轻型柴油机SCR催化转化器结构优化研究

发布时间：2020-09-16 06:58

　　 当今时代,国家对环境保护越来越重视,为严格控制机动车污染,国家决定从2018年元旦开始,对轻型柴油车全面实施国Ⅴ排放标准。课题就是针对SOFIM8140.43S4这样一款已经采用SCR(选择性催化还原技术)作为后处理方案的轻型柴油机进行研究的,通过对这款轻型柴油机的SCR催化转化器进行结构优化研究,使其能够满足国Ⅴ排放要求,课题主要研究内容和创新之处如下:1、对柴油机后处理SCR催化转化器进行原理分析,以SOFIM8140.43S4轻型柴油机为对象,对其SCR催化转化器进行总体方案设计及相关部件的选型。2、利用Gambit软件建立SCR催化转化器的二维模型,采用Fluent软件对SCR催化转化器内流场进行二维稳态流动的数值模拟,通过仿真方法来分析典型SCR催化转化器内部流动特征。3、分别建立入口扩张管角度、出口收缩管角度、载体长度、载体间的间隙等不同的计算模型,通过Fluent数值模拟来研究不同结构参数下SCR催化转化器的内部流动规律。结果表明,入口扩张管角度、载体长度、载体间的间隙这三个参数能为SCR催化转化器的结构优化研究提供依据和指导,而出口收缩管角度不作为优化参数。4、基于Nelder-Mead算法对SCR催化转化器结构进行优化研究,以尽可能增大SCR催化转化器内部载体出口端面中心处的气体流动速度均匀性为优化目标,并对优化后的SCR催化转化器进行内流场分析。结果表明,在A25和B50工况下,优化后的SCR催化转化器载体出口端面中心处气体流速均匀性指数均达到0.872以上,优化后的SCR催化转化器内部流速分布均匀性有很大提高。5、对优化后的SCR催化转化器进行匹配SOFIM8140.43S4轻型柴油机的排放试验。结果表明,优化后的SCR催化转化器正常工作,ESC循环下NO_X比排放量为1.824g/(kW·h),达到了轻型车国Ⅴ排放要求。
【学位单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U464.172
【部分图文】：

NOX（氮氧化物）的比排放量要降低 30%，另外，PM（颗粒物）的比排放量要降0%，氮氧化物和颗粒物的下降幅度都很大，但重点是降颗粒物。从欧Ⅳ排放标准升级Ⅴ排放标准，又特别强调对氮氧化物的控制，即 NOX排放要再降低 40%，其比排放量原来的 3.5g/（kW·h）降到 2.0g/（kW·h），而对颗粒物的排放要求保持不变，仍旧为欧Ⅳ阶段的 0.02g/（kW·h）。

.3 SCR 技术国内外研究现状.3.1 国外研究现状2010 年，Kamasamudram 等人将柴油机置于稳态工况下，重点研究了柴油机的排气与 NOX转化效率之间的关系，最终得出：随着发动机温度的不断升高，NOX转化效率是一直升高的，而是先升高后降低[17]。2011 年，Subhasish Bhattacharje 等人利用强大的数值模拟软件模拟出重型柴油机 S统中尿素水溶液的喷射以及雾化等一系列的过程，重点研究了 SCR 催化转化器内部载端的氨气浓度的分布状态，还研究了载体上催化剂所受阻力大小与催化剂的分布情况系问题，最终得出 SCR 催化转化器内部载体上催化剂的阻力越小，催化剂的分布越不[18]。2011 年，MF. Hsieh, J. Wang 等人经过研究提出了一种新的控制策略，这种控制策略图 1-2 降低排放的主要技术路线Fig.1-2 The main technical routes for reducing emissions

2.1.2 SCR 催化转化器的工作原理SCR（选择性催化还原技术）的工作原理可以表述为：利用氨气或者是尿素水（urea与氮氧化物（NOX）进行化学反应，进而使有毒并对环境有害的氮氧化物气体转化成为无毒的氮气（N2）和水（H2O）。SCR 后处理装置是根据氮氧化物的还原原理，将适量的尿素水喷入柴油机的排气管中使其与汽车排放的尾气混合，同时在 SCR 催化转化器的作用下将尾气中的 NOX还原成氮气（N2）和水（H2O），与此相关的反应原理如下[27-28]：当柴油机排气温度高于 160℃时，尿素便会发生水解反应式（2-1）：2 2 3 2 2CO ( NH ) 2 H O 2 NH CO H O(T>160 ℃) （2-1）而如若柴油机的排气温度小于160℃或者尿素在SCR 催化转化器内的催化剂前的排气管内停留时间过短，都会阻碍尿素的正常水解反应的进行。当温度高于 300℃时，排气管中的高温环境比较利于相关化学反应的发生，能使尾气图 2-1 尿素 SCR 系统结构组成图Fig.2-1 Structure composition of urea SCR system

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本文编号：2819544