柴油机SCR系统尿素喷射的CFD分析
柴油机SCR系统尿素喷射的CFD分析
王毓琨
（潍柴动力股份有限公司技术中心，山东省潍坊市民生东街26号）摘要：采用FIRE软件对柴油机SCR系统尿素喷射过程进行了三维数值模拟，简单介绍了数值仿真过程，对尿素喷射设角度进行了分析和优化，并对尿素喷射设位置的选择进行了研究。
关键词：SCR；CFD
主要软件：A VL FIRE
1. 前言
全球环境的不断恶化，使各国对汽车废气排放法规日益严格，目前我国已经实施国III 排放法规，随着时间的推移，国IV排放法规的实施也将提上日程，这样极大推进了柴油机SCR系统的研发，本文将简单介绍一下CFD方法在SCR系统的设计开发中的应用。
2. 计算模型
图1为某国IV柴油机SCR系统示意图，SCR系统包括增压器至催化转化器之间的整个排气管路和SCR催化转化器，本文中计算模型只选取增压器至催化转化器之间的整个排气管路；在排气管上有两个尿素喷射位置可以选择，设为位置1、位置2。
CFD的计算目的是：观察喷雾雾化情况，选择合适的喷射位置，优化喷射角度。
图1 国4柴油机SCR系统示意图
网格划分采用FAME技术，自动生成Fame Advanced Hybrid网格，网格的质量、大小直接影响计算的正确性和收敛性，因此采用3D Objects的Ogl_Line对尿素喷射区域进行了网格细化，如图2所示，并对网格依赖性进行了研究，选择最合适的网格尺寸。
位置1计算模型如下图3所示：
位置2计算模型如下图4所示：
图4 位置2 计算模型
3. 边界条件
计算分析选取A25、B50、C100三个典型工况进行计算。
部分边界条件设置见表1。
表1
对于尿素喷射的仿真，边界条件如：液滴喷射速度，喷雾锥角，液滴直径数量百分比分
布等，均按零部件供应商提供数据进行设置。
4. 计算分析
尿素溶液喷入排气管的废气中，对于其入射角度的选择非常关键，入射角度定义下图5所示，箭头为尿素喷雾锥角的中心线（Spray axis ）。
图5 入射角度定义
排气管中，废气温度很高，尿素溶液喷入废气中，直径小的液滴会很快气化，直径大的液滴则需要一段时间才能气化，排气管中，废气气流速度很高，直径小的液滴很容易受废气气流速度影响而改变运动轨迹，直径大的液滴受影响程度小一些。
当入射角度过大时如图6所示，直径较大的液滴受废气气流速度小影响，容易撞到对面弯管上；管壁温度相对较低，部分液滴在管壁上吸热气化使管壁温度进步降低，容易形成结晶如图6左下角，蓝色圈内为形成结晶的位置，两个蓝色圈是同一个位置，不同之处是一个是仿真结果一个是实物。
图6的右边为排气管中尿素喷射位置处实物照片，其中的铁杆表示尿素喷雾锥角的中心线（Spray axis ），在实际工作中不存在铁杆。
图6 入射角度过大导致的结晶
工况点
出口压力
bar
温度 ℃ 喷射持续
时间ms A25 1.02 257 36 B50
1.07 338 113 C100
1.18
544
153
结晶的形成还与柴油机的运行工况有关，在低温、低负荷时，由于气流速度较低，对液滴的运动轨迹影响不太大；使得直径较大的液滴撞到对面弯管上；而在高温、高负荷时，由于气流速度较高，对液滴的运动轨迹影响较大，将液滴吹向弯管外侧下游管壁附近，也容易生产结晶物，因此合理的选择入射角度非常关键。
图7为相同工况下，不同入射角度喷雾仿真结果对比，其中右边图的入射角度较小，左边图入射角度较大。
图7 不同不同入射角度入射角度入射角度喷雾仿真结果对比喷雾仿真结果对比
通过CFD 计算分析可以得到的比较合理的入射角度，其在不同工况下的喷雾仿真结果如
下图8所示。
图8 合理选择入射角度
对于尿素喷射位置1、2的选择主要看液滴的雾化情况，雾化情况好对后面在蜂窝结构中
的化学反应将会非常有利，CFD计算仿真结果显示，两个位置SCR系统都能较好的实现雾化，两个位置都可选择。
5. 结语
（1）通过FIRE的计算仿真，能比较迅速的确定合理的喷雾入射角度，并且与试验结果具有较好的一致性。
（2）作为CFD三维仿真工具，FIRE软件使用方便、可靠，是很好的柴油机设计开发的辅助工具，能更快的找到最优方案，节约开发成本和开发时间。
参考文献
[1] A VL, "AVL FIRE8.5 Theory", 2006。
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。
