柴油机尿素SCR催化器优化设计

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第 １ （ 期 总第 １ ７ ） ６期
２０ ０ ７年 ２月
车
用
发
动
机
Ｎｏ １ Ｓ ｒａ ． ６ ） ． （ ｅ ｉｌ Ｎｏ １ ７
Ｆｅ ２０ ｂ． ０７
Ｖ ＥＨ Ｉ ＣＬＥ ＥＮ ＧＩ Ｅ Ｎ
柴 油 机 尿 素 Ｓ Ｒ催 化器 优 化 设 计 Ｃ
图 １ ＵｒａＳ Ｒ系 统 尺 寸 示 意 ｅ－Ｃ
ＳＲ Ｃ 催化剂
并 与排气 充分 混合 ， 同时 获得高 Ｎ 转 化 率和 低 是
ＮＨ。 漏 的必要 条件Ｅ 。 泄 ２ ３
由于还 原 剂 喷 雾 模 拟 要 求 采 用 较小 的计 算 网 格 ， 了节省 计算 成本 ， 拟 时利用 催化 器和喷 嘴沿 为 模
中心轴 对称 的特 点 只 选 用 系统 的 １ ４ 为 消 除 网格 ／（ 的影 响 ， 喷孔数 目进 行变参 数研 究时选 取 １ ２ 作 对 ／）
本 研究 首先 在 台架试 验 的基础上 对某 款达 欧 Ⅳ 排 放 标 准 的柴 油 机 Ｓ Ｒ催 化 器 系 统 建 立 了详 细 的 Ｃ
器（ ＴＷＣ 技 术相 比， 油机 主 要 依靠 Ｅ ） 柴 ＧＲ、 迟 喷 推
油 提前 角 、 善燃 烧 和改 进 燃 烧 室 结 构 等机 内净 化 改
对还 原剂 浓度 分布及 相应 Ｎ０ 转 化率 的影 响 ， 催 Ｉ 为 化 器 的优化设 计提 供理 论依据 。
措施 来 降低有 害 排放 物 。 由于柴 油机 两大 主要排 放
中 图分 类 号 ：Ｔ ２ Ｋ４ １ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文章 编 号 ： ０ １ ２ ２ （ ０ ７ ０ —０ ４ ０ １ ０ — ２ ２ ２ ０ ） １０ ４ — ４
与汽油 机 广泛 采 用 闭环 电子 控 制 加 三 效催 化
三维 计算 流体 力学 （ Ｆ 模 型 ， 用 所 建模 型 研 究 Ｃ Ｄ） 利 喷 嘴型式 、 安装 位置 、 喷孔 数 目和催化 器形状 等 因素
帅石 金 ，张 文娟 ，董 红义 ，王 建 昕 ， 王 志
（ 清华 大 学 汽 车安 全 与 节 能 国 家 重 点 实验 室 ，北 京 １０ ８ ） ０ ０ ４
摘 要 ： 用计 算 流 体 力 学手 段 对 柴 油机 Ｓ Ｒ催 化 器 内排 气 流动 、 素 水 溶 液 喷 射 雾 化 、 滴 蒸发 、 素 热 解 和 运 Ｃ 尿 液 尿 催 化 剂 表 面 化 学 反 应 等 整 个 ＮＯ ｘ后 处 理 过 程 进 行 了模 拟 ， 过 考 察 不 同 方 案 下 载 体 前 端 面 的 尿 素 浓 度 分 布 及 通
９。 ０） 进行 了数值模拟。
排气 。相 比传 统 ＴＷＣ和 氧 化 催 化 剂 （ ＯＣ ， Ｃ Ｄ ）Ｓ Ｒ
催 化器 系统更 为复 杂 。由于 在 催 化 剂 中与 Ｎ０ Ｉ反 应 的实 际还原 剂 为尿 素 水解 生成 的氨 气 （ ＮＨ。 ， ） 所 以 ， 入 的 Ａｄ ｌｅ在 进 入 催 化 剂 载 体 前 充 分 热解 喷 Ｂｕ
