摘 要
柴油发动机广泛应用于交通、农业和工程等领域。为了有效控制柴油机的排放污染，各国的相关法规日趋严格。目前柴油机尾气处理系统的混合器存在尿素分解不彻底、氨气分布不均匀、结晶严重等问题。这些问题将直接或间接导致污染物净化效果差。本课题以 28R 型柴油机的尾气处理系统作为研究对象。通过对催化器混合结构的优化设计和流场特性分析来改善尾气排放性能。所开发的新型混合结构使得该型柴油机的尾气排放指标能够满足现有法规。具体研究内容如下：
通过短距螺旋混合器的设计来减少传热损失和促进气体混合。通过后置锥型板混合器的设计来提高气体分布均匀性。两个新型混合器组合构成混合腔。基于计算流体力学对传统结构、新结构及组合结构的单相流流场特性展开研究。通过对不同工况下的气流走向、速度分布均匀性、传热损失和背压的分析，验证新型结构设计的合理性，为后续的研究奠定基础。
通过尿素液滴分布和载体前端氨气平均浓度来评估尾气处理系统内部尿素分解能力。进一步对氨气分布均匀性和氨气分布偏差率进行研究，分析尾气处理系统内的氨气分布情况。结合尿素分解能力和氨气分布情况来选择混合结构的最优设计方案。运用全工况氮氧化物净化试验和三大循环试验对所提出的最优方案进行评估。
通过对仿真分析结果中液膜的厚度及分布来预测不同结构的结晶风险。基于低温结晶台架试验结果，构建液膜与结晶风险的关联性。为使尾气处理系统既可以提供足够尿素去除氮氧化物又可以有效避免结晶的产生，展开无结晶风险的临界尿素喷射量研究。
针对不同工况，探讨了尿素的无结晶风险最大喷射量。
本文通过仿真分析与试验验证相结合的方法，对混合结构的流场特性、尿素分解和氨气分布、结晶风险等内容展开研究。设计的新型混合腔结构具备优异的尿素分解、氨气均匀分布和低温抗结晶能力。该结构能提升柴油发动机尾气处理系统的氮氧化物净化能力，使其满足现有排放法规要求。该研究可以为各型号柴油机尾气处理系统的混合结构设计提供一定的指导借鉴。
关键词 ： 柴油机尾气处理；SCR催化器；混合器；低温结晶；尿素喷射。
Abstract
Diesel engines are widely used in transportation, agricultural, engineering and other fields.
In order to control the emission pollution of diesel engines, the relevant laws are increasinglystrict. There are some problems in the mixer of diesel exhaust gas treatment system, such asincomplete decomposition of urea, uneven distribution of ammonia and crystallization. Thesefactors will lead to poor purification effect of pollutants. In this paper, the exhaust gas treatmentsystem of 28R diesel engine is the research object. The performance of tail gas emission wasimproved by optimizing the mixing structure of catalytic converter and analyzing thecharacteristics of flow field. The developed hybrid structure enables the exhaust emission ofthe diesel engine to meet the existing regulations. Specific research contents are as follows:
The short-pitch screw mixer is designed to reduce heat transfer losses and promote gasmixing. The design of conical plate mixer is used to improve the uniformity of gas distribution.
Two mixers are combined to form a mixing chamber. The flow field characteristics oftraditional structures, new structures and combined structures are studied based on CFD. Therationality of the new structure design is verified through the analysis of airflow direction,velocity distribution uniformity, heat transfer loss and back pressure under different workingconditions, which lays a foundation for the follow-up research.
The decomposition capacity of urea in the tail gas treatment system was evaluated by thedistribution of urea droplets and the average concentration of ammonia gas in the front end ofthe carrier. Furthermore, the distribution uniformity and deviation rate of ammonia gasdistribution were studied to analyze the distribution of ammonia gas in tail gas treatment system.
Combined with the decomposition capacity of urea and the distribution of ammonia gas, theoptimal design scheme of the mixed structure was selected. The optimal scheme was evaluatedby the whole working condition NOx purification test and three cycle tests.