SCR尿素喷射系统(2024)
引言概述正文内容
1.工作原理：
1.1尿素溶液的喷射
1.2氮氧化物的还原反应
1.3氨的过程
1.4催化剂的作用机理
1.5尿素喷射与氨逃逸控制
2.性能优势：
2.1高效降低氮氧化物排放
2.2提高燃烧效率
2.3减少颗粒物排放
2.4适应不同工况和环境条件
2.5增加发动机寿命
3.注意事项：
3.1尿素溶液的选择和储存
3.2喷射系统的清洁维护
3.3SCR系统的温度管理
3.4氨逃逸的控制
3.5地区治理政策的遵守
4.实际应用案例：
4.1中重型柴油车辆
4.2工业排放控制
4.3发电厂和重工业领域
4.4海运行业和内河船舶
4.5SCR与其他排放控制技术的结合
5.总结：
本文对SCR尿素喷射系统的工作原理和性能优势进行了详细介绍，同时也提出了在实际应用中需要注意的事项。
SCR尿素喷射系统在降低柴油发动机尾气排放和改善空气质量方面具有重要的作用。
随着环境法规的趋严和用户对环保性能的要求不断提高，SCR 技术的应用前景十分广阔，也将推动其不断创新和完善。
在未来，SCR尿素喷射系统将成为柴油发动机排放控制的主流技术之一。
（正文部分，根据需要进行扩充和详细阐述。
）。
SCR系统尿素喷雾特性CFD仿真分析
SCR系统尿素喷雾特性CFD仿真分析编号：SCR系统尿素喷雾CFD仿真分析编制：陆超群校对：审核：一汽解放公司无锡柴油机厂研发部电控开发室新技术组2014年4月1、计算目的评估不同的管路结构对SCR结晶生成风险的影响2、计算内容对六种不同结构的喷嘴管路进行详细的喷雾计算分析，采用相同的计算条件，对比六种方案管路内速度分布、气体温度、湍动能分布，找出结晶产生风险最低的方案。
3、计算过程分析3. 1计算条件计算采用STAR-CCM+8.04软件，操作系统为WindowsXP系统，喷雾模型选用液滴破碎、液滴碰壁及液滴蒸发模型，喷嘴喷射参数基于Bosch公司ETI5.2(3-hole)@9bar。
喷射尿素量186.52mg/s，进口流量391.48Kg/h，进口温度280℃，排气管温度230℃，喷嘴支座温度120℃。
3.2几何模型方案一方案二方案三方案四方案五方案六图1 计算区域几何模型方案一：管径100mm，直管段喷射。
方案二：管径100mm，90度弯管处喷射，支座未深入到管路内部。
方案三：管径100mm，120度弯管处喷射，支座为喇叭口形式，深入到管路内部。
方案四：管径100mm，120度弯管处喷射，支座为喇叭口形式，深入到管路内部，且法兰迎风面开孔开孔。
方案五：管径100mm，90度弯管处喷射，支座为喇叭口形式，深入到管路内部。
方案六：管径100mm，90度弯管处喷射，支座为喇叭口形式，深入到管路内部，且法兰迎风面开孔开孔。
3.3计算结果分析3. 3.1速度分布方案一方案二方案三方案四方案五方案六图2 管路中心截面速度分布方案一方案二方案三方案四方案五方案六图3 喷嘴法兰中心截面速度分布从图2中可以看出方案二、五、六均为90度弯管喷射，喷嘴下端管路内右侧气体流速较高，容易增大此处尿素液滴碰壁的风险，六种方案在喷嘴内均有少量的气体流动。
从图3法兰内流动放大图中可以看出方案一有明显的涡流产生，引起结晶生成的风险较大，方案二喷嘴处有少量的涡流产生，细小的液滴容易被涡流旋转带到法兰顶部，方案三、方案五产生的涡流流速较大，液滴容易被吹至法兰左侧壁面处，方案四、方案六法兰开孔后，明显改善了法兰处的流速分布。
共轨原创康明斯SCR后处理尿素喷射系统简介
共轨原创康明斯SCR后处理尿素喷射系统简介共轨导读之前几期的每周一课中，我们已经介绍过博世的后处理系统和解放的气驱后处理系统的工作原理，本期共轨之家与大家一起学习同样在市场上比较受欢迎的一款后处理系统——康明斯EcoFit尿素喷射系统。
该系统为康明斯自主研发的后处理系统，用于减少氮氧化物的排放，控制方式和逻辑都和博世系统有较大区别。
本期将着重介绍关于EcoFit康明斯尿素喷射系统的一些关键零部件以及其工作原理。
SCR系统一般包括4大模块：1. 发动机排放控制模块、2. OBD车载诊断模块、3. 车用尿素喷射模块、4. SCR催化器模块。
国四的车辆主要的区别就是新增了尿素喷射模块和SCR催化器模块，本期介绍EcoFit康明斯尿素喷射模块，关于SCR催化器模块以后将会做专题。
一、尿素计量泵计量泵只是一个执行机构。
