柴油机尿素SCR催化器优化设计

柴油车SCR系统尿素结晶优化方案研究作者：江涛来源：《山东工业技术》2017年第21期摘要：本文针对柴油车SCR后处理系统中出现的尿素结晶问题优化措施进行研究，提出了减小尿素喷射量、减小喷孔孔径、优化混合器结构、优化DOC出气口结构以及尿素水溶液添加剂等五项优化措施，并进行了试验验证。

结果表明，五项措施均可以明显改善尿素结晶。

关键词：柴油机；SCR；尿素结晶DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.21.0020 引言2017年1月1日，全国全面实施第五阶段国家机动车排放标准。

相比国四标准，新标准轻型车氮氧化物排放降低25%，重型车氮氧化物排放降低43%.为了满足此标准，多数主机厂在柴油车后处理方案上均采用了DOC与SCR系统，此方案在降低氮氧化物的同时不可避免的会出现尿素结晶的问题，图1为某柴油机车路试中出现的尿素结晶现象。

1 结晶机理尿素在排气尾管中收到发动机排气温度的作用发生热解反应，产生氨气，反应过程如下：从上述反应过程可以看出，若发动机SCR混合器中的温度长期在150～280℃的温度区间内，（异氰酸）发生副反应的几率很大。

2 优化方案与试验验证因排气温度与排气流量主要取决于发动机本体，对于主机厂而言，变更发动机本体对发动机的各项性能影响较复杂，本文主要研究发动机本体以外的优化方案对尿素结晶风险的改善。

2.1 优化尿素喷射量优化尿素喷射量为改善尿素结晶风险最直接的方式，在满足排放法规要求的同时，降低各个工况点的尿素喷射量以及氨存储量。

试验中使用某柴油机，在同一稳定工况点，尿素喷射量降低20mg/s，进行20小时台架尿素结晶对比试验，试验结果表明，尿素喷射量的降低对结晶风险的改善明显，如图2所示。

2.2 减小喷孔孔径试验中使用某柴油机，在流量不变的情况下，将三孔尿素喷嘴变更为六孔尿素喷嘴，喷雾粒径降低20um，在同一工况下，进行20小时尿素结晶对比试验，试验结果表明，喷孔数的增加或者喷孔孔径的减小，可以极大的改善尿素结晶风险，如图3所示。

MAN6S50MC-C型柴油机SCR催化反应器结构尺寸设计与性能优化的开题报告一、选题背景及意义SCR（Selective Catalytic Reduction）催化反应技术是一种有效降低柴油机尾气中NOx排放的方法，具有高效、环保、经济等优点。

近年来，环保法规的不断升级，推动着柴油机上的SCR技术不断发展和完善。

MAN6S50MC-C型柴油机作为船舶主机，具有动力大、可靠性高、寿命长等特点，是航运行业使用最为广泛的柴油机之一。

针对该型号柴油机，在提高其经济性和环保性的要求下，采用SCR技术进行尾气净化，对于维护海洋环境和保护人类健康具有重要意义。

根据上述背景，本课题拟针对MAN6S50MC-C型柴油机，进行SCR催化反应器结构尺寸设计与性能优化的研究，旨在提高其尾气净化效率和经济性，以满足环保法规的要求和市场的需求。

二、研究内容及技术路线1. SCR催化反应器的结构尺寸设计（1）根据MAN6S50MC-C型柴油机的NOx排放特性和SCR催化反应器的工作原理，确定合理的SCR催化反应器结构类型和尺寸范围；（2）分析SCR催化反应器在使用过程中的热特性和流体特性，优化其结构尺寸设计。

2. SCR催化反应器的性能优化（1）建立SCR催化反应器的数学模型，模拟其在不同工况下的工作状态和性能；（2）采用CFD仿真技术，分析SCR催化反应器内部的流场分布和催化剂的分布情况，优化其设计参数和结构参数；（3）通过实验验证，检验所设计的SCR催化反应器的尾气净化效果和经济性指标，提高其实用性和可操作性。

技术路线：三、预期结果及意义本课题的主要预期结果如下：（1）针对MAN6S50MC-C型柴油机，设计出一种适用于其尾气净化的SCR催化反应器结构，具有较高的尾气净化效率和经济性指标；（2）建立一套完整的SCR催化反应器数学模型和仿真模型，可用于该型号柴油机的尾气净化的研究和开发；（3）通过实验验证，确保所设计的SCR催化反应器的性能稳定可靠，符合环保法规和市场需求，为改善海洋环境和保护人类健康做出贡献。

