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%。     

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。     

国产车用尿素可替代性试验研究

使用商业钒基SCR催化转化器和某国Ⅳ重型柴油机,在AVL发动机台架上对3种国产车用尿素进行了相互替代性试验,研究中考虑了不同尿素对SCR催化转换器的起燃特性、动态响应、NOx转化率和NH3泄漏等性能的影响。试验排气温度为160～440℃,n(NOx)∶n(NH3)(物质的量之比)从0.8变化到1.2。研究发现:相同条件下3种尿素对SCR系统起燃温度基本没有影响,ESC和ETC循环NOx转化率都在70%以上,同时对其他常规气态排放和NH3泄漏没有明显影响,可以互相替代使用;相同条件下,单位体积尿素溶液中尿素含量越高,SCR系统动态响应越快,ESC和ETC循环NOx转化率越高。     

柴油机SCR系统NOx转化率影响因素分析

文章概述了柴油机SCR系统催化还原的工作原理,详细分析了入口气体温度、空速、排气中NO2浓度、催化剂载体体积及孔密度对NOx转化率的影响.通过分析得出各因素对NOx转化率的影响规律,为SCR催化器设计与优化提供参考.     

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。     

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。     

中冷后进气温度对重型柴油机NOX排放性能的影响分析

中冷后进气温度是影响选择性催化还原(SCR)转化效率的重要因素。文章以一台某厂家重型柴油机为研究对象,在发动机台架测试系统上运行世界统一瞬态循环(WHTC)工况,通过全流稀释采样系统(CVS)检测排气中原机NO_X排放值以及SCR催化器后的NO_X排放值。结果表明,当排气温度为42～62℃时,提高中冷后进气温度能够有效提高增压中冷柴油机的排气温度,但也使得原始排气中的NO_X排放值增大;排气温度的提升使得SCR的转化效率得以提升,但由于原始排气中NO_X排放值的增大,SCR的转化效率呈现先增大后减少的趋势。     

SCR系统尿素喷雾特性影响因素的CFD仿真分析

利用AVL Fire三维商用仿真软件对SCR系统尿素喷雾特性的影响因素进行了模拟计算,考察的因素包括工况、尿素喷射压力、尿素水溶液的温度及喷嘴的安装角度。结果表明:喷雾形态受来流影响较大,喷雾的速度及贯穿距离随排气流量增加,排气流量越小,排气温度(SCR喷嘴处排气温度)越高,越利于喷雾液滴的蒸发和热解;喷射压力对液滴的喷雾形态影响不大,但对NH3的浓度场分布影响较大,喷射压力越高,NH3的生成效率越低;尿素溶液温度对喷雾形态及NH3的转化影响不大;喷嘴安装角增大利于喷雾液滴蒸发和热解。     

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.     

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。     

柴油机排气管长度对排气温度影响的试验研究

柴油机增压器出口到后处理装置之间的排气管长度影响排气温度,从而影响了SCR后处理装置的工作效率。在发动机台架上进行了排气管长度对排气温度影响的试验研究,结合ETC和WHTC排放循环,对比了排气管是否包裹保温材料对排气温度的影响。试验表明:排气管长度越长,排气温度下降越快,最大温降高达19%,对NOx排放影响也越大,NOx排放相对国家标准增加59%;增加保温材料能维持一定的排气温度,但温降最大也达到8%,NOx排放相对国家标准增加23%。     

某柴油机SCR系统CFD仿真分析

排放法规的日趋严格,柴油机尾气后处理器SCR作为处理NOX排放物的一种有效手段,吸引了越来越多的目光的关注。柴油机尾气后处理器SCR内部的气体流动状况及尿素喷射效果与其使用效率以及柴油机的动力性和经济性都有很大的影响。文章通过建立三维SCR流动和喷雾计算模型,计算得出SCR内部压力、流场分布以及尿素喷射雾化分布情况。通过本次仿真,找到内部影响SCR工作效率的关键设计因素,从而更好的优化产品设计,满足性能及一致性的要求。结果表明:柴油机尾气后处理器SCR内部孔道的分布对于性能有一定的影响,需要通过生产进行控制从而满足尾气后处理的效率及产品一致性要求。     

