柴油機尿素SCR催化器技術(shù)利用STAR-CD對重型柴油機SCR系統(tǒng)進展布置優(yōu)化圖1 SCR系統(tǒng)原理圖尿素選擇性催化復(fù)原系統(tǒng)SC〕NOX排放的一種有效方式。利用計算流體力學(xué)軟件STAR-CD來模擬混和管中尿素水溶液的噴霧狀況，通過計算優(yōu)化排氣管道外形以及噴射位置和噴射角度，避開尿素水溶液撞壁消滅沉積，堵塞管路。209020237202311大都通過機內(nèi)凈化降低碳煙SCR系統(tǒng)降低NOXNOX圖2 SCR系統(tǒng)網(wǎng)格和邊界條件位置圖內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-1柴油機尿素SCR催化器技術(shù)SCR系統(tǒng)包括：尿素水溶液儲罐、輸送裝置、計量裝置、噴射裝置、催化器以及溫度和排氣傳感器等。系統(tǒng)的根本工作原理是〔見圖1〕：尾氣從渦輪出來后進入排氣混和管，在混和管上安裝有尿素計量噴射裝置，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反響后生成NH3，SCR系統(tǒng)催化劑外表利用NH3NOXN2，多余NH3也被復(fù)原為N2，防止泄漏。一般狀況下，消耗100L5LSCR的化學(xué)反響如下：：〔NH2〕2CO+H2O→2NH3+CO2NOX復(fù)原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH34NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的簡單的物理和化學(xué)反響包括：尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、尿素的水解和熱解氣相化學(xué)反響以及NOX在催化劑外表與NH3發(fā)生的催化外表化學(xué)反響。利用數(shù)值模擬爭論這些過程，可以優(yōu)化混和管路的設(shè)計和尿素噴射裝置的布置，從而優(yōu)化SCR圖3 在某一位置不同的噴射方向本文介紹了在某重型國Ⅳ柴油機的開發(fā)過程中，利用CFD工具對管道的幾何外形、尿素噴射裝置的位置及噴射角度進展優(yōu)化設(shè)計，從而保證在混和管路不消滅粒子撞壁后的結(jié)晶。通過對SCR載體入口速度均勻性和整個載體的壓力損失狀況進展計算分析，保證載體入口速度分布均勻，整個系統(tǒng)產(chǎn)生較小的壓力損失。計算物理模型及邊界條件整個SCR2所示。其中管路承受六面體和O-gridSCR內(nèi)部承受四周體網(wǎng)格，SCR內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-2柴油機尿素SCR催化器技術(shù)圖4 水平方向噴射粒子運動軌跡尿素水溶液噴霧模擬是一個簡單的過程，其中包括液滴的霧化、裂開、蒸發(fā)、液滴與氣體能量動量交換、粒子撞壁過程及液膜形成等。一般承受DDM方法來描述離散液滴分布，它不考慮全部液滴，而只處理其中假設(shè)干具有代表性的樣本。每個樣本都代表肯定數(shù)量的、大小和狀態(tài)都完全一樣的液滴。用拉格朗日方法跟蹤這些液滴樣本的運動，即求解描述其運動軌跡和傳熱傳質(zhì)過程的一組微分方程。Reitz/Diwakar的裂開模型用來模擬裂開過程。尿素水溶液的特性依據(jù)SAE上供給的物理特性來設(shè)置。本次計算沒有考慮尿素水溶液的水解、熱解等化學(xué)反響特性，以水蒸氣的分布來代替NH3圖5 向下偏5°方向噴射粒子運動軌跡計算結(jié)果分析SCR系統(tǒng)混和管的布置設(shè)計對SCR的工作是對混和管進展優(yōu)化設(shè)計，包括管道的幾何外形、尿素噴射裝置的位置和噴射角度等。本文主要利用CFD工具對兩個噴射位置不同噴射角度進展優(yōu)化設(shè)計，從而保證在混和管路不消滅粒子撞壁后的結(jié)晶。圖3中的紅色線條代表噴射方向與水平方向全都，藍色線條代表噴射方向向下偏離水平方向5°，綠色線條代表噴射方向向下10°。圖6 向下偏10°方向噴射粒子運動軌跡內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-3柴油機尿素SCR催化器技術(shù)優(yōu)化后粒子軌跡4～6172圖7 向下偏5°方向噴射粒子運動軌跡計算說明在低負荷時，粒子軌跡受排氣流的影響較小，粒子沿著噴射方向運動，與壁面碰撞的粒子數(shù)量少。