利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。

利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。

我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。

目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。

图2 SCR系统网格和边界条件位置图SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。

系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。

一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。

在SCR中发生的化学反应如下：尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。

利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

图3 在某一位置不同的喷射方向本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

降低柴油机NO排放的SCR系统控制策略研究一、概述随着全球环保意识的日益增强，柴油机排放控制已成为当前内燃机领域的研究热点。

氮氧化物（NOx）作为柴油机排放的主要污染物之一，其减排技术的研究与应用具有重要意义。

选择性催化还原（SCR）技术作为目前最有效的柴油机NOx减排手段之一，已经得到了广泛应用。

本文旨在深入研究降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略，通过优化控制算法和参数设置，实现NOx的高效减排。

SCR系统通过向柴油机排气中添加尿素水溶液，在催化剂的作用下将NOx还原成无害的氮气和水。

SCR系统的性能受到多种因素的影响，如尿素喷射量、催化剂活性、排气温度等。

制定合适的控制策略对于保证SCR系统的减排效果至关重要。

近年来，随着电子控制技术的发展和智能化水平的提高，SCR系统的控制策略也在不断更新和优化。

传统的开环控制策略虽然简单易行，但难以适应柴油机工况的复杂变化。

闭环控制策略能够根据实时排放数据调整尿素喷射量，实现更精确的NOx减排。

基于模型的预测控制策略以及基于机器学习的智能控制策略也在逐步应用于SCR系统中，以提高系统的鲁棒性和自适应性。

本文将对现有的SCR系统控制策略进行梳理和分析，针对柴油机不同工况下的NOx排放特点，提出一种基于实时排放数据和催化剂活性预测的闭环控制策略。

通过仿真和实验验证，评估该控制策略在降低柴油机NOx排放方面的性能和效果，为实际应用提供理论依据和技术支持。

1. 柴油机NO排放问题的严重性《降低柴油机NO排放的SCR系统控制策略研究》文章段落：柴油机NO排放问题的严重性柴油机作为重要的动力源，在各类车辆及非道路机械领域发挥着举足轻重的作用。

随着工业化进程的加快，柴油机排放问题日益凸显，其中氮氧化物（NOx）的排放尤为引人关注。

柴油机排放的NOx中，NO占据绝大多数，虽然NO本身无色无味且毒性相对较小，但其在高浓度时仍会对人体神经中枢造成损害，甚至导致瘫痪和痉挛。

题目重卡柴油机SCR系统设计及分析学生姓名 xxxxx 学号 xxxx所在学院机械工程学院专业班级 xxx指导教师 xx 完成地点 xxxx2015年5月20日重卡柴油机SCR系统设计及分析作者：xxx（xxx机械学院xxxxxx班，xxxx xxx）指导教师：xxxx[摘要]尿素选择性催化还原系统（SCR）在高催化效率下的正常运行是柴油机满足排放法规的关键因素。

本文利用计算流体力学方法CFD模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，对不同排气温度和排气流量下液滴的运动，水溶液蒸发后水蒸气的浓度分布进行了计算，优化排气管道形状以及优化喷射位置和喷射角度，从而避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

