張東劍,馬其華,2,任洪娟,張璐璐
(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院,上海 201620;
2.東華大學(xué) 高性能纖維及制品教育部重點實驗室(B類),上海 201620)
噴射參數(shù)對柴油機(jī)SCR內(nèi)部NH3均勻性影響分析
張東劍1,馬其華1,2,任洪娟1,張璐璐1
(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院,上海 201620;
2.東華大學(xué) 高性能纖維及制品教育部重點實驗室(B類),上海 201620)
研究尿素噴射參數(shù)對選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)系統(tǒng)催化箱載體內(nèi)部NH3分布均勻性的影響。選擇典型發(fā)動機(jī)工況的排氣流量、尾氣體成分比例、排氣溫度、壓力等物理信息作為邊界條件,應(yīng)用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法對SCR系統(tǒng)進(jìn)行全尺寸模擬,并提出了NH3均勻性系數(shù)γ來評價六串孔催化箱入口截面NH3的均勻性程度。研究分析了5個尿素噴射位置、4種噴射角度對入口截面NH3均勻性的影響。結(jié)果表明,在90°彎管噴射位置、45°噴射角度,六串孔催化箱入口截面的NH3均勻性最好。
柴油機(jī);選擇性催化還原;噴射參數(shù);NH3均勻性
近年來,我國機(jī)動車排放問題越來越嚴(yán)重。根據(jù)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的形勢要求,國六標(biāo)準(zhǔn)會進(jìn)一步嚴(yán)控氮氧化物(NOx)的排放限值,總體目標(biāo)是在國五標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加嚴(yán)30%[1]。僅靠發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)很難滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求,因此通過輔助尾氣后處理技術(shù)來控制污染物的排放是目前減排的必然選擇。采用SCR是目前降低柴油機(jī)NOx排放最有效的技術(shù)之一,也是最符合我國國情,被廣大汽車廠商采用的后處理技術(shù)之一[2]。
由于發(fā)動機(jī)工況多變,排氣流量和排放物濃度波動很大,往往會造成催化劑載體老化不均勻和轉(zhuǎn)化效率低等問題,因此必須優(yōu)化SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提高氣流流動均勻性,充分利用催化劑載體[3-4]。BHATTACHARJEE等[5]應(yīng)用CFD技術(shù)分析速度場、溫度場以及濃度場對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響,并直觀地觀察出SCR系統(tǒng)內(nèi)流體流動的具體過程,其研究結(jié)果表明,進(jìn)入載體的NH3均勻性越好,NOx的轉(zhuǎn)化效率也就越高。BIRKHOLD等[6]研究不同尿素噴嘴的數(shù)目和位置對催化特性的影響,其研究結(jié)果表明,不同尿素噴嘴的數(shù)目和位置影響載體內(nèi)部的流動狀況,進(jìn)而影響NOx的轉(zhuǎn)化效率。國內(nèi)SCR技術(shù)研究起步較晚,王靜等[7-8]研究不同排氣溫度、尿素噴射壓力和尿素噴射溫度對 SCR 系統(tǒng)催化劑入口的還原劑均勻性、催化劑內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率的影響。王謙等[9]的研究表明,加裝混合器和導(dǎo)流裝置對載體前端面速度和NH3的均勻性有很大改善作用。
目前的研究對NH3的分布不均勻性對SCR性能的影響有足夠的認(rèn)識,但針對不同結(jié)構(gòu)和布置的SCR系統(tǒng),其NH3的分布特性以及如何改善NH3分布均勻性等方面的研究工作仍十分缺乏,且國內(nèi)由于受到軟件限制大多研究都集中在催化載體單通道模擬[10],未從整體考慮SCR系統(tǒng)NH3的均勻性分布。利用發(fā)動機(jī)臺架試驗選取三種SCR系統(tǒng)典型工況的排氣流量、各氣體成分比例以及溫度、壓力等物理信息作為邊界條件,采用CFD耦合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的方法對SCR系統(tǒng)進(jìn)行全尺寸模擬,研究各個尿素噴射參數(shù)(位置、角度)對催化載體前端NH3的分布均勻性影響,獲得最佳噴射位置與噴射角度,為高效SCR系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。
