首頁 > 重型柴油機SCR系統應用技術研究 > 正文

重型柴油機SCR系統應用技術研究

來源:0 2017/3/10 21:36:10

摘要:

東莞市中小企業公共服務平臺旨在為東莞市各類企業提供各類企業信息,技術升級,集中采購,政策申報以及企業新三板上市投融資鄧相關配套服務,旨在綜合各類企業數據,解決企業教育培訓,技術升級難題,降低企業庫存風險,優化產業供應鏈

重型柴油機SCR系統應用技術研究

柴油機由于具有動力性強、耗油率低等優勢,在中/重型車輛上得到了廣泛的應用。隨著對環境保護重視程度的增加,柴油車的污染問題也越來越突出,重型柴油車尤其顯著。資料表明,在我國雖然重型柴油車占總量的15%左右,但其NOxPM排放量占機動車總排放量的60%以上。目前,我國在商用車柴油機滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放法規技術路線中,傾向于采用SCR技術作為滿足未來更嚴格排放要求的主要技術措施。但是,盡管國內研究機構和相關企業已經開展了柴油機SCR技術的研究,實際應用中仍以引進國外技術為主,核心技術掌握在國外相關廠家手中,圍繞SCR技術應用過程中存在或出現的問題還缺乏系統的研究,與國外相比還存在較大的差距。北京、上海提前實施國Ⅳ排放標準以來,頻繁出現城市公交車裝用的SCR系統在一些低速低溫工況下不起作用、尿素溶液在排氣管路內部形成沉積物等一系列問題,實際運行過程中車輛NOx排放并未達到預期目標。可見,對于穩定、高效SCR技術和裝置的研究已成為我國在該技術推廣和應用方面的主要瓶頸。本文圍繞效率發揮、尿素沉積、低溫應用、催化劑耐久性等幾個影響尿素SCR技術應用的關鍵問題開展研究。

首先,對尿素沉積、催化劑劣化等影響SCR系統工作穩定性的因素進行了分析,通過試驗研究了尿素沉積物的組成和影響因素,以及燃油含硫量對催化劑耐久性的影響。SCR系統中會發生復雜的物理和化學反應過程,尿素液滴在分解為氨氣的同時,也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產物,本文采用熱重-紅外聯用技術,確定了結晶結石等沉積物的主要成分為尿素和三聚氰酸;結合應用中出現的問題分析了SCR系統中噴嘴孔附近、下游排氣管道內和催化劑載體前端等處沉積物形成的原因,結構不合理造成流動組織不善、局部低溫、大液滴霧化不良著壁和蒸發分解不足等因素是存在的主要問題。針對這些問題提出了一體式噴嘴座結構改進方案,通過發動機臺架試驗和整車道路運行試驗考核結果表明,該方案能夠有效減少尿素沉積物的形成,同時可降低ETC循環NOx排放6%。通過試驗研究了排氣溫度和尿素噴射速率對尿素沉積物生成量的影響,優化了尿素噴射控制策略。提出了SCR催化器耐久性評價測試方法,通過劣化系數反映耐久性試驗前、后催化器性能的變化,設定了劣化系數判定界限,并考察了燃油硫含量對SCR催化劑耐久性能的影響。通過燃用國Ⅱ柴油的1000h臺架耐久性試驗和2萬公里車輛道路試驗考核結果表明,SCR釩基催化劑對燃油品質適應性強,用劣化系數評價催化劑耐久性的方法是可行的。

