柴油机尾气后处理混合器对NH3分布均匀性影响的研究

刘伟 田松

摘要：本文针对柴油机尾气后处理系统相关内容展开分析，结合尾气后处理混合器对NH3分布均匀性影响实验，内容包括建立结构计算模型、进行模型参数设计、确定NH3均匀性评价指标、仿真实验过程分析、实验结果整理等，通过研究控制尿素喷入计量、加强催化器燃油检查、拟定应急处理措施、做好日常养护工作等注意事项，其目的在于采集柴油机尾气后处理混合器工作数据，为后续工作活动的有序开展奠定基础。

Abstract： This article analyzes the related content of diesel engine exhaust gas aftertreatment system， combined with the experiment on the influence of exhaust gas aftertreatment mixer on the uniformity of NH3 distribution. The content includes the establishment of structural calculation model， model parameter design， determination of NH3 uniformity evaluation index， and simulation experiment process Analysis and analysis of experimental results， etc.， through research on controlling urea injection metering， strengthening catalyst fuel inspection， formulating emergency treatment measures， and doing daily maintenance work. The purpose is to collect diesel engine exhaust gas after-treatment mixer work data for follow-up The orderly development of work activities lays the foundation.

关键词：柴油机;计算模型;尾气后处理混合器;仿真实验

Key words： diesel engine;calculation model;exhaust gas aftertreatment mixer;simulation experiment

中图分类号：U464.172                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0013-02

0  引言

柴油机作为机动车运行过程中的重要工具，加强尾气处理工作也是设备工作期间需要重点关注的内容。从目前的应用情况来看，应用较多的后处理技术主要会将32.5%尿素水溶液来作为工作时的还原剂，随后借助催化还原反应来达到清除污染物的目的。在系统工作期间，前端NH3和NOX混合分布的均匀性也会对系统转化率带来较大干扰，做好均匀分布影响数据的整理工作，能够积累可靠的应用数据，找到系统工作时的平衡参数，这对于系统工作性能的稳定提升也有着积极地促进作用。

1  柴油机尾气后处理系统相关内容概述

选择性催化还原技术（SCR）的工作原理以32.5%的尿素水溶液为还原剂根据柴油机的运行工况通过计量泵向SCR前端喷射尿素水溶液，尿素水溶液经过雾化、蒸发、热解、水解最终生成NH3，进入SCR在催化剂的作用下经过化学反应最终把尾气中NOX污染物反应生成无毒无害的N2和H2O分子，具体反应过程如图1所示。

SCR 催化器内的主要反应化学式如下：①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O;②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O;③4NH3+5O2→4NO+6H2O;④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O。其中①式稱为标准SCR反应是柴油机尾气NO还原成N2最主要的反应过程;②式称为快速SCR反应其优先级要优于标准SCR反应，尾气中NO2主要通过此反应进行还原。③、④属于SCR催化器内的副反应，主要发生在高温环境中，严重制约了NOX的转化效率。

2  尾气后处理混合器对NH3分布均匀性影响分析

2.1 建立结构计算模型  在对系统影响性进行综合分析时，首要任务便是建立可靠的结构计算模型，以便其他参数的顺利计算。在模型建立过程中，会借助Solidworks软件来辅助系统结构的设计和建模，如图2所示，利用软件建立了比较典型的SCR 结构模型，据图可以看出，由于空间上的限制导致入口水平烟道上具有单侧扩张结构，同时，为引导烟气在烟道与装置内的均匀流动，系统内设计了多处导流板与均流格栅，这不利于喷氨格栅各支管与S-2上区域间对应关系的确定。针对烟道横向与纵向方向上烟气不均现象都需要进行喷氨量分布调整的情况，喷氨格栅结构一共有 24 根喷氨支管，分为 4 排6 列，即把入口烟道分成了24 个可以独立控制喷氨量的区域，以满足系统稳定工作的基础需求。

并且在SCR 系统网格模型应用中，也会对其应用区域进行划分，如划分成尿素热解区域、尾气混合区域、催化反应区域等，根据区域来采集相关的数据信息，以满足具体地应用需求。

2.2 进行模型参数设计  在对模型参数进行优化设计时，也需要按要求来完成模型参数设计工作。在具体的设计工作中，会在装置内做好湍流内容的求解，并且在对其进行采用时，也需要借助控制方程、湍流模型来辅助参数设计活动的推进。为了方便理解湍流活动，可以将其看做是平流活动与脉动流动的叠加结果。并且在模型参数设计过程中，考虑到烟道内烟气与NH3混合所存在的应用特性，因此在设计时也会融入组分模型，而催化剂也会使用多孔介质，这样可以有效提升接触面积，加快物质之间的反应速度。

