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逆流式混合器的设计及尿素结晶风险评估方法研究

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汽车工程 2019年第12期41卷 1370-1376,1383页

作者：韩峰张晓丽王意宝胡晓艳王霞石代龙潍柴动力股份有限公司发动机研究院潍坊261205 山东大学济南250061

传统双层管SCR混合器在排气温度低的工况易在混合器壁面形成尿素结晶。为解决此问题,设计了一种新型逆流式SCR混合器及其与喷嘴座的集成布置方案。利用CFD技术和台架试验相结合验证了逆流式混合器的预防尿素结晶能力和对NOx排放的影响,... 详细信息

传统双层管SCR混合器在排气温度低的工况易在混合器壁面形成尿素结晶。为解决此问题,设计了一种新型逆流式SCR混合器及其与喷嘴座的集成布置方案。利用CFD技术和台架试验相结合验证了逆流式混合器的预防尿素结晶能力和对NOx排放的影响,并对尿素结晶机理及尿素结晶风险评估方法进行了深入研究,提出了基于“尿素结晶能量因子”比较不同工况尿素结晶风险的方法。对逆流式SCR催化器进行台架瞬态排放测试试验和30 h发动机台架尿素结晶验证试验,台架试验结果表明:逆流式结构混合器的瞬态NOx转化率提高了1.8%,30 h台架尿素结晶试验表明逆流式混合器壁面未出现尿素结晶。

关键词：逆流式混合器尿素结晶能量因子法 CFD技术

混合器对国六柴油机选择性催化还原系统尿素结晶的影响

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内燃机工程 2021年第2期42卷 31-37页

作者：李江飞牛雨飞朱海艳王龙飞薛红娟张强无锡亿利环保科技有限公司无锡214000 河北亿利科技股份有限公司邢台054800 一汽解放大连柴油机有限公司大连116600 山东大学能源与动力工程学院济南250061

针对国六柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统尿素结晶问题,设计了两种不同的混合器结构。利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对两种混合器方案的尿素碰壁位置、尿素轨迹、气流... 详细信息

针对国六柴油机选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)后处理系统尿素结晶问题,设计了两种不同的混合器结构。利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对两种混合器方案的尿素碰壁位置、尿素轨迹、气流速度、流速均匀性、NH_3均匀性、压力损失等进行了仿真分析和对比,最后通过发动机台架试验验证两种方案的排放性能和结晶性能。CFD分析及试验结果表明:方案二的气流速度、流速均匀性和NH_3均匀性都优于方案一,而方案一的压力损失小于方案二;方案一台架试验的结晶质量为608g,不满足主机厂要求,方案二台架试验的结晶质量为6g,满足主机厂要求。CFD分析和试验结果趋势一致,表明CFD分析是合理有效的。

关键词：选择性催化还原混合器尿素结晶柴油机国六

国Ⅴ柴油机SCR系统结构对尿素结晶影响研究

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车用发动机 2017年第6期 65-70页

作者：冯刚王奉双毛伟白冰郎俊宇郑贯宇内燃机可靠性国家重点实验室山东潍坊261061 潍柴动力空气净化科技有限公司山东潍坊261061 天纳克(苏州)排放系统有限公司江苏昆山215300

针对某国Ⅴ商用柴油车SCR系统中出现的结晶问题,综合应用CFD模拟和台架试验进行分析研究,提出一系列结构优化和改进方案,改善了SCR前流场状态以及流体的流动均匀性和尿素均匀性,基本消除了排气系统在实际工况下的结晶风险,提高了全系统... 详细信息

针对某国Ⅴ商用柴油车SCR系统中出现的结晶问题,综合应用CFD模拟和台架试验进行分析研究,提出一系列结构优化和改进方案,改善了SCR前流场状态以及流体的流动均匀性和尿素均匀性,基本消除了排气系统在实际工况下的结晶风险,提高了全系统的抗结晶能力,保证了SCR系统的正常运行。通过对模拟结果和台架试验数据的比对分析,研究了流场分布以及混合器结构对结晶形成产生的影响。