但是在大負荷下，粒子受排氣流的影響較大，粒子被吹向管道的一側(cè)，簡潔在壁面形成液膜。由于噴射的粒子大小不一，體積較小的粒子最簡潔被吹偏。圖8 質(zhì)量流量百分比安排結(jié)晶主要消滅在小負荷的狀況下，此時排氣流量速度低，對粒子的運動軌跡影響小。假設(shè)安裝角度偏差，粒子就會與管道壁面碰撞，消滅結(jié)晶現(xiàn)象。而對于大負荷，雖然氣流對粒子軌跡影響大，尤其是對小直徑的粒子，但是由于排氣溫度高，粒子溶液蒸發(fā)，就是碰撞到管道壁面，也會很快蒸發(fā)，而不會結(jié)晶。高溫管道壁面對粒子起到加速蒸發(fā)的作用。但是假設(shè)粒子沉積后降低了壁面溫度，則壁面對粒子起到冷卻的作用，更簡潔發(fā)生沉積結(jié)晶現(xiàn)象。內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-4柴油機尿素SCR催化器技術(shù)圖9 速度均勻性系數(shù)載體入口的速度均勻性及壓力分布催化載體入口的速度分布是否均勻直接影響催化劑的催化轉(zhuǎn)化效率。流速不均勻會在載體中心區(qū)域產(chǎn)生過高的氣流速度和溫度，加劇催化劑的劣化速度，縮短其使用壽命。另外，流速分布不均勻還會導(dǎo)致載體徑向溫度梯度過大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力梯度，產(chǎn)生熱疲乏破壞。通常利用速度均勻性系數(shù)來評價入口的速度是否均勻。速度均勻系數(shù)越大，入口的速度越均勻；系數(shù)越小，速度分布越不均勻。通常需要速度均勻系數(shù)在0.88為流過不同載體的氣體流量安排，圖9為速度均勻系數(shù)。通過各個載體的氣體流量根本相等，避開了局部過熱和流速過高的狀況，保證了載體的運行環(huán)境。當(dāng)國III排放標(biāo)準(zhǔn)的爭議喧囂還在進展之際，IV、國V標(biāo)準(zhǔn)也漸漸進入了人們的視野，對企業(yè)而言，只有選擇了正確合理的技術(shù)路線，才有時機把握將來的市場主動權(quán)。為了保護環(huán)境，世界各國相繼出臺了掌握機動車尾氣排放的法規(guī)。對于重型柴油機，為了應(yīng)對日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，單純的機內(nèi)凈化已很難滿足要求；更多地是將其與機外凈化〔后處理〕措施相結(jié)合。在中國，隨著國Ⅲ法規(guī)的實施，國Ⅳ甚至國Ⅴ也漸行漸近，對企業(yè)而言，在省油時代，選擇適宜的后處理技術(shù)路線已迫在眉睫。國內(nèi)外排放法規(guī)及應(yīng)對方案無論是歐洲還是美國，對于將來馬上實施的標(biāo)準(zhǔn)，都主要針對NOx和PM排放實行了更為嚴(yán)格的限制。在中國，重型柴油車國Ⅲ/國Ⅳ/國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)已于2023年公布，技術(shù)內(nèi)容等效于歐洲相應(yīng)技術(shù)法規(guī)。估量在中國實施時間2023202320232023為了既滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，又降低柴油機的油耗，通常需要考慮以下三個方面：內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-5柴油機尿素SCR催化器技術(shù)1．提升燃油品質(zhì)包括降低柴油中的硫含量、膠質(zhì)含量，掌握多環(huán)芳烴含量、十六烷值，提高潤滑性能、添加劑的使用等。2．柴油機機內(nèi)凈化機內(nèi)凈化技術(shù)包括電控高壓燃油噴射技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)〔EGR〕技術(shù)、多氣門技術(shù)、可變渦流進氣道技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)〔HCCI〕以及優(yōu)化燃燒室構(gòu)造和參數(shù)的相關(guān)技術(shù)等。圖2 EGR+DOC+DPF系統(tǒng)原理圖3．