柴油机Urea-SCR催化器优化设计及仿真研究
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第 １期（２０１９年 ２月 ＭＯＤＥＲＮＶＥＨＩＣＬＥＰＯＷＥＲ Ｆｅｂ２０１９
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－５４４６．２０１９．０１．００８ 网络出版时间：２０１９－３－２９１３：５９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６４２．ＴＨ．２０１９０３２９．１３５６．０１６．ｈｔｍｌ
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＵｒｅａ－ＳＣＲ Ｃａｔａｌｙｓｔ
ＺＨＡＮＧＬｉｂｉｎ１，ＬＩＵＳｈｕａｉ１，ＬＩＹａｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ２．ＤａｎｆｏｓｓＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ（Ｊｉａｎｇｓｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ）
引 言
机动车尾气随着其保有量的增长在大气污染中 占据着较高的比重。动力性、经济性好是柴油机被 广泛使用 的 原 因，但 是 ＮＯｘ 和 颗 粒 的 排 放 比 较 严 重［１－３］。ＳＣＲ催化器是 ＳＣＲ系统的重要组成部分，
它的结构对 ＳＣＲ系统的处理性能起决定作用。优 化 ＳＣＲ催化器结构，尿素溶液的雾化效果可以得到 提升，促进尿素溶液在催化器中均匀分布，提高进入 催化器前端面的混合气均匀性［４－６］。
３５
了大量 研 究。Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｂｅｄｉｃｋ等 人［７］设 计 和 测 试 ＳＣＲ系统中尿素喷射系统，实现对喷射的单独控制。 韩中大学的 Ｓｏｏ－ＪｉｎＪｅｏｎｇ等人［８］建立了尿素水溶 液喷射的流体力学模型，对比分析了喷射位置、喷射 数量和雾 化 锥 角 等 因 素 对 ＮＯｘ 转 化 效 率 的 影 响。 大连海事大学的李世用等人［９］模拟计算 ＳＣＲ反应 过程，设计了适用于 ＭＡＮＢ＆Ｗ ６Ｓ５０ＭＣ－Ｃ船用柴 油机 ＳＣＲ系统的催化反应器结构，利用 Ｆｌｕｅｎｔ模拟 不同喷嘴下的反应效果，得到适用于 ＳＣＲ系统的喷 嘴方案。清华大学的帅金石等人 利 ［１０］ 用流体力学 软件研究车用柴油机的 ＳＣＲ系统，模拟了催化反应 器内的排气流动、尿素水溶液喷射雾化、尿素液滴蒸 发、尿素颗 粒 热 解 和 催 化 剂 表 面 化 学 反 应 等 整 个 ＳＣＲ反应过程。
国内外学者针对 ＳＣＲ催化器结构的设计开展
收稿日期：２０１８－１２－２７ 项目基金：江苏高等学校自然科学基金（１８ＫＪＢ４７０００６） 作者简介：张礼斌（１９９７－），男，江苏南通人，主要从事内燃机代用燃料燃烧过程研究。
２０１９年第 １期 张礼斌，等：柴油机 Ｕｒｅａ－ＳＣＲ催化器优化设计及仿真研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｌａｕｎｃｈｅｓｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｅａｄｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｓａｂｏｕｔｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｓ ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｍａｋｅｓｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｃａｔａｌｙｓｔｓｗｉｔｈｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｔｓｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄＮＯｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｐｒｏ ｐｏｒｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｚｏｎｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｃａｒｒｉｅｒａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｗｅｌｌ－ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｔｈｅｖｏｒｔｅｘｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｉｘｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｕｒｅａｄｒｏｐｌｅｔｓａｎｄｅｘｈａｕｓｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｅｏｆＮＯｘｉｎｔｈｅｅｘｈａｕｓｔａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＷｈｅｎｔｈｅＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｉｓ１８０ｍｍｉｎｌｅｎｇｔｈ，１６０ｍｍｉｎｗｉｄｔｈａｎｄ３６．５ｉｎａｎｇｌｅ，ｔｈｅｐｒｅｓ ｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｐｉｐｅｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅＮＯｘｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｄｅｓｉｇｎｂａｓｉｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｆｏｒｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｘｉｄｅｓ；ＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
柴油机 Ｕｒｅａ－ＳＣＲ催化器优化设计及仿真研究
张礼斌１，刘帅１，李艳２
（１．江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３； ２．丹佛斯动力系统（江苏）有限公司，江苏 镇江 ２１２０００）
摘要：运用计算流体力学（ＣＦＤ）软件，对结构改进前后的选择性催化还原（ＳＣＲ）催化器内流场进行了三维稳态流动数值模拟， 对比分析了改进前后 ４种不同结构的催化器内流动特性，研究得到不同结构下压力、温度、流速和 ＮＯ的质量分数之间的关 系。结果表明：优化设计后的 ＳＣＲ催化器增大了载体中部高速区的占比，使载体内流速相对均匀。降低了由于温度、压力产 生的涡流，提高了尿素液滴与尾气的混合均匀性和尾气中 ＮＯｘ的转化率。当 ＳＣＲ催化器长度为 １８０ｍｍ，宽度为 １６０ｍｍ，角 度为 ３６．５°时，管内压力、温度、流速达到最佳状态且 ＮＯｘ的转化效率达到最高。模拟结果为进一步优化设计柴油机 ＳＣＲ催 化器提供了设计依据。 关键词：柴油机；氮氧化物；ＳＣＲ催化器；结构设计；仿真 中图分类号：ＴＫ４２１．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４４６（２０１９）０１－００３４－０７
