柴油机scr尾气后处理系统模拟及验证

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1、2017AVL先进模拟技术中国用户大会论文柴油机SCR尾气后处理系统模拟及验证亓平（博世汽车）[摘要]本文采用计算流体力学的方法，运用AVL-FIRE软件对某选择性催化还原系统进行模拟，研究分析了催化器的背压，流场，尿素液滴分布，氨气分布等。模拟结果表明此催化器的背压相对较小，尿素与排气混合充分，SCR入口的速度均匀性，氨气均匀性达到较高水平。同时，实验结果显示，此催化器箱达到ESC及ETC排放法规，并通过尿素结晶实验。关键词：柴油机，氮氧化物排放，选择性催化还原，数值模拟主要软件：AVLFIREN

2、umericalSimulationandValidationonDieselUrea-SCRSystemQiPingRBCD[Abstract]BasedonthemethodofCFD,ThegasflowandsprayinUrea-SCRsystemweresimulatedandanalyzedbyCFDsoftwareAVL-FIRE.Thesimulationresultsare,SystemPressure,exhaustflowbehavior,flowdistribution,d

3、ropletsdistribution,andNH3distributionespeciallyonSCRsubstrate.Thesimulationshowsrelativesmallerbackpressure,goodmixingofdropletsandexhaustgas,highvelocityandNH3uniformity.Meanwhile,thetestresultshowstheBoxcanachievetheESCandETCemissionstandards,alsopa

4、ssthecrystallizationcycletest.Keywords:Diesel,NOXEmission,SCR,NumericalSimulationSoftware:AVLFIRE引言氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)是柴油机的主要排放污染物，已成为大气污染的主要来源。世界各国都已制定排放法规和标准来限制柴油机的NOX和PM排放。为降低柴油机的NOX排放，国内外已经出现多种技术方案和手段。其中Urea-SCR技术被认为是减少汽车NOX排放最有前景的技术[1]。车用SCR技术在国外研究较

5、为成熟，已经在欧美发达国家得到了广泛的应用[2]。因其抗硫性能好，SCR技术也被认为是我国车用柴油机实现未来排放法规的技术路线[3]。车用SCR系统中合理的管路布置和催化器结构尺寸可以改善还原剂在催化器内的分布，提高SCR转化效率，还可以降低SCR系统中尿素在排气管中的结晶风险。建立SCR系统工作过程的模型,利用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,获得尿素水溶液雾化，混合等模拟结果，可以为SCR催化器混合概念设计和优化提供依据，缩短研发周期，节省开发成本。2017AVL先进模拟技术中国用户大会论文本

6、文运用AVL-FIRE软件对尾气后处理SCR系统中的催化器进行了三维数值模拟，建立的模型，实现了整个催化器箱的气体流动及喷雾计算。1.Urea-SCR系统尿素选择性催化还原技术基本原理是将一定量尿素溶液雾化喷入排气管中，尿素溶液在高温排气中蒸发，热解和水解生成还原剂氨气(NH3)，氨气(NH3)在催化剂的作用下与废气中的NOX发生选择性催化还原反应，生成氮气和水，从而降低柴油机NOX排放。Urea-SCR系统主要由控制单元、尿素箱、尿素泵、喷嘴、SCR催化器及相关液力管路和电气线束组成。控制单元主要

7、在发动机的不同工况下，基于排气量及温度的MAP下实现精确尿素喷射量，并有故障诊断功能。尿素泵把尿素箱里的尿素加压，并输送到尿素喷嘴中。喷嘴中电磁阀在控制单元的控制，实现精确开启及关闭，尿素溶液以液滴的形式被喷入排气管中。经过排气与液滴的混合，以及液滴的蒸发，热解，水解，形成均匀的混合气体。以便NOx和NH3在SCR催化器上进行充分的化学反应。图1是Urea-SCR系统结构示意图。图1Urea-SCR系统结构示意图本研究进行了相关发动机台架试验。该发动机的详细性能参数如表1所示，试验中采用HORIBA

8、的MEXA-7100D气体分析仪检测催化器前后的NOX，THC和CO等气体浓度。根据GB17691-2005《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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》的要求进行试验。表1试验发动机参数项目参数型式直列、水冷、6行程排量/L12进气方式增压中冷燃油系统电控高压共轨额定功率[kW]/转速[r·min-1]320/1900最大扭矩[N·m]/转速[r·min-1]2100Nm/1200-14002017AVL先进模拟技术中国