关键词：柴油机选择性催化还原结构优化尿素结晶

基于化学反应动力学的尿素结晶风险分析和预测

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基于化学反应动力学的尿素结晶风险分析和预测

作者：石代龙山东大学

学位级别：硕士

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是减少柴油机尾气中NOx的标准方法。但是,SCR技术中存在着严重的尿素结晶问题。尿素结晶会导致催化剂使用寿命降低,排气管路堵塞,排气背压升高,从而降低发动机经济性,甚至影响发动机... 详细信息

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)是减少柴油机尾气中NOx的标准方法。但是,SCR技术中存在着严重的尿素结晶问题。尿素结晶会导致催化剂使用寿命降低,排气管路堵塞,排气背压升高,从而降低发动机经济性,甚至影响发动机使用耐久性。SCR混合器结构是影响尿素结晶的重要因素之一。因此,研究一种准确预测尿素结晶风险的CFD方法,将其作为一种技术手段来指导混合器结构的设计优化,从而避免尿素结晶是解决上述问题的关键。本文基于相关学者提出的“用水替代尿素”模拟纯水的蒸发分解过程,分析SCR混合器壁面液膜厚度分布情况来预测尿素结晶的风险和位置的方法,建立了基于化学反应动力学的预测尿素结晶风险的CFD模型,从而提高了尿素结晶风险预测的准确性。主要工作如下:基于相关学者提出的“用纯水代替尿素”来模拟预测尿素结晶风险的CFD模型,建立了尿素水溶液液滴的多组分蒸发模型,通过发动机台架结晶试验验证了该模型的准确性,并通过与纯水模拟结果进行对比分析,验证了该模型的精确性。基于相关学者对尿素的分解及固态副产物(缩二脲、三聚氰酸等)生成的详细化学反应过程的研究,建立了尿素的详细分解模型,通过发动机台架结晶试验验证了模型的准确性。以上两种模型的结合,即是预测尿素结晶风险更为准确、精确的CFD模型,将其作为一种技术手段来指导传统SCR混合器的结构优化设计,运用该模型对提出的两种优化方案进行仿真分析,确定最佳优化方案。对最佳优化方案的SCR催化器及传统SCR催化器进行稳态点性能验证试验、瞬态ETC排放测试试验以及30h发动机台架尿素结晶验证试验研究。试验结果表明,与传统结构相比,最佳优化方案的结构NOx转化率明显提高,NOx排放明显降低,混合器壁面未出现尿素结晶,即从混合器结构优化设计的角度解决了尿素结晶的问题。

关键词：选择性催化还原尿素结晶化学反应动力学数值模拟试验研究

柴油发动机SCR系统尿素结晶问题的试验研究

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柴油发动机SCR系统尿素结晶问题的试验研究

作者：高铨鸿南京理工大学

学位级别：硕士

柴油发动机具有动力强、燃油经济性好、可靠等优点,被广泛应用于汽车、船舶、发电机组等领域,但其废气排放物却是很多污染事故的根源。我国VI重型柴油机的排放政策从2019年7月1日开始执行,预示着我国对发动机排放污染物的控制将逐渐收... 详细信息

柴油发动机具有动力强、燃油经济性好、可靠等优点,被广泛应用于汽车、船舶、发电机组等领域,但其废气排放物却是很多污染事故的根源。我国VI重型柴油机的排放政策从2019年7月1日开始执行,预示着我国对发动机排放污染物的控制将逐渐收紧。选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction,SCR）是一项被广泛运用的解决NO污染问题的有效手段,但SCR系统在低温下容易产生固态的尿素沉积物,这些尿素沉积物会降低尿素的转氨效率、NOx转化效率及NH均匀性,还会使发动机排气系统的背压升高,降低发动机的性能。本文主要通过试验方法对柴油机发动机SCR系统中的尿素结晶问题开展试验研究,主要从尿素结晶产生与分解机理、尿素结晶及其对发动机SCR系统性能的影响两个方面加以开展。首先,在尿素结晶产生与分解机理方面,为了实现在不同试验条件下研究尿素沉积物的产生、发展过程及其物化特性,本文设计了专用试验台架,可实现不同排气温度、排气流量及尿素喷射条件下尿素水溶液喷雾特性分析、尿素结晶过程分析、尿素结晶组分分析及尿素结晶微观形态分析等试验研究,以全面揭示尿素结晶产生与分解机制。其次,在尿素结晶及其对发动机SCR系统性能方面,本文在课题组所设计的SCR混合器样件基础上,通过发动机台架试验方式,对实际SCR系统的尿素结晶特性及其对NH分布均匀性、NOx转化效率、NH＿Slip特性的影响规律开展研究。在此基础上,针对喷雾混合不均、温度分布不均、流动盲区等问题而导致的尿素结晶恶化现象,从喷嘴位置、柱形混合器叶片角度、“Z”形挡板结构和锥形多孔板结构等方面对SCR混合器样件进行了改进设计并完成了台架试验。本文所取得的试验方法与试验结果,一方面可以用于SCR系统尿素结晶问题的机理探讨,另一方面也可用于SCR系统中关键参数的试验标定。

