基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究

应用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件建立了尿素溶液的喷射雾化和蒸发分解模型,喷雾与壁面相互作用模型和尿素选择性催化还原(SCR)催化器的NOx催化反应模型。研究了叶片型混合器不同布置方案对尿素溶液雾化、蒸发和分解及催化剂入口NH3分布均匀性的影响。数值计算结果显示:叶片型混合器能够提升尿素喷雾雾化效果,提高尿素蒸发分解效率,改善NH3的分布均匀性。混合器布置在离喷嘴1倍排气管直径的位置,SCR系统具有最佳的喷雾雾化效果和尿素分解效率;混合器布置在3倍排气管直径的位置,SCR系统具有最佳的NH3分布均匀性。台架试验和数值计算结果表明:混合器布置在距离喷嘴1倍排气管直径位置时,SCR系统具有更高的NOx的催化转化效率。     

车用柴油机SCR系统NO_x转化效率影响因素

NOx转化效率、尿素蒸发热解及沉积等问题是尿素SCR系统研究的关键问题.运用AVL FIRE软件对某柴油机SCR催化器系统进行了三维数值模拟,研究分析了不同因素对SCR系统的影响.结果表明,排气温度、尿素喷射压力和尿素喷射温度对SCR系统催化剂入口的还原剂均匀性、催化剂内部化学反应速率均有不同程度的影响.同时深入研究了催化器内部组分浓度的分布规律,分析了参数变化与组分浓度分布、NOx转化效率之间的关系,为SCR系统参数优化提供参考依据.     

柴油机Urea-SCR尿素喷射过程参数优化及数值模拟研究

建立SCR尿素喷射及催化反应器的三维物理模型,得到在各种不同工况下,排气速度和温度对尿素液滴分布及组分浓度分布均匀性影响,并优化了尿素喷射位置和角度;同时设计安装一款简单紧凑型的混合器,对加装混合器后的氨浓度分布进行了分析,并结合试验归纳出尿素喷射过程对NOx转化效率的影响因素。研究结果表明:排气速度的提高影响喷雾的形态,液膜的生成主要发生在低温低转速工况;改变喷射位置和喷射角度对均匀性影响不明显;安装混合器可以明显改善氨浓度均匀性及转化效率,分别提升0.89%和92%,液膜有一定程度的增加,压力损失600Pa,控制在一个相对较低的水平。     

大功率柴油机尿素-选择性催化还原系统混合器仿真与试验研究

针对大功率柴油机选择性催化还原技术(SCR)应用需求,设计了两种混合器方案,两方案的差别在于是否在喷射点前安装前置混合器。利用计算流体动力学(CFD)技术对两方案的气流轨迹、尿素分解率、分布均匀性及压力损失进行了仿真分析,并进行D2排放循环测试验证两方案的NO_x转化效率。仿真及试验结果表明:安装前置混合器可以产生旋流,促进尿素液滴与气流充分混合,提高尿素分解率和NH_3分布均匀性,压力损失增高;安装前置混合器能够提高SCR催化器的NO_x转化效率,并可以通过标定优化使NO_x比排放满足欧盟第五阶段排放限值要求。研究表明,前置混合器更能适应当前及未来大功率柴油机NO_x排放法规限值要求。     

柴油机Urea-SCR系统带导流装置扩张管及催化器内部特性分析

为了改善选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)催化器内部速度和压力分布,使发动机的排气和还原剂尽可能均匀地通过整个催化剂载体,利用计算流体力学FIRE软件在不同工况下对常规的圆锥形催化器不同扩张角进行稳态数值模拟。根据模拟结果分析影响催化器内部流动特性的主要因素,得到最佳的扩张角。在此基础上加装导流装置,并对加装导流装置前后的催化器内流场分布进行比较。研究结果表明:导流装置对载体前端面速度和还原剂的均匀性有所改善,可以提高SCR系统的NOx转化效率。     

柴油机Urea—SCR催化器的数值模拟与优化

运用计算流体动力学（CFD）的方法对某一柴油机Urea—SCR催化器进行了数值模拟,考虑了尿素溶液的喷射雾化、水分蒸发以及热解过程,忽略了载体内部的表面化学反应过程。通过考察载体入口处氨气分布均匀性系数,对有无混合器、不同喷射距离、不同喷孔分布形式及不同喷孔直径条件下的催化器性能进行评估对比,为催化器的进一步优化提供指导性意见。     

柴油机Urea-SCR系统内流场与化学反应耦合研究

提出三维流场与一维化学反应相耦合的方法对柴油机尿素(urea)-选择性催化还原(SCR)系统进行全尺寸模拟,真实反映SCR系统内部气流运动状态对化学反应的影响。选择柴油机典型工况的排气温度、流量及压力等物理信息作为边界条件,对SCR系统进行流场分析,截取催化器前端截面的速度切片,建立流速均匀性系数与工况的函数模型,研究各流速分布下运行参数对NO_x转化效率及副产物N_2O生成的影响,为优化SCR系统控制策略提供指导。结果表明,不同工况下柴油机SCR催化器前端各区域流速差异明显,且流速均匀性系数在0.6～0.8区间内,氨氮比为1.1且NO_2、NO_x之比在0.0～0.5区间内时,NO_x转化效率最高,副产物N_2O的生成最少。     