基于耦合仿真的柴油机冷却系统自行加温过程研究

针对目前柴油机及其冷却系统数值仿真中存在的分开建模无法对柴油机自行加温过程模拟的问题,建立了某柴油机及其冷却系统全耦合仿真模型,实现了对柴油机冷却系统自行加温过程的数值模拟。计算结果表明,该柴油机冷却系统自行加温过程中机油温度上升较冷却水快。油、水温度均达到40℃时,冷却系统加温时间需要575 s,自行加温过程中,水泵消耗的功率最小为0.594 kW,最大效率为34.8%。通过该机热平衡试验,验证了仿真模型的准确性。     

Effect of UWS injection at low exhaust gas temperature on NO<Subscript>x</Subscript> removal efficiency of diesel engine

Urea-SCR systems have been widely used in diesel vehicles according to the strengthened NO_x (Nitrogen Oxides) emission standard. The NO_x removal efficiencies of the latest well optimized urea-SCR system are above 90 % at moderate exhaust gas temperature of 250 ~ 450 °C. However, a large amount of NO_x is emitted from diesel vehicles at cold start or urban driving conditions, when the exhaust gas temperature is not high enough for SCR catalyst activation. Although many researchs have been stuied to improve NO_x conversion efficiency at these low temperature conditions, it is still one of important technical issues. In this study, the effect of UWS injection at low exhaust gas temperature conditions is studied. This study uses a 3.4 L diesel engine equipped with a commertial urea SCR system. As a result, it is found that about 5 % of NO_x removal efficiency is improved in the NRTC test when UWS injection starts at the SCR inlet temperature of 150 °C compared to 200 °C. It is also found that urea deposits can be formed on the wall of exhaust pipe, when the local wall temperature is lower than temperature of urea decomposition.     

国Ⅳ柴油机压缩空气辅助喷射SCR系统

针对柴油机满足国Ⅳ排放标准需要,探讨柴油机尾气净化的2种可选技术途径。得出SCR技术适合我国市场发展结论。并介绍国Ⅳ柴油机压缩空气辅助喷射SCR系统的组成及工作原理。     

Heat exchanger/catalytic system for reducing the exhaust emissions from diesel engines

A system has been researched over the past 3 years for reducing the exhaust pollutants from diesel engines for light commercial vehicles. The system researched achieves Euro 6 standards for reduction of polluting gases (CO, HC, PM, NO). It consists of 4 main sections: 1. A heater and heat exchanger (HE); 2. A CO/HC oxidising catalyst (D°C); 3. Pt catalyst on a diesel particulate filter (DPF); 4. A NO reducing reaction (SCR) within the DPF. The system operates as follows. The exhaust gas contains oxidising gases, namely both O₂ and NO₂. The levels of CO and HC are oxidised by O₂ to CO₂ for temperatures above 200°C. Carbon (PM) is oxidised to CO₂ by NO₂ but requires a temperature above 250°C. The operating exhaust temperature of 300°C is ideal for the removal of NO by using the Pt catalyst and the CO generated within the DPF. The heater is required to be able to raise the exhaust temperature at any time to 300°C in order to optimise the performance of the system, since diesel engine exhaust temperatures vary between 160°C (slow speeds) to 350°C (high speeds). Considerable heat is required (??3 kW) to maintain the exhaust gas for a 2l engine at 300°C for engine idle conditions. Therefore a heat exchanger is required to re-circulate the input heat and thereby reduce the maximum power consumption to a maximum of 500W over the engine full operating test cycle. This energy is supplied by the engine battery and alternator. Experimental results have been obtained for the exhaust from a Kubota diesel engine and the reductions in exhaust emissions of 83% (CO/ HC), 58% (NOx) and 99% (PM) were obtained. The PM was continuously cleaned so that there was no build up of back pressure.     

内部EGR增压中冷柴油机排放性能试验研究

以1台6缸增压柴油机为研究对象,提出了2种能够实现内部EGR的结构设计方案,利用软件建立了仿真模型,根据模拟计算结果确定了在排气凸轮上增加一个小凸轮,使排气门二次开启的试验方案.通过试验研究了内部EGR对柴油机动力性、经济性和排放性能的影响,试验结果表明,内部EGR系统能有效降低气体和PM污染物的排放.