柴油機機外凈化在幾近苛刻的歐Ⅳ/國Ⅴ排放法規(guī)面前，僅依靠以上的技術(shù)還是不夠的，必需綜合使用排氣后處理技術(shù)來掌握排放。國際上，絕大局部發(fā)動機制造商都是在改進歐Ⅲ發(fā)動機的根底上，再加上SCR或EGR+DOC+DPF來實現(xiàn)的。后處理技術(shù)路線SCRSCR系統(tǒng)是通過機內(nèi)凈化降低PM排放，然后利用SCR系統(tǒng)降低NOxPMNOx1。EGREGR系統(tǒng)，通過EGRNOxDOC〔氧化催化劑〕或者DOC+DPF〔顆粒物過濾器〕將TPM〔總顆粒物〕排放降低到滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。根本工作原理可參見圖2。EGR內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-6柴油機尿素SCR催化器技術(shù)EGR+DOC：通過EGRNOxDOC以降低TPM排放。斯堪尼亞在EGR220MPaDOC，實現(xiàn)了歐Ⅳ排放。圖3 主動再生DPF和被動再生DPF工作原理示意圖EGR+DOC+DPF：依據(jù)過濾器再生方式不同，又分為主動再生型和被動再生型，參見圖3。①主動再生型：通過發(fā)動機缸內(nèi)后噴燃油或者在排氣管中噴入燃油，燃油在DOC內(nèi)燃燒供給DPF再生所需要的高溫，從而到達削減DPF②被動再生型：廢氣中的NODOC內(nèi)反響生成NO2，NOs于歐美在用車改造；但是，由于被動再生需要低硫燃油，同時還受到發(fā)動機工況、負載以及排溫的影響，所以在安裝被動再生系統(tǒng)之前肯定要保證能夠供給再生所需要的條件。目前，歐美國家單純地承受被動再生技術(shù)已經(jīng)越來越少。另外，也有制造商使用EGR+DOC+POC〔流通式顆粒捕集器〕系統(tǒng)作為一種過渡技術(shù)到達歐Ⅳ排放。該系統(tǒng)需要與被動再生DPF不同技術(shù)路線之比較分析表對可實現(xiàn)國Ⅳ/國Ⅴ排放性能的兩大主流技術(shù)SCR和EGR+DOC+DPF和機油的要求以及經(jīng)濟性能等四個主要性能進展了比較。通過比較，我們不難得到如下結(jié)論：SCR對發(fā)動機本體改動小，發(fā)動機耐久性好，燃油經(jīng)濟性好，對燃油油品和機油品質(zhì)要求較低，沒有催化器堵塞的風(fēng)險，技術(shù)升級連續(xù)性較好，不需要噴油再生掌握裝置〔相對主動再生DPF〕，對發(fā)動機的使用和修理保養(yǎng)費用較低。但是，SCRSCREGR+DOC+DPF對于被動再生系統(tǒng)而言，油耗偏高，需要增加EGR及其冷卻系統(tǒng)，需要超低硫含量的燃油以及高品質(zhì)潤滑油，對發(fā)動機本身及后處理的維護保養(yǎng)要求較高，否則會影響發(fā)動機壽命并可能造成催化器堵塞風(fēng)險，技術(shù)連續(xù)升級性內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-7柴油機尿素SCR催化器技術(shù)較差。不過，被動再生系統(tǒng)不需要增加尿素噴射系統(tǒng)，對封裝的要求也較低。對于主動再生系統(tǒng)而言，除了要滿足上述被動再生系統(tǒng)的要求之外，還需要增加噴油再生裝置并做更簡單的標(biāo)定，增加了開發(fā)本錢以及標(biāo)定難度。EGR+DOC+DPF國外技術(shù)選擇及執(zhí)行閱歷從國外的實際狀況來看：在歐洲，大局部國家選擇SCR作為主流的技術(shù)路線；在美國，則主要選擇EGR+DOC+DPF技術(shù)路線。歐洲的大局部廠商之所以選擇SCR技術(shù)來滿足歐Ⅳ/歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，主要是出于本錢因素，歐洲的燃油價格很高，SCR技術(shù)較好的燃油經(jīng)濟使該技術(shù)成為首選。固然，在有些地方仍舊需要承受EGR+DOC+DPF技術(shù)，由于某些地方仍舊規(guī)定未加裝顆粒過濾器的車輛不得進入市區(qū)。而目前美國主要承受主動再生EGR+DOC+DPF技術(shù)來滿足US2023排放法規(guī)。緣由在于，美國的燃油價格比較低，尿素供給系統(tǒng)及其相關(guān)根底設(shè)施建設(shè)尚未健全；同時，US2023HDD240000km也在肯定程度上阻擋了SCRSCR5000km，就要添加一次尿素。