某船用柴油机SCR系统喷射结构参数优化及匹配性能分析

发布时间：2017-09-09 16:23

  本文关键词：某船用柴油机SCR系统喷射结构参数优化及匹配性能分析

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【摘要】：随着航运业的快速发展,船舶排气污染日益严重。为控制船舶发动机排气污染,国际海事组织出台了MARPOL公约附则VI。目前,要达到严格的NOx排放Tire III限制法规,选择性催化还原(SCR)技术是极具前景的技术之一。本文针对某船用柴油机,利用AVL Fire软件,建立了与之匹配的SCR反应器仿真模型,通过仿真分析确定了SCR反应器结构参数和喷射系统结构参数。并建立试验台架,对设计的SCR反应器与柴油机的匹配性能,以及不同喷射结构参数与SCR反应器的匹配性能进行了试验分析。首先,利用Fire软件建立了SCR系统三维仿真模型。仿真分析了SCR反应器结构参数对SCR反应器性能的影响。通过理论计算和仿真分析,得到SCR反应器优化的结构参数为:SCR反应器体积为0.036m3,孔密度为400目,涂层厚度为0.01mm,载体壁厚为0.15mm。其次,结合仿真分析结果,在D2试验循环下,试验分析了加装SCR反应器对柴油机性能的影响,试验结果表明:加装SCR反应器后柴油机排气背压明显高于原机,额定工况时比原机增加4.7kPa;缸压高于原机,最大缸压比原机高约5.4%,最大缸压提前;SCR反应器后NOx加权比排放为1.112g/kWh,初步达到NOx排放Tire III限制法规要求;油耗在柴油机额定工况时增加约1%,柴油机经济性变差。最后,利用建立的SCR仿真模型对喷射结构参数进行了仿真优化。对研究的四个喷射结构参数,利用正交试验方法确定实验设计方案,以催化剂前氨分布的均匀性和NOx转化率为评价指标,进行了仿真优化分析。根据仿真优化的喷射结构参数,选取了两个喷射结构参数匹配较好的喷嘴,在D2试验循环下,试验分析了不同喷射结构参数对SCR反应器性能的影响,从而确定了与SCR反应器匹配最好的喷射结构参数为:喷孔数目4个、喷嘴距催化剂入口距离5倍排气管管径(635mm)、喷射角度为45°、喷孔孔径0.5mm。经尿素喷射结构参数优化,NOx转化率得到了进一步提高。
【关键词】：船用柴油机 SCR反应器 喷射结构参数 匹配 优化
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U664.121
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 选题背景和研究意义11-12
• 1.1.1 选题背景11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 发动机NOx排放控制技术12-13
• 1.2.1 机内净化技术12-13
• 1.2.2 机外净化技术13
• 1.3 SCR技术研究现状13-15
• 1.3.1 SCR技术国外研究现状13-14
• 1.3.2 SCR技术国内研究现状14-15
• 1.3.3 SCR技术研究现状分析15
• 1.4 本文主要研究内容15-17
• 第2章 SCR系统仿真模拟数学模型17-22
• 2.1 SCR技术简介17-18
• 2.1.1 SCR系统组成17
• 2.1.2 SCR系统工作原理17-18
• 2.2 数学模型18-19
• 2.2.1 基本控制方程18
• 2.2.2 湍流模型18-19
• 2.3 催化器相关模型19-20
• 2.3.1 多孔介质模型19
• 2.3.2 催化器压降模型19-20
• 2.4 尿素喷雾模型及液滴的蒸发模型20-21
• 2.4.1 液滴的连续性方程20
• 2.4.2 液滴蒸发模型20-21
• 2.4.3 湍流扩散模型21
• 2.5 小结21-22
• 第3章 SCR反应器结构参数确定及匹配性能试验分析22-39
• 3.1 SCR系统设计过程中应注意的问题22-23
• 3.1.1 SCR系统设计要求22
• 3.1.2 SCR反应器的设计思路22-23
• 3.2 催化剂载体23-24
• 3.2.1 催化剂载体的基本结构23
• 3.2.2 催化剂载体结构参数间换算关系23-24
• 3.3 SCR反应器外形尺寸的确定24-25
• 3.3.1 催化剂横截面积的确定24-25
• 3.3.2 催化反应器体积的确定25
• 3.4 SCR催化反应器三维模型的建立25
• 3.4.1 边界条件25
• 3.4.2 SCR三维模型的建立与网格划分25
• 3.5 仿真数据分析25-29
• 3.5.1 催化剂长度的影响26
• 3.5.2 催化剂孔密度的影响26-27
• 3.5.3 催化剂涂层厚度的影响27
• 3.5.4 温度的影响27-28
• 3.5.5 空速的影响28-29
• 3.5.6 氨氮比的影响29
• 3.6 SCR反应器结构参数的确定29-30
• 3.6.1 催化剂长度的确定29-30
• 3.6.2 催化剂孔密度的确定30
• 3.6.3 催化剂涂层厚度和载体壁厚的确定30
• 3.7 试验系统简介30-33
• 3.7.1 试验系统组成30-31
• 3.7.2 柴油机测试平台31-32
• 3.7.3 SCR反应器32-33
• 3.8 SCR反应器与柴油机匹配性能试验分析33-38
• 3.8.1 试验结果33-34
• 3.8.2 对柴油机排气特性的影响34-35
• 3.8.3 对柴油机经济性影响35-36
• 3.8.4 对柴油机缸内压力影响36-37
• 3.8.5 NOx比排放综合评价37-38
• 3.9 小结38-39
• 第4章 SCR系统喷射结构参数优化及匹配性能试验分析39-55
• 4.1 催化剂入口前NH3分布的均匀性39
• 4.2 喷射结构参数对SCR反应器性能影响仿真分析39-45
• 4.2.1 喷嘴喷孔数的影响39-41
• 4.2.2 喷嘴至催化剂入口距离的影响41-42
• 4.2.3 喷嘴喷射角度的影响42-43
• 4.2.4 喷嘴喷孔直径的影响43-45
• 4.3 喷射结构参数的优化45-47
• 4.3.1 正交试验因素水平的确定46
• 4.3.2 正交设计方案及仿真计算结果46-47
• 4.3.3 仿真结果分析47
• 4.3.4 喷射结构参数的确定47
• 4.4 SCR尿素喷射系统47-49
• 4.4.1 尿素喷嘴47-48
• 4.4.2 喷射控制单元48
• 4.4.3 尿素箱48-49
• 4.4.4 试验尿素喷嘴的确定49
• 4.4.5 试验方案49
• 4.5 喷射结构参数与SCR反应器匹配性能试验分析49-53
• 4.5.1 喷嘴A在不同喷射位置试验结果及分析50
• 4.5.2 喷嘴A在最佳喷射位置试验结果及分析50-51
• 4.5.3 喷嘴B在不同喷射位置试验结果及分析51
• 4.5.4 喷嘴B在最佳喷射位置试验结果及分析51-52
• 4.5.5 最佳喷射结构参数的确定52-53
• 4.6 最佳喷射结构参数与基础喷射结构参数性能比较分析53-54
• 4.7 小结54-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 全文总结55-56
• 5.2 工作展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-61
• 在学期间发表的学术论文61

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