基于计算流体力学的柴油机选择性催化还原系统尿素水溶液喷雾特性分析

为探究影响柴油机排气管尿素水溶液（ureawatersolution,UWS）雾化效果的因素,搭建了UWS喷射试验台架,通过激光粒度仪测得尿素液滴粒径分布,并运用Rosin-Rammler函数对试验获得的累积粒径分布进行非线性拟合,利用计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）软件对柴油机负荷工况、UWS喷射温度和排气管壁温3种不同因素对UWS喷雾雾化特征、NH3浓度分布及液膜形成的影响进行仿真计算。结果表明：低负荷工况下的排气流量和温度低,UWS喷入量少,尿素液滴分解NH3的速率较低,80 ms时刻NH3主要分布在排气管中游;中高负荷工况,排气温度高、UWS喷入量多,有利于尿素蒸发热解生成NH3,该时刻NH3浓度区域偏离轴线,贴近排气管上表面;喷雾液滴粒径随UWS喷射温度的升高而减小,范围在1～12μm,空间内NH3浓度小幅增加,液膜沉积率随喷射温度升高显著降低;排气管壁温对UWS喷雾液滴粒径和蒸发热解速率影响较大,壁温升高加快了液滴粒径减小的速度,当壁面温度为473 K时,150 ms时刻下液滴粒径主要集中在30μm以下,附着壁面的液膜厚度明...     

柴油机选择性催化还原后处理系统仿真

采用计算流体动力学(CFD)与化学反应动力学结合的方法,建立了车用Urea-SCR排气后处理系统的数值模型,包括尿素水溶液蒸发及热解、催化还原化学反应等过程,NH3吸附/解吸附反应被视为"冻结".采用一维CFD计算分析了不同温度下(260℃、280℃、320℃、408℃),n(NH3)/n(Nox)(物质的量之比)≤1对Nox转化率的影响;采用三维CFD计算比较了混合器对系统流场、浓度场及Nox转化率的影响.计算结果表明:NH3不过量时,高温下Nox转化率与n(NH3)/n(Nox)成正比,低温下存在一个临界n(NH3)/n(Nox),达到该临界值后Nox转化率趋于定值,NH3泄漏迅速增加;较好的混合器设计可以增加尿素热解时间和催化剂前NH,体积分数分布均匀性从而提高Nox转化率;仿真与试验结果吻合较好.     

混合器对国六柴油机选择性催化还原系统尿素结晶的影响

针对国六柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统尿素结晶问题,设计了两种不同的混合器结构。利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对两种混合器方案的尿素碰壁位置、尿素轨迹、气流速度、流速均匀性、NH_3均匀性、压力损失等进行了仿真分析和对比,最后通过发动机台架试验验证两种方案的排放性能和结晶性能。CFD分析及试验结果表明:方案二的气流速度、流速均匀性和NH_3均匀性都优于方案一,而方案一的压力损失小于方案二;方案一台架试验的结晶质量为608g,不满足主机厂要求,方案二台架试验的结晶质量为6g,满足主机厂要求。CFD分析和试验结果趋势一致,表明CFD分析是合理有效的。     

车用柴油机选择性催化还原技术的试验研究

选择性催化还原技术(SCR)是当前主流的降低车用柴油机NOx排放的后处理技术。文章首先详细阐述了Urea-SCR系统的反应机理、系统组成和工作过程,然后在发动机台架上对装有SCR后处理系统的国Ⅳ柴油机进行了相关的试验研究。通过稳态ESC和瞬态ETC测试循环试验结果表明,利用开环控制策略下的SCR技术能使NOx排放降低率达到66%以上。同时对尿素与燃油的消耗量以及氨气的泄漏情况分别进行了比较和分析,试验表明本套SCR系统尿素水溶液消耗量仅占燃油的5.8%,即柴油车运行100km大约消耗2.5L尿素溶液,而系统氨的排放小于5×10-6。     

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SCR系统尿素溶液喷雾特性的试验研究

应用多普勒粒子动态分析仪(PDA)研究了SCR系统尿素溶液喷雾的粒径及其分布特征。试验对比了有、无空气辅助喷射系统的喷雾粒径分布特征;测量了空气辅助喷射系统尿素溶液喷雾在垂直喷雾轴线不同截面上的粒径分布;研究了空气压力及喷嘴的喷孔结构对喷雾粒径的影响。通过高速摄影得到空气辅助喷射系统尿素溶液喷雾的发展过程。试验结果表明:空气辅助喷射系统沿喷雾轴向喷雾粒径的大小及粒径分布变化不大,大直径液滴所占比例随着辅助空气压力的减小而增大,有倒角喷孔较无倒角喷孔更有利于喷雾雾化;无空气辅助喷射系统喷雾雾化效果较差,大直径液滴所占的比例明显增大。     