车用柴油机Urea-SCR催化器优化设计及试验研究

运用CFD手段对SCR催化器进行了优化设计,分析了初级混合管内速度分布、载体内流量均匀性等。模拟结果表明:优化设计后的SCR催化器减少了尿素液滴碰壁的几率,提高了尿素液滴与尾气的混合均匀性。对优化设计后的SCR催化器进行性能试验、初期耐久试验和道路验证试验。试验结果表明:优化设计后的SCR催化器在欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC)下氮氧化物(NOx)转化效率相比原结构SCR催化器分别提高了11.8%和13.8%,且能有效避免尿素结晶结石等沉积物的形成。     

柴油机尿素SCR后处理系统排放特性试验研究

影响尿素SCR后处理系统性能的因素很多,如喷嘴形式、喷射位置、辅助空气、催化剂性能等.通过发动机台架试验,对影响尿素SCR性能的因素进行了研究.结论如下:喷嘴形式和喷射方向对尿素的雾化和空间分布有很大影响;喷嘴距离催化剂越远转化效率越高;本系统采用0.2 MPa的辅助空气压力较为理想;NOx的转化效率随着催化剂温度的升高而提高;催化剂温度越低其储氨能力越强;SCR催化剂对NO与NO2的比例、HC和CO的浓度有影响.     

重型柴油车尿素SCR系统及其控制策略研究进展

对选择性催化还原(SCR)系统工作原理进行了介绍;提出了DeNOx系统催化器集成方案;分析了SCR控制系统面临的主要问题;重点介绍了传统SCR控制技术和先进的SCR控制技术,分析了不同控制方法的优缺点。已有研究结果表明:SCR控制系统主要面临SCR模型非线性问题、多时间尺度耦合控制问题、商业传感器测量问题。开环控制系统NOx转化效率可以达到60%～80%,仅满足国Ⅳ和国Ⅴ排放法规要求。而闭环控制系统具有更高的NOx转化效率,可以满足更为严格的排放法规要求。先进SCR控制技术具有良好的控制效果和鲁棒性,能更有效地控制NOx排放和NH3泄漏。发动机和后处理系统协同控制增加了后处理系统的可控性,可以进一步降低柴油车污染物排放。     

选择性催化还原混合器及整流器的设计与结构优化

通过搭建柴油机后处理试验台架,运用计算流体力学(CFD)对选择性催化还原系统(SCR)内的反应进行仿真计算,设计4种混合器和3种整流器方案,研究了不同混合器及整流器结构对SCR系统内NH_3分布及NO_x转化效率的影响。结果表明:混合器能够有效改善SCR内NH_3分布均匀度及NO_x的转化效率。综合分析,有7个厚度均为2mm的叶片且叶片与径向方向的夹角均为30°的方案M2的混合器结构设计较优;气流受到入口扩张管的扩张作用之后,经过方案D1的整流器,使得SCR系统具有更高的NH_3分布均匀度和NO_x转化效率。混合器和整流器结合可以实现流场的优化,提高NO_x转化效率。     

紧凑型SCR催化器结构优化设计和试验验证

为解决传统SCR催化器在狭小空间布置问题,设计一种新型SCR混合器.仿真结果表明:优化后的SCR催化器能够促进尿素和尾气的充分混合,NH,分布均匀和流动均匀性指数分别提高了 5％和4％,随后进行100小时试验验证,试验结果表明:新设计结构的NOx转化率和氨泄漏排放均满足要求,且混合器壁面未出现尿素结晶.     

柴油机尿素SCR混合器的设计与数值模拟研究

设计了两款紧凑型混合器——混合器A和混合器B,并采用计算流体力学（CFD）软件对尿素水溶液的喷射、蒸发、热解过程进行了数值模拟,对比研究了带和不带混合器的直管中排气流量对NH3分布的影响,以及不同混合器对NH3分布的影响,并对其中改为混合器B进行了NOx转化效率试验研究。模拟结果表明：随着排气流量的增加,NH3分布均匀性略有下降,排气流量对NH3分布均匀性的影响不显著。两款混合器对NH3分布均匀性均有明显的提高,尤其是混合器B在靠近混合器区域NH3分布均匀性指数提高了200%左右,而且明显改善了管壁NH3分布过于集中的现象,能够减少管壁尿素结晶的形成。试验结果表明,该混合器能够提高NOx转化效率5%~10%。     

尿素SCR-NOx催化器流动、还原剂喷雾及表面化学反应三维数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)耦合化学反应动力学的方法,建立了尿素水溶液喷射、热解以及催化剂表面化学反应整个尾气后处理过程的柴油机SCR-NOx催化器三维数值模型,在验证还原剂喷雾模型的基础上,对一实际柴油机SCR-NOx全尺寸催化器进行了全过程的三维数值模拟,给出了催化器的流场、温度场和浓度场的分布规律,并研究不同发动机负荷下催化器性能的变化,数值模拟计算的结果与发动机台架试验结果取得了较好的吻合。研究结果对指导柴油机SCR催化器的设计有参考价值。     

