降低柴油机NO_x排放的SCR系统性能研究

论文摘要

柴油机作为一种主要动力装置，凭借其在热效率、动力性和燃油经济性等方面的优势，已被广泛应用于交通运输、能源动力和农用机械等重要领域。随着全球排放与控制法规日趋严格，必须结合柴油机尾气后处理技术进一步降低NOx和微粒排放。为满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准，SCR技术已成为中重型柴油机企业首选NOx净化方案，并日趋为人们接受成为柴油机尾气NOx后处理的主流研究方向。全文主要从理论研究、试验研究和仿真研究三方面开展工作。首先，理论研究主要介绍了柴油机SCR系统的结构组成和技术原理，列举并分析了SCR系统各种不同类型还原剂和催化剂的功能特性，详细阐述了反应温度、空间流速、NH3/NOx浓度比以及尿素喷雾等主要因素对SCR系统降低柴油机NOx排放产生的影响，为全工况NOx排放试验及SCR系统还原NOx影响因素的仿真分析提供理论依据。其次，试验研究首先对柴油机进行原机ESC排放特性研究，并在此基础上进一步研究了转速范围为700r/min～2200r/min、油门开度在10%～100%范围内的柴油机原机全工况试验，详细分析了试验过程中NOx排放、HC排放、CO排放、排气压强、排气温度、进气压力、扭矩、功率以及燃油消耗率等工况参数随转速的变化情况。对比配有SCR系统的柴油机全工况NOx排放数据，深入分析各转速工况下的NOx还原量及还原率，为SCR系统还原NOx影响因素的仿真研究提供试验基础和数据参考。最后，仿真研究主要基于全工况试验中NOx排放较大的转速为1200r/min、扭矩为633N.M的运行工况点，重点分析了0.4s内该工况下柴油机SCR系统壁面和空间截面的尿素喷雾、反应温度、空间流速、NH3/NOx浓度比等影响因素的流场分布及变化情况，深入分析上述因素对SCR系统还原NOx产生的影响。通过将上述因素的仿真云图转化为二维曲线和数据，结合理论研究中的相关结论，更为直观地作出进一步说明。研究表明，实际运行工况中，柴油机SCR系统能有效还原排气中的NOx组分，较好达到降低柴油机污染物排放的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 柴油机尾气排放
• 1.2.1 柴油机排放特性
• 1.2.2 柴油机排放水平
• 1.3 柴油机排放控制
• 1.3.1 柴油车排放标准
• 1.3.2 降低柴油机排放措施
• x 排放'>1.4 降低柴油机 NO_x排放
• x 形成及分类'>1.4.1 NO_x形成及分类
• x 后处理技术'>1.4.2 NO_x后处理技术
• 1.5 SCR 技术应用状况
• 1.5.1 国内状况
• 1.5.2 国外状况
• 1.6 研究内容概述
• 1.6.1 理论研究
• 1.6.2 试验研究
• 1.6.3 仿真研究
• 1.7 本章小结
• 第二章 柴油机 SCR 系统结构与技术原理
• 2.1 SCR 系统构成
• 2.2 SCR 系统还原剂
• 2.2.1 烃类物质
• 2.2.2 氨气
• 2.2.3 尿素水溶液
• 2.3 SCR 系统催化剂
• 2.3.1 贵金属催化剂
• 2.3.2 金属氧化物催化剂
• 2.3.3 分子筛催化剂
• 2.3.4 助催化剂
• 2.3.5 催化剂的其他分类
• 2.4 柴油机 SCR 化学反应
• 2.4.1 SCR 基本方程
• 2.4.2 SCR 反应分析
• 2.5 影响 SCR 的因素
• 2.5.1 反应温度
• 2.5.2 催化剂
• 2.5.3 空间流速
• 3/NO_x 浓度比'>2.5.4 NH₃/NO_x浓度比
• 2.5.5 燃油品质
• 2.5.6 尿素喷雾
• 2.5.7 氨气泄漏
• 2.6 本章小结
• x 排放的试验研究'>第三章 SCR 系统降低 NO_x排放的试验研究
• x 排放试验装置'>3.1 NO_x排放试验装置
• 3.1.1 柴油机台架系统
• 3.1.2 尿素喷射系统
• 3.1.3 排气采样系统
• 3.2 柴油机 ESC 试验
• 3.2.1 欧洲稳态测试
• 3.2.2 ESC 外特性试验
• 3.3 柴油机全工况排放试验
• x 排放试验'>3.4 配有 SCR 系统的 NO_x排放试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 CFD 基本原理与 SCR 仿真模型
• 4.1 数值热物理计算
• 4.1.1 数值热物理基本原理
• 4.1.2 数值热物理研究对象
• 4.1.3 数值热物理控制方程
• 4.2 微分方程离散求解
• 4.2.1 离散化基本思想
• 4.2.2 离散化计算网格
• 4.2.3 离散化求解原则
• 4.3 柴油机 SCR 系统建模
• 4.3.1 AVL Fire 软件简介
• 4.3.2 网格划分与系统建模
• 4.4 SCR 模型参数设置
• 4.4.1 仿真算法
• 4.4.2 仿真模型
• 4.4.3 壁面处理
• 4.4.4 输出控制
• 4.4.5 参数设置
• 4.5 柴油机 SCR 模型验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 柴油机 SCR 影响因素的仿真分析
• 5.1 尿素喷雾
• 5.1.1 喷雾形态
• 5.1.2 液滴流速
• 5.2 反应温度
• 5.2.1 壁面温度
• 5.2.2 截面温度
• 5.3 空间流速
• 5.3.1 壁面流速
• 5.3.2 截面流速
• 3/NO_x 浓度'>5.4 NH₃/NO_x浓度
• 3浓度'>5.4.1 壁面 NH₃浓度
• 3浓度'>5.4.2 截面 NH₃浓度
• 5.4.3 壁面 NO 浓度
• 5.4.4 截面 NO 浓度
• 3/NO 浓度比分析'>5.4.5 NH₃/NO 浓度比分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.1.1 主要成果
• 6.1.2 创新之处
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