车用柴油机Urea-SCR系统数值模拟研究

发布时间：2017-10-03 17:25

  本文关键词：车用柴油机Urea-SCR系统数值模拟研究

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【摘要】：近年来,柴油机以具有高热效率、强劲动力性能和良好的可靠性等优点在汽车领域得到广泛的应用,但由于柴油机的燃烧方式使得排放污染物中氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)的排放比较严重。随着汽车排放法规的不断发展,单纯通过柴油机机内措施降低柴油机排放污染物已经不能满足排放法规要求,而利用选择性催化还原(SCR)后处理技术来降低柴油机氮氧化物排放是目前最有效的方法之一。本文以某型六缸柴油机排气系统为研究对象,在了解掌握Urea-SCR系统的工作原理和主要化学反应机理的基础上,主要完成以下工作:1)以提高SCR催化转化器气体流动速度的均匀性为目标,利用DOE实验设计,通过结合拉丁超立方体设计法与Nelder-Mead算法对SCR管道结构参数进行优化。2)基于计算流体力学(CFD),运用AVL Fire软件对车用柴油机SCR系统进行三维数值模拟,分析不同工况下SCR系统的尿素液滴与气体组分的分布规律。研究不同的喷孔喷射方向、喷嘴偏置角度及喷嘴位置对SCR系统转化效率的影响。3)利用正交实验得出喷孔喷射方向、喷嘴偏置角度以及喷嘴偏置位置这三个因素对影响NOx转化效率的主次顺序,从而确定B50工况(ESC排放测试的典型工况)下最佳的喷嘴布置匹配方案。4)研究混合器对SCR系统的影响,对混合器的结构进行优化,在保证提高NOx转化效率同时降低系统的压力损失。5)通过AVL Boost软件,建立一维发动机模拟,分析SCR系统对发动机动力性、经济性的影响。
【关键词】：柴油机 选择性催化还原 数值模拟 NOx转化率
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.172
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 柴油机排放污染物控制技术10-13
• 1.2.1 机内净化技术11
• 1.2.2 尾气后处理技术11-12
• 1.2.3 两条技术路线的选择12-13
• 1.3 SCR技术国内外研究状况13-16
• 1.3.1 SCR数值模拟研究状况13-15
• 1.3.2 SCR技术应用状况15-16
• 1.4 主要研究内容16-18
• 第二章 车用Urea-SCR系统的工作原理与数值模型18-32
• 2.1 车用Urea-SCR系统的组成18-19
• 2.2 Urea-SCR系统化学反应原理19-21
• 2.2.1 SCR系统化学反应过程19-20
• 2.2.2 催化剂表面化学反应过程20-21
• 2.3 SCR系统数值模型的建立21-30
• 2.3.1 湍流模型21-23
• 2.3.2 运输模型23-24
• 2.3.3 喷雾模型24-25
• 2.3.4 尿素液滴热量与质量传递25
• 2.3.5 尿素液滴蒸发模型25-26
• 2.3.6 尿素液滴碰壁模型26-28
• 2.3.7 催化转化器模型28-30
• 2.4 SCR催化器性能评价指标30-31
• 2.5 本章总结31-32
• 第三章 基于Nelder-Mead算法的SCR管道结构参数优化32-44
• 3.1 多目标优化理论32-35
• 3.1.1 数学模型32
• 3.1.2 DOE实验设计32-33
• 3.1.3 Nelder-Mead算法33-35
• 3.2 目标优化模型建立35-42
• 3.2.1 SCR管道结构参数36
• 3.2.2 建立目标函数36-37
• 3.2.3 拉丁超立方体取样本点37
• 3.2.4 Nelder-Mead算法参数设置37-38
• 3.2.5 柴油机工况加载点38-39
• 3.2.6 优化结果及分析39-42
• 3.3 本章小结42-44
• 第四章 SCR系统数值模拟研究与参数优化44-62
• 4.1 SCR系统模型建立44-45
• 4.2 网格划分与边界条件45-46
• 4.3 模拟计算结果与分析46-50
• 4.3.1 尿素液滴分布46-47
• 4.3.2 组分浓度分布47-50
• 4.4 尿素喷射过程结构参数的优化50-57
• 4.4.1 喷孔喷射方向的优化50-52
• 4.4.2 喷嘴偏置角度的优化52-55
• 4.4.3 喷嘴偏置位置的优化55-57
• 4.5 正交实验设计及结果分析57-61
• 4.5.1 正交实验设计原理57-58
• 4.5.2 正交实验设计58
• 4.5.3 计算结果58-60
• 4.5.4 计算结果分析60-61
• 4.6 本章总结61-62
• 第五章 SCR混合器数值模拟62-74
• 5.1 涡旋混合原理62-63
• 5.2 混合器设计63-64
• 5.3 SCR混合器仿真模拟结果分析64-69
• 5.3.1 索特平均直径64-66
• 5.3.2 扩张管流场分析66-67
• 5.3.3 组分浓度分析67-69
• 5.4 不同工况下混合器对SCR系统的影响69-72
• 5.4.1 对SCR系统NOx转化效率影响69-70
• 5.4.2 对SCR系统压降的影响70-72
• 5.5 本章总结72-74
• 第六章 Urea-SCR系统对柴油机性能的影响74-82
• 6.1 柴油机仿真模拟的建立与验证74-78
• 6.1.1 数学模型74-75
• 6.1.2 物理模型75
• 6.1.3 仿真模型正确性验证75-78
• 6.2 SCR系统对柴油机性能的影响78-80
• 6.2.1 建立带有SCR反应器的整机模型78
• 6.2.2 SCR催化器压力损失对柴油机性能影响78-80
• 6.3 本章总结80-82
• 第七章 总结与展望82-84
• 7.1 全文总结82-83
• 7.2 展望83-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-90
• 攻读研究生期间发表的学术论文90

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本文编号：965772