直接受控于发动机ECM，并将DEF和空气在泵内混合，混合好后送至喷嘴处。
计量泵的自诊断系统在ECM中，技术参数如下：-计量泵是高精密部件；-计量泵耗气量17.5~22L/min.要考虑空压机的泵气量与负荷率；-要防止脏空气进入，有专门滤清器（5微米）；-正常工作耗电量32瓦，内部加热器工作时<200瓦, 峰值时<300瓦，最长工作时间30秒；-供气压力范围6~12巴；两种安装类型可供选择，不同的安装方式结构略有不同：1）罐上安装型计量泵：2）底盘安装型计量泵：ECM计算出在各种发动机工况下精确的尿素喷射率，以及整车压缩空气系统时的尿素混合空气量，然后将雾化的尿素通过喷嘴注入排放处理系统，与尾气混合后通过催化剂。
尿素计量泵内部结构详解：1、空气切断阀:此阀受ECM控制，有两种选项：12V or 24V两个功能:-调节压力-空气路开关特性-最大进气压力：10bar-工作温度：-40℃~ 85 ℃-调压后是：3.15~3.8Bar2、主滤芯组件总成在组装之前先用植物油或等效物润滑主滤芯上的O型圈，将滤芯压入泵体滤芯腔并确保滤芯体完全入座。
基于国六标准的柴油车SCR系统的流场分析及喷射参数优化
基于国六标准的柴油车SCR系统的流场分析及喷射参数优化冯海峰;时岩;张建强【摘要】为了使柴油车排放满足即将实施的国六标准,提出一种全新SCR系统结构.然后根据计算流体动力学理论、使用ANSYS Fluent软件在3种工况下对本SCR 系统流场进行了数值模拟,研究了不同喷孔孔数、喷孔孔径和喷射角度对SCR裁体前端平面上氨气分布均匀性的影响,并且确定最优喷射参数为8孔、130μm孔径和45°喷射角.与传统的SCR系统相比,氨气分布均匀性4.9％～6.0％的提高使得本SCR系统的最高脱硝率提升了24％.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】6页(P135-140)【关键词】柴油车国六标准;选择性催化还原;计算流体动力学;流场分析;氨气分布均匀性;喷射参数【作者】冯海峰;时岩;张建强【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京210094;南京理工大学机械工程学院,南京210094;南京理工大学机械工程学院,南京210094【正文语种】中文【中图分类】TK4220 引言2016年底，国家环境保护部发布了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（征求意见稿）（简称柴油车国六标准）；国六标准对柴油车的尾气排放提出了更为严格的限制，并将从2020年开始全面实施[1]。
这对柴油发动机的各类净化技术又提出了新的要求。
选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前比较成熟的柴油机机外净化技术之一，其工作原理是向排气管喷入尿素溶液，在高温下用尿素分解产生的氨气通过催化剂来还原氮氧化物，并生成对环境无害的氮气和水[2]。
为了使柴油车排放的尾气中氮氧化物降低到满足国六标准，必须改进或者重新设计现有的SCR系统。
SCR系统的性能通常用氮氧化物的转化率来衡量。
国内外研究表明，在SCR催化剂载体前端平面上，气流中的氨气分布得越均匀，氮氧化物的转化率就越高[3]。
SCR系统尿素喷雾特性影响因素的CFD仿真分析
车
用
发
动
机
Ｎｏ ．１（ Ｓｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎｏ ． ２０ ４）
Ｖ ＥＨ Ｉ ＣＬＥ ＥＮ ＧＩ Ｎ Ｅ
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ３
Ｓ Ｃ Ｒ 系 统 尿 素 喷 雾 特 性 影 响 因素 的 Ｃ Ｆ Ｄ仿 真 分 析
Ｆ ｉ ｒ ｅ 软 件建 立排 气 管 道 的尿 素 喷雾 模 型 ， 并 利用 该 计 算模 型分 别计 算 分 析 了不 同工况 、 尿 素 水溶 液 喷 射压力、 尿 素温 度 及 喷 嘴安 装 角 度 等 喷 射 参 数 对排 气 管 道 内喷 雾 形 态 和 ＮＨ。的 浓 度 场 分 布 的影 响 。
秦 岩 ，张 岩 ，高定 伟。 ，段 景辉 ，张 鹏