1.1 幾何模型
圖1為SCR系統(tǒng)的二維尺寸,所用的催化劑為并聯(lián)六串口形式,排氣管分為A、B、C三段,其中每段分界的突擴(kuò)角為90°和115°??紤]到模型的不對稱性,催化劑前NH3濃度分布不均勻,會出現(xiàn)局部氨不足或過量的情況,從而導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化率下降或NH3泄露。因此,為了保證模擬的準(zhǔn)確性,對SCR系統(tǒng)進(jìn)行全尺寸模擬。采用Hypermesh軟件四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)對幾何模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,用 CFD 軟件進(jìn)行模擬計算。
圖1 SCR系統(tǒng)二維示意圖
1.2 計算模型
從尿素噴射到SCR催化器入口,涉及很多物理化學(xué)過程,其中主要包括尿素溶液的霧化、尿素液滴蒸發(fā)和熱解等過程[11-12]。
1.2.1 噴霧模型
本文中尿素溶液的噴霧模擬采用離散液滴模型(Discrete Droplet Model,DDM),即忽略液相初次霧化過程,認(rèn)為尿素溶液離開噴嘴就成為離散的液滴并結(jié)合拉格朗日方法和歐拉方法來求解液滴運動軌跡,液滴的二次破碎過程采用Huh-Gosman破碎模型[13]。其尿素噴射的邊界條件為:噴嘴為單噴孔,直徑為0.78 mm,液滴噴射速度為25 m/s,單次噴射1.217 g。
1.2.2 尿素水解、熱解模型
噴嘴將尿素以液滴形式噴入排氣管后,因排氣溫度較高導(dǎo)致液滴的霧化與擴(kuò)散[14-15],如式(1)所示,尿素隨之熱分解為等摩爾的NH3和異氰酸(HCNO),見式(2)。HCNO在氣相時非常穩(wěn)定,因此尿素溶液從噴入排氣管到催化反應(yīng)之前發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程可以概括為:
對于均相反應(yīng)式(2),其反應(yīng)速率homr 可以用典型的冪律方程來表示:
為獲得柴油機(jī)各工況的排放信息,進(jìn)行了相關(guān)的發(fā)動機(jī)臺架試驗,柴油機(jī)基本參數(shù)見表1。試驗中采用AVL-ATA404電力測功機(jī)測取柴油機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,AVL-i60&AVL-PEU測量NOx、CO、THC和O2等氣體的濃度,以及各種傳感器測量各個工況溫度、壓力、流速等物理信息。根據(jù)GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》的要求進(jìn)行試驗。
表1 發(fā)動機(jī)基本參數(shù)
選取了試驗用柴油機(jī)的3種不同工況排氣參數(shù)作為入口邊界條件,見表2。
表2 各工況邊界條件
NH3在催化劑載體入口處的均勻性程度對NOx的轉(zhuǎn)化效率有很大影響,NH3分布不均勻會使還原劑局部過量或不足,從而導(dǎo)致SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率降低和NH3的泄漏[16],長時間NH3的不均勻會導(dǎo)致催化劑老化不均勻,從而影響催化劑的整體性能[17]。本文引入變異系數(shù)(C.V)概念來衡量NH3在催化劑載體入口截面濃度分?jǐn)?shù)的離散程度,提出NH3均勻性系數(shù)γ來評價NH3在催化劑載體入口截面的濃度分布均勻程度,其公式為:
式中:n為截面取點總數(shù);ci為第i個取點NH3的濃度;為整個截面的平均濃度。NH3均勻性系數(shù)γ越接近1,就表明該截面NH3的分布越均勻。取SCR載體入口截面上102個不同位置的NH3濃度來計算NH3在催化劑載體入口截面的濃度分布均勻程度,取點分布如圖2所示。
圖2 催化反應(yīng)箱六串孔入口截面NH3濃度選取點示意圖
3.1 尿素噴射位置對NH3均勻性的影響
