利用 STAR-CD 对重型柴油机 SCR 系统进展布置优化

柴油机尿素SCR催化器技术利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进展布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化复原系统SC〕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状况，通过计算优化排气管道外形以及喷射位置和喷射角度，避开尿素水溶液撞壁消灭沉积，堵塞管路。209020237202311大都通过机内净化降低碳烟SCR系统降低NOXNOX图2 SCR系统网格和边界条件位置图内容来自网络 2023-12-1810-1柴油机尿素SCR催化器技术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。系统的根本工作原理是〔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响后生成NH3，SCR系统催化剂外表利用NH3NOXN2，多余NH3也被复原为N2，防止泄漏。一般状况下，消耗100L5LSCR的化学反响如下：：〔NH2〕2CO+H2O→2NH3+CO2NOX复原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH34NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的简单的物理和化学反响包括：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响以及NOX在催化剂外表与NH3发生的催化外表化学反响。利用数值模拟争论这些过程，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工具对管道的几何外形、尿素喷射装置的位置及喷射角度进展优化设计，从而保证在混和管路不消灭粒子撞壁后的结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失状况进展计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。计算物理模型及边界条件整个SCR2所示。其中管路承受六面体和O-gridSCR内部承受四周体网格，SCR内容来自网络 2023-12-1810-2柴油机尿素SCR催化器技术图4 水平方向喷射粒子运动轨迹尿素水溶液喷雾模拟是一个简单的过程，其中包括液滴的雾化、裂开、蒸发、液滴与气体能量动量交换、粒子撞壁过程及液膜形成等。一般承受DDM方法来描述离散液滴分布，它不考虑全部液滴，而只处理其中假设干具有代表性的样本。每个样本都代表肯定数量的、大小和状态都完全一样的液滴。用拉格朗日方法跟踪这些液滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组微分方程。Reitz/Diwakar的裂开模型用来模拟裂开过程。尿素水溶液的特性依据SAE上供给的物理特性来设置。本次计算没有考虑尿素水溶液的水解、热解等化学反响特性，以水蒸气的分布来代替NH3图5 向下偏5°方向喷射粒子运动轨迹计算结果分析SCR系统混和管的布置设计对SCR的工作是对混和管进展优化设计，包括管道的几何外形、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。本文主要利用CFD工具对两个喷射位置不同喷射角度进展优化设计，从而保证在混和管路不消灭粒子撞壁后的结晶。图3中的红色线条代表喷射方向与水平方向全都，蓝色线条代表喷射方向向下偏离水平方向5°，绿色线条代表喷射方向向下10°。图6 向下偏10°方向喷射粒子运动轨迹内容来自网络 2023-12-1810-3柴油机尿素SCR催化器技术优化后粒子轨迹4～6172图7 向下偏5°方向喷射粒子运动轨迹计算说明在低负荷时，粒子轨迹受排气流的影响较小，粒子沿着喷射方向运动，与壁面碰撞的粒子数量少。但是在大负荷下，粒子受排气流的影响较大，粒子被吹向管道的一侧，简洁在壁面形成液膜。由于喷射的粒子大小不一，体积较小的粒子最简洁被吹偏。图8 质量流量百分比安排结晶主要消灭在小负荷的状况下，此时排气流量速度低，对粒子的运动轨迹影响小。假设安装角度偏差，粒子就会与管道壁面碰撞，消灭结晶现象。而对于大负荷，虽然气流对粒子轨迹影响大，尤其是对小直径的粒子，但是由于排气温度高，粒子溶液蒸发，就是碰撞到管道壁面，也会很快蒸发，而不会结晶。高温管道壁面对粒子起到加速蒸发的作用。