关键词：柴油发动机 SCR 尿素结晶混合器

Urea-SCR系统尿素水溶液喷雾特性及尿素结晶研究

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Urea-SCR系统尿素水溶液喷雾特性及尿素结晶研究

作者：付航江苏大学

学位级别：硕士

日益严格的柴油机尾气污染物排放法规对柴油机氮氧化物(NOx)和颗粒物(Particulate Matter,PM)排放提出了更高的要求。选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)作为针对NOx排放的一项技术,因其体积小、易安装被广泛应用... 详细信息

日益严格的柴油机尾气污染物排放法规对柴油机氮氧化物(NOx)和颗粒物(Particulate Matter,PM)排放提出了更高的要求。选择性催化还原技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)作为针对NOx排放的一项技术,因其体积小、易安装被广泛应用于柴油机尾气处理。然而由于该技术结构紧凑的特点,在排气管道内易发生尿素喷雾碰壁,于壁面形成液膜并蒸发形成尿素结晶,堵塞排气管道,增大排气背压,从而影响柴油机燃油经济性。本文首先利用激光粒子测速技术(Particle Image Velocimetry,PIV)测量了Urea-SCR系统单孔和三孔喷嘴的雾化特性,然后利用液相色谱质谱(Liquid Chromatography Mass Spectrometry,LC-MS)和热重分析(Thermogravimetric Analysis,TGA)表征方法分析了不同温度下尿素结晶成分。最后,通过仿真软件AVL＿FIRE搭建Urea-SCR系统数值模型,探究了不同类型混合器结构对流场分布、排气温度、NH分布、液膜生成位置、质量及面积的影响规律。主要研究内容如下:(1)利用PIV技术测量了单孔喷嘴和三孔喷嘴雾化特性,通过时间平均法得到了单孔喷嘴和三孔喷嘴喷雾在不同喷射压力、液体流量时速度场分布和喷雾锥角的变化。结果表明,随着轴向距离增加,单孔喷嘴和三孔喷嘴喷雾速度分布先增大后减小,其中三孔喷嘴具有较大的喷雾最大速度,且其最大速度出现位置离喷孔位置较远,在喷射压力为0.5MPa时有较大喷雾速度22.2 m/s,在液体流量为4000 m L/h时有较大喷雾速度19.4 m/s。随着径向距离增加,单孔喷嘴和三孔喷嘴喷雾速度分布逐渐减小,且单孔喷嘴具有较好的速度分布对称性。三孔喷嘴由于三孔同时进行喷射,具有更广的喷雾范围和喷雾锥角,在液体流量为1000m L/h时有较大喷雾锥角34°,此时尿素喷雾更易发生碰壁现象。(2)利用PID(Proportional Integral Derivative)控制加热台制备不同温度下的尿素水溶液蒸发结晶,利用LC-MS表征方法对尿素结晶进行了定性分析,利用TGA表征方法对尿素结晶进行了定量分析。结果表明,提高壁面温度是减少尿素结晶生成质量的有效手段,温度由200℃升至250℃时,尿素结晶质量变化较小,为2.5%。150℃-250℃尿素结晶主要物质为缩二脲和三聚氰酸,其占比约80%。300℃-350℃尿素结晶主要物质为三聚氰酸,剩余物质中主要为三聚氰胺以及少量三聚氰胺一酰胺和三聚氰胺二酰胺,其中三聚氰酸和三聚氰胺占比约78%。随着温度的升高,尿素结晶中缩二脲成分占比逐渐减少,三聚氰酸、三聚氰胺一酰胺和三聚氰胺二酰胺占比逐渐增加,其中三聚氰胺一酰胺和三聚氰胺二酰胺占比不超过5%。因此,为减少尿素结晶形成,提高Urea-SCR系统效率,应尽可能维持排气温度在350℃及以上。(3)基于Urea-SCR台架试验结果,利用仿真软件AVL＿FIRE搭建Urea-SCR系统数值模型,探究了不同类型混合器结构对流场分布、排气温度、NH分布、液膜生成位置、质量和面积的影响规律。结果表明,旋转式叶片结构能够有效促进排气中的NH的扩散,混合器1和3具有较好的NH混合均匀性,约为0.93。喷雾碰壁后形成的液膜流动方向与排气流动方向一致,在混合器与壁面之间的连接处易出现液膜堆积现象。混合器2和4对液膜的流动阻碍较小,有效的促进了液膜的蒸发,其排气管壁所形成液膜面积和质量较小,分别为15.6 cm和17.7 cm,且具有较高的NOx转化效率,分别为0.78和0.7。