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－５４４６．２０１９．０１．００８ 网络出版时间：２０１９－３－２９１３：５９ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６４２．ＴＨ．２０１９０３２９．１３５６．０１６．ｈｔｍｌ
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅＵｒｅａ－ＳＣＲ Ｃａｔａｌｙｓｔ
ＺＨＡＮＧＬｉｂｉｎ１，ＬＩＵＳｈｕａｉ１，ＬＩＹａｎ２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ； ２．ＤａｎｆｏｓｓＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ（Ｊｉａｎｇｓｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０００，Ｃｈｉｎａ）
引 言
机动车尾气随着其保有量的增长在大气污染中 占据着较高的比重。动力性、经济性好是柴油机被 广泛使用 的 原 因，但 是 ＮＯｘ 和 颗 粒 的 排 放 比 较 严 重［１－３］。ＳＣＲ催化器是 ＳＣＲ系统的重要组成部分，
它的结构对 ＳＣＲ系统的处理性能起决定作用。优 化 ＳＣＲ催化器结构，尿素溶液的雾化效果可以得到 提升，促进尿素溶液在催化器中均匀分布，提高进入 催化器前端面的混合气均匀性［４－６］。
３５
了大量 研 究。Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｂｅｄｉｃｋ等 人［７］设 计 和 测 试 ＳＣＲ系统中尿素喷射系统，实现对喷射的单独控制。 韩中大学的 Ｓｏｏ－ＪｉｎＪｅｏｎｇ等人［８］建立了尿素水溶 液喷射的流体力学模型，对比分析了喷射位置、喷射 数量和雾 化 锥 角 等 因 素 对 ＮＯｘ 转 化 效 率 的 影 响。 大连海事大学的李世用等人［９］模拟计算 ＳＣＲ反应 过程，设计了适用于 ＭＡＮＢ＆Ｗ ６Ｓ５０ＭＣ－Ｃ船用柴 油机 ＳＣＲ系统的催化反应器结构，利用 Ｆｌｕｅｎｔ模拟 不同喷嘴下的反应效果，得到适用于 ＳＣＲ系统的喷 嘴方案。清华大学的帅金石等人 利 ［１０］ 用流体力学 软件研究车用柴油机的 ＳＣＲ系统，模拟了催化反应 器内的排气流动、尿素水溶液喷射雾化、尿素液滴蒸 发、尿素颗 粒 热 解 和 催 化 剂 表 面 化 学 反 应 等 整 个 ＳＣＲ反应过程。
国内外学者针对 ＳＣＲ催化器结构的设计开展
收稿日期：２０１８－１２－２７ 项目基金：江苏高等学校自然科学基金（１８ＫＪＢ４７０００６） 作者简介：张礼斌（１９９７－），男，江苏南通人，主要从事内燃机代用燃料燃烧过程研究。
２０１９年第 １期 张礼斌，等：柴油机 Ｕｒｅａ－ＳＣＲ催化器优化设计及仿真研究
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｌａｕｎｃｈｅｓｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｅａｄｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｏｗｓａｂｏｕｔｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｉｎｓｉｄｅｔｈｅＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｓ ｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄｍａｋｅｓｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｃａｔａｌｙｓｔｓｗｉｔｈｆｏｕｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｉｔｓｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄＮＯｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｐｒｏ ｐｏｒｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｚｏｎｅｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｃａｒｒｉｅｒａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｃａｒｒｉｅｒｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｗｅｌｌ－ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｔｈｅｖｏｒｔｅｘｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍｉｘｉｎｇｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｕｒｅａｄｒｏｐｌｅｔｓａｎｄｅｘｈａｕｓｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｒａｔｅｏｆＮＯｘｉｎｔｈｅｅｘｈａｕｓｔａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＷｈｅｎｔｈｅＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｉｓ１８０ｍｍｉｎｌｅｎｇｔｈ，１６０ｍｍｉｎｗｉｄｔｈａｎｄ３６．５ｉｎａｎｇｌｅ，ｔｈｅｐｒｅｓ ｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｐｉｐｅｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｔａｔｅａｎｄｔｈｅＮＯｘｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅａｄｅｓｉｇｎｂａｓｉｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔｆｏｒｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｘｉｄｅｓ；ＳＣＲｃａｔａｌｙｓｔ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
柴油机 Ｕｒｅａ－ＳＣＲ催化器优化设计及仿真研究
张礼斌１，刘帅１，李艳２
（１．江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 ２１２０１３； ２．丹佛斯动力系统（江苏）有限公司，江苏 镇江 ２１２０００）
摘要：运用计算流体力学（ＣＦＤ）软件，对结构改进前后的选择性催化还原（ＳＣＲ）催化器内流场进行了三维稳态流动数值模拟， 对比分析了改进前后 ４种不同结构的催化器内流动特性，研究得到不同结构下压力、温度、流速和 ＮＯ的质量分数之间的关 系。结果表明：优化设计后的 ＳＣＲ催化器增大了载体中部高速区的占比，使载体内流速相对均匀。降低了由于温度、压力产 生的涡流，提高了尿素液滴与尾气的混合均匀性和尾气中 ＮＯｘ的转化率。当 ＳＣＲ催化器长度为 １８０ｍｍ，宽度为 １６０ｍｍ，角 度为 ３６．５°时，管内压力、温度、流速达到最佳状态且 ＮＯｘ的转化效率达到最高。模拟结果为进一步优化设计柴油机 ＳＣＲ催 化器提供了设计依据。 关键词：柴油机；氮氧化物；ＳＣＲ催化器；结构设计；仿真 中图分类号：ＴＫ４２１．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４４６（２０１９）０１－００３４－０７