采用分子筛SCR催化器降低柴油机NO_x排放的试验研究

在1台6缸柴油机上进行了十三工况各选定氨氮比(N_(SR))下的两种分子筛SCR催化剂催化活性的试验研究,分析了两种分子筛SCR催化剂的低温催化活性和NO_x转化效率受温度、空速以及HC转化效率影响的规律。结果表明:t=250℃时,空速对NO_x转化效率影响较小;由于受温度的影响,在N_(SR)值为1.0的情况下Cu基与Fe基分子筛的NO_x转化效率最高分别为88%和78%,Cu基SCR催化剂较Fe基SCR催化剂有较好的低温催化性能;t=250℃时,Fe基分子筛催化剂的抗HC中毒能力不如Cu基分子筛催化剂。t=350℃时,NO_x转化效率受空速与温度的双重影响,两种SCR催化剂的最高NO_x转化效率分别出现在空速为115 060 h~(-1)和90 400 h~(-1)时;t=350℃时,Fe基分子筛催化剂比Cu基分子筛催化剂对HC更加敏感。     

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。     

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。     

尿素SCR催化器的数值模拟

针对不同封装结构的尿素SCR催化器建立了三维模型,并利用CFD技术对催化器内部的速度场和压力场进行了模拟研究。研究发现,催化器初始封装方案的压力损失不能满足预期要求;将催化器封装结构调整后,其压力损失能够满足设计要求。     

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...     

紧耦型SC R催化器混合段的性能研究

应用Fluent软件对紧耦型SCR催化器两种混合段方案进行压力损失、温度场、速度场分析,在发动机台架上进行两种混合段方案的转化效率试验、压力损失试验、排放循环试验、氨泄漏试验.分析与试验结果表明:单层管混合结构的速度均匀性为0.97,压力损失为9.32 kPa,均好于双层管混合结构,后者的速度均匀性为0.948,压力损失为10.82 kPa;两种混合段方案的温度场分析结果一致,且瞬态排放循环WHTC结果都能满足国家要求,但低温工况时,双层管结构SCR的转化效率和氨泄漏情况明显好于单层管结构SCR,瞬态排放循环WHTC过程中双层管混合结构的氨泄漏体积分数峰值为29.5×10-6,平均值为4.2×10-6,而单层管混合结构的氨泄漏体积分数峰值高达263×10-6,平均值为15.8×10-6.     

SCR 反应物理化学过程模型及验证

针对柴油机选择性催化还原（SCR）脱硝技术,建立了零维 SCR 反应器数学模型,并利用 VC ＋＋编写了仿真计算软件。通过小样台架试验测试了钒基催化剂在不同温度、空速、含氧量、NO2与 NO x 的摩尔比以及氨氮比条件下的 NO x 转化率,并与计算结果进行对比。结果表明,模型计算值与试验结果具有很好的一致性,低温条件下,空速越低,NO2与 NO x 的摩尔比越大,NO x 的转化率越高。     

SCR载体尺寸对背压及NOx转化效率的影响

基于发动机台架试验研究了不同选择性催化还原（SCR）载体尺寸的性能差异。结果表明：SCR 载体尺寸会显著影响 SCR 系统的性能,载体长度增加导致排气背压明显增大,但SCR 系统的氮氧化物（NOx）转化效率提升不显著;增大载体直径可同时实现排气背压降低和NOx 转化效率提升;当排气温度高于尿素起喷温度时,加大尿素喷射量后,相比于直径为118.4 mm 的 SCR 载体,直径为 143.8 mm 的 SCR 载体性能可提升 2 倍。     

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。     

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。     

面向控制的SCR催化转化器温度模型

为了建立面向控制的SCR催化器温度模型,根据能量守恒和质量守恒方程并考虑热平衡中所涉及的换热过程不同,建立了4种SCR催化器温度的数学模型,并利用Matlab/Simulink构建图形化的计算模型。采用柴油机欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC)条件下的台架实测数据对模型进行检验,基于最大离散程度、拟合度和计算时间3个指标对模型进行评价和比较。结果表明,考虑催化器与废气和周围环境对流换热的温度模型具有良好的预测精度和实时性,更适合用于SCR控制策略。     

集成式SCR催化转化消声器性能研究

运用GT-Power软件对两种不同结构的集成式SCR催化转化消声器进行了声学性能模拟,通过试验研究对比分析了集成式SCR催化转化消声器的压力损失及其NOx转化效率。结果表明:在增加穿孔管后集成式SCR催化转化消声器的消声效果在400~750 Hz区间内受到了削弱,在750~1 000 Hz区间内增强,增加穿孔管后压力损失增加。在绝大部分工况下,增加穿孔管后SCR催化转化消声器的NOx转化效率要明显高于无穿孔管的结构。     

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%。     

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。