柴油机尿素SCR催化器优化设计
柴油机Urea-SCR催化器优化设计及仿真研究
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－５４４６．２０１９．０１．００８ 网络出版时间：２０１９－３－２９１３：５９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６４２．ＴＨ．２０１９０３２９．１３５６．０１６．ｈｔｍｌ
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＵｒｅａ－ＳＣＲ Ｃａｔａｌｙｓｔ
ＺＨＡＮＧＬｉｂｉｎ１，ＬＩＵＳｈｕａｉ１，ＬＩＹａｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ２．ＤａｎｆｏｓｓＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ（Ｊｉａｎｇｓｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ）
引 言
机动车尾气随着其保有量的增长在大气污染中 占据着较高的比重。动力性、经济性好是柴油机被 广泛使用 的 原 因，但 是 ＮＯｘ 和 颗 粒 的 排 放 比 较 严 重［１－３］。ＳＣＲ催化器是 ＳＣＲ系统的重要组成部分，
它的结构对 ＳＣＲ系统的处理性能起决定作用。优 化 ＳＣＲ催化器结构，尿素溶液的雾化效果可以得到 提升，促进尿素溶液在催化器中均匀分布，提高进入 催化器前端面的混合气均匀性［４－６］。
３５
了大量 研 究。Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｂｅｄｉｃｋ等 人［７］设 计 和 测 试 ＳＣＲ系统中尿素喷射系统，实现对喷射的单独控制。 韩中大学的 Ｓｏｏ－ＪｉｎＪｅｏｎｇ等人［８］建立了尿素水溶 液喷射的流体力学模型，对比分析了喷射位置、喷射 数量和雾 化 锥 角 等 因 素 对 ＮＯｘ 转 化 效 率 的 影 响。 大连海事大学的李世用等人［９］模拟计算 ＳＣＲ反应 过程，设计了适用于 ＭＡＮＢ＆Ｗ ６Ｓ５０ＭＣ－Ｃ船用柴 油机 ＳＣＲ系统的催化反应器结构，利用 Ｆｌｕｅｎｔ模拟 不同喷嘴下的反应效果，得到适用于 ＳＣＲ系统的喷 嘴方案。清华大学的帅金石等人 利 ［１０］ 用流体力学 软件研究车用柴油机的 ＳＣＲ系统，模拟了催化反应 器内的排气流动、尿素水溶液喷射雾化、尿素液滴蒸 发、尿素颗 粒 热 解 和 催 化 剂 表 面 化 学 反 应 等 整 个 ＳＣＲ反应过程。
柴油车SCR系统尿素结晶优化方案研究
柴油车SCR系统尿素结晶优化方案研究作者：江涛来源：《山东工业技术》2017年第21期摘要：本文针对柴油车SCR后处理系统中出现的尿素结晶问题优化措施进行研究，提出了减小尿素喷射量、减小喷孔孔径、优化混合器结构、优化DOC出气口结构以及尿素水溶液添加剂等五项优化措施，并进行了试验验证。
结果表明，五项措施均可以明显改善尿素结晶。
关键词：柴油机；SCR；尿素结晶DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.21.0020 引言2017年1月1日，全国全面实施第五阶段国家机动车排放标准。
相比国四标准，新标准轻型车氮氧化物排放降低25%，重型车氮氧化物排放降低43%.为了满足此标准，多数主机厂在柴油车后处理方案上均采用了DOC与SCR系统，此方案在降低氮氧化物的同时不可避免的会出现尿素结晶的问题，图1为某柴油机车路试中出现的尿素结晶现象。
1 结晶机理尿素在排气尾管中收到发动机排气温度的作用发生热解反应，产生氨气，反应过程如下：从上述反应过程可以看出，若发动机SCR混合器中的温度长期在150～280℃的温度区间内，（异氰酸）发生副反应的几率很大。
2 优化方案与试验验证因排气温度与排气流量主要取决于发动机本体，对于主机厂而言，变更发动机本体对发动机的各项性能影响较复杂，本文主要研究发动机本体以外的优化方案对尿素结晶风险的改善。
2.1 优化尿素喷射量优化尿素喷射量为改善尿素结晶风险最直接的方式，在满足排放法规要求的同时，降低各个工况点的尿素喷射量以及氨存储量。
试验中使用某柴油机，在同一稳定工况点，尿素喷射量降低20mg/s，进行20小时台架尿素结晶对比试验，试验结果表明，尿素喷射量的降低对结晶风险的改善明显，如图2所示。
2.2 减小喷孔孔径试验中使用某柴油机，在流量不变的情况下，将三孔尿素喷嘴变更为六孔尿素喷嘴，喷雾粒径降低20um，在同一工况下，进行20小时尿素结晶对比试验，试验结果表明，喷孔数的增加或者喷孔孔径的减小，可以极大的改善尿素结晶风险，如图3所示。
重卡柴油机SCR系统设计及分析开题报告
SCR系统总体布置、管路、零部件设计；传感器、执行器选型设计。需要对系统进行定量分析时，要进行初算，得出技术经济数据的估计值。时间一般为3周
画系统图: 根据上步确定的系统，进行毕业设计的总体设计，如机械系统原理图、控制系统原理框图、软件系统框图等的设计与规划。时间一般为3周。
[5]刘丙善.Urea_SCR排气后处理系统在重型柴油机中的应用［D］.武汉理工大学.2006，（3）:6-10.