以重型商用車SCR系統為研究對象,提出了一種緊耦型的SCR系統布置方案,并通過CFD分析,對具體結構進行了優化。通過噴嘴座固定位置處的變徑和錐面結構將尿素噴嘴集成在SCR催化轉化器入口端,在催化轉化器內部利用大直徑直管來增強局部氣流擾動強度,促進尿素溶液與排氣氣流充分混合,混合管頂端封閉,使氣流沿圓周方向的穿孔管溢出,然后再經過帶有穿孔結構的載體前支撐板導入到催化劑前端面。由于尿素液滴混合段處于SCR催化轉化器內部,四周充滿高溫氣體,可以有效避免熱量的散失,同時,由于混合管直徑較大,并且噴嘴傾斜布置,尿素噴射起始點至對面壁面的距離大于尿素噴霧的噴射貫穿距離,可以有效防止尿素液滴噴射到對面管壁上;頂端封閉的混合管設計,促使氣流沿穿孔管流出,在混合管內部大尺度的渦流對混合起主導作用,而當氣流通過管壁上的混合孔時,微尺度的湍流對混合起主導作用,二者的結合有效縮短了對混合距離長度的要求,使結構設計更緊湊;此外,催化劑前支撐板采用穿孔結構,通過大尺度渦流與微尺度湍流的結合可以有效促進尿素溶液在排氣中的均勻混合,提高進入載體前端面混合氣的分布均勻性,有利于催化劑效率的充分發揮。發動機臺架試驗結果表明,在ESC測試循環下,本設計方案可比原結構方案提高NOx轉化效率17.7%,在ETC測試循環下,提高NOx轉化效率21.6%,5萬公里整車道路試驗結果證明該方案能夠有效解決SCR系統中存在的結晶結石和沉積物問題。

針對SCR催化劑載體床溫具有滯后性的特點,在發動機試驗臺架上研究了尿素噴射系統瞬態工況下尿素噴射延遲對柴油機排放性能的影響,分析了不同尿素噴射延遲控制策略和延遲時間對NOx轉化效率和NH3逃逸量的影響。NOx還原反應的速率與催化劑溫度直接相關,適宜的溫度、恰當的時刻、噴入適量的尿素溶液是確保系統效能發揮的基本條件,但由于催化劑載體的熱容特性導致其床溫隨柴油機工況的變化具有相應的滯后性,如不考慮這一特性的影響,當柴油機由低排溫工況快速過渡到高排溫工況時,易導致氨逃逸量過多,造成二次污染,反之,則不利于NOx還原效率的充分發揮。針對這一特點,引入一階系統上升和下降延遲特性函數,試驗結果表明合理的延遲策略有利于催化劑催化效能的充分發揮,能夠有效降低發動機瞬態試驗工況下的NOx排放,同時又可以有效控制NH3逃逸,降低尿素消耗量。

最后,針對北京第五階段排放標準(京Ⅴ)中的WHTC測試循環的試驗要求,以控制車輛低速低負荷工況下NOx排放超標問題為目標,開展了系統的試驗研究工作。分析了改善裝配SCR系統的柴油機低溫低負荷下現有排放控制措施的優勢和不足,在此基礎上提出了通過采用進氣節流閥裝置來減少低工況下發動機進氣量,促進缸內燃燒溫度升高,從而提升排氣溫度的技術方案。對于SCR系統,排氣溫度低于250℃時,催化劑活性較低,低于200℃時,尿素將不能被正常轉化為氨氣。通過試驗測試結果表明,WHTC冷啟動循環中,59.3%工況點的排氣溫度低于200℃,WHTC熱啟動測試循環中,52.7%工況點的排氣溫度低于200℃,這些工況下尿素噴射系統處于關閉狀態;熱啟動和冷啟動的排氣溫度基本均在280℃以下,普通釩基催化劑在此溫度區間內活性低,不利于柴油機NOx排放的降低。本文通過臺架試驗對比了采用進氣節流閥技術方案和采用前置DOC技術方案在WHTC測試循環下對發動機NOx排放控制和燃油消耗量的影響,結果表明,進氣節流閥開度對排氣溫度影響較大,在WHTC測試循環中通過對應工況下節流閥開度的合理選取,能夠顯著提高各工況下的排氣溫度,實現有利于降低NOx排放的理想溫度范圍。從兩種技術方案的結果對比看,進氣節流閥技術方案具有明顯的優勢,能夠將WHTC測試循環的NOx排放加權值降低41.5%,對燃油消耗量的影響也較小。


者:張紀元

學科專業:動力工程及工程熱物理

授予學位:博士

學位授予單位:山東大學

導師姓名:李國祥孫少軍

學位年度:2013

研究方向:

種:chi

分類號:U464.172 TK421.5

關鍵詞:重型柴油車  SCR系統尿素沉積物熱重-紅外聯用技術催化劑載體

機標分類號:

機標關鍵詞:重型柴油機  SCR技術系統尿素溶液催化劑試驗排氣溫度  NOx排放技術方案測試循環工況混合

基金項目:



吉林时时连线走势