柴油机SCR催化器出口NOx转化效率分布特性研究

对柴油机选择性催化还原(SCR)系统的研究,主要集中在催化器出口测量系统的整体氮氧化物(NO_x)转化效率。为了进一步提高系统的效率,在柴油机试验台架上,调整不同的排气工况及尿素喷射参数,研究了SCR催化器出口截面的NO_x转化效率分布特性。结论表明:催化器出口截面的NO_x转化效率分布呈现中心高而边缘低的规律,随着排气流量的增加,NO_x转化效率降低,在排气流量较大时,由于弯管对排气流场的作用,NO_x转化效率的高效区偏向一侧;提高氨氮比可以提高NO_x转化效率,当排气温度为250和350℃、氨氮比为1.0时就可以达到比较高的效率,进一步提高氨氮比NO_x转化效率的增幅不明显;当排气温度为450℃时,提高氨氮比对NO_x转化效率的增加比较有利。     

柴油机Urea-SCR催化器的数值模拟与优化

运用计算流体动力学(CFD)的方法对某一柴油机Urea-SCR催化器进行了数值模拟,考虑了尿素溶液的喷射雾化、水分蒸发以及热解过程,忽略了载体内部的表面化学反应过程。通过考察载体入口处氨气分布均匀性系数,对有无混合器、不同喷射距离、不同喷孔分布形式及不同喷孔直径条件下的催化器性能进行评估对比,为催化器的进一步优化提供指导性意见。     

基于固体SCR技术的柴油机NO_x排放特性试验研究

在安装有钒基催化剂选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)系统的柴油机台架上,研究了尿素SCR系统与固体SCR系统的NOx排放特性。试验结果表明:固体SCR系统不会产生尿素结晶现象;中低排气温度下应用固体SCR技术可以改善柴油机NOx排放,低排气温度下尤其明显,平均效率比尿素SCR提高了6%;高排气温度下固体SCR系统与尿素SCR系统的NOx转化效率总体相当。     

紧耦型SCR催化器优化设计与试验研究

针对传统SCR催化器存在严重的尿素结晶等缺点,提出了一种紧耦型的设计方案,并利用CFD技术和试验手段进行了优化设计和选型。研究结果表明:紧耦型SCR催化器及其内部锥形体结构设计可以促进尿素液滴与气流的充分混合,提高中、低负荷下尿素的雾化程度和分布均匀性。尿素热解率和NH3的分布均匀指数分别提高了13.1%和7.2%,有效避免了尿素结晶等沉积物的形成。ESC和ETC排放测试循环下的NOx转化效率相比原结构分别提高了2.7%和4.0%。     

道路车用柴油机国六排放选择性催化还原系统的开发与验证

设计开发了一种配备新型周向变流式排气混合器的筒式后处理系统,以某型3.0L排量的国六柴油机后处理为例,首先设计了排气混合器结构,建立了该催化器的流动及尿素喷射、雾化和扩散模型,进行全尺寸排气流场模拟分析,研究了混合器后的速度均匀性、NH₃浓度分布和压降损失等,并对特征尺寸进行了优化。结果表明,优化的结构尺寸及设计使标定工况下NH₃均匀度可以达到0.996,混合器压降不超过4.17kPa。然后进行了发动机台架试验,验证了新开发设计优化的后处理系统阻力较小,标定工况下实测的NH₃均匀度高达0.98,不同空速和温度情况下,不带扰流板的混合器表现更优。最后进行了发动机排放试验,全球统一瞬态循环和全球统一稳态循环结果达到国六标准要求,确证了新开发的选择性催化还原系统及排气混合器能够用于道路车辆国六重型柴油机。     

催化剂涂层微孔结构对SCR系统NO_x转化效率的影响

借助选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)系统催化剂模型研究催化剂涂层微孔结构对氮氧化物(NOx)转化效率的影响。仿真结果表明:微孔结构对SCR系统特性的影响可分为催化活性限制区、孔扩散限制区和边界层传质限制区的影响。在催化活性限制区域,催化剂的转化效率依赖于催化剂的活性能力,通过增加钒含量以使SCR反应活化能降低或增加涂层负载均可提升该区域的NOx转化效率;在孔扩散限制区域,NOx和NH3在微孔内的扩散速率影响了其在活性位周围的浓度,限制了该区域的NOx转化效率,通过调整微孔结构以增加SCR反应物在微孔内的有效扩散系数是提升孔扩散区域NOx转化效率的主要方法;在边界层传质限制区域,NOx和NH3在边界层传质过程中的浓度降低是该区域NOx转化效率的主要限制因素,通过提高几何比表面积以增加通道内气体与涂层的接触面积,是提高该区域NOx转化效率的主要途径。