同时对 SCR 载体内的流动性能进行计算,保证排气在载体入口的速度、发应物浓度分布均匀，以此来保证SCR实现高的催化效率。

[关键词]: 柴油机 SCR 优化设计Heavy diesel engine SCR system design and analysisThe Author :xxxx(Grade xx,Class 1,Major Testing and Monitoring Technology and InstrumentationxxxxUniversity of Technology xxxxxxxxxxxxxTutor:xxxxxAbstract:The selective catalytic reduction (SCR) based on urea water- solution is an effective technique to reduce NO x emitted from diesel engines. However, there are two issues have to be resolved to ensure high NO x conversion efficiency with SCR. The first one is to have a uniform distribution on both the exhaust velocity and the ammonia concentration at the entrance of the SCR catalyst. And the second one is to minimize the urea deposition on the exhaust pipe wall caused by urea water impingement. In this paper, CFD code is applied to simulate the urea water injection in the exhaust pipe and the flow field in the SCR system for a heavy duty engine. After optimization, urea water impingement with exhaust pipe can be avoided and a relatively uniform flow field can be attained in the SCR converter.Key words: Diesel engine, SCR, Optimization目录1概述 (1)1.1选题意义 (1)1.2 SCR系统概述 (3)1.2.1 SCR 系统的基本工作原理 (3)1.2.2 SCR系统的构成 (3)1.2.3 SCR系统的优点 (6)1.2.4 SCR系统的缺点 (6)1.3 本章小结 (7)2 柴油机尾气处理对SCR技术的要求 (8)2.1 SCR技术在国内外的应用现状 (8)2.2 柴油机尾气处理系统的功能要求 (8)2.3 本章小结 (9)3 基于 SCR 技术尾气处理系统的设计方案 (10)3.1 SCR 系统设计原则 (10)3.2 SCR 系统的总体设计方案 (10)3.2.1系统的总体设计 (11)3.2.2 基于 SCR 技术的柴油机尾气处理系统的组成 (12)3.3 SCR系统模块、材料的选取 (13)3.3.1 还原剂和硬件材料选取 (13)3.3.2 存储模块选型 (14)3.3.3 计量喷射模块 (14)3.3.4 催化反应模块 (16)3.4 本章小结 (16)4 计算结果及边界条件 (17)4.1 催化剂表面反应 (18)4.2 边界条件 (18)4.3计算结果及分析 (19)5 结语 (29)致谢 (30)1概述1.1选题意义随着社会的发展，人们生活水平越来越高，同时人们对环境大气越来越注重保护。

车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究车用柴油机SCR喷射系统是一种通过尿素水溶液喷射来实现经济性和环保性的技术，可以大幅度降低氮氧化物（NOx）的排放量。

本文将介绍车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究。

首先，该系统由SCR催化剂、尿素水溶液喷嘴、尿素水溶液储存罐及电控系统组成。

其中，SCR催化剂位于尾气处理系统的后段，主要作用是将NOx与尿素水溶液在恰当的温度下催化还原为无害的氮气和水蒸气。

其次，尿素水溶液喷嘴安装在SCR催化剂的前沿，由电控系统控制喷嘴的喷射时间和量。

这样，当发动机运行时，在SCR催化剂中形成了一定量的NOx后，系统便能够根据车辆的运行状态和路况实时供应适量的尿素水溶液，使其在SCR催化剂上与NOx发生反应。

最后，尿素水溶液储存罐是尿素水溶液的存储和供应装置，储存罐的大小和容量因车型和制造商而异。

电控系统则可以自动检测尿素水溶液的容量和质量，为车主提供及时的提醒。

该系统的研究包括喷嘴设计、尿素水溶液的热稳定性、尿素水溶液对系统组件的腐蚀性以及系统对发动机性能的影响等方面。

为了实现技术上的进步和推广应用，需要解决系统的稳定性和可靠性问题，并提高系统的制造工艺和设计水平。

综上所述，车用柴油机SCR喷射系统是一项十分有用的技术，其能够在不影响发动机性能的情况下大幅度降低氮氧化物的排放量。

未来，我们可以通过更加精细的设计和更高的制造水平来不断推进该技术的发展，为更加环保的出行提供更好的保障。

在车用柴油机SCR喷射系统的研究和设计中，喷嘴的设计显得尤为重要。

合适的喷嘴能够确保尿素水溶液均匀地分散到催化剂表面，从而保证反应的充分进行。

此外，喷嘴的尺寸和形状也会直接影响到喷射效率和稳定性，因此在设计时需要进行全方位的考虑和测试。

尿素水溶液的热稳定性也是研究的重点，因为该溶液需要在高温下被喷射出来。

在气候闷热或者高海拔环境下，高温会导致溶液分解，产生悬浮在空气中的尿素晶体。

这种情况不仅会降低喷射效率，还会对发动机的性能产生负面影响。

SCR胡静帅石金张云龙王建昕李伟明（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）：本文设计开发了一种基于开环和闭环控制策略的用于重型柴油机SCR后处理系统的尿素喷射控制系统，包括硬件平台与软件平台的设计开发。

重点介绍了该系统的总体设计思路，硬件系统相关模块的功能及设计，基于NO X传感器的开环控制策略，以及基于NO X和NH3传感器的闭环控制策略。

：重型柴油机，SCR，尿素喷射，控制汽车排放问题引起了世界范围内的广泛关注。

随着未来排放法规的不断推出，对柴油车排出的NOx和PM限制越来越严格。

尿素选择催化还原（SCR）技术是一条解决重型柴油车NOx排放的较为成熟的技术路线，在欧洲已经得到了广泛应用[1]，在我国也处于推广应用阶段。

本文针对自主开发的重型柴油机尿素SCR后处理系统，综合考虑开环及闭环控制的需要，开发了一种基于开环和闭环控制策略的尿素水溶液喷射控制系统，并设计了控制系统的软硬件。