[6]李国祥，佟德辉.H2O 和SO2 在NH3 选择性催化还原NOX 过程中的影响［J］.内燃机工程，2008，（3）:56-63.
[7]林克衡.柴油引擎氮氧化物防治技术SCR(urea)系统之介绍［J］.车辆研测资讯，2006，（9）:2-8.
3.1 主要问题及解决问题的思路与方法
a)与所选催化剂有关：适合SCR系统的催化剂主要有Pt、沸石、V2O5-WO3/TiO2，它们的最佳应用温度范围不一样，从而影响对NOx处理的速度。
b)NH3与NOx物质的量的比：不同NH3/NOx比例下NOx的转化率和NH3的滑失量之间有关系，NH3的滑失量最好控制在当NH3/NOx比例为5～10*10-6之间。同时，它与氨气泄露有关。
六、指导教师意见
1．对开题报告的评语
开题报告内容较详细，对毕设任务比较明确，有了初步的设计方案。
2．对开题报告的意见及建议
同意开题！进一步查阅资料，掌握研究方法，按进程安排开展毕业设计。
指导教师（签名）：xxx
2015年4月2日
所在学院审查意见：
符合毕业设计开题要求，同意开题。
负责人签字(盖公章)
基于CFD 的轻型柴油机SCR 系统高效混合器优化设计
表 1 计算工况参数
工况 额定工况 起喷工况
质量流量 / （kg/h）
547
160
排气温度 / （k）
792.15
488.15
NOx 原排 / （ppm）
627
1012
Hale Waihona Puke 尿素喷射量 / （mg/s）
269.53
132
湍流强度 0.0384 0.0431
湍流长度尺度 /（m）
0.0042
0.0042
蒸发模型选用 Droplet Evaporation 模型。 喷射参数如表 2 所列。
工况 额定工况
方案 A B
mixer 压降 / 系统总压降
（kPa）
/（kPa）
9.8
36
7.0
33
通过对混合器进气隔板和混合器管开口 的扩大，压降明显降低，使系统总压降控制 在合理范围。针对涡旋式混合器，如果过于 强调低的压降，将开口继续扩大使混合距离 缩短，造成尿素混合不充分，进而导致 NOx 转化效率低。
3.3 反应模型
-2.3×107 RT
)
( ) -6.22×107
k2=2.5×105exp
RT
（4） （5）
式中，k1 为尿素热解化学反应速率常数；
k2 为异氰酸水解化学反应速率常数；R 为摩
尔气体常量；T 为热力学温度。
MAN6S50MC-C型柴油机SCR催化反应器结构尺寸设计与性能优化的开题报告
MAN6S50MC-C型柴油机SCR催化反应器结构尺寸设计与性能优化的开题报告一、选题背景及意义SCR（Selective Catalytic Reduction）催化反应技术是一种有效降低柴油机尾气中NOx排放的方法，具有高效、环保、经济等优点。
近年来，环保法规的不断升级，推动着柴油机上的SCR技术不断发展和完善。
MAN6S50MC-C型柴油机作为船舶主机，具有动力大、可靠性高、寿命长等特点，是航运行业使用最为广泛的柴油机之一。
针对该型号柴油机，在提高其经济性和环保性的要求下，采用SCR技术进行尾气净化，对于维护海洋环境和保护人类健康具有重要意义。
根据上述背景，本课题拟针对MAN6S50MC-C型柴油机，进行SCR催化反应器结构尺寸设计与性能优化的研究，旨在提高其尾气净化效率和经济性，以满足环保法规的要求和市场的需求。
二、研究内容及技术路线1. SCR催化反应器的结构尺寸设计（1）根据MAN6S50MC-C型柴油机的NOx排放特性和SCR催化反应器的工作原理，确定合理的SCR催化反应器结构类型和尺寸范围；（2）分析SCR催化反应器在使用过程中的热特性和流体特性，优化其结构尺寸设计。
2. SCR催化反应器的性能优化（1）建立SCR催化反应器的数学模型，模拟其在不同工况下的工作状态和性能；（2）采用CFD仿真技术，分析SCR催化反应器内部的流场分布和催化剂的分布情况，优化其设计参数和结构参数；（3）通过实验验证，检验所设计的SCR催化反应器的尾气净化效果和经济性指标，提高其实用性和可操作性。
