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原文传递柴油机SCR系统尿素喷射与结晶过程研究

论文题名：	柴油机SCR系统尿素喷射与结晶过程研究
关键词：	汽车柴油机;选择性催化还原系统;尿素喷射;尿素结晶;沉积物
摘要：	随着国Ⅵ尾气排放法规的推进实施，对柴油机 NOx尾气排放的要求变得更加严格。针对柴油机 NOx尾气排放污染问题，目前最为主流的技术是以尿素水溶液作为还原剂的SCR技术，而尿素结晶及沉积物积累问题一直是SCR系统中最为关键的问题。当尿素喷入排气管道后，由于排气温度、排气流量、尿素喷射量、混合器结构、排气管道结构等因素的影响，会在喷嘴、混合器表面和排气管道壁面等位置出现尿素沉积物积累现象，从而降低发动机效率，影响发动机工作性能。本文针对柴油机SCR系统的尿素喷射过程、尿素结晶及沉积物生成过程和沉积物控制方案等问题进行研究，搭建满足研究要求的试验台架，完成对尿素喷雾模型的参数标定，并利用标定完成的喷雾模型探究尿素结晶及沉积物产生过程，最后依据试验与仿真结果提出了柴油机SCR系统沉积物控制方案，主要内容和研究结果如下：　　（1）探究尿素水溶液喷射过程，根据KH-RT模型的数学表达式，确定了5个待标定参数；针对尿素喷雾提出了相应的评价指标：喷雾贯穿距、喷雾锥角、喷雾液滴索特平均直径（SMD）和喷雾锥角上下偏角，利用最优拉丁超立方技术设计了25个试验样本，采用代理模型技术优化喷雾模型的5个参数；利用高速相机对尿素水溶液喷射过程进行拍摄，对比数值模拟结果发现，完成标定后的喷雾模型与试验值基本一致，两者喷雾贯穿距较吻合，喷雾液滴SMD误差为6.58%、喷雾锥角上偏角误差为10.53%、喷雾锥角下偏角误差为9.93%。　　（2）探究尿素结晶及沉积物的生成过程，在CFD软件中搭建了尿素结晶及沉积物模型，该模型包括湍流模型、液滴蒸发模型、碰壁模型、液膜模型和Urea模型；模拟了尿素持续喷射 107s 后的尿素结晶及沉积物生成情况，在试验台架上模拟了尿素持续喷射 10min 后的尿素沉积现象，并利用红外热像仪对喷雾撞壁过程中金属板壁面温度的变化情况和分布情况进行了记录。分析数值模拟与试验结果发现，尿素喷雾直接冲击区域温度较低，核心冲击部分的壁面温降可达120℃。随着排气温度不断升高，液膜的面积不断减小，尿素结晶及沉积物的生成量也不断降低。试验发现，当温度达到260℃时，主要沉积物为呈现透明状的熔融态尿素；当温度达到300℃时，尿素结晶及沉积物的生成量已经很少。　　（3）探究SCR系统中防结晶优化方案，从尿素喷嘴喷射角度和喷射压力两方面进行了研究。对比分析了喷射角度分别为30°、45°和60°情况下的尿素沉积物生成量，本文还对比了不同喷射压力条件下的喷雾液滴SMD分布特性和尿素沉积物的生成量。最后提出了 SCR 系统防结晶优化方案：尿素喷嘴的最佳喷射角度为 45°， 0.7~0.8MPa为尿素最佳喷射压力范围，可以有效的降低尿素沉积物的生成量。
作者：	冒志恒
专业：	车辆工程
导师：	时岩;鲁春强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2021