但是假设粒子沉积后降低了壁面温度，则壁面对粒子起到冷却的作用，更简洁发生沉积结晶现象。内容来自网络 2023-12-1810-4柴油机尿素SCR催化器技术图9 速度均匀性系数载体入口的速度均匀性及压力分布催化载体入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率。流速不均匀会在载体中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的劣化速度，缩短其使用寿命。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度过大，产生较大的热应力梯度，产生热疲乏破坏。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。速度均匀系数越大，入口的速度越均匀；系数越小，速度分布越不均匀。通常需要速度均匀系数在0.88为流过不同载体的气体流量安排，图9为速度均匀系数。通过各个载体的气体流量根本相等，避开了局部过热和流速过高的状况，保证了载体的运行环境。当国III排放标准的争议喧嚣还在进展之际，IV、国V标准也渐渐进入了人们的视野，对企业而言，只有选择了正确合理的技术路线，才有时机把握将来的市场主动权。为了保护环境，世界各国相继出台了掌握机动车尾气排放的法规。对于重型柴油机，为了应对日趋严格的排放法规，单纯的机内净化已很难满足要求；更多地是将其与机外净化〔后处理〕措施相结合。在中国，随着国Ⅲ法规的实施，国Ⅳ甚至国Ⅴ也渐行渐近，对企业而言，在省油时代，选择适宜的后处理技术路线已迫在眉睫。国内外排放法规及应对方案无论是欧洲还是美国，对于将来马上实施的标准，都主要针对NOx和PM排放实行了更为严格的限制。在中国，重型柴油车国Ⅲ/国Ⅳ/国Ⅴ排放标准已于2023年公布，技术内容等效于欧洲相应技术法规。估量在中国实施时间2023202320232023为了既满足日趋严格的排放法规，又降低柴油机的油耗，通常需要考虑以下三个方面：内容来自网络 2023-12-1810-5柴油机尿素SCR催化器技术1．提升燃油品质包括降低柴油中的硫含量、胶质含量，掌握多环芳烃含量、十六烷值，提高润滑性能、添加剂的使用等。2．柴油机机内净化机内净化技术包括电控高压燃油喷射技术、增压中冷技术、废气再循环〔EGR〕技术、多气门技术、可变涡流进气道技术、可变压缩比技术、均质混合压燃技术〔HCCI〕以及优化燃烧室构造和参数的相关技术等。图2 EGR+DOC+DPF系统原理图3．柴油机机外净化在几近苛刻的欧Ⅳ/国Ⅴ排放法规面前，仅依靠以上的技术还是不够的，必需综合使用排气后处理技术来掌握排放。国际上，绝大局部发动机制造商都是在改进欧Ⅲ发动机的根底上，再加上SCR或EGR+DOC+DPF来实现的。后处理技术路线SCRSCR系统是通过机内净化降低PM排放，然后利用SCR系统降低NOxPMNOx1。EGREGR系统，通过EGRNOxDOC〔氧化催化剂〕或者DOC+DPF〔颗粒物过滤器〕将TPM〔总颗粒物〕排放降低到满足标准的要求。根本工作原理可参见图2。EGR内容来自网络 2023-12-1810-6柴油机尿素SCR催化器技术EGR+DOC：通过EGRNOxDOC以降低TPM排放。斯堪尼亚在EGR220MPaDOC，实现了欧Ⅳ排放。图3 主动再生DPF和被动再生DPF工作原理示意图EGR+DOC+DPF：依据过滤器再生方式不同，又分为主动再生型和被动再生型，参见图3。①主动再生型：通过发动机缸内后喷燃油或者在排气管中喷入燃油，燃油在DOC内燃烧供给DPF再生所需要的高温，从而到达削减DPF②被动再生型：废气中的NODOC内反响生成NO2，NOs于欧美在用车改造；但是，由于被动再生需要低硫燃油，同时还受到发动机工况、负载以及排温的影响，所以在安装被动再生系统之前肯定要保证能够供给再生所需要的条件。目前，欧美国家单纯地承受被动再生技术已经越来越少。另外，也有制造商使用EGR+DOC+POC〔流通式颗粒捕集器〕系统作为一种过渡技术到达欧Ⅳ排放。该系统需要与被动再生DPF不同技术路线之比较分析表对可实现国Ⅳ/国Ⅴ排放性能的两大主流技术SCR和EGR+DOC+DPF和机油的要求以及经济性能等四个主要性能进展了比较。通过比较，我们不难得到如下结论：SCR对发动机本体改动小，发动机耐久性好，燃油经济性好，对燃油油品和机油品质要求较低，没有催化器堵塞的风险，技术升级连续性较好，不需要喷油再生掌握装置〔相对主动再生DPF〕，对发动机的使用和修理保养费用较低。