柴油机以扭矩大、热效率高而广泛应用于农业机械、工程机械以及汽车等行业,近年来,内燃机技术不断发展,国内外内燃机技术差距越来越小,柴油机新技术在国内的各个领域的应用在不断拓展。但柴油机总量增加的同时也带来了排放污染问题,氮氧化合物（NO_x）和颗粒物（PM）为柴油机主要排放污染物。目前在大气污染中,汽车尾气排放是造成的污染的主要来源之一,其中NO_x排放对人体和大气环境有较大的破坏作用。面对日渐加重的环境污染问题,国家制定的排放法规愈发严格,而选择性催化还原反应（Selective catalytic reduction,SCR）技术是处理NO_x排放的最有效的技术手段之一,对SCR的结构优化及催化反应特性的研究具有重要的理论指导和实践应用意义。本文以D30柴油机为研究对象,通过搭建发动机加装后处理DOC+CDPF+SCR系统的试验台架,主要以空气辅助式尿素喷射系统,针对SCR系统在不同转速及扭矩工况的工作特性研究,2分钟和5分钟时间稳定转速变工况试验,及不同转速100N.m恒扭矩工况试验研究。研究表明:（1）低温工况下尿素/NO_x当量比对SCR转化效率影响较大,尿素/NO_x当量比为1时,排气温度180℃时NO_x转化效率仅为63%,排气温度上升到200℃时NO_x转化效率高达近90%。随着转速的上升SCR的前后压力损失不断增加,在转速达到2880rpm时,压力损失值达到最大,约为4⁵kPa。（2）在2分钟和5分钟时间稳定转速的变工况对比试验研究中,两个试验整体差异约在1.5%,SCR的尿素喷射系统和催化剂的催化还原反应在瞬态和稳态工况均有较好的适应性和稳定性。（3）在恒转矩工况不同转速SCR试验研究中,在转速从1100rpm上升到2880rpm过程中,转速在1100rpm¹300rpm时SCR入口温度在200℃以下,NO_x转化效率仅为3%;转速从2880rpm降到1100rpm时,由于SCR入口温度在220℃以上,NO_x转化效率仍保持在90%左右,说明在变工况时SCR入口温度对NO_x转化效率影响较大。基于SCR台架试验结合三维仿真软件AVL FIRE对SCR反应装置进行模型构建。通过7个工况点试验值和仿真值的对比,确定计算模型的准确性。研究针对SCR催化器进行了两种整体结构优化,并设计了多种不同类型混合器和多种整流器方案对比,分析不同设计方案的压力损失、湍流动能大小、NH₃的分布均匀性及NO_x转化效率的影响。研究表明:（1）对于整体模型优化而言,去除催化器后端整流板对NO_x在载体中的分布和NO_x转化效率影响较小,但对NO_x在催化器出口处的分布有较大影响。在实际中应用中,会影响NO_x传感器对NO_x的检测,但是计算中对NO_x转化效率影响较小。（2）针对多种SCR混合器进行了压力损失、湍流动能对比分析,较强的湍流动能能够促进尿素的水解和氧化,有利于NH₃的分布均匀性及与空气的混合,但是也会造成较大的压力损失,降低发动机燃烧性能及动力性。NH₃在催化器内的分布特性方面,不同混合器方案的NH₃的分布和滑移量均较为相似,不同方案之间的差异性较小。在NO_x转化效率方面,在低温工况排气温度168℃时,原混合器的NO_x转化效率有较为明显的提高。排气温度195℃时,原混合器的NO_x转化效率仍高出其他平均有4%。排气温度为260℃时,原混合器方案和方案B的NO_x转化效率差异较小。在优化结果较好的方案中有较低的压力损失、较好的NH₃分布均匀度及较高的NO_x转化效率。（3）对比20°30°40°三种叶片角度分析,压力损失和湍流动能随着角度的增加而增大。在NH₃分布方面,原混合器有较高的湍流动能,因此NH₃的生成量较高。在载体入口截面NH₃分布方面,混合器叶片角度的增加,载体入口截面NH₃均匀度明显增大。在NO_x转化效率方面,混合器叶片角度对NO_x转化效率影响较小,转化效率之间的差距也仅有2%。（4）对比不同种整流器设计,整流器整体压力损失较小,最大均未超过50Pa,对比整个SCR系统的压力损失可以忽略不计。在NH₃分布特性方面,载体入口截面NH₃均匀度有较大差异,其中无整流器时载体入口截面NH₃均匀度最高,在不同工况下NH₃均匀度均高达98%,也因此在无整流器时NO_x转化效率最高。由于无整流器时SCR的NH₃均匀度较高,故基于结构优化后的无整流器模型,通过对不同目数、壁厚及涂层厚度的载体在不同工况下的压力损失、NH₃分布特性和NO_x转化效率等对比分析,以及通过对不同结构优化后的SCR方案及不同孔目数载体进行尿素壁膜对比分析。研究表明:（1）对比不同载体参数方案,由于目数增加和壁厚的减小,载体孔道截面流通面积增大,流动阻力降低,但目数为600目时,载体摩擦阻力的增加量大于流动阻力的减小量,因此,压力损失大小随载体目数的增加先减小后增加。（2）针对原载体以外的三种载体,随着孔目数的增加和壁厚的减小,NO_x转化效率呈不断上升趋势,载体为600目时,在排温仅为168℃工况时,NO_x转化效率比原载体上升近15%,当温度超过200℃,NO_x转化效率均超过90%。（3）在SCR不同结构优化方案尿素壁膜分布对比中,原模型NH₃分布均匀度和NO_x转化效率较高,且载体出口区域有较强的湍流动能,湍动气流增强,壁膜面积减小。（4）不同载体方案尿素壁膜分布对比中,由于载体孔目数增加和壁厚的减小,经过孔道的尿素和NH₃与催化剂的接触面积增大,NO_x转化效率增加,NH₃滑移量减少,且载体上涂覆的NH₃氧化剂接触面积增大,尿素和NH₃更多被氧化,导致收缩管位置尿素壁膜面积较少。