摘 要

尿素选择性催化还原(Urea-SCR)技术已广泛应用于柴油机排放后处理中，针对在使用过程中因尿素容易结晶而堵塞排气管或催化剂孔道，影响NOx的转化效率和提高排气背压进而影响发动机的动力性的问题。本文基于AVL FIRE软件通过建立柴油机后处理系统的全尺寸几何模型；划分计算网格；借助三次道路试验的数据定义初始边界；利用湍流模型、喷雾模型以及壁膜模型等对排气管中流场的分布规律进行数值模拟以及对喷雾形态、排气温度和壁面温度进行验证，最终得到了三种工况下关于喷嘴位置、催化器入口有无台阶面、排气管壁厚、排气管直径等结构参数对尿素沉积物的影响的仿真结果。在此基础上通过整车道路试验，研究各结构参数对沉积物生成的影响规律，最终设计耐久性试验进行验证。研究结果表明：模拟值与试验值基本一致，说明建立的柴油机排气管CFD模型可以较好地预测不同工况条件下排气管结构参数对壁膜生成的变化趋势。建立的柴油机排气管CFD模型的模拟结果表明：让喷嘴位于排气管中心喷射添蓝，催化器入口处无台阶，适当的增大管壁厚度，适当的减小管径这些措施可以减缓壁膜的生成趋势，从而减少尿素沉积物的生成。

关键词：Urea-SCR；AVL FIRE软件；结构参数；尿素沉积物

Abstract

Urea selective catalytic reduction (Urea-SCR) technology has been widely used in diesel engine emissions treatment, with respect to the process of using urea easy to crystallize and clog the exhaust pipe or the catalyst pores, affecting NOx conversion efficiency and increase exhaust backpressure thereby affecting the power of the engine problem. Based AVL FIRE software to establish a full-size diesel engine geometry processing system; divide computational grid; data defined by means of three road tests of the initial boundary; the use of turbulence model, spray model and a wall film models to exhaust fluid in the pipe field the distribution and spray pattern to simulate the exhaust gas temperature and wall temperature to verify finally get three conditions on the nozzle position, whether the catalyst entrance stepped surface, the wall thickness of the exhaust pipe, the exhaust pipe diameter and other structural parameters on urea deposits simulation results. On this basis, through the vehicle road test to study the influence of the structural parameters of the sediment generated durability test the final design verification. The results show that: simulation and experimental values are basically the same, indicating that diesel exhaust pipe CFD model can be used to predict the trend of the exhaust pipe structure parameters under different conditions on a wall film generated. Exhaust Pipe CFD simulation model established show: Let the injection nozzle is located in the center of AdBlue exhaust pipe, catalytic converter entrance without steps, an appropriate increase in wall thickness, appropriate to reduce the diameter of these measures can slow down the wall generate trend membrane, and thereby decrease the urea deposits.

Key Words：Urea-SCR;structural parameters ;AVL FIRE software ;urea deposits

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 Urea-SCR技术 1

1.2.1 工作原理 1

1.2.2 化学反应过程 2

1.3 尿素沉积物 2

1.3.1 尿素沉积物的形成 3

1.3.2 尿素沉积物的危害 3

1.3.3 尿素SCR系统喷雾及尿素沉积物的研究现状 3

1.4 课题来源 4

第二章 数学模型 5

2.1 沉积物生成模型 5

2.1.1 湍流模型 5

2.1.2 喷雾模型 7

2.1.3 壁膜模型 10

第三章 沉积物的仿真研究 14

3.1 AVL FIRE软件的介绍 14

3.2建立几何模型 14

3.3划分计算网格 15

3.4定义初始参数和边界条件 16

3.5模型验证 18

3.5.1 喷雾形态验证 18

3.5.2 排气温度和壁面温度验证 20

3.6 仿真结果及分析 21

3.6.1 喷嘴位置 21

3.6.2 排气管有无台阶面 25

3.6.3 排气管壁厚 29

3.6.4 排气管直径 32

第四章 试验验证 36

4.1 试验设备 36

4.2 试验内容 37

4.3 试验结果及分析 38

4.3.1沉积物的形成过程 38

4.3.2沉积物的影响因素分析 39

4.4 耐久性试验 42

4.5 避免和消除沉积物的方案 43

第五章 总结 44

参考文献 45

致 谢 46

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

柴油机是通过燃烧柴油来获取能量释放的发动机，由于其在热效率性、动力性和燃油经济性等方面的巨大优势，柴油机已在许多重要领域取得了普遍的应用，在世界范围内也有越来越多的汽车采用了柴油机。在发挥柴油机优势的同时，柴油机的排放问题也得到了越来越多的关注。尤其是近些年来政府对排放污染问题的日益重视，人民对绿色环保的不断追求，机动车排放所带来的污染问题就变得愈加突出。

我国从2015年1月1号起开始强制实施国Ⅳ标准。此外，北京地区已于2015年7月1日起实施了更加严格的地方标准。排放法规的日趋严格对柴油机排放控制技术提出了更高的要求。目前柴油机排放控制路线主要有两种^[1]，路线之一是先在机内通过废气再循环（EGR，Exhaust Gas Recirculation）等措施降低NOx，再用柴油微粒过滤器（DPF，Diesel Particulate Filter）降低PM。由于DPF抗硫能力比较差，采用这一路线要求燃油的含硫量非常低。路线之二是通过高压喷射、喷油提前等技术优化燃烧从而降低PM，再通过SCR技术降低NOx。两条技术路线中，机内燃烧优化配合Urea-SCR系统的路线具有可改善燃油经济性，催化剂活性高、抗硫能力强等优点，已经在全世界范围内得到了广泛的应用。考虑到我国大部分地区销售的柴油含硫量都相对较高，在短时间内降低到DPF要求的范围内难度较大，同时，尿素水溶液的获取相对容易。因此，机内燃烧优化配合Urea-SCR系统的技术路线是我国实现国V阶段排放标准的最优选择。但是，在许多Urea-SCR系统中，都出现了沉积物的问题。本文着重就排气管的结构参数对沉积物的生成展开研究，并分析提出避免沉积物生成及消除已有沉积物的措施以保证柴油机及SCR系统的正常运行。

1.2 Urea-SCR技术

1.2.1 工作原理

Urea-SCR系统的工作原理是向排气中喷射添蓝（质量分数为32.5%尿素水溶液），其分解生成的NH3作为还原剂与NOX反应，最终生成无害的N2和H2O。

尿素 SCR 系统的结构如图1.1所示，主要包括催化器、尿素喷射泵、尿素箱、喷射体网格、混合器（非必需）、尿素水溶液温度和液位传感器、尿素水溶液质量传感器（非必需）、排气温度传感器、NOx传感器和NH₃传感器（非必需）^[1]。