The crystallization risk of different structures was predicted by the thickness anddistribution of liquid film in the simulation results. Based on the results of low temperaturecrystallization bench test, the correlation between liquid film and crystallization risk wasestablished. In order to make the tail gas treatment system not only provide enough urea toremove NOx but also effectively avoid the formation of crystallization, the critical ureainjection rate without crystallization risk was studied. The maximum injection rate of ureawithout crystallization risk was discussed according to different conditions.
In this paper, the flow field characteristics, urea decomposition, ammonia distribution,crystallization risk and other problems of the mixing structure were studied by simulationanalysis with experimental verification. The structure of the new mixing chamber has excellentability of urea decomposition, uniform distribution of ammonia and anti-crystallization at lowtemperature. The structure can improve the nitrogen oxide purification capacity of the engineand make it meet the existing emission regulations. The research can provide some guidancefor the mixing structure design of exhaust treatment system of various diesel engines.
Keywords : Diesel engine exhaust treatment; SCR catalytic; Mixer; Low temperaturecrystallization; Urea injection 。
第一章 绪论
1.1、课题背景。
柴油发动机拥有强大的动力和非常好的燃油经济性，广泛用于机动车以及工程机械、农用机械、船舶等非道路移动设备，但是柴油发动机产生的尾气污染也不容忽视。据生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报(2020)》(以下简称《年报》)，截至2019年年底，全国机动车四项污染物排放总量为1603.8万吨。其中，一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOX)和颗粒物(PM)排放量分别为771.6万吨、189.2万吨、635.6万吨、7.4万吨。通过燃料类型划分，柴油车四项污染物排放量分别为128.6万吨、21.3万吨、553.2万吨、6.9万吨，分别占汽车排放量的18.5%、12.5%、88.9%、99%。虽然柴油车保有量在所有汽车中仅9%左右，但是柴油车尾气中氮氧化物和颗粒物的污染物排放占比相当大，这是由柴油的理化性质决定的。
氮氧化物是氮气在高温高压条件下被氧化生成的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)等氧化物的混合气体。其中一氧化氮是一种无色无味毒性较小的气体，约占95%，一氧化氮可以和氧气发生反应产生具有强毒性的红棕色刺激性气体二氧化氮。二氧化氮被人体吸入后会与人体细胞内的水分子反应产生强腐蚀性的硝酸或硝酸盐，产生咽部不适和干咳等症状。大气中的氮氧化物会产生硝酸，易溶于雨水而形成酸雨，会产生一系列问题，例如土地酸化、水体富营养化、植被破坏、建筑物损坏等。此外氮氧化物和碳氢化合物会在紫外线作用下产生光化学反应，产生有害浅蓝色气体，将严重影响大气可见度。各种环境问题如图1-1所示。
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1.2国内外研究现状
1.2.1柴油机排放法规介绍.
1.2.2柴油机排放控制技术.
1.2.3选择性催化还原技术国内外研究现状
1.2.4 尾气处理系统混合结构国内外研究现状.
1.3尾气处理系统评价指标
1.3.1气流走向及均匀性
1.3.2压力与温度损失
1.3.3 尿素分解能力.
1.3.4氨气分布情况
1.3.5抗结晶能力
1.4课题研究的目的和意义
1.5 课题研究的主要内容及方法.
1.5.1 本课题的主要研究内容.
1.5.2本课题的研究方.
1.5.3本课题的研究路线
第二章 结构优化设计及流场特性分析.
2.1混合结构优化设计
2.1.1传统混合器结构设计.
2.1.2新型短距螺旋混合器结构设计.
2.1.3后置锥型板混合器设计.
2.1.4各方案展示，
2.2尾气处理系统单相流数值分析设置
2.2.1模型的建立与简化.
2.2.2混合网格的划分.
2.2.3单相流数学模型的选用.
2.2.4单相流边界条件的设置
2.3各方案流场特性分析
2.3.1气流走向分析.
2.3.2速度均匀性分析.
2.3.3传热分析
2.3.4背压分析.
2.4本章小结
第三章 尿素分解与氨气分布情况分析
3.1尾气处理系统多相流数值分析设置
3.1.1多相流数学模型的选用,
3.1.2多相流边界条件的设
3.2各方案尿素分解情况分析
3.2.1各方案尿素颗粒分布情况
3.2.2载体前端氨气平均质量分数.