目前产品化的SCR系统几乎都采用开环控制策略，考虑到将来欧Ⅴ及以上排放法规的需要，本系统在硬件及控制策略设计上同时集成了开环及闭环控制的要求。

图1为SCR尿素喷射控制系统的一个总体设计框图，它包括了采用开环控制时需要的发动机油门踏板和转速等信号，同时也包括了采用闭环控制时所用到的NH3传感器和NO X传感器信号。

其中流量、油门踏板、转速、进气温度、催化剂前排气温度和催化剂后排气温度信号采用AD接口与ECU连接。

而尿素AdBlue位置和质量传感器、NH3传感器和NO X传感器采用CAN总线通讯技术与ECU连接。

另外，控制尿素喷射的计量泵执行器也采用CAN总线进行通讯。

图1系统总体设计框图根据系统总体设计要求，把尿素喷射控制系统分为电源管理电路、主芯片基本外围电路、上位机通讯电路、计量泵通讯电路和传感器信号处理电路等功能模块。

该模块的主要功能是向单片机以及其它芯片提供稳定的5V稳压电源及系统所需的12V电源。

某柴油机 SCR 系统的设计计算与优化徐华平 ,苏石川(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院 ,江苏 镇江 212003 )摘 要 : 文中应用 S TAR - C D 对某型柴油机尾气 SCR 系统不同方案的流动和压力损失 、湍动能分布 ,以及对催化器内部不 同方案的化学反应进行了计算与分析 . 结果表明 :综合考虑催化结果和实际安装 , 4 种方案中第 2 种方案的效果较好 . 它为 同类柴油机采用 SCR 系统进行 NO X 的排放控制提供了参考 . 关键词 : 柴油机 ; SCR; NO X ;优化 文章编号 : 1673 - 4807 ( 2009) 06 - 0515 - 05 中图分类号 : TK421文献标志码 : AD e si g n and opti m i za t i on of S CR sy s te m of d i e s el eng i n eXu H uap ing, Su S h ichua n( Schoo l of N a va l A r ch itec tu re and O cean Enginee ring, J iangsu U n ive rsity of Sc ience and Techno logy, Zhen jiang J iangsu 212003 , Ch ina )A b s tra c t : A c co r d i ng t o the d i ffe ren t p l an s of ta i l ga s of p a rti cu l a r d i e s e l engi ne, ca l cu l a t i o n and ana l ysis on fl o w , p re ssu re l o ss, d istri bu ti o n of tu rbu l en t mo ti o n ene rgy, and chem i ca l reac ti o n i n the ca ta l yst we r e acc om 2 p lished by u si ng ST A R - C D. The re su lt show s tha t the second p l an is be tte r than o the r p l an s . SCR syst e m m a y p r ovi de refe rence s f o r NO X e m issi o n con t r o l of the sa m e k i nd of d i e s e l engi ne . Key word s : d i e s e l engi ne; se l ec t i ve ca t a l yti c reduc t i o n; NO X ; op ti m iz a t i o n2随着排放法规的日益严格 ,柴油机机内净化措 施已开始显得力不从心 ,必须要依靠柴油机排放后 处理技术来降低 NO X 和 P M 的排放 . 目前研究的柴 油机 NO X 后处理技术主要是 L N T 技术和 SCR 技 术 [ 1 ] ,其中以尿素水溶液 为还 原 剂的 选择 性 催化 还原技术 (U rea 2S CR ) 较为成熟 [ 2 ] . 欧洲重 型 汽车 协会宣布采用 U rea 2SCR 技术作为达到欧 Ⅳ以上排放法规的技术路线 [ 3 ]. 以 往的 研 究都 是着 重 研究 催化器内部的流动 , 本文 基 于 ST AR - C D 软 件和 系统内的化学反应模型对某四缸柴油机的尾气催 化器的 U rea 2S CR 系统进行了开发计算分析和设计 优化 ,为提高柴油机 SCR 系统的应用水平提供了 参考.C μ p κ μi =ε式中 ,μi 为湍流粘性系数; κ, ε分别为湍动能和湍 能消耗率 , 它们的流动方程分别为5u 5u i 5ki ip μκj =μi s ij - ρε - i+ pκ 5x - 5x j k jji 5u i 5u i ε ε 2 μi s ij 5x μi p μεj -= C ∈1κ - + 3 5x jj j j5u i ∈25u i p κ - C ∈2 p + C ∈4 p ∈5x i κ 5x i式中 , μeff =μ +μi C μ.112 载体内的流动模型假设载体单根管道内的气流为不可压缩流动 ,动量方程忽略对流项和扩散项 ,简化为1 计算数学模型及边界条件111 自由流动区域流动数学模型湍流输送方程 :采用标准的 κ - ε湍流模型计 算雷诺应力来封闭上述流动控制方程 , 即5p= - κ v ,κ =α| v | +β 5x ii i i i式中 ,κi 为渗透率 , 与当地速 度的 绝对 值 | v |成 正 比 ; α,βi 为经验常数. 