2.3 确定NH3均匀性评价指标  在对NH3均匀性评价指标进行梳理时，可以参考的应用模型为NH3均匀离散模型，从而获取到可靠的评价指标，提升分析结果的准确性。借助该模型进行指标取用时，会在催化器前端的截面处沿着径向的方向来筛选出n 个NH3的浓度监测点，为了提升数据分析结果的准确性，需要适当提高n取值，以满足实验结果的相关要求。随后基于催化器前端截面NH3浓度的具体离散程度展开分析，随后也会对NH3与尾气混合过程的参数展开量化处理，得到便于统计分析的数据信息。在对截面浓度进行计算时，可以使用到标准差计算公式，将涉及到的数据代入到公式当中，以提高分析结果的实用价值和可靠性。

2.4 实验结果整理  根据已经得到的实验数据可以了解到，NH3在系统内的分布情况、分布状态和喷氨支管的相关参数之间存在较为明显的差异性。在不同温度的变化情况下，喷氨支管喷氨的浓度会以高浓度向着其他周围进行扩散，造成此类情况出现主要原因在于管道内部扩散作用，使得混合气体会沿着既定途径展开分析。而且喷氨支管和出口监测截面上所规划的应用区域相互间保持着良好的应对关系，不过在该位置NH3浓度分布，从中心整体有了向上偏移的趋势，并且在不同位置处出现了较大程度的偏移。导致上述情况的主要原因在于，在系统截面位置处，烟气的平均速度分布特征处于不均衡分布状态，所有气体的流通速度保持在14～18m/s。在后续烟气流通过程中，此类情况也得到了良好的应用处理，分布状态也会逐渐趋向于均匀。

另外，在支管区域内，NH3浓度的扩散状态也表现出了各向异性，导致此问题出现的主要原因在于，系统已有烟道和位于顶部的催化剂区域之间存在着90°拐角，这样也造成该区域内的压强相对较低，使得该区域内出现湍流混合的情况。而且靠近壁面的喷氨支管，其所在区域的分布也具备了比较典型的应用特征，即NH3浓度高的中心区域与壁面之间的距离相对较小，这也是因为该区域进行烟气混合时，区域内烟气会向周围进行扩散，而壁面所带来的阻挡作用，可以将此效应进行消除，从而造成了上述情况。

3  柴油机尾气后处理混合器应用时的注意事项

3.1 控制尿素喷入计量  通过控制尿素喷入计量，能够在确保系统稳定反应的基础上减少资源浪费，以加快相关反应活动的顺利进行。从实践情况来看，在具体管控环节中，主要采用精细化管控方式来对其进行处理，即将尿素喷入过程细分为若干环节，如液体注入、喷嘴角度设置等，结合仿真实验来确定最为合适的应用参数，从而提升匹配参数的合规性，满足后续的应用要求。同时在系统工作期间也需要做好参数监控工作，利用传感器对于相关参数进行采集，整理成比對曲线，根据反馈结果来调整设备参数，以确保系统工作处于稳定状态。

3.2 加强催化器燃油检查  通过加强催化器燃油检查，可以维持催化器稳定的工作状态，满足尾气处理的相关要求。在具体实践中，第一，明确规范的应用标准，结合以往的应用数据，对于催化器燃油管控标准进行梳理，随后对其进行整理，以表格的形式来提升规范内容的直观性，以便后续相关工作的顺利进行。第二，做好燃油使用时的细节检查，对于发现的问题进行及时处理，同时做好记录工作，定期对于这些数据进行整理，据此来作为检查体系完善时的参考数据，逐步提高检查体系的使用价值。

3.3 拟定应急处理措施  通过拟定应急处理措施，能够将突发问题负面影响控制在合理范围内，延长柴油机的使用寿命。在系统应用过程中，受到工作环境、工作负荷等因素影响，有时会突发一些故障问题，这些问题的出现也将直接影响到系统工作状态，降低尾气处理效率，带来较为严重的环境污染。基于此，在突发此类故障时，也需要根据报警系统提示对其进行及时检修，采用替换后检修的方法来快速解决问题，随后再对故障部位进行处理，从而提升应急处理结果的可靠性。

4  结束语

综上所述，控制尿素喷入计量，能够在确保系统稳定反应的基础上减少资源浪费，加强催化器燃油检查，可以维持催化器稳定的工作状态，拟定应急处理措施，能够将突发问题负面影响控制在合理范围内，做好日常养护工作，有利于系统工作状态可靠性的提升。基于系统仿真实验获取到的相关数据，搭配合理地优化措施，对于提升柴油器后处理系统工作效率，减少环境污染有着积极地意义。

参考文献：

[1]杨丽君，许刚.柴油机尾气后处理系统故障诊断与优化[J].农机使用与维修，2021（06）：93-94.

[2]张洪生，鹿顺江，何理华.SCR尾气后处理系统安装方法及注意事项[J].重型汽车，2021（02）：46-47.

[3]李曙辉，邵毅明.汽车尾气后处理系统铝泵体的精锻工艺智能优化[J].锻压技术，2021，46（02）：1-8.