技术路线：三、预期结果及意义本课题的主要预期结果如下：（1）针对MAN6S50MC-C型柴油机，设计出一种适用于其尾气净化的SCR催化反应器结构，具有较高的尾气净化效率和经济性指标；（2）建立一套完整的SCR催化反应器数学模型和仿真模型，可用于该型号柴油机的尾气净化的研究和开发；（3）通过实验验证，确保所设计的SCR催化反应器的性能稳定可靠，符合环保法规和市场需求，为改善海洋环境和保护人类健康做出贡献。
柴油机尿素SCR氨分布均匀性的试验与模拟优化
图５示出运用 Ｍａｔｌａｂ软件对横截面内 ＮＨ３ 的 浓度 数 据 进 行 处 理，并 绘 制 成 的 浓 度 分 布 图。 从 图５中可以直观地看出，深 色 区 域 ＮＨ３ 浓 度 分 布 相 对较低，浅色区域 ＮＨ３ 浓度分布相对较高。
图２ ＳＣＲ 系统的布置与测试系统示意 图３ ＮＨ３ 浓度测量点分布示意
１ 试 验 装 置 和 试 验 方 法
１．１ 试 验 装 置 图１示出装有 尿 素 ＳＣＲ 后 处 理 系 统 的 柴 油 机
试验台架，该台 架 主 要 包 括 发 动 机、尿 素 ＳＣＲ 后 处 理 系 统 、测 功 机 及 控 制 系 统 、发 动 机 燃 油 供 给 及 油 耗 测量系统、多组分排放分析仪（ＦＴＩＲ）等。 试验用发 动机为 Ｃｕｍｍｉｎｓ柴油机，其主要参数见表１。
４）温度的不 均 匀 分 布 还 容 易 使 载 体 的 热 膨 胀 不均匀而产生应力导致破碎。
尽管人 们 对 ＮＨ３的 分 布 均 匀 性 影 响 ＳＣＲ 性 能
的重要性有足够的 认 识，但 针 对 不 同 结 构 及 布 置 的 ＳＣＲ 系 统，其 ＮＨ３ 浓 度 的 分 布 特 性 以 及 如 何 改 善 分布均匀性等方面的研究工作仍然十分缺乏。本研 究实 测 了 某 一 ＳＣＲ 系 统 载 体 前 端 的 ＮＨ３ 浓 度 分 布，并采用计算流 体 力 学（ＣＦＤ）软 件 建 立 了 该 ＳＣＲ 系 统 的 流 动 和 尿 素 喷 雾 等 模 型 ，并 进 行 了 试 验 验 证 。 通 过 数 值 模 拟 研 究 了 尿 素 水 溶 液 的 雾 化 、蒸 发 、热 解 和水解等过程以及载体前 端 ＮＨ３浓 度 的 分 布 特 性， 考察了混合器对改善 ＮＨ３分布均匀性的效果。
SCR系统
利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。
利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。
20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。
我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。
目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。
图2 SCR系统网格和边界条件位置图SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。
系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。
一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。
在SCR中发生的化学反应如下：尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。
利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。
图3 在某一位置不同的喷射方向本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。
降低柴油机NO排放的SCR系统控制策略研究