113 边界条件某柴油机的主要性能参数如表 1.5u ip u i u j = - μi s ij + i + p κδij5x j 收稿日期 : 2008 - 10 - 14作者简介 : 徐华平 ( 1979 —) ,男 ,安徽安庆人 ,助教 ,研究方向为柴油机的优化设计与排放. E 2m a il: hf ***********μi 5 σε5x 55x μ σ 5x 5 5x江苏科技大学学报 (自然科学版 )516 第 23卷表 1 某柴油机的主要性能参数T a b l e 1 M a i n pa r am e t er s o f a d i e s e l e n g i n e目前采用的催化剂主要成分是 Ti O 2 和 V 2 O 5 ,其中 Ti O 通常作为催化器载体的成分 ,而对 NO 2 X 项目性能参数反应具有催化作用的活性成分一般为 V 2 O 5 . 国外4 (四冲程循环 )直喷式缩口135 mm56 k W /1 500 / r ·m in - 1- ( 28 ～31 ) °CA4 (四缸发动机 )16. 5 ∶1 140 mm363 N ·m /1 200r ·m in - 18 L工作循环燃烧室型式缸径标定功率 /转速 静态供油提前角缸数 压缩比 行程 最大扭矩 /转速气缸排量对催化剂成分中的 V O 所占比例进 行了 很多 的 2 5 [ 4 ] 试验 ,一般认为 3 %的含量比较合适 .计算时将催化剂的蜂窝载体作为多孔介质模 型来处理 . 假设载体单根管道内的气体为不可压缩 流动 ,据文献 [ 5 ] ,取蜂窝载体的孔隙率 λ = 0175; 渗透率的经验常数轴向 α = 0141,β = 2 073 ,径向和 周向设为 110 E5 , 即 在 载 体 中 气 体 只 沿 着 轴 向 流 动. 另外催化器的气体壁面边界假设为绝热 、无滑 动壁面 .根据国内外的研究实验结果 ,催化器催化剂整 体结构设计为蜂窝状圆柱形结构 ,圆柱直径待定 ; 在反应器内布有催 化 剂孔 , 催 化剂 孔 的结 构尺 寸 为 : 4615 目 / c m 2 ,孔的形状为正方形 ,每孔壁厚 h = 012 mm.根据催化器的空速比和载体的孔隙率以及尾 气的流量 ,得出催化剂圆柱直径与催化剂长度的关 系 ,选取 4组催化剂尺寸 ,直径与长度 (单位 : mm ) 分别为 200 ×600 , 250 ×390 , 280 ×310 , 300 ×270.催化器的设计工况设置在该柴油机标准工况 , 此工况下的入口边界条件 : 入口速度为 3715 m / s, 入口气体密度为 01554 9 kg /m 3 , 入口气体温度为706 K, 入口压力为 113 M P a, 流 量为 37913 kg / h , NO X 排放为 19105 g / k W ·h. 空速 S V 定义为每小时流过催化剂的排气体积流量与催化剂容积之比. 空速 GHSV 在设计催化器时是一项十分重要的参 数 ,它体现了在一般情况下反应器的体积容量 ,空 速的单位是 h - 1 ,计算公式为3VN GHSV =V C2 数值模拟结果与分析211 催化器内速度分布图数值模拟结果表明 ,流速分布的不均匀 ,径向的温度梯度增大 ,承受的径向温度应力增大 ,会降 低催化器的使用寿 命 [ 6 ] . 尾气 流速 分 布不 均也 会 造成 NO X 与 NH 3 的混合不充分 ,降低了脱除 NO X 的效率 .图 3 为不同尺寸催化器载体的催化器内速度 分布图和催化器载体前端 、中点端以及末端的速度 分布截面图. 从图中可以看出 ,当催化器的直径较 小时催化器内部的尾气流动比较均匀 ,直径较大时在催化剂的两头出现明显的漩涡 .方案 3 和方案 4中载体的流动开始出现分层 , 载体中心区域流速较高 ,外围区域流速低. 这样容 易造成中心区域的气流速度和温度较高 , 载体边 缘气流量较小 , 使载体催化剂在中心区域快速老 化 , 而在边缘区域催化剂不能充分利用. 这样既缩 短了催化转化器的使用寿命 , 又降低了转化效率. 另外流速分布的不均匀还会导致载体径向温度梯 度增大 ,产生较大热应力 ,使载体热变形和损坏的 可能性增大. 从方案 3 和方案 4 的结果可以得出 , 横向尺寸过大容易使横截面上的流速分布不均匀.33式中 , V N 是反应气的体积流量 , 单位为 是催化器的体积容量 ,单位为 c m 3 .cm / h ; V C本催化器的空速取 50 000 h - 1 . 出口设置为静 压边界条件 ,压力为一个标准大气压 .图 1是催化器的结构尺寸 ,图 2是对应的网格模 型. 扩张管锥角对催化器的流动均匀性和 NO X 转化[ 2 ] 有很大影响 , 90°时催化器的 NO X 转化率较好 .图 1 催化器的尺寸 (单位 : mm )F ig . 1 S i ze of a ca t a l y s t co n v er t er图 2 催化器风格模型F ig . 2 Gr id m ode l of a ca t a ly s t con v er t er第 6期 徐华平 ,等 : 某柴油机 S CR 系统的设计计算与优化 517a ) 方案 1b ) 方案 2c ) 方案 3d ) 方案 4图 3 速度分布图F ig . 3 Ve l oc ity vec t or在实际催化器制造中 ,一般在催化器的前端入 口管要加装导流装置 ,催化器的载体前端和后端还 会加装扩张管 ,使尾气的流场均匀. 