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原文传递柴油机尿素选择性催化还原系统优化与催化性能研究

论文题名：	柴油机尿素选择性催化还原系统优化与催化性能研究
关键词：	柴油机;选择性催化还原;尿素喷嘴;数值模拟;溴掺杂催化剂
摘要：	商用车作为物流交通运输行业的主力车型，其动力源大功率柴油机被认为在相当长时间内难以被动力电池取代。柴油机具有综合工况下油耗低以及低转速下扭矩高等优点，但燃烧过程中产生较高的氮氧化物（nitrogenoxides,NOX）和颗粒物（particularmatter,PM）放造成大气环境污染，危害人体健康。同时，随着排放法规的日益严格，柴油机排放后处理要求越来越高。为降低柴油机NOX排放，我国普遍使用适合国情的选择性催化还原技术（selectivecatalyticreduction,SCR）。其中，尿素选择性催化还原系统成为主流。该SCR系统中尿素喷雾特性、尿素结晶以及催化剂性能均显著影响NOX转化效率。本文的研究旨在寻求改善柴油机排气管中尿素分布均匀性、降低尿素结晶风险以及提高催化剂低温活性的方法，为提高尿素选择性催化还原系统的NOX转化效率提供理论依据与实现方法。本文主要研究工作与结论如下：　　（1）基于开发的喷嘴喷雾特性测试平台，采用阴影成像技术，对旋流式和压力式两种不同结构喷嘴开展了喷雾特性试验研究；开发了喷雾图像处理源程序和界面化处理软件，实现喷嘴喷雾测试图像的高效处理。研究结果表明，旋流式和压力式喷嘴喷雾锥角和贯穿距都随喷射压力的增大而增大，相同喷射压力下旋流式喷嘴的喷雾锥角更大，压力式喷嘴喷雾锥角相对稳定，随时间波动较小；旋流式喷嘴喷雾贯穿距小，受压力变化影响较大。两种喷嘴的索特平均直径随着喷射压力、轴向距离和径向距离的增大而减小。　　（2）基于欧拉多相流模拟方法实现了尿素喷嘴喷孔内部流动与近场射流的直接耦合数值计算，通过将喷嘴内部流场信息加载到初次喷雾模型中，实现了初始尿素液滴尺寸和运动方向的自动修正，最终构建了耦合尿素喷嘴内部流动的高精度喷雾模型。设计了喷孔数为6、孔径为0.19mm的A、B、C三种不同结构型式的尿素喷嘴，通过对三型喷嘴喷孔的流道内空化现象、射流速度、喷雾锥角和喷雾特性进行模拟和对比分析，狭缝厚度和喷孔高度最小的A型尿素喷嘴雾化效果最好。　　（3）针对柴油机排气管中尿素结晶问题，开展了尿素喷嘴在排气管中布置方案的优化研究。基于建立的尿素喷嘴内流与喷雾的精确计算模型对某型柴油机尿素选择性催化还原系统进行了数值模拟研究。在原型SCR系统分析基础上，重新设计了喷嘴头部轴线与柴油机排气管中轴线的偏置角度、喷孔轴线与喷嘴轴线的偏置角度，以及将喷孔孔径由0.5mm调整为0.19mm，并设计了4种不同的喷孔数目。模拟结果表明，改进喷嘴结构形式和安装位置后，排气管中尿素结晶的风险得到了有效的控制，四种孔数的喷嘴对应的NOX的转化效率都有了不同程度的提高，其中8孔喷嘴的综合表现最好，均匀性指数和NOX转化效率分别达到了0.906和67.22%。对8孔喷嘴SCR系统影响因素的模拟研究表明，在改进后系统的运用中需保持柴油机尾气排温、排气管路空速和喷孔出口速度在合理的范围内，以避免SCR系统尿素结晶的生成，同时又能保持较高的NOX转化效率。　　（4）针对提高SCR系统催化剂低温活性，基于对SCR系统催化剂掺杂改性的思路，提出将Br掺杂改性的TiO2作为系统催化剂的载体，并制备了改性的V2O5/TiO2催化剂样品。通过对掺杂Br不同量的样品进行活性测试可知，当［Br］/［Ti］摩尔比为2时的催化剂VTiBr2.0的活性最佳。本文对载体焙烧温度、SO2和H2O对催化剂VTiBr2.0性能的影响开展了进一步的试验研究，并采用XRD、BET等表征技术对Br改性V2O5/TiO2催化剂结构参数、物相组成、还原性、表面酸性等性能进行了研究，揭示了本文研制的催化剂低温活性提高的机理，对提升SCR系统NOX转化效率具有工程应用价值。
作者：	王静
专业：	工程热物理
导师：	王谦
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021