柴油机尿素选择性催化还原系统虚拟标定及NOx转化率优化方法研究

基于尿素选择性催化还原系统物理模型与尿素喷射量控制模型联合仿真的虚拟标定方法,获得了目标NO_x转化率脉谱;采用多目标遗传算法对尿素选择性催化还原系统进行优化,得到最优尿素喷射量目标值,同时优化了NO_x转化率和NH₃泄漏值。分析了原排参数及优化结果对NO_x转化率的影响。仿真结果表明,采用优化后的尿素喷射量可实现较高的NO_x转化率,在排温200～300℃的条件下NO_x转化率平均提高35%左右,同时满足国六排放法规对NH₃泄漏限值的要求。     

国Ⅵ柴油机SCR系统尿素结晶风险评估方法初探

选择性催化还原(SCR)技术被广泛用于柴油机NOx排放控制,尿素结晶是这一技术的主要风险．提出一种评估SCR系统尿素结晶风险的有效方法,在对尿素结晶机理和计算流体动力学(CFD)模拟结果分析后,设计了包含24个不同温度、空速、喷射量的稳态试验和包含120个城市瞬态循环与8个交通拥堵循环的瞬态试验．通过稳态试验的尿素结晶观测结果得到每个工况点的结晶风险情况,并最终得出尿素喷射量与氨氮比(ANR)的限值Map,可为系统优化与标定提供量化目标;通过瞬态试验的尿素结晶观测结果可评估车辆在城市道路条件和交通拥堵状态下单个柴油颗粒捕集器(DPF)再生周期内的尿素结晶风险程度．     

喷雾锥角对柴油机燃烧过程影响的数值模拟

柴油机燃烧过程中喷雾内部的物理化学过程非常复杂,传热、蒸发、扩散、流动等物理过程控制着化学反应,影响着火和燃烧过程,进而决定着发动机的动力性、经济性以及排放性能。利用CFD分析软件FIRE对一台直列6缸增压柴油机的喷雾与燃烧过程进行模拟。研究了喷雾锥角对燃烧过程的影响规律以及喷雾锥角对碳烟和NOx生成的影响。     

柴油机SCR系统尿素水溶液喷雾分解的试验研究

试验研究了柴油机选择性催化还原(SCR)系统的尿素分解规律,分析了排气温度、排气流量、尿素水溶液喷射速率、喷嘴布置位置对尿素分解产物和分解率的影响,并在发动机运行工况下通过透明排气管观察了尿素喷雾过程。试验结果表明:尿素水溶液喷雾碰到排气管内壁面后容易形成液膜,液膜的形成和发展对尿素分解和沉积物的生成具有显著影响;尿素喷入排气管后在进入催化器前无法完全分解,大部分工况下,尿素分解率小于50%;排气温度对尿素分解过程影响显著,排气温度上升时,尿素分解率明显上升;排气流量、喷嘴布置位置对尿素分解率也有重要影响,尿素水溶液喷射量的影响不明显;尿素热分解生成氨气和异氰酸,而氨气比异氰酸的生成量大,说明副反应在尿素分解过程中起重要作用,影响了氨气生成路径,并有可能导致沉积物生成。     

柴油机SCR系统尿素沉积物详细反应路径

通过分析尿素沉积物形成的详细反应网络框架,构建尿素分解及沉积物生成反应子模型,进行了尿素-选择性催化还原(SCR)系统排气管尿素分解段计算.对比尿素分解总包反应与详细反应的出口NH3摩尔分数以及中间产物的温度-摩尔分数,初步探索的详细机理基本能反映尿素转氨及某些主要中间产物的变化规律.结果表明:温度低于200℃时,尿素分解副产物主要是缩二脲(C2H5N3O2)、三聚氰酸(C3H3N3O3).温度达到约210℃时,副产物中出现三嗪类(triazines)物质:三聚氰酸一酰胺(C3H4N4O2)、三聚氰酸二酰胺(C3H5N5O)和三聚氰胺(C3H6N6).温度达到350℃以上时,三聚氰胺能继续生成三均三嗪类(heptazines)成分:C6H9N11、C6H6N10、(C6H3N9)x.尿素详细反应路径表明,缩二脲是尿素沉积物形成中最重要的反应中间产物,构成了其他副产物形成的基础,可沿反应路径形成缩三脲(C3H6N4O3)、三聚氰酸和三嗪类副产物.异氰酸(HNCO)是尿素分解副产物形成所需的最重要反应物.     

