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在能源日益紧张的情况下,柴油机以其在低转速下的高扭矩、低油耗和低CO2排放等优势,备受人们青睐。随着排放法规的日益严格,柴油机的排放问题仍然是柴油机应用的关键挑战之一。面临我国即将实施的重型柴油机第IV/V阶段排放法规,尿素选择性催化还原(Urea-SCR)技术被认为是去除柴油机Nox最有前途的技术之一,对SCR系统中催化转化器的研发也是目前国际内燃机界的研究热点。Urea-SCR技术原理是以浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂,还原剂与Nox在催化剂上进行氧化还原反应生成无污染的氮气和水。
本文针对车用某6缸柴油机的尾气排放问题,采用Urea-SCR系统,以V2O5-WO3-TiO2为催化剂,在掌握Urea-SCR系统工作过程及其反应机理的基础上,利用AVLFIRE软件建立Urea-SCR系统Nox转化率的数学模型,并在计算流体力学模型的基础上添加了尿素水溶液的分解反应模型和SCR反应动力学模型,对整个车用Urea-SCR系统尾气管道内的反应过程和流场进行模拟。通过模拟计算来研究Urea-SCR系统排气管道内部的行为规律,包括尿素水溶液的蒸发、热解和水解过程,喷雾过程,流场分布,各气体组分浓度的分布和尿素液滴的分布;研究影响Nox转化效率及YH3泄漏的因素,包括排气温度、O2含量、载体表面积(GSA)和异氰酸水解催化剂的有无等等;通过建立不同结构的Urea-SCR催化器模型,来研究催化器的结构型式对Nox转化效率的影响。研究结果表明,尿素的分解过程在整个SCR系统模拟中是不容忽略的,它对NH3的生成量会产生很大影响,增设异氰酸水解催化剂可促使尿素热解产生的异氰酸几乎完全水解成NH3,大大提高Nox的转化效率;尾气在排气管内流动的速度分布会影响混合气组分浓度的分布,并对尿素液滴的喷射轨迹产生影响;Nox转化效率随着O2含量的增加而增加,且随着温度升高,O2浓度对其影响逐渐减小;同时排气温度及GSAX寸Nox转化效率的影响也很大。
文中针对优化的Urea-SCR系统催化器进行试验测试,通过对发动机的ESC(European Stationary Cycle)和ETC(European Transient Cycle)试验研究表明,Nox的排放可降低75%以上,减小了NH3的二次污染,并使柴油机排放达到欧IV排放标准。