降低柴油机NO排放的SCR系统控制策略研究一、概述随着全球环保意识的日益增强，柴油机排放控制已成为当前内燃机领域的研究热点。
氮氧化物（NOx）作为柴油机排放的主要污染物之一，其减排技术的研究与应用具有重要意义。
选择性催化还原（SCR）技术作为目前最有效的柴油机NOx减排手段之一，已经得到了广泛应用。
本文旨在深入研究降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略，通过优化控制算法和参数设置，实现NOx的高效减排。
SCR系统通过向柴油机排气中添加尿素水溶液，在催化剂的作用下将NOx还原成无害的氮气和水。
SCR系统的性能受到多种因素的影响，如尿素喷射量、催化剂活性、排气温度等。
制定合适的控制策略对于保证SCR系统的减排效果至关重要。
近年来，随着电子控制技术的发展和智能化水平的提高，SCR系统的控制策略也在不断更新和优化。
传统的开环控制策略虽然简单易行，但难以适应柴油机工况的复杂变化。
闭环控制策略能够根据实时排放数据调整尿素喷射量，实现更精确的NOx减排。
基于模型的预测控制策略以及基于机器学习的智能控制策略也在逐步应用于SCR系统中，以提高系统的鲁棒性和自适应性。
本文将对现有的SCR系统控制策略进行梳理和分析，针对柴油机不同工况下的NOx排放特点，提出一种基于实时排放数据和催化剂活性预测的闭环控制策略。
通过仿真和实验验证，评估该控制策略在降低柴油机NOx排放方面的性能和效果，为实际应用提供理论依据和技术支持。
1. 柴油机NO排放问题的严重性《降低柴油机NO排放的SCR系统控制策略研究》文章段落：柴油机NO排放问题的严重性柴油机作为重要的动力源，在各类车辆及非道路机械领域发挥着举足轻重的作用。
随着工业化进程的加快，柴油机排放问题日益凸显，其中氮氧化物（NOx）的排放尤为引人关注。
柴油机排放的NOx中，NO占据绝大多数，虽然NO本身无色无味且毒性相对较小，但其在高浓度时仍会对人体神经中枢造成损害，甚至导致瘫痪和痉挛。
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占主导作用 ,使得总体转化效率降低 。上述 5 个总
包反应的速率表达式及相应的速率常数可参考文献
[ 324 ] 。还原剂喷雾模型和催化反应机理等相关模
型的验证可参考文献[ 6 ] 。
1. 3 边界条件
模 拟 对 应 的 发 动 机 工 况 点 为 最 大 扭 矩 转 速
1 500 r/ min ,71 %负荷 (500 N ·m) 。入口边界条件
(6)
4N H3 + 2NO + 2NO2
r3
4N2 + 6 H2 O ,
(7)
r4
8N H3 + 6NO2
7N2 + 12 H2 O ,
(8)
4N H3 + 3O2 r5 2N2 + 6 H2 O 。
(9)
如反应式 (5) 所示 ,尿素热分解产物之一的
HCNO 在以氧化物为载体的催化剂表面将与燃烧
在网格 i 中的浓度 ; C 是 N H3 在整个截面上的平均
· 46 · 车 用 发 动 机 2007 年第 1 期
浓度 。γ越小 ,表示 N H3 在该截面上的分布越均匀 , γ = 0 表示浓度分布完全均匀 。 2. 1 喷嘴位置的影响 如图 3 所示 ,随着喷射点到催化器入口距离 l 的增大 ,N H3 在催化剂载体前端横截面的平均浓度 相应增大 ,其分布也更趋均匀 。这是因为随着喷嘴 安装位置的远离 ,喷入的 AdBlue 液滴与排气相互 作用的时间更长 、液滴蒸发以及尿素热解更为充分 。
132 ℃[4] ,如式 (1) 所示 ,尿素随之热分解为等摩尔
的 N H3 和异氰酸 ( HCNO) ,见式 (2) 。HCNO 在气
相时非常稳定[5] 。因此 ,AdBlue 从喷入排气到催化
剂之前发生的化学反应过程可以概括为[ 5 ]
(N H2 ) 2 CO (液)
(N H2 ) 2 CO (固) +