１ Ｓ Ｒ催 化 器 Ｃ Ｄ建 模 Ｃ Ｆ
１ １ 网格生成 ． 图１ 为实际催化器系统 的示 意图 ， 所用催 化剂为
Ｖ ５ｗ０ ／ ０ 整体式催 化剂 ， ２ ／ ３ ２ ０ 容积 １． 孔 密度 ６ ６Ｌ，
为 ４ Ｌ ｃ ￣壁厚 ００ ｉ， ０７ ／ｒ ， ｎ ．６ ａ 涂层厚度 ０ １ ｉ。其 中 ｒｎ ．５ｒ ｎ ａ
收稿 日期 ：２ｏ －２０ ， 回 日期 ：２０ — １１ ｏ ６１—８ 修 ０ ７０ —１
基 金项 目 ：国 家 ８ ３计 划 子 课 题 （ ０ ｌ ６ ２ ０ ＡＡ６ ３ ４ ０ ） 中 国科 学 院知 识 创 新 工 程 项 目（ Ｃ 一Ｗ 一３ ） ４Ｏ０３ ， ＫＺ Ｘ３Ｓ ４０ 作者 简 介 ：帅 石 金 （ ９ ５ ） 男 ， １ ６一 ， 江苏 省 靖 江 市 人 ， 授 ， 要从 事 发 动 机 燃 烧 与 排 放 等 的 研 究 ； — ｉ ｓｓｕ ｉ ｔｉｇ ｕ ．ｄ ． ｎ 教 主 Ｅｍａｌ ｊｈ ａ＠ ｓ ｈ ａ ｅｕ ｃ 。 ： ｎ
物氮 氧 化 物 （ Ｎ０Ｉ 和 颗 粒 物 （ Ｍ ） 间 的 Ｔ ａ ｅ ） Ｐ 之 ｒｄ －
ｏｆ 系 ， ｆ关 随着 日益严 格 的排 放 法 规 的实 施 ， 纯 依 单
靠机 内措施 已经 不 能满 足 法 规 需要 。因 此 ， 排气 后 处理技 术 和机 内净 化措施 相结 合将 成为 未来解 决柴 油 机排放 问题 的 主要技 术手 段 。 在 目前研 究 开 发 中 的柴 油 机 Ｎ０ Ｉ后 处 理 方 法 中， 以尿 素水 溶液 为 还 原剂 的选 择 性 催 化 还原 技 术 （ ｅ－ Ｃ ） 为成 熟 ， 在 柴 油 机排 气 富 Ｏ ＵｒａＳ Ｒ 最 能 。且 流
量、 温度 和组 分多 变 的反来自 环境下 有效 降低 Ｎ０Ｉ 排
放 。欧洲重 型汽 车协会 宣 布 将采 用 ＵｒａＳ Ｒ技 术 ｅ—Ｃ
作 为达 到 欧 Ⅳ以上排 放法 规 的技 术 路线［ 。 １ ］
目前 ， 用 的 ＵｒａＳ Ｒ 催 化 剂有 钒 基 催 化剂 常 ｅ－ Ｃ 和沸 石型 催化 剂 ， 普遍 采 用 ３ ． 的尿素 水 溶液 并 ２５ （ Ｂｕ ） Ａｄ ｌｅ 为还 原剂 ， 过空 气辅 助 喷射 的形 式 喷 入 通
Ｎ ０ 转化 率 ， 究 了还 原 剂 添 加 位 置 、 嘴 型 式 以 及催 化 器入 口扩 张 管 形 状等 因 素 对催 化 器 系统 Ｎ０ 研 喷 转 化 性 能 的
影 响 ， 究 结 果 为催 化 器 的优 化 设 计提 供 了指 导依 据 。 研
关 键 词 ：柴油 机 ； 氧 化 物 催 化 器 ； 择催 化 还 原 ； 算 流 体 力 学 氮 选 计
排气 管到催化 器入 口为突扩直角 过渡 ， 用的 四孔径 采 向喷嘴 的安装位置到催化器入 口的距离 （ ） ５ ｄ １为 ｄ（ 为排气管直径） 。在此基 础上进行变参 数研 究 ， 分别对 １ ２ ，．ｄ ６ ５ ，ｄ 孔 数为 ２孔 、 孔 、 孔 喷嘴 以 为 ｄ ３ ５ ，．ｄ ８ ， ６ ８ 及不 同催化器形状 （ 扩张管与收缩管锥角 ａ为 ４。６。 ５，０，