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柴油机

废气再循环(EGR)技术就是从发动机排气中,引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机汽缸内参与燃烧,既降低汽缸内的燃烧温度,又有效控制高温富氧条件下NOx的生成,从而大大降低发动机废气中NOx含量。EGR系统是由发动机ECU(电控单元)进行控制,ECU通过进气温度传感器,进气压力传感器,水温传感器,发动机转速传感器,油门传感器,以及车辆制动信号,来感知发动机的各种状态,从而控制EGR控制阀的开度和废气再循环比率。


从技术特点看,EGR技术可以有效降低燃烧过程中氮氧化物的生成。由于引入温度很高的废气,增加了整个发动机的热负荷,不仅对发动机进气过程的冷却提出了更高要求,而且整个发动机的冷却系统散热能力也需要提高。同时,由于需要控制氮氧化物生成,对燃烧过程的最高温度和持续时间都必须进行严格控制。



EGR发动机的存在的问题的主要诱因是废气重新进入气缸对结构设计的影响,所以进气过程仿真是最重要的步骤。


 ♦  进气系统仿真


►  利用3D CFD方法模拟EGR发动机吸入废气和新鲜空气混合后,缸内的气体成分和分布。


►  关注气门表面的冲刷


►  关注废气温度的变化,避免水气凝结


 ♦  喷油过程仿真 


►  用3D CFD方法分析直列泵喷射系统的燃油蒸汽雾化过程


►  考察并比对有无EGR情况下,蒸发过程的异同,优化喷油过程


 ♦  燃烧过程仿真


►  利用3D CFD方法结合排放计算软件CHEMKIN,选用准确机理,模拟NOx和颗粒物的生成过程


►  优化NOx生成率、生成时间和EGR率的关系


 ♦  增压器压气机仿真


►  利用3D 多组分计算考虑增压器的叶片载荷以及腐蚀问题。


 ♦  发动机零部件结构仿真


►  使用3D 强度分析软件,针对耐久性试验中出现问题的零部件,结合载荷应力和热应力,进行零部件强度和疲劳分析,优化零部件结构设计



SCR的应用背景
 
 ♦  柴油机的PM与NOx排放存在着“trade-off”的关系

 ♦  国III/国IV发动机排放控制的主流技术之一

           ►增压、中冷、共轨、SCR

 ♦  优点

           ►  能大幅度降低NOx排放(在不降低发动机效率的前提下,能使NOx的转化率高达90%以上,并且在温度范围变化比较大的情况下保证较高的NOx转化率)

           ►  较好的燃油经济性(油耗可节省5% ~ 7%)

           ►  对燃油品质相对不敏感(尤其是对S毒副作用的高抗性)

           ►  催化剂活性高以及对水蒸气稳定性好

 
SCR原理
 
 ♦  NH3—SCR选择性催化还原技术利用NH3或尿素作为还原性物质,在O2浓度高出NOx浓度两个数量级以上条件下,在一定温度和催化剂作用下,利用NH3将NOx还原为N2和H2O。由于NH3高选择性优先还原NOx,而不先与O2反应,故称其为“选择性催化还原”。

 ♦  SCR过程可在柴油机排气温度300℃~400℃温度下进行。该反应可以去除柴油机排气中绝大部分的NOx,同时也能不同程度降低HC和CO的排放。

 
SCR系统组成

 
SCR基本反应

 
SCR过程优化设计方案

 
 ♦  采用软件仿真与部件试验相结合的方法对SCR过程进行优化设计是国内外主机和配套厂商的主要SCR设计思路

 ♦  欧洲主要的SCR厂商均使用Chemkin软件进行过程仿真

 ♦  SCR过程仿真方案

         ►  方法一:单独使用CHEMKIN软件仿真

         ►  方法二:使用CHEMKIN与CFD软件耦合仿真




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