【摘要】：隨著汽車保有量的快速增長及排放法規(guī)的日益嚴格,如何有效控制柴油機NOx和PM排放已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技術(shù)是目前有效降低NO_X排放的主流后處理技術(shù),但SCR系統(tǒng)中尿素水溶液(Urea water solution,UWS)的霧化、蒸發(fā)、熱解及與排氣的有效混合,以及有效提高SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率,尤其是低溫運行工況時的轉(zhuǎn)化效率等基礎(chǔ)問題還有待進一步研究。本文首先通過各種表征方法探究了尿素結(jié)晶的主要成分,分析了UWS蒸發(fā)結(jié)晶與尿素結(jié)晶的熱解過程,并對尿素結(jié)晶熱解過程中揮發(fā)出的物質(zhì)進行了分析。然后建立了尿素噴射霧化模型,通過試驗驗證了模型的準確性,在此基礎(chǔ)上,研究了噴嘴噴射壓力、噴孔噴射角度α、噴霧錐角β、噴嘴偏置角度θ和排氣管徑長比對UWS霧化分解特性的影響。最后,建立了Urea-SCR系統(tǒng)三維模型,探究了Urea-SCR系統(tǒng)不同參數(shù)對UWS分解及NOx轉(zhuǎn)化效率的影響,為Urea-SCR系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容如下:(1)通過Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)、X-ray diffraction(XRD)、Scanning Electron Microscope(SEM)和Thermogravimetric Analysis(TGA)等表征方法,探究了尿素結(jié)晶的主要成分,分析了UWS蒸發(fā)結(jié)晶與尿素結(jié)晶的熱解過程,并對尿素結(jié)晶熱解過程中揮發(fā)的物質(zhì)進行了測定。結(jié)果表明,UWS蒸發(fā)結(jié)晶與尿素結(jié)晶的分解過程均與溫度有關(guān),但質(zhì)量損失的最大溫度階段不同;尿素結(jié)晶主要成分為尿素和三聚氰酸(HNCO)_3,在尿素結(jié)晶加熱過程中,隨著溫度的升高,逐漸有氨類、Gantrez AN-8194和3-甲基苯乙妥因等多種物質(zhì)逸出。(2)通過建立柴油機SCR后處理系統(tǒng)的UWS噴射霧化模型,綜合考慮UWS液滴在排氣管道中的湍流擾動、變形、破碎、碰撞聚合和碰壁反彈等一系列理化過程,分析了噴嘴噴射壓力、噴孔噴射角度α、噴霧錐角β、噴嘴偏置角度θ和排氣管徑長比對UWS液滴噴射霧化分解的影響。結(jié)果表明,噴射壓力過小時,UWS液滴將呈液柱或大液滴狀,噴射霧化效果差,NH_3平均體積分數(shù)隨噴射壓力的增大呈線性增大;α對UWS分解有顯著影響,隨著α的增加,NH_3平均體積分數(shù)升高;β對NH_3均勻性系數(shù)影響顯著,隨著β的增大,排氣管內(nèi)壁面附近NH_3的分布更加均勻;隨著θ的增大,NH_3平均體積分數(shù)不斷增大,但其均勻性系數(shù)急劇下降;NH_3平均體積分數(shù)隨排氣管徑長的增大而減小,后逐漸趨于平緩。(3)在SCR系統(tǒng)臺架試驗的基礎(chǔ)上,建立了Urea-SCR系統(tǒng)模型,對NH_3/NO、溫度、排氣流量和混合器安裝位置等因素對UWS分解和NOx轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生的影響進行了探究。結(jié)果表明,NH_3/NO的增大有利于提高NO的轉(zhuǎn)化效率,液膜質(zhì)量和出口處NH_3體積分數(shù)均隨之增加;隨著溫度的升高,尿素結(jié)晶充分受熱蒸發(fā)和分解,NO轉(zhuǎn)化效率隨之先增后減,液膜質(zhì)量不斷減少;排氣流量的不斷增大,減少了NH_3與排氣混合接觸的時間,NO轉(zhuǎn)化效率呈線性下降,液膜質(zhì)量和出口處NH_3體積分數(shù)隨之不斷增大;隨著混合器和噴嘴之間距離的增大,NO轉(zhuǎn)化效率和出口處的NH_3體積分數(shù)先增后減,當距離為238 mm時,NO轉(zhuǎn)化效率達到最大值,液膜質(zhì)量迅速下降。
【圖文】：

SCR 系統(tǒng) UWS 噴霧特性及 NOx 轉(zhuǎn)化效率影響因素研究形成機理進行了探究，，主要分析了排氣條件不同時溫度與流速對形成結(jié)果表明，排氣溫度和排氣流量對結(jié)晶物的形成有重要的影響[31]。SCR 技術(shù)在國外已較為成熟，各大公司均積極自主研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。 系統(tǒng)具有在低溫下 NOX轉(zhuǎn)化效率低的問題，日本日立公司就此問題考慮法改善低溫工況，繼而開發(fā)了新型的可自主加熱的尿素噴射裝置[32]。AR射系統(tǒng)作為美國 RJM 公司 SCR 系統(tǒng)的核心部分對硫的敏感度較低[33]，、船用和機車用柴油機。德國博世公司（Bosch）自主研發(fā)了一套 SCR 系統(tǒng)示意圖如圖 1.2 所示，由圖可見，該系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）制單元（DCU）、SCR 催化轉(zhuǎn)化器和尿素噴射系統(tǒng)等組成，并將該裝置onic 系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn) UWS 噴射量的精確控制，并將 NOX排放降低值以內(nèi)。

圖 2.1 SCR 系統(tǒng)示意圖Fig.2.1 The sketch map of SCR systemCR 系統(tǒng)中，電子控制系統(tǒng)的核心部件為尿素噴射量控制單元（Dosing Contr），該部件通過接收溫度傳感器、壓力傳感器等各類傳感器發(fā)出的信號，通過設(shè)控制程序和存儲的數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系確定相應(yīng)的 SCR 系統(tǒng)的尿素噴射量、尿間，繼而向尿素噴射系統(tǒng)發(fā)出指令。尿素噴射系統(tǒng)則由尿素箱、尿素泵、尿組成。其中，尿素泵提供 UWS 噴射所需壓力，目前，尿素泵分為無空氣和兩種。催化反應(yīng)系統(tǒng)由催化轉(zhuǎn)化器殼體、催化劑載體和涂層構(gòu)成，UWS 在排解反應(yīng)，生成 NH3和異氰酸（HNCO），與排氣中的 NOX充分混合，隨后進，在催化劑表面進行選擇性催化還原反應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ441.41;X734.2

【參考文獻】

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本文編號：2624061