柴油机排气后处理系统应用的关键科学问题研究

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1、柴油机排气后处理系统应用的关键科学问题研究冯向宇2015年1月中图分类号：TK421+.5UDC分类号：621柴油机排气后处理系统应用的关键科学问题研究作者姓名冯向宇学院名称机械与车辆学院指导教师马朝臣教授答辩委员会主席张付军教授申请学位级别工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月StudyontheKeyScientificProblemsoftheDieselExhaustAftertreatmentSystemsCandidateName：XiangyuFengSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFac

2、ultyMentor:Prof.ChaochenMaChair,ThesisCommittee:Prof.FujunZhangDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015北京理工大学博士学位论文摘要随着柴油机排放标准的不断加严，仅靠机内净化已经无法满足要求，排气后处理技术已经成为满足排放法规的关键部件。由于重型柴油车在实际道路上的排放情况和柴油机在台架上认证工况的差异，导致实

3、际柴油机排放和柴油车排放之间的差异，例如POC可能出现“吹灰”的问题，尿素SCR系统则出现了沉积物堵塞排气管路导致柴油机功率大幅度下降，以及在城市工况下由于交通状况不良而导致实际NOx转化效率低下，实际柴油车NOx排放高于预期的问题。论文以重型增压中冷柴油机为研究对象，针对上述应用中的关键科学问题对柴油机排气后处理系统进行了系统研究。研究发现：在中高负荷下，POC能显著提高柴油机排气中NO2/NOx的比例，在大多数发动机工况下POC可以促进NO2的生成，经过POC后，NO2/NOx的比例平均升高了4.5倍左右。连续稳态工况下POC后会频繁出现瞬时异常颗粒物排放现象，异常排放阶段颗粒物排放数量

4、浓度可增加两个数量级以上。POC后颗粒物数量浓度呈现随时间增加而增加的趋势，说明POC的综合效率随使用时间递减。使用傅立叶红外技术和热重分析联用法，对尿素SCR系统沉积物的成分和成因进行了研究，研究发现：SCR尿素喷嘴处沉积物的主要成分为尿素、缩二脲和三聚氰酸的混合物，排气管壁处沉积物主要成分为三聚氰酸。尿素沉积的主要原因是低温、尿素溶液蒸发吸热及缺乏气流扰动导致；三聚氰酸形成机理是在高温下由尿素分解出的异氰酸直接聚合而成。对尿素SCR系统低温反应特性以及不同氨氮比对SCR影响的试验研究结果发现：在200°C以下NOx转化效率较低，氨氮比为1.0时不超过25%。在222°C以下氨氮比对NOx

5、转化效率影响并不明显，在234°C~270°C范围，NOx转化效率随氨氮比的增加而呈升高趋势，并且涨幅也随温度的升高而升高。ESC工况下，钒基SCR除了A25、B25、C25三个工况外其余工况下NOx转化效率较高，而铜铁复合SCR在这三个工况下的NOx转化效率明显高于钒基SCR，分别提高了7.9%，17.4%和24.1%。尿素SCR储氨特性的试验研究结果发现：固定空速下，从尿素起喷到该工况下最大NOx转化效率所用时间与达到饱和储氨量的时间均随温度升高呈减小趋北京理工大学博士学位论文势；各工况下饱和储氨量随温度增加呈下降趋势。固定催化剂入口温度，从尿素起喷到该工况下最大NOx转化效率所用时间与

6、达到饱和储氨量的时间均随空速增加呈减小趋势；各工况下饱和储氨量随空速增加呈下降趋势。不同氨氮比下的氨泄漏量随温度的升高呈先升高后降低的趋势，随空速增加而升高。利用AVLBoost软件建立了SCR催化器反应模型，并基于MATLAB/Simulink软件平台建立了基于脉谱的SCR系统尿素喷射量控制策略模型，并与经过化学动力学参数优化后的SCR催化反应模型进行耦合计算，进行了瞬态工况的离线仿真，实现了瞬态认证工况排放预测的目的。依据ETC和WHTC瞬态工况的原机试验数据以及仿真后结果表明：WHTC试验循环的平均温度低于ETC，ETC循环的平均NOx转化效率为83.88%，而热启和冷启WHTC循环分

7、别为76.57%和51.82%。对加装电加热器（EHC）的尿素SCR系统的排放特性的试验研究结果表明：在20000h-1空速下，开启EHC后，SCR入口温度平均提高了20°C左右；开启EHC后，SCR入口温度的升幅和NOx转化效率升幅均随着空速的升高呈降低趋势，而NOx转化效率的增幅随入口温度的升高而增加；EHC在较低空速下，以及SCR入口温度高于180°C的工况下展现出较好的提高SCR低温特性能力。关键词：