采用锥形和球 形端面催化剂载体也可以提高催化器内部气流径向分布的均匀性 [ 7 ] .212 催化器内压力损失为 : 6 400 , 3 800 , 2 800 , 2 500 Pa . 可以看出催化器 载体直径越大 ,催化器的压力损失越小. 如果通过 催化器的压力损失过大 ,柴油机排气过程的能量消 耗将增加 ,柴油机的经济性和热效率会降低. 213 催化器内湍动能分布催化器的湍流模型设置为高雷诺数下的标准 κ - ε模型. 图 5 为 4个方案的湍动能分布图 . 尾气 在催化器载体的前端和后端扰动比较强 ,前端的扰 动尤其激烈. 这两端的湍动能损失较大 ,而载体内 部扰动较小. 这也验证了载体内部的流动是层流. 载体的直径取值越大 ,湍动能损失的峰值和平均强 度也越大 .催化器的压力损失主要由 3 部分组成 : ① 气 流与催化器管壁摩擦引起的沿程损失 ; ② 催化剂 载体通道中的沿程压力损失 ,即载体压力损失 ; ③ 扩张管和收缩管处的涡流及载体前后气流收缩 、扩 张造成的局部损失 . 图 4为不同尺寸催化器载体的 催化器内压力分布图 .3 催化器的化学反应催化反应机理主要有以下 4 个总包反应( 1 )( 2 ) ( 3 ) ( 4 )4NH 3 + 4NO + O 24N 2 + 6H 2 O4NH 3 + 2NO + 2NO 2 4N 2 + 6H 2 O8NH 3 + 6NO 2 7N 2 + 12H 2 O4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O反应式 ( 1 ～3 ) 表示 NH 3 选择性还原 NO X 的 S CR 反应. 由于柴油机排放的 NO X 中最主要的是 NO (含量约为 90 % ) ,火花点火式发动机排放的图 4 压力分布图F ig . 4 Pre s sure prof ile[ 8 ]NO X 中 NO 高达 98 % . 因此 ,反应式 ( 1 ) 被称 为标准 SCR 反应 . 当 NO 2 与 NO 含量比约等于 50 %直径取 150 ～300 mm 的 各 个 压 力 损 失 分 别江苏科技大学学报 (自然科学版 )518 第 23卷图 5 湍动能分布图F ig . 5 D istr i bu t i on of turbu l en t k i n e t i c en e rgy时 ,反应速率最快 ,因此 ,反应 ( 2 )被称作快速 S CR 反应. 当 NO 2 与 NO 含量比继续增大时 , 反应 ( 4 )所示的缓慢 SCR 反应占主导作用 ,使得总体转化 效率降低 [ 4 ] .实际反应中 , NH 3被催化剂 V 2 O 5 吸附形成复 杂的表面化合物 , 形 成的 表面 化 合物 与气 相 中的 NO X 反应 ,并通过一系列表面反应才最终生成 N 2 [ 9 ]和 H 2 O. 表面反应机理如下5 +NH 3 + V- OH [ V - ONH 4( 5 )( 6 ) a ) 方案 14 +V - ONH 4 + V = O [ V - ONH 3 - V- OH4 +5 +NO + V - ONH 3 - V ] N 2 + H 2 O + V -OH + V4 ++ V = O - OH( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 10 )2V4 +- OH [ H O + V3 +2 3 + O 2 + 2 V ] 2 V = O 5 +5 +H 2 O + V- OH [ V- OH 3 O应用化学软件计算出反应结果 ,假设 NH 3 进入 催化器前已经与尾气充分混合 , NH 3 与 NO X 的摩尔 比为 1 ∶1,尾气中的 NO X 排量为 19105 g / k W ·h. 图 6为不同尺寸催化器载体的催化器内 NH 3 和 NO X 浓度分布图. 可以看出 NH 3 经过催化器后 , 浓度逐渐减小 ,并且到催化器的后段减小的梯度也 越来越小 ,这主要是到了催化器后段 ,反应物的浓 度降低 ,化学反应的速度降低 . NO 2 含量较低 ,在催 化器载体的前半部分就反应完了 . 当载体的直径越 来越小的情况下 , NH 3 开始出现泄露 , NO X 的脱除率 也逐渐下降. NH 3 到最后的含量比 NO X 的低 ,说明 NH 3 除了和 NO X 发生还原反应后 ,还与 O 2 发生了 氧化反应. 表 2 为各个载体的末端 NO 浓度和 NH 3 浓度以及 NO X 的脱除率.b ) 方案 2c ) 方案 3第 6期徐华平 ,等 : 某柴油机 S CR 系统的设计计算与优化 519Xu J ianchang, L i M e n gliang, L i J in, e t a l . Study on d i e se l engine exhau st afte r 2trea t m e n t techno l o gie s m e e t ing Eu r oⅣ / Ⅴ standa r d s[ J ]. M oder n V eh i c le Po w e r , 2006 ( 2 ) : 12- 16. ( in Ch i ne s e )[ 2 ] 帅石金 ,张文娟 ,董红义 , 等 . 柴油机尿素 SC R 催化器优化设计 [ J ]. 