（ １ ．吉 林 大 学汽 车动 态模 拟 国 家重 点 实验 室 ，吉 林 长 春
２ ．长城 汽 车股 份 有 限 公 司 ，河 北 保 定
１ ３ ０ ０ ２ ２ ；
０ ７ １ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：利 用 ＡＶＬ Ｆ ｉ ｒ ｅ三 维 商 用仿 真 软 件 对 ｓ Ｃ Ｒ 系统 尿 素 喷 雾 特 性 的影 响 因素 进 行 了模 拟 计 算 ， 考 察 的 因素
Ｓ Ｃ Ｒ技 术 是 利 用 ＮＨ。或 尿 素 作 为 还 原 性 物
质， 在一 定温 度 和催化 剂作 用下 ， 将 Ｎｏ 还 原 为 Ｎ： 和 Ｈ ０ 的一项 降低 ＮＯ 排放 的措 施 。该 技术 以其
原剂 喷雾 与热 壁 面碰撞 的试 验结果 ［ ４ 对 模 型进行 有
效性验 证 。模 型 验 证 中所 用 的 网格 见 图 １ ， 由 于试 验关 注 的仅是 喷雾 与 热 壁 面 的 碰撞 ， 不 涉 及 到排 气 的流 动及 热交 换 等 ， 因此， 采 用 一 个 长 × 宽 ×高 为
车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究
车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究车用柴油机SCR喷射系统是一种通过尿素水溶液喷射来实现经济性和环保性的技术，可以大幅度降低氮氧化物（NOx）的排放量。
本文将介绍车用柴油机SCR喷射系统的设计及研究。
首先，该系统由SCR催化剂、尿素水溶液喷嘴、尿素水溶液储存罐及电控系统组成。
其中，SCR催化剂位于尾气处理系统的后段，主要作用是将NOx与尿素水溶液在恰当的温度下催化还原为无害的氮气和水蒸气。
其次，尿素水溶液喷嘴安装在SCR催化剂的前沿，由电控系统控制喷嘴的喷射时间和量。
这样，当发动机运行时，在SCR催化剂中形成了一定量的NOx后，系统便能够根据车辆的运行状态和路况实时供应适量的尿素水溶液，使其在SCR催化剂上与NOx发生反应。
最后，尿素水溶液储存罐是尿素水溶液的存储和供应装置，储存罐的大小和容量因车型和制造商而异。
电控系统则可以自动检测尿素水溶液的容量和质量，为车主提供及时的提醒。
该系统的研究包括喷嘴设计、尿素水溶液的热稳定性、尿素水溶液对系统组件的腐蚀性以及系统对发动机性能的影响等方面。
为了实现技术上的进步和推广应用，需要解决系统的稳定性和可靠性问题，并提高系统的制造工艺和设计水平。
综上所述，车用柴油机SCR喷射系统是一项十分有用的技术，其能够在不影响发动机性能的情况下大幅度降低氮氧化物的排放量。
未来，我们可以通过更加精细的设计和更高的制造水平来不断推进该技术的发展，为更加环保的出行提供更好的保障。
在车用柴油机SCR喷射系统的研究和设计中，喷嘴的设计显得尤为重要。
合适的喷嘴能够确保尿素水溶液均匀地分散到催化剂表面，从而保证反应的充分进行。
此外，喷嘴的尺寸和形状也会直接影响到喷射效率和稳定性，因此在设计时需要进行全方位的考虑和测试。
尿素水溶液的热稳定性也是研究的重点，因为该溶液需要在高温下被喷射出来。
在气候闷热或者高海拔环境下，高温会导致溶液分解，产生悬浮在空气中的尿素晶体。
这种情况不仅会降低喷射效率，还会对发动机的性能产生负面影响。
无锡威孚力达SCR尿素喷射系统介绍
6L筒\箱式催化剂封装结构
10
SCR催化器总成封装实例
箱式催化剂封装结构（载体：5.6″x6″ 12只）
11
尿素喷嘴
SCR喷嘴总成
12
尿素喷嘴
13
尿素喷嘴
14
尿素泵
WFLD-SCR-PUMP
尿素泵总成
15
尿素箱
尿素箱
16
ECU及SCR系统排放标定
பைடு நூலகம்
SCR-ECU满足15工况、ELR、ETC、ESC实验要求
威孚力达SCR催化器总成 及尿素喷射控制系统
1
SCR催化器总成及尿素喷射控制系统
SCR系统连接示意图(冷却方式改进)
2
SCR催化器总成及尿素喷射控制系统
SCR系统组成
3
SCR系统参数
SCR系统参数 喷射量 喷射压力 混合器 喷角 市场应用 满足排放 环境温度 电源电压 0.1…7kg/h 5 bar/ 8 bar 推荐混合器 0° 中、重型发动机 国4/5 -30 °- +120 °C 24V 备注
17
ECU及SCR系统排放标定