船用中速柴油机SCR系统匹配与试验研究

通过一台船用中速柴油机与SCR系统的匹配与标定试验,设计了合理有效的性能优化调整方案;提出了降低综合运行成本的优化技术措施,并进行了配机试验。试验结果表明:柴油机排放水平由原机的TierⅡ标准提升至TierⅢ标准;在保证柴油机动力性不变的前提下,燃油经济性得到了改善,燃油消耗量下降3%~5%,考虑到还原剂尿素的消耗,综合运行成本下降2%~3%。研究结果表明:SCR具有有效降低NOx排放,且成本相对较低的优点,在船舶柴油机领域有广阔的应用前景。     

直喷式柴油机燃烧室廓形匹配油束夹角的数值模拟研究

应用CFD软件Fire对某大功率直喷式柴油机缸内工作过程进行了多维模拟,研究了扩口、缩口和直口三种不同燃烧室廓形时油束夹角对油束落点位置、燃油分布和燃烧性能的影响。引入油束锥台匹配比的概念建立油束夹角与燃烧室中央锥台角度之间的关系,从而达到减少匹配参数数量的目的。结果显示：对于各种类型的燃烧室廓形均存在最佳油束锥台匹配比使得发动机的动力性能最优,缩口和直口燃烧室的最佳油束锥台匹配比接近（约为1.06）,扩口燃烧室的最佳油束锥台匹配比要略大于缩口和直口燃烧室（约为1.138）。     

油嘴喷射锥角对柴油可控预混压燃燃烧特性的影响

进行了在柴油可控预混压燃燃烧模式下,油嘴喷射锥角对燃烧与排放的影响研究.实验结果表明,采用155°和125°喷射锥角的油嘴,改变多脉冲喷射定时可控制预混燃烧放热幅度,影响NOx与HC和CO排放的折衷关系.在3次和6次多脉冲喷射条件下,采用125°油嘴能获得更低的NOx和HC排放.特别是采用6次脉冲喷射模式,即使在较早的喷射定时(130°CA BTDC)下,仍能保证较低的HC和CO排放.研究表明,通过减小油嘴喷射锥角、增加脉冲喷射次数和大幅度提前喷射定时,能够在获得低NOx排放的可控预混燃烧过程的同时,保证HC和CO排放只有小幅增加.     

柴油机加装柴油机氧化催化器和催化型颗粒捕集器装置性能评定试验研究

为了研究加装柴油机氧化催化器(DOC)和催化型颗粒捕集器(CDPF)装置的柴油机性能,探讨DOC与CDPF的净化效率和再生特性随试验循环数的变化规律,搭建了柴油机高原试验台,并按13试验循环进行了性能评定试验。结果显示,在全负荷工况下,随着试验循环数的增加,发动机的进气量、转矩、功率和油耗均比未装DOC和CDPF的原机略有下降。同时,在排气后处理装置的后端,烟度和CO排放均趋向零,而NO₂排放增加,NO排放减少。将第1试验循环与第13试验循环进行比较后可以发现,DOC和CDPF的前端温度均比后端低,而排气后处理装置经13试验循环后仍具有较高的净化效率。与原机相比,加装排气后处理装置的发动机,经性能评定试验后的外特性有所下降,但在排气后处理装置后端的烟度和CO排放趋近于零,而NO₂/NO比例随发动机转速增加先升后降。此外,DOC和CDPF的后端温度低速时上升明显,后随转速升高而降低,直至趋于稳定,而CDPF的压差随转速增加先升后降。此时,捕集效率和再生效率仍保持较高水平。     

直喷式柴油机近斜壁撞击雾化燃烧系统研究

本文介绍了一种新型直喷式柴油机近斜壁撞击雾化燃烧系统。在一个定容压力室内，采用先进的PIV粒子图像测速技术（Particle Image Velocity）研究了近斜壁撞击雾化的宏观雾化特征，在一台单缸的柴油机上进行了多种方案试验研究。试验表明，该燃烧系统在中低负荷时获得较好性能，通过进一步的改进可获得更佳性能。     

喷束夹角变化对柴油机燃烧过程影响的研究

以CFD软件为计算平台,数值模拟研究1105型直喷式柴油机不同喷束夹角的燃烧过程,预测了喷束夹角变化对动力性能和排放性能的影响。结论显示:喷束夹角减小,可以提高缸内平均压力和平均温度,改善燃烧室内温度场分布,但同时使NOx和CO的排放增加。因此,喷束夹角的选择需要均衡柴油机动力性和排放性两方面的因素。     

涡流室式柴油机油滴破碎和喷雾碰壁的三维数值模拟

根据不稳定性理论,将燃烧室中油滴破碎过程分为ＫＨ不稳定破碎和ＲＴ不稳定破碎;根据Ｗｅｂｅｒ数将喷雾碰壁过程分为粘附、反弹粘附和飞溅附壁射流３ 种模式,建立了油滴破碎和喷雾碰壁的数学模型。根据油滴破碎模型计算所得的喷雾贯穿距离和ＳＭＤ值同试验结果相一致,喷雾碰壁模型计算所得的油滴位置图形与高速摄影结果相一致。将已被试验验证后的模型应用于涡流室式柴油机中, 计算了涡流室内喷雾的发展过程,计算结果与高速摄影结果吻合良好。