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 V2 O5 / WO3 / TiO2 整体式催化剂 ,容积 16. 6 L ,孔密度 为 40 孔/ cm2 ,壁厚 0. 06 mm ,涂层厚度 0. 15 mm。其中 排气管到催化器入口为突扩直角过渡 ,采用的四孔径 向喷嘴的安装位置到催化器入口的距离 ( l ) 为 5 d ( d 为排气管直径) 。在此基础上进行变参数研究 ,分别对 l 为 2 d ,3. 5 d ,6. 5 d ,8 d , 孔数为 2 孔、6 孔、8 孔喷嘴以 及不同催化器形状(扩张管与收缩管锥角α为 45°,60°, 90°) 进行了数值模拟。
于将液滴分散到更大的范围 ,从而使得还原剂在排 气中分散更均匀 。如图 5 所示 ,采用 2 孔喷嘴时 ,还 原剂在催化剂载体入口的分布很不均匀 ,喷嘴从 2 孔增至 4 孔时 ,其γ减小 50 %左右 ;6 孔和 8 孔喷 嘴对应的γ基本相同 ,比 4 孔喷嘴稍低 。
图 3 喷嘴位置对 N H3 浓度及其分布的影响
图 1 U rea2SCR 系统尺寸示意
由于还原剂喷雾模拟要求采用较小的计算网 格 ,为了节省计算成本 ,模拟时利用催化器和喷嘴沿 中心轴对称的特点只选用系统的 1/ 4 (为消除网格 的影响 ,对喷孔数目进行变参数研究时选取 1/ 2) 作
收稿日期 : 2006212208 ; 修回日期 : 2007201211 基金项目 : 国家 863 计划子课题 (2001AA64304003) ,中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX32SW2430) 作者简介 : 帅石金 (1965 —) ,男 ,江苏省靖江市人 ,教授 ,主要从事发动机燃烧与排放等的研究 ; E2mail : sjshuai @t singhua. edu. cn 。
发模型来考虑液滴的蒸发和气液相之间的传热传质
过程[3] ,采用 Huh2Go sman 破碎模型来考虑液滴的
二次破碎过程[3 ] 。
1. 2. 2 尿素水溶液热解机理
喷嘴将 AdBlue 以液滴的形式喷入排气后 ,随
着液滴的雾化与扩散 ,因排气温度较高导致液滴水
分蒸发从而产生固体或熔化的尿素 ,其熔点为
(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 , 北京 100084)
摘要 : 运用计算流体力学手段对柴油机 SCR 催化器内排气流动 、尿素水溶液喷射雾化 、液滴蒸发 、尿素热解和 催化剂表面化学反应等整个 NO x 后处理过程进行了模拟 ,通过考察不同方案下载体前端面的尿素浓度分布及 NO x 转化率 ,研究了还原剂添加位置 、喷嘴型式以及催化器入口扩张管形状等因素对催化器系统 NO x 转化性能的 影响 ,研究结果为催化器的优化设计提供了指导依据 。 关键词 : 柴油机 ; 氮氧化物催化器 ; 选择催化还原 ; 计算流体力学
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 SCR催化器系统建立了详细的
三维计算流体力学 ( CFD) 模型 ,利用所建模型研究 喷嘴型式 、安装位置 、喷孔数目和催化器形状等因素 对还原剂浓度分布及相应 NO x 转化率的影响 ,为催 化器的优化设计提供理论依据 。
1 SCR 催化器 CFD 建模
图 5 喷孔数目对 N H3 浓度及其分布的影响
图 6 比较了 4 种喷嘴型式下模拟计算得到的催 化器 NO x 转化率 。其中 , NO x 转化率随喷孔数目 的变化规律与γ随喷孔数目变化的趋势有很好的对 应关系 ,即γ大者其还原剂分布不均匀 ,催化反应进 行不充分 ,相应的NOx 转化率较低 ;如图6所示 , 2 孔喷嘴对应的转化效率最低 ;采用 4 孔喷嘴后 , NO x 转化率有较大提高 ;继续增加喷孔数时转化率 有所提高 ,但是幅度较小 。对于径向喷射喷嘴 ,喷孔 数增多意味着加工面的增多 ,其加工难度和成本也 相应提高 ,综合考虑催化器性能及喷嘴加工两方面 因素 ,比较合适的喷孔孔数为 4 孔～6 孔 。