ECU
18
ECU及SCR系统排放标定
19
ECU及SCR系统排放标定
共轨ECU Diesel ECU
（通过CAN实现: SAE1939 standard）
SCR-ECU
SCR-ECU与其它ECU通讯
20
SCR系统排放标定
SCR箱体
喷嘴 与发动机排 气歧管连接
废气流向
V-W/T型 催化剂
分子筛型 催化剂
其它
SCR催化剂
SCR催化剂分类及适用 条件
5
国5及以上SCR净化系统
重型柴油机SCR系统尿素喷射控制策略研究
3、尿素溶液浓度不稳定：尿素溶液的浓度对SCR系统的性能有着重要影响。 浓度过高可能导致催化剂中毒；浓度过低则会使还原效果下降。
4、缺乏综合优化策略：现有控制策略往往针对某个或某几个方面进行优化， 缺乏综合考虑各因素的综合优化策略。
4、缺乏综合优化策略：现有控 制策略往往针对某个或某几个方 面进行优化
本研究对柴油机SCR尿素喷射系统进行了开发及试验研究。结果表明，优化 后的SCR尿素喷射系统在提高NOx转化效率的同时，降低了尿素溶液的消耗量。该 系统的应用将有助于降低汽车尾气排放，提高柴油机的环保性能。在今后的研究 中，我们将进一步探讨尿素喷射系统的智能化控制技术，以实现更加精准的尿素 喷射控制。
将SCR与DPF系统集成在一起，不仅可以降低氮氧化物排放，还可以有效控制 颗粒物的排放。集成后的系统结构更加紧凑，工作原理也更加复杂。在 SCR反应 过程中，尾气中的氮氧化物在催化剂的作用下被尿素还原成无害的氮气和水蒸气。 同时，DPF系统通过过滤器捕集尾气中的颗粒物，从而降低尾气中的颗粒物排放。
4、综合优化控制策略：综合考虑尿素喷射量、喷射时刻、尿素溶液浓度等 多种因素，借助先进的优化算法，如遗传算法、模拟退火算法等，制定综合优化 控制策略，提高SCR系统的性能和稳定性。
参考内容
随着全球环保意识的不断提高，降低柴油机的排放污染成为了重要的研究课 题。其中，选择性催化还原（SCR）技术是一种有效的降低柴油机氮氧化物（NOx） 排放的手段。本次演示将着重研究重型柴油机SCR尿素喷射的控制策略，以期为 降低柴油机排放提供理论支持。
重型柴油机SCR系统尿素喷射控 制策略研究
01 引言
03 问题阐述
目录
02 背景 04 参考内容
引言
随着全球环境保护意识的不断提高，降低柴油机排放污染物的需求日益迫切。 重型柴油机作为一种重要的动力设备，其排放控制至关重要。SCR（Selective Catalytic Reduction）系统是一种有效的尾气排放控制技术，通过尿素喷射将 氮氧化物（NOx）还原为无害气体。然而，尿素喷射控制策略的研究对SCR系统的 性能和稳定性具有重要意义。
尿素喷射系统
SCR催化器总成封装实例
箱式催化剂封装结构（载体：5.6″x6″ 12只） 威孚力达 | 2020/8/15 | 威望于品质 孚信于用户
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SCR尿素喷射控制系统
1 SCR催化器总成及尿素喷射控制系统 2 SCR催化器总成
2.1 催化剂 2.2 催化剂封装
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合理的匹配策略能更好
WFS30 进口催化剂
满足客户要求
催化剂封装
1 SCR催化器总成及尿素喷射控制系统 2 SCR催化器总成
2.1 催化剂 2.2 催化剂封装
3 SCR尿素喷射控制系统
3.1 尿素喷嘴 3.2 尿素泵 3.3 尿素箱
4 ECU及SCR系统排放标定
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SCR催化器总成及尿素喷射控制系统
SCR系统连接示意图(冷却方式改进) 威孚力达 | 2020/8/15 | 威望于品质 孚信于用户
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尿素喷嘴
威孚力达 | 2020/8/15 | 威望于品质 孚信于用户
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尿素喷嘴
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国4 SCR催化剂