利用尿素噴霧模型和水解、熱解模型,研究柴油機(jī)在不同工況下,噴射位置對SCR系統(tǒng)載體入口截面NH3分布均勻性的影響。圖3為六串孔催化箱NH3分布測取截面上,不同工況下各個噴射位置對NH3均勻性的影響圖。由圖3可知,同一工況下,隨著噴射位置的后移,NH3的分布呈現(xiàn)先均勻后分散的趨勢。A1噴射點相對于A2噴射點氨的均勻性較差,是由于在A1噴射點噴射時,尿素溶液隨著氣流運動會直接打在排氣管A段90°彎管處,并會在90°彎管處形成一個渦流,使尿素開始噴射時一部分粘在管壁上,并隨氣流沿管壁往后運動,且有可能形成尿素結(jié)晶,增大排氣背壓,降低柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。B1、B2、C1噴射點相對于A2噴射點氨的均勻性逐漸變差,是由于噴射位置的后移使尿素粒子沒有充分的時間完成水解、熱解,使排氣管末端(C2處)仍有尿素粒子出現(xiàn),造成NH3的分布不均勻。從橫向看,同一噴射點,隨著轉(zhuǎn)速的增加,NH3的濃度變小且氨的均勻性有所降低,這是由于高轉(zhuǎn)速下其它氣體物質(zhì)的成分比例(CO、CO2、NOx等)變高,降低了NH3的濃度分?jǐn)?shù),同時高轉(zhuǎn)速下氣流活動劇烈,排氣對尿素液滴的拖曳作用比較強(qiáng),尿素液滴比較集中,所以NH3均勻性比較差。
圖3 SCR系統(tǒng)NH3的濃度分布
圖4 不同噴射位置條件下NH3均勻性系數(shù)對比
圖4 定量地分析了六串孔催化箱NH3分布測取截面上,不同噴射位置下,NH3均勻性系數(shù)隨工況的變化情況。由圖可知,1 000 r/min下,不同的尿素噴射位置對NH3的均勻性分布有較大影響,A2(90°彎管)噴射點噴射時NH3均勻性系數(shù)比A1(A段直管處)噴射點NH3均勻性系數(shù)提高2.17%,比B1(B段起始處)噴射點NH3均勻性系數(shù)提高6.82%,且隨著噴射位置后移,NH3均勻性系數(shù)逐漸降低。不同工況下,NH3均勻性系數(shù)變化也比較明顯,2 100 r/min下A1、A2、B1、B2、C1噴射點的NH3均勻性系數(shù)相比于1 000 r/min時分別降低7.5%、6.9%、6.3%、6.4%、8.4%。由上述數(shù)據(jù)可以看出,噴射位置越往后,高轉(zhuǎn)速工況下的NH3均勻性程度越低,這是由于高轉(zhuǎn)速下排氣速度較快加上噴射位置接近催化反應(yīng)箱,造成尿素粒子沒有充分的時間完成水解、熱解造成的。綜合不同噴射位置NH3均勻性系數(shù)的大小,可知A2(90°彎管)噴射點噴射尿素最佳。
3.2 尿素噴射角度對氨分布的影響
在A2(90°彎管)噴射位置的基礎(chǔ)上改變噴嘴角度,如圖1所示,分別取0°、15°、30°和45°,結(jié)合圖4中1 000 r/min轉(zhuǎn)速下NH3均勻性系數(shù)最大,且1 500 r/min轉(zhuǎn)速下NH3均勻性系數(shù)相比于1 000 r/min轉(zhuǎn)速時下降明顯并與2 100 r/min轉(zhuǎn)速下NH3均勻性系數(shù)相差不大的情況,選取1 000 r/min轉(zhuǎn)速點模擬不同噴射角度對NH3均勻性的影響。
如圖5所示,4種噴嘴角度的尿素粒子在管壁上均有不同的碰撞。0°和 15°噴射角時,大部分粒子順著管壁往后運動,使熱、水解后的NH3集中在某一區(qū)域,到達(dá)六串孔催化箱入口截面的NH3均勻性變低。45°噴射角時,尿素粒子分布最均勻,幾乎布滿整個排氣管,最終六串孔催化箱入口截面的NH3均勻性也最高。圖6則是具體表現(xiàn)出4種不同噴射角度下催化箱入口各串孔NH3濃度的分配情況。一方面可以看出,各串孔之間的NH3濃度分配存在較大差異,0°噴射角時,各串孔的NH3濃度分配比差異性最大,其中串孔1的NH3濃度分配比為15.13%,串孔6的NH3濃度分配比為19.15%。隨著噴射角度的增大,各串孔的NH3濃度分配比的差異性逐漸變小,45°噴射角時,各串孔NH3濃度分配比的最大值與最小值之差僅為2.1%。另一方面可以看出,無論何種噴射角度,串孔4和串孔6都是NH3濃度較為集中的區(qū)域,所占的濃度分配比也最高。
圖5 不同噴射角度時的尿素粒子分布
圖6 四種不同噴射角度下各串孔NH3濃度分配比
圖7 不同噴射角度的NH3均勻性系數(shù)對比
圖7 為1 000 r/min轉(zhuǎn)速下,NH3均勻性系數(shù)隨噴射角度變化的比較。由圖7可知,45°噴射角由于各串孔的NH3濃度分配均勻,使六串孔催化箱入口截面的均勻性較好,45°噴射角相對于0°噴射角,NH3均勻性系數(shù)提高2.2%。由此可見,在A2(90°彎管)噴射位置選擇45°噴射角最為適宜。
本文通過CFD方法對SCR系統(tǒng)內(nèi)部流動性能進(jìn)行全尺寸的數(shù)值模擬,選擇發(fā)動機(jī)典型工況排氣參數(shù)作為邊界條件,分析尿素噴射位置及噴射角度對NH3分布均勻性的影響,主要結(jié)論如下:
(1)不同的尿素噴射位置對NH3的均勻性分布有較大影響,噴射位置越往后,高轉(zhuǎn)速工況下的NH3均勻性程度越低。綜合不同噴射位置NH3均勻性系數(shù)的大小,A2(90°彎管)噴射點噴射尿素最佳。