但是，SCRSCREGR+DOC+DPF对于被动再生系统而言，油耗偏高，需要增加EGR及其冷却系统，需要超低硫含量的燃油以及高品质润滑油，对发动机本身及后处理的维护保养要求较高，否则会影响发动机寿命并可能造成催化器堵塞风险，技术连续升级性内容来自网络 2023-12-1810-7柴油机尿素SCR催化器技术较差。不过，被动再生系统不需要增加尿素喷射系统，对封装的要求也较低。对于主动再生系统而言，除了要满足上述被动再生系统的要求之外，还需要增加喷油再生装置并做更简单的标定，增加了开发本钱以及标定难度。EGR+DOC+DPF国外技术选择及执行阅历从国外的实际状况来看：在欧洲，大局部国家选择SCR作为主流的技术路线；在美国，则主要选择EGR+DOC+DPF技术路线。欧洲的大局部厂商之所以选择SCR技术来满足欧Ⅳ/欧Ⅴ排放标准，主要是出于本钱因素，欧洲的燃油价格很高，SCR技术较好的燃油经济使该技术成为首选。固然，在有些地方仍旧需要承受EGR+DOC+DPF技术，由于某些地方仍旧规定未加装颗粒过滤器的车辆不得进入市区。而目前美国主要承受主动再生EGR+DOC+DPF技术来满足US2023排放法规。缘由在于，美国的燃油价格比较低，尿素供给系统及其相关根底设施建设尚未健全；同时，US2023HDD240000km也在肯定程度上阻挡了SCRSCR5000km，就要添加一次尿素。因此如要承受SCREPA公布了认证SCR程序〔EPA-HQ-OAR-2023-0886-0002〕，SCR对于要求更高的欧Ⅵ以及美国EPA2023排放标准，单纯的靠SCR或者EGR+DOC+DPF两者相结合才能满足要求。最近，戴姆勒宣布其BlueTec系统将承受SCR技术以满足美国EPA2023明斯近日也宣布在其中型柴油机上使用SCREPA2023。尚待解决的几个问题对于低硫柴油的供给，政府须起到催促和促进的作用。欧洲打算将从2023年起在欧洲全面使用无硫柴油〔硫含量低于10ppm〕，实施时间比原打算提早了两年。美国环境保护署规定从202315ppm。而我国欧Ⅳ的柴油标准还待尽快出台。尿素供给可以参考国外的相关阅历，比方在欧洲是由尿素生产商、车辆制造商、石油公司甚至一些物流公司共同6000多个尿素供给点。比方，在效劳区、车辆修理站、加油站以及汽车专卖店等地点供给尿素复原剂。可利用便携式的尿素罐来供给尿素〔常见如5、10L和18；也可以设置和加注燃料一样的尿素泵，供给尿素。对于卡车车队或者公交公司等，可以在本单位内部设置中小型的散装容器，储存尿素以备使用。可供选择的有中型散装容器以及小型散装容器。国Ⅳ/国Ⅴ技术路线的选择在中国，为了满足国Ⅳ/国V排放法规，需要找到一条既经济又可行的适合中国国情的后处理技术路线。我国在技术路线选择时需要考虑以下几方面问题：一、国Ⅲ发动机及其国Ⅳ、国Ⅴ升级，我们还有很长的路要走。二、国Ⅳ及国Ⅴ发动机，不仅要配备电控高压共轨系统，还要配备排气后处理系统以及OBD系统。目前，相应技术和产品在中国还处于起步阶段，本钱较高。随着国Ⅳ排放的普及，相应的产品批量供货之后，估量本钱方面的压力会有所减轻。三、国Ⅳ法规的实际执行存在治理难度，此外还有国Ⅳ车辆的生产全都性以及在用车符合性监管，尿素的使用以及低硫柴油的供给等问题。内容来自网络 2023-12-1810-8柴油机尿素SCR催化器技术SCR系统和EGR+DOC+DPF从北京奥运会期间国Ⅳ实施的实际状况来看，北京成功运行了约4500辆承受SCR技术的公交柴油车，由公交公司负责尿素供给。沈阳、杭州、广州等其他城市也在试验这种车辆。玉柴对配置YC6L(177kW)发动机的公交车运行在城区和城郊工况下的节能、减排效果进展了测试。初步测试结3060t/〔年千台〕，NOx720〔城区〕～840〔城郊〕t/〔年千台〕，PM排放下降3.6t/〔年千台〕；二、使用国Ⅴ发动机相对国Ⅲ同型号发动机，油耗年千台〕，NOx780〔城区〕～964〔城郊〕t/〔年千台〕，PM3.6t/〔年千台〕；2.1～2.8L/100km2.5～3L/100km30000km720L。从国外的实际状况看，无论是选取SCR还是EGR+DOC+DPF的路线，都是成熟技术，都是可行的方案。但是考虑到中国的国情，对于我国的国Ⅳ/国Ⅴ排放的技术路线，笔者有以下建议：1.SCR〔催化复原〕技术路线综合考虑各种因素，承受SCR技术应当是符合中国国情的首要之选。主要是由于：承受SCR/国Ⅴ发动机燃油经济性好。SCRSCR/国Ⅴ发动机对燃油和机油要求较低。SCR内容来自网络 2023-12-1810-9柴油机尿素SCR催化器技术SCR我国具备在全国范围内建设尿素根底设施的条件。2.EGR〔废气再循环〕技术路线由于主动再生EGR+DOC+DPF技术TPM〔总颗粒物IV格外简单，发动机开发周期较长，本钱也较大，所以国IV而作为过渡阶段的被动再生EGR+DOC+POC技术，由于被动再生受到很多发动机使用工况的限制，往往