重载柴油机选择性催化消声器的设计研究

论文摘要

柴油机是商用汽车最主要的动力源,以其优越的燃油经济性和较低的CO、HC排放,近年来得到更普遍的应用,逐渐成为车用动力的首选。但是较高的颗粒排放物（PM）和氮氧化合物（NOX）排放成为限制柴油机发展的主要障碍。按照当前柴油机排放控制技术的发展水平分析:单纯使用机内控制技术不能达到即将实施的更加严格的排放标准,需要使用柴油机后处理技术。根据改善环境和降低重载柴油机NOX排放的需要,结合当前主流技术水平以及选择性催化还原装置的结构特点,本论文开展了针对玉柴YC6L-41型柴油机国四NOX排放标准的、以尿素为还原剂的选择性催化消声器的结构设计及研究。首先,选择对NOX有高效转化效率的催化剂开展评价,根据影响其转化率的两个最主要因素工作温度和空速特性开展设计。分析现有的各种载体的优缺点及成本因素,确定选择蜂窝陶瓷载体。根据设计高转化率、低排气阻力的载体要求,结合窝陶瓷载体的压降特性对各种影响因素进行了研究、分析,确定了载体的各项参数。考虑到催化消声器实际工作条件,从满足耐振动、冲击以及催化还原系统的温度变化的情况合理选择膨胀型衬垫。分析热负荷循环等试验检测衬垫的抗剪切应力、热膨胀系数、热传导系数等性能指标。确定采用的衬垫型号、尺寸。利用流体分析软件FLUENT对各种结构下催化消声器内部排气速度及压力分布进行分析。在满足催化还原的基础上,结合蜂窝陶瓷载体对气体振动的阻性和壳体的抗性结构开展了催化消声器的设计、分析工作。确定采用阻性和抗性结合的催化消声器结构。进行欧洲稳态循环ESC测试和欧洲瞬态循环ETC测试,验证了装置的NOX转化效率达到了设计要求,氨气最大泄漏量为15ppm,低于限值要求。消声功能由于试验条件限制不能有效验证,仅限于模拟仿真阶段。但本论文的工作对选择性催化还原消声器的研究与结构设计以及优化分析有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 柴油机NOX 排放的生成机理和危害
• 1.1.1 柴油机NOX 生成机理
• 1.1.2 柴油机NOX 排放的危害
• 1.2 柴油机NOX 及颗粒物排放的控制措施
• 1.2.1 燃油喷射系统
• 1.2.2 燃烧系统
• 1.2.3 尾气后处理方法
• 1.2.4 燃料的控制
• 1.3 选择性催化还原技术及应用
• 1.4 发动机排气噪声及控制
• 1.4.1 内燃机排气噪声的组成
• 1.4.2 消声器的类型与机理
• 1.4.3 排气系统的主要功能
• 1.5 课题研究的目的及意义
• 1.6 主要工作内容
• 第二章 氮氧化物的还原及催化消声器的构成
• 2.1 NOX 还原反应
• 2.1.1 NOX 还原反应的原理
• 2.1.2 NH3 还原NOX 反应的Eley-Rideal 机理
• 2.2 SCR 系统的组成及发展
• 2.2.1 SCR 系统的组成
• 2.2.2 当前SCR 的发展方向
• 2.3 催化消声器的设计要求
• 2.3.1 工作环境的要求
• 2.3.2 尿素喷射的设计要求
• 2.3.3 降低噪声的设计要求
• 2.4 催化消声器的构成
• 2.4.1 壳体
• 2.4.2 衬垫
• 2.4.3 载体及催化剂
• 第三章 载体及催化剂的选取
• 3.1 载体的选取
• 3.1.1 载体材料的选取
• 3.1.2 载体截面形状的确定
• 3.2 催化剂的选取
• 3.2.1 影响催化剂转化效率的因素
• 3.2.2 催化剂的温度特性
• 3.2.3 催化剂的空速特性
• 3.2.4 催化剂的选取
• 3.3 蜂窝陶瓷载体的压降分析
• 3.3.1 转化器的压降
• 3.3.2 通道的摩擦损失及其进出口局部损失
• 3.3.3 流过催化器总的压降损失
• 3.3.4 进口损失的分析
• 3.4 发动机排气的分析及载体参数确定
• 3.4.1 对发动机排气的分析
• 3.4.2 载体参数分析
• 3.4.3 计算分析压降
• 3.5 本章小结
• 第四章 衬垫的选择
• 4.1 衬垫的分类
• 4.1.1 非膨胀型陶瓷纤维衬垫
• 4.1.2 膨胀型陶瓷纤维衬垫
• 4.2 催化转化器对衬垫的实验要求
• 4.2.1 低温热循环温度分布测试
• 4.2.2 轴向热推力试验
• 4.3 参数分析
• 2 衬垫的剪切应力'>4.3.1 3100g/m²衬垫的剪切应力
• 2 衬垫的剪切应力'>4.3.2 6200g/m²衬垫的剪切应力
• 2和6200g/m² 衬垫的比较'>4.3.3 3100g/m²和6200g/m²衬垫的比较
• 4.4 衬垫参数的确定
• 4.5 本章小结
• 第五章 催化消声器的结构设计
• 5.1 催化消声器的壳体及封装
• 5.1.1 壳体材料的选取
• 5.1.2 壳体的形式
• 5.1.3 催化消声器常见的失效模式
• 5.2 催化消声器的影响因素分析
• 5.2.1 陶瓷蜂窝载体消声机理
• 5.2.2 抗性消声的机理
• 5.2.3 对催化消声器的主要要求
• 5.2.4 评价标准
• 5.3 催化消声器的结构设计
• 5.3.1 基本结构设计
• 5.3.2 各种结构评价
• 5.4 噪声分析和流场分析
• 5.4.1 噪声分析
• 5.4.2 催化消声器流场分析
• 5.5 消声器基本参数的选择
• 5.5.1 消声器容积比
• 5.5.2 消声器纵横比
• 5.5.3 消声器腔数的确定
• 5.5.4 多孔板的参数
• 5.6 本章小结
• 第六章 催化还原消声器的排气转化试验
• 6.1 ESC 循环试验
• 6.1.1 试验依据及方法
• 6.1.2 试验步骤及数据
• 6.2 ETC 循环试验
• 第七章 全文总结及工作展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附件一 发动机试验设备及仪表
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学位论文