车用发动机 , 2007 ( 1) : 44 - 47.Shua i S h ijin, Zhan g W en juan, Dong Hong y i, e t a l . Op ti 2 m a l de sig n of d ie se l en gine u rea 2S CR conve rte r[ J ]. V e h i 2 cle Eng i ne , 2007 ( 1) : 44 - 47. ( in Ch i ne s e )[ 3 ] H e s se r M , D e r s H L ü, H e nn i ng R S . S CR techno l og y fo rd ) 方案 4图 6 NH 3 和 N O X 浓度分布图C o n c en tra t i o n d istr i bu t i o n of NH 3 an d N O XNO reduc t ion: se r ie s exp e r ience and sta t e of deve l opm e n t X [M ]. Ch i cag o: [ s . n . ] , 2005.[ 4 ] B u r ka r d t A , W e i swe ile r W , Tillaa r t J A A vanden, e t a l .I nfluence of the V 2 O 5 l o ad i ng on the struc t u r e and ac t ivity of V 2 O 5 / T i O 2 S CR ca t a l ysts fo r veh i c l e app lica t ion [ J ]. Topic i n Ca ta l ysis , 2001, 16 /17 ( 1 /4 ) : 369 - 375. [ 5 ] 陈玲玲 . 催化转化器内部流场的三维数值模拟 [ D ].大连 : 大连理工大学 , 2007.[ 6 ] 吴国江 ,黄震 ,陈晓玲 . 速度分布对三效催化器性能的影响 ( Ⅱ) 结果与 分析 [ J ]. 化 工 学 报 , 2005 , 56 ( 1 ) :94 - 99.W u Gu o j iang, H u an g Zhen, Chen X i ao l ing . Effec t s of fl o w d i stribu t ion on p e r f o r m a nce of th r ee 2way ca t a l ytic conve r t 2 e r ( Ⅱ) re s u l ts and ana l ysis[ J ]. J ou r na l of Che m ica l In 2dustry and Eng ineering , 2005 , 56 ( 1 ) : 94 - 99. 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P r ed i c t ion of F ig . 6表 2 各个载体的末端 N O 浓度和 NO X 的脱除率T a b l e 2 N O con c en tra t i on an d rem ov a l ra t e ofN O X a t en d of ea c h suppor t NO 剩余 / ( g / k W ·h )NO X 脱除率 / %载体直径 / c m219131013126 71187018681420 25 2830 3152 65184 结论本研究得出以下结论 :1) 催化器流动特性受到气流状态和载体结构等因素的影响.2 ) 催化器的载体尺寸对催化器的性能和 NO X的脱除率有很大影响 ,细长的载体压力损失较大 ,但流速分布均匀 ; 短粗的载体压力损失较小 ,但流 速分布的均匀性不理想 .3 ) 细长载体的 NO X 脱除率较短粗的载体高. 综合考虑催化器的实际安装尺寸和速度 、压力 分布 ,以及 NO X 的脱除率 , 方案 2 比较适合. 现实 中柴油机的排气与催化器的工作性能是互相影响 的 ,本文的研究没有考虑柴油机与催化器之间的相 互关系 ,离完全真实模拟催化器还有一定的距离. 因此在以后的研究中需要把柴油机的排气系统和 催化器看作一个系统来考虑 ,从而得出更加符合实 际的结果 .d i stribu t ion and em ission of NO in L P G engine cylin de r X [ J ]. J o u rna l of J iangsu U n i versity of S cience and Tech 2 no l o gy: N a tu r a l S c ience Ed ition , 2006, 20 ( 4 ) : 68 - 72. ( in Ch i ne s e )[ 9 ] Tr oncon i E, Nova I, C i a r de l li C, e t a l . R e d ox fea t u r e s inthe ca t a l ytic m e chan i s m of the “ standa r d ” a nd “ f a st ”NH 3 2S CR of NO X ove r a V 2ba sed ca t a l yst inve s tig a t ed by dynam ic m e t hod s [ J ]. J o u r na l of Ca t a l ysis , 2007, 245: 1 - 10.(责任编辑 : 童天添 )参考文献 ( Referen ce s )[ 1 ] 许建昌 ,李孟良 ,李锦 ,等 . 满足欧 Ⅳ / Ⅴ排放法规的柴油机排气后处理技 术 [ J ]. 现代车用 动 力 , 2006 ( 2 ) :12 - 16.。

