制目标。此外,冷机起动试验表明,该阶段的排气温度低,NOx排放浓度较高,故应采取措施减少低温工况下NOx的排放。     

Simulation Study on Thermal Management Strategy to Achieve 99 % SCR Efficiency of a Heavy-Duty Diesel Engine over a Transient Cycle

In this study, NOx conversion characteristics of a urea selective catalytic reduction (SCR) system equipped on a heavy-duty diesel engine were evaluated through engine dynamometer bench tests over a scheduled world harmonized transient cycle (WHTC). Also, based on transient SCR simulations, the thermal management strategy to improve SCR NOx conversion efficiency was investigated. As a result, it was found that a selective increase in exhaust temperature at low temperature period would be a useful measure to increase SCR efficiency on WHTC mode. From the baseline SCR efficiency of around 98 % on WHTC mode, the current simulation results have shown that around 99 % level of SCR efficiency would be achievable by increasing exhaust temperatures with modifying diesel exhaust fluid (DEF) dosage. Another valuable contribution of this study is that the design guidelines for controlling exhaust temperature and DEF injection to obtain a target NOx conversion efficiency are presented for SCR systems of heavy-duty diesel engines on transient operating conditions.     

车用SCR系统空气雾化喷嘴的雾化特性研究

选择催化还原(SCR)是一种先进的汽车氮氧化物控制技术,而还原剂喷嘴是为实施该技术的喷射系统的关键部件.文中设计了一种外混式空气雾化喷嘴,并对其雾化性能进行了实验研究,主要分析了空气压力、液'体压力及测量位置不同时,喷雾的索太尔平均直径、平均轴向速度、平均径向速度、液滴通量等特性参数沿喷嘴径向的分布情况.试验结果表明,所设计的喷嘴具有良好的雾化效果.     

喷孔数调控活性分层对乙醇-柴油双燃料燃烧的影响

基于1台自然吸气的单缸柴油机,结合缸内三维燃烧仿真计算,研究了不同直喷正时、不同预混比例条件下,直喷喷油器的喷孔数对乙醇-柴油双燃料发动机燃烧和排放特性的影响。结果表明,优化直喷喷油器的喷孔数,能影响直喷柴油的缸内分布,调控乙醇-柴油双燃料发动机燃烧过程。减少喷孔数,可以有效降低缸内高活性柴油的分布区域,减少初始着火的位置,从而降低缸内最高燃烧压力和压力升高率,并且可以在炭烟排放保持较低水平的基础上,降低氮氧化物(NO_x)排放。随着乙醇预混比例的增大,喷孔数对燃烧和排放的影响先增大后减小。随着喷油提前角的增大,由于直喷燃油在缸内混合较为均匀,喷孔数的影响作用逐渐减小。     

Sliding-mode observer for urea-selective catalytic reduction (SCR) mid-catalyst ammonia concentration estimation

This paper presents an observer design for SCR mid-catalyst ammonia concentration estimation using tailpipe NO_x and ammonia sensors. Urea-SCR has been popularly used by Diesel engine powered vehicles to reduce NO_x emissions in recent years. It utilizes ammonia, converted from urea injected at upstream of the catalyst, as the reductant to catalytically convert NO_x emissions to nitrogen. To simultaneously achieve high SCR NO_x conversion efficiency and low tailpipe ammonia slip, it is desirable to control the ammonia storage distribution along the SCR catalyst. Such a control method, however, requires a mid-catalyst ammonia sensor. The observer developed in this paper can replace such a mid-catalyst ammonia sensor and be used for SCR catalyst ammonia distribution control as well as serves for fault diagnosis purpose of the mid-catalyst ammonia sensor. The stability of the observer was shown based on the sliding mode approach and analyzed by simulations. Experimental validation of the observer was also conducted based on a medium-duty Diesel engine two-catalyst SCR system setup with emission sensors.