摘 要

Urea-SCR技术会受到尿素水溶液的不完全分解产生结晶以及NH₃分布不均匀的影响，而喷嘴参数对尿素水溶液雾化、混合有重要的影响，值得深入研究其影响规律。因此，本文借助计算流体力学软件Converge，首先针对某车用柴油机后处理系统进行了三维数值模拟，对尿素喷射系统的四个重要参数进行了仿真对比，所得结果对于Urea-SCR中尿素喷射系统的设计和优化具有重要的指导意义。

论文主要研究了不同喷射角度、喷射压力、尿素喷射量和喷孔数量对SCR催化剂载体前端截面NH₃均匀性系数及壁面尿素结晶情况的影响。

研究结果表明：喷射角度越大，喷射压力越大，喷孔数量越多，SCR催化剂载体前端截面NH₃均匀性越好；喷射角度越大，喷射压力越大，尿素喷射量越少，喷孔数量越少，壁面尿素结晶风险越低。各因素对SCR催化剂载体前端截面NH₃均匀性系数的影响权重从大到小为喷射压力、喷射角度、喷孔数量、尿素喷射量；对壁面尿素结晶风险的影响权重从大到小为尿素喷射量、喷射压力、喷孔数量、喷射角度。

本文的特色：进行单因素仿真及正交试验设计仿真，分别确定各因素对所研究内容的影响情况和影响权重，为Urea-SCR中尿素喷射系统的优化设计提供了清晰、便捷的途径。

关键词：Urea-SCR；尿素喷射系统；数值模拟；优化设计

Abstract

Urea-SCR technology will be affected by crystallization from incomplete decomposition of urea aqueous solution and uneven distribution of NH₃. The nozzle parameters have an important influence on the atomization and mixing of urea aqueous solution, and it is worth further studying its influence law. Therefore, this paper simulates an automotive diesel engine after-treatment system with the help of Converge, which is a computational fluid dynamics software. Then comparing the four important parameters of Urea-SCR system. The results have an important guiding significance to the Urea-SCR system’s designing and improving.

Paper mainly studied the effect of different injection angle, injection pressure, urea dosing quantity and quantity of nozzles on uniformity coefficient of NH₃ in the front section of SCR catalyst carrier and urea crystallization.

According to the research results: The larger injection angle, higher injection pressure, more nozzles, the higher uniformity coefficient of NH₃ in the front section of SCR catalyst carrier is; the larger injection angle, higher injection pressure, smaller urea dosing quantity, less nozzles, the lower urea crystallization risk. The influence weight of each factor from large to small on uniformity coefficient of NH₃ in the front section of SCR catalyst carrier is injection pressure, injection angle, quantity of nozzles and urea dosing quantity. The influence weight of each factor from large to small on urea crystallization is urea dosing quantity, injection pressure, quantity of nozzles and injection angle.

Features of this paper: Single factor simulation and orthogonal test design simulation are carried out to determine the influence and influence weight of each factor on the research content, which provides a clear and convenient way for the optimization design of urea injection system in Urea-SCR.

Key Words： Urea SCR; urea injection system; numerical simulation; optimal design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究内容及目标 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 研究目标 3

1.4 本章小结 4

第2章 Urea-SCR系统工作原理及问题分析 5

2.1 Urea-SCR系统的工作原理 5

2.2 SCR系统的化学反应机理 5

2.3 尿素结晶分析 6

2.4 SCR催化剂载体前端截面NH3均匀性分析 7

2.5 本章小结 7

第3章 Urea-SCR系统仿真模型 8

3.1 基本控制方程 8

3.1.1 质量守恒方程 8

3.1.2 动量守恒方程 8

3.1.3 能量守恒方程 8

3.2 三维模型 9

3.3 网格划分 10

3.4 计算参数设置 10

3.4.1 喷嘴参数 10

3.4.2 排气渗透率 11

3.4.3 仿真计算时间 11

3.4.4 网格加密 11

3.5 本章小结 12

第4章 单因素仿真 13

4.1 仿真因素及水平 13

4.2 喷射角度的影响 14

4.2.1 对SCR催化剂前端截面NH₃均匀性系数的影响 14

4.2.2 对壁面尿素结晶风险的影响 14

4.3 喷射压力的影响 16

4.3.1 对SCR催化剂前端截面NH₃均匀性系数的影响 16

4.3.2 对壁面尿素结晶风险的影响 16

4.4 尿素喷射量的影响 18

4.4.1 对SCR催化剂前端截面NH₃均匀性系数的影响 18

4.4.2 对壁面尿素结晶风险的影响 18

4.5 喷孔数量的影响 20

4.5.1 对SCR催化剂前端截面NH₃均匀性系数的影响 20

4.5.2 对壁面尿素结晶风险的影响 20

4.5 优化设计思路 22

4.6 本章小结 22

第5章 DOE仿真 23

5.1 试验目的 23

5.2 试验方案 23

5.3 各因素水平 23

5.4 试验结果 24

5.5 极差分析 25

5.5.1 SCR催化剂载体前端截面NH₃均匀性系数的极差分析 25

5.5.2 尿素结晶风险的极差分析 26

5.6 优化设计方案 27

5.7 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

汽车尾气约含有 150~200 种物质，其中氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）等物质危害大且难去除。这些物质容易导致光化学烟雾以及雾霾天气，且会危害人体健康。因此，对控制汽车尾气污染物排放的技术手段进行研究，具有重要的意义^[1]。

汽油机的主要排放物HC、CO和NOx可以利用三元催化转换器(TWC)加以处理；但是柴油机主要排放的NOx与PM两种污染物会互相制约。现在柴油机排放处理用到的两种技术为机内净化和排气后处理。高压共轨燃油喷射、增压中冷、废气再循环(EGR)、均质压燃(HCCI) 等是比较成熟的机内净化技术。考虑到柴油机主要排放污染物之间的此消彼长关系，若要同时降低NOx和PM的排放，除了使用机内净化技术，还需在机外加装排气后处理系统。将两种排放处理技术相结合，才满足柴油机日趋严格的排放标准^[2]。