3.3各方案载体前端氨气分布情况分析
3.3.1氨气分布均匀性
3.3.2氨气浓度分布偏差率
3.3.3氨气分布台架试验.
3.4氮氧化物净化特性分析
3.4.1氮氧化物净化台架试验.
3.4.2氮氧化物未净化前排放
3.4.3氮氧化物净化后排放
3.44循环试验
3.5本章小结.
第四章 结晶风险评估与实测，
4.1仿真工况下结晶风险评估
4.2低温工况下结晶实测
4.2.1低温结晶试验设置.
4.2.2低温结晶试验结果分析.
4.3实际工况下结晶风险规避分析
4.3.1结晶风险规避试验设置
4.3.2结晶风险规避试验结果分析.
4.3.3尿素临界喷射量研究.
4.4本章小结
第五章 总结
本研究基于国六排放法规，以上柴28R柴油机尾气处理系统为研究对象。对该系统中的SCR催化器所配套的混合结构展开研究。设计了一款短距螺旋混合器，并展开优化升级，在短距螺旋混合器后增加了锥型板混合器，两者共同构成一款全新的混合腔结构。将新结构与传统结构共四种方案进行对比，针对其流场特性、尿素分解能力与氨气分布情况、抗结晶能力等进行研究。具体结论如下：
(1)运用仿真技术，对四种方案在四个工况下的流场特性展开研究，包括了气流走向、速度均匀性、传热和背压。新型短距螺旋混合器能够使尾气气流在筒体内部产生旋转，内部的气流流速获得提升，能够有效提高混合效果。新型短距螺旋混合器使气流的分布均匀性有所下降，但通过锥型板混合器的二次混合作用，可以使气流在SCR载体上分布均匀。短距螺旋混合器与传统的长管加混合器方案相比长度大大缩短，其温度损失更少。由于新型短距螺旋混合器的结构更为复杂，使整体背压有所增加，但是整个混合腔结构的背压控制在合理量之内。
(2)对尾气处理系统内部尿素分解能力和氨气的分布情况展开研究。采用了仿真与试验相结合的方法。仿真结果表明，与传统的混合器相比，新型短距螺旋混合器能够明显提升尿素分解能力。其尿素的颗粒主要集中在腔体内部，载体前端氨气平均质量分数更高。后置的锥型板混合器能够显着提升氨气的分布均匀性，解决了单独依靠短距螺旋混合器时存在的氨气分布均匀性偏低，分布偏差率不理想的问题。
(3)根据仿真结果，综合评估方案4混合腔结构为最优方案，并进行了一系列试验。
氨气分布台架试验结果表明，该方案的氨气分布均匀性和分布偏差率均较好。氨气浓度分布上偏差率均小于1.13，下偏差率均大于0.85，各工况氨气均匀性系数均在0.97以上，与仿真结果较为吻合。全工况的氮氧化物净化试验结果表明，该方案整体的氮氧化物净化效果非常理想。大部分工况条件下，氮氧化物排放量降低至0.4 g/k Wh以下。循环试验结果表明，三大循环试验测量值均满足国六标准。其中WHTC试验综合排放量为0.458 g/k Wh，WHSC试验排放量为0.037 g/k Wh，WNTE试验在1、3、9号网格下的测试值分别为0.00 7g/k Wh、0.042 g/k Wh、0.061 g/k Wh。氨气泄漏量远低于标准限值。
(4)对尾气处理系统进行抗结晶性能研究。模拟仿真结果表明，新型短距螺旋混合器比传统混合器上的液膜厚度显着降低，分布更加分散。锥型板混合器上面没有发现液膜。对方案4混合腔结构展开低温工况结晶台架试验，虽然极端条件下结晶产生不可避免，但全新的混合腔结构能够有效减少结晶的产生量。结晶的分布特点与仿真结果预估一致，混合腔结构具有较好的抗结晶性能。
(5)对该型尾气处理系统进行结晶风险规避研究。设置不同的尿素喷射量和排气流量的比值，展开不同温度下的结晶试验。依据不同温度和不同排气流量工况下尿素的最大喷射量，反推出发动机在不同转速和扭矩下允许的无结晶风险尿素临界喷射量。可为尿素优化供给提供参考依据。
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