对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统网格和边界条件位置图在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。

计算物理模型及边界条件整个SCR系统的网格特点和边界条件位置如图1所示。

其中管路采用六面体和O-grid网格，SCR载体内部采用四面体网格，SCR系统中的载体和插孔管利用多孔介质来模拟。

尿素水溶液喷雾模拟是一个复杂的过程，其中包括液滴的雾化、破碎、蒸发、液滴与气体能量动量交换、粒子撞壁过程及液膜形成等。

一般采用DDM方法来描述离散液滴分布，它不考虑全部液滴，而只处理其中若干具有代表性的样本。

每个样本都代表一定数量的、大小和状态都完全相同的液滴。

用拉格朗日方法跟踪这些液滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组微分方程。

Reitz/Diwakar的破碎模型用来模拟破碎过程。

尿素水溶液的特性按照SAE上提供的物理特性来设置。

本次计算没有考虑尿素水溶液的水解、热解等化学反应特性，以水蒸气的分布来代替NH3的分布。

计算结果分析SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。

在国Ⅳ柴油机的开发过程中，相当多的工作是对混和管进行优化设计。

本文主要利用CFD工具对两个喷射位置不同喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

图2中的红色线条代表喷射方向与水平方向一致，蓝色线条代表喷射方向向下偏离水平方向5°，绿色线条代表喷射方向向下偏离水平方向10°。

图2 在某一位置不同的喷射方向优化后粒子轨迹计算表明在低负荷时，粒子轨迹受排气流的影响较小，粒子沿着喷射方向运动，与壁面碰撞的粒子数量少。

但是在大负荷下，粒子受排气流的影响较大，粒子被吹向管道的一侧，容易在壁面形成液膜。

利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。

利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。

我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。

目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。

图2 SCR系统网格和边界条件位置图SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。

系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。

一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。

在SCR中发生的化学反应如下：尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。

利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

图3 在某一位置不同的喷射方向本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。