因此如要承受SCREPA公布了認證SCR程序〔EPA-HQ-OAR-2023-0886-0002〕，SCR對于要求更高的歐Ⅵ以及美國EPA2023排放標(biāo)準(zhǔn)，單純的靠SCR或者EGR+DOC+DPF兩者相結(jié)合才能滿足要求。最近，戴姆勒宣布其BlueTec系統(tǒng)將承受SCR技術(shù)以滿足美國EPA2023明斯近日也宣布在其中型柴油機上使用SCREPA2023。尚待解決的幾個問題對于低硫柴油的供給，政府須起到催促和促進的作用。歐洲打算將從2023年起在歐洲全面使用無硫柴油〔硫含量低于10ppm〕，實施時間比原打算提早了兩年。美國環(huán)境保護署規(guī)定從202315ppm。而我國歐Ⅳ的柴油標(biāo)準(zhǔn)還待盡快出臺。尿素供給可以參考國外的相關(guān)閱歷，比方在歐洲是由尿素生產(chǎn)商、車輛制造商、石油公司甚至一些物流公司共同6000多個尿素供給點。比方，在效勞區(qū)、車輛修理站、加油站以及汽車專賣店等地點供給尿素復(fù)原劑?？衫帽銛y式的尿素罐來供給尿素〔常見如5、10L和18；也可以設(shè)置和加注燃料一樣的尿素泵，供給尿素。對于卡車車隊或者公交公司等，可以在本單位內(nèi)部設(shè)置中小型的散裝容器，儲存尿素以備使用。可供選擇的有中型散裝容器以及小型散裝容器。國Ⅳ/國Ⅴ技術(shù)路線的選擇在中國，為了滿足國Ⅳ/國V排放法規(guī)，需要找到一條既經(jīng)濟又可行的適合中國國情的后處理技術(shù)路線。我國在技術(shù)路線選擇時需要考慮以下幾方面問題：一、國Ⅲ發(fā)動機及其國Ⅳ、國Ⅴ升級，我們還有很長的路要走。二、國Ⅳ及國Ⅴ發(fā)動機，不僅要配備電控高壓共軌系統(tǒng)，還要配備排氣后處理系統(tǒng)以及OBD系統(tǒng)。目前，相應(yīng)技術(shù)和產(chǎn)品在中國還處于起步階段，本錢較高。隨著國Ⅳ排放的普及，相應(yīng)的產(chǎn)品批量供貨之后，估量本錢方面的壓力會有所減輕。三、國Ⅳ法規(guī)的實際執(zhí)行存在治理難度，此外還有國Ⅳ車輛的生產(chǎn)全都性以及在用車符合性監(jiān)管，尿素的使用以及低硫柴油的供給等問題。內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-8柴油機尿素SCR催化器技術(shù)SCR系統(tǒng)和EGR+DOC+DPF從北京奧運會期間國Ⅳ實施的實際狀況來看，北京成功運行了約4500輛承受SCR技術(shù)的公交柴油車，由公交公司負責(zé)尿素供給。沈陽、杭州、廣州等其他城市也在試驗這種車輛。玉柴對配置YC6L(177kW)發(fā)動機的公交車運行在城區(qū)和城郊工況下的節(jié)能、減排效果進展了測試。初步測試結(jié)3060t/〔年千臺〕，NOx720〔城區(qū)〕～840〔城郊〕t/〔年千臺〕，PM排放下降3.6t/〔年千臺〕；二、使用國Ⅴ發(fā)動機相對國Ⅲ同型號發(fā)動機，油耗年千臺〕，NOx780〔城區(qū)〕～964〔城郊〕t/〔年千臺〕，PM3.6t/〔年千臺〕；2.1～2.8L/100km2.5～3L/100km30000km720L。從國外的實際狀況看，無論是選取SCR還是EGR+DOC+DPF的路線，都是成熟技術(shù)，都是可行的方案。但是考慮到中國的國情，對于我國的國Ⅳ/國Ⅴ排放的技術(shù)路線，筆者有以下建議：1.SCR〔催化復(fù)原〕技術(shù)路線綜合考慮各種因素，承受SCR技術(shù)應(yīng)當(dāng)是符合中國國情的首要之選。主要是由于：承受SCR/國Ⅴ發(fā)動機燃油經(jīng)濟性好。SCRSCR/國Ⅴ發(fā)動機對燃油和機油要求較低。SCR內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò) 2023-12-1810-9柴油機尿素SCR催化器技術(shù)SCR我國具備在全國范圍內(nèi)建設(shè)尿素根底設(shè)施的條件。2.EGR〔廢氣再循環(huán)〕技術(shù)路線由于主動再生EGR+DOC+DPF技術(shù)TPM〔總顆粒物IV格外簡單，發(fā)動機開發(fā)周期較長，本錢也較大，所以國IV而作為過渡階段的被動再生EGR+DOC+POC技術(shù)，由于被動再生受到很多發(fā)動機使用工況的限制，往往