(2)不同噴射角度的尿素粒子在管壁上均有不同的碰撞,45°噴射角噴射尿素時粒子在管壁上分布更為均勻,到達(dá)六串孔催化箱入口截面的NH3也更均勻。
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作者介紹
責(zé)任作者:張東劍(1991-),男,江蘇徐州人。碩士研究生,主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)排放性能仿真與優(yōu)化。
Tel:13311707478
E-mail:d.j.zhang@qq.com
Influence Analysis of Injection Parameters on NH3Uniformity in Diesel Engine SCR
ZHANG Dongjian1,MA Qihua1,2,REN Hongjuan1,ZHANG Lulu1
( 1. School of Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2. Key Laboratory of High Performance Fibers & Products of Ministry of Education(Category B),Donghua University,Shanghai 201620,China)
The paper studied the effects of urea injection parameters on the uniformity of NH3distribution in the catalyst carrier of selective catalytic reduction(SCR) system. Based on the engine bench test, the physical parameters such as the exhaust gas flow rate, the ratio of gas components, the temperature, pressure etc. under typical engine working conditions were selected as boundary conditions to simulate the overall SCR system by using the computational fluid dynamics(CFD) method. The NH3uniformity coefficient was used to evaluate the degree of uniformity on the entrance cross section of the catalytic box and the effects of 5 urea injection positions and 4 injection angles on the inlet NH3uniformity were studied. The results show that the best NH3uniformity is achieved with the injection at the position of the 90 degree elbow and at a 45 degree angle.
diesel engine;selective catalytic reduction;injection parameters;NH3uniformity
TK422
A
10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.08
馬其華(1980-),男,寧夏中衛(wèi)人。副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向為汽車性能仿真與優(yōu)化。
2017-03-22 改稿日期:2017-04-17
高性能纖維及制品教育部重點實驗室開放課題基金(E2-6203-16-09-(2016)NO.2)
參考文獻(xiàn)引用格式:
張東劍,馬其華,任洪娟,等. 噴射參數(shù)對柴油機(jī)SCR內(nèi)部NH3均勻性影響分析[J].汽車工程學(xué)報,2017,7(4):299-305.
ZHANG Dongjian,MA Qihua,REN Hongjuan,et al. In fl uence Analysis of Injection Parameters on NH3Uniformity in Diesel Engine SCR[J].Chinese Journal of Automotive Engineering,2017,7(4):299-305.(in Chinese)
Tel:18017286996
E-mail:mqh0386@163.com