N H3 在载体入口处的浓度分布 均匀 程度 对
NO x 转化率有很大影响[2] 。本研究采用 Welten 等 人提出的不均匀度指数γ来评价 N H3 在催化剂载 体前端横截面的浓度分布均匀程度[7] ,定义为
∑n
γ =
1 2 ni
=
1
( Ci - C) 2 。
C
(10)
式中 , n 表示载体前端截面的网格总数 ; Ci 是 N H3
。
(3)
式中 , K0hom 为频率因子 ; Ehom 为活化能 ; Tg 是排气
温度 ; C[ (N H2) 2 CO(s) ] 是尿素的气相摩尔分数 。 1. 2. 3 载体多孔介质模型
整体式陶瓷蜂窝催化剂载体按各向异性多孔介
质处理 ,即流体流经载体时只有沿轴向方向的速度
和压力损失可按 Darcy 定律进行计算[3] ,
在目前研究开发中的柴油机 NO x 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 ( U rea2SCR) 最为成熟 ,能在柴油机排气富 O2 且流 量 、温度和组分多变的反应环境下有效降低 NO x 排 放 。欧洲重型汽车协会宣布将采用 U rea2SCR 技术 作为达到欧 Ⅳ以上排放法规的技术路线[1] 。
目前 ,常用的 U rea2SCR 催化剂有钒基催化剂 和沸石型催化剂 ,并普遍采用 32. 5 %的尿素水溶液 (AdBlue) 为还原剂 ,通过空气辅助喷射的形式喷入 排气 。相比传统 TWC 和氧化催化剂 (DOC) , SCR 催化器系统更为复杂 。由于在催化剂中与 NO x 反 应的实际还原剂为尿素水解生成的氨气 ( N H3 ) ,所 以 ,喷入的 AdBlue 在进入催化剂载体前充分热解 并与排气充分混合 ,是同时获得高 NO x 转化率和低 N H3 泄漏的必要条件[2 ] 。
还原剂喷射采用了空气辅助喷射的形式 ,即从
喷嘴中同时喷出 AdBlue 和压缩空气 。由于在标准
状况下压缩空气的消耗量 (1. 05 m3 / h～1. 32 m3 /
h) 相对于排气流量而言很小 ,所以 ,在模拟时只考
虑了尿素水溶液的喷射 ,辅助空气忽略不计 。喷雾
模拟采用离散液滴模型 (DDM) ,采用 Dukowicz 蒸
d pg dz
=
A D ·vg
, AD
= φ·2vg··dρhygd ·ξ。
(4)
式中 , pg 表示气体压力 ; φ为管道形状因子 ,即圆形
截面φ = 1 ,方形截面φ = 0. 89 ; dhyd 为管道水力直
径 ;ξ为摩擦系数 ; vg 为管内气体速度 。
1. 2. 4 催化反应机理
在富 O2 条件下 ,N H3 在 SCR 催化剂表面选择
中图分类号 : T K421 文献标志码 : A 文章编号 : 100122222 (2007) 0120044204
与汽油机广泛采用闭环电子控制加三效催化 器 ( TWC) 技术相比 ,柴油机主要依靠 E GR 、推迟喷 油提前角 、改善燃烧和改进燃烧室结构等机内净化 措施来降低有害排放物 。由于柴油机两大主要排放 物氮氧化物 ( NO x ) 和颗粒物 ( PM) 之间的 Trade2 off 关系 ,随着日益严格的排放法规的实施 ,单纯依 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 。
生成的水蒸气发生水解反应生成 N H3 和 CO2 。反
应式 (6) 至 (8) 表示的是 N H3 选择性还原 NO x 的 SCR 反应 。由于 NO x 中最主要的是 NO (含量约为 90 %) ,因此 ,反应 (6) 被称为标准 SCR 反应 。相关
研究成果表明 , NO2 的存在可以提高反应速率 ,当 NO2 与 NO x 含量比约等于 50 % ,反应速率最快 ,因 此 ,反应 (7) 被称作快速 SCR 反应 。当 NO2 与 NO x 含量比继续增大时 ,反应 (8) 所示的缓慢 SCR 反应