关键词：柴油机选择性催化还原 PIV 尿素结晶混合器

尿素结晶形成机理及其对柴油机后处理器的影响分析

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内燃机与配件 2023年第23期 1-4页

作者：翟学超李劲松闫鹏勇白凤月中汽研汽车检验中心(天津)有限公司天津300300

本文应用11L国六柴油机以及高效SCR路线开展台架试验,以国六低硫柴油作为实验用油,设计一定的工况开展尿素结晶试验。在试验运行至不同时间点后,分别使用内窥镜对后处理器混合器进行探视,相应的时间点为运行至20h时、运行至40h时、运行... 详细信息

本文应用11L国六柴油机以及高效SCR路线开展台架试验,以国六低硫柴油作为实验用油,设计一定的工况开展尿素结晶试验。在试验运行至不同时间点后,分别使用内窥镜对后处理器混合器进行探视,相应的时间点为运行至20h时、运行至40h时、运行至60h时。通过试验观察并分析尿素结晶对排气背压、下游NOx排放情况的影响情况及其原因,并通过实验分析尿素结晶识别策略。结果显示,尿素结晶的分布区域主要在后处理器混合器旋流板上,尿素结晶出现后,下游NOx排放情况总体表现出不断劣化的变化趋势,相应的最高背压也呈现出明显的上升情况,且对应的氨混均匀性系数会出现明显的下降。

关键词：尿素结晶形成机理柴油机后处理器影响

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尿素结晶对柴油机后处理器性能影响的研究

内燃机与配件 2022年第9期 40-44页

作者：任学成陈勤学吴峰胜陆晓燕陈灿玉崔圣怡秦超一汽解放发动机事业部江苏无锡214026

为了满足日益严格的排放法规,选择性催化还原技术(SCR:Selective Catalytic Reduction)已成为柴油车国六及以上后处理主流技术路线,但随着尿素的喷射,尿素结晶问题也日渐突出,成为后处理器设计的一个重点及难点。本文通过台架试验及CFD... 详细信息

为了满足日益严格的排放法规,选择性催化还原技术(SCR:Selective Catalytic Reduction)已成为柴油车国六及以上后处理主流技术路线,但随着尿素的喷射,尿素结晶问题也日渐突出,成为后处理器设计的一个重点及难点。本文通过台架试验及CFD仿真对尿素结晶后柴油机后处理器的性能进行研究。并基于以上研究结果,提出了一种基于整车实际路谱预测尿素结晶故障的窗口的预诊断方法,在整车应用中对尿素结晶进行识别,为尿素结晶消除控制策略提供思路。

关键词：尿素结晶 NH3均匀性系数排放背压控制策略

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装载机后处理尿素结晶故障原因与分析

机械工程与自动化 2023年第4期 186-188页

作者：梁昌水内燃机可靠性国家重点实验室山东潍坊261061 潍柴动力股份有限公司山东潍坊261061

针对非道路四阶段装载机存在后处理尿素结晶的问题,结合尿素产生的机理和装载机特殊的作业工况,分析装载机后处理尿素结晶产生的原因并制定了相应的预防措施,在满足法规排放要求的同时提升了装载机的可靠性。

关键词：后处理系统尿素结晶装载机