重型柴油机双SCR系统混合器性能研究_刘勇.pdf
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1、内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n设计研究重型柴油机双S C R系统混合器性能研究刘 勇,刘 屹,高 翔(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 2 3 0 0 0 9)摘 要:为了研究国六重型柴油机尿素选择性催化还原(U r e a-S C R)系统混合器的性能,文章运用了计算流体力学(C F D)与反应动力学联合的办法,创建了包括尿素溶液喷雾及蒸发模型、催化剂表面化学反应模型等过程的S C R系统的数值模型。仿真混合器对催化器内部温度场、浓度场、速度场的分布和均匀性的影响以及对整个后处理系统的压力损失的影响。结果表明:安装混合器能够加速尿素水溶液的分解速率,提高喷雾
2、雾化质量,改善NH 3、温度等分布均匀性;安装混合器后在各个工况下NO x转化效率都有约1 0%增加,相应的压力损失大约增加了0.6 k P a。关键词:柴油机;选择性催化还原;均匀性;转化效率 中图分类号:T K 4 2 1.5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 0 1-0 5N u m e r i c a l S i m u l a t i o no fD o u b l eS C RS y s t e mf o rH e a v yD u t yD i e s e lE n g i n eL i uY o n g,L i uY i,
3、G a oX i a n g(S c h o o l o fA u t o m o b i l ea n dT r a f f i cE n g i n e e r i n g,H e f e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h em i x e rp e r f o r m a n c eo f t h ec a t a l y s t f o ru r e as e l e c t i
4、v ec a t a l y t i c r e d u c t i o n(U r e a-S C R)s y s t e mi nCH I NA6s t a n d a r dH e a v y-D u t yD i e s e lE n g i n e,U s i n g t h e c o m b i n a t i o no f c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y-n a m i c s(C F D)a n dr e a c t i o nk i n e t i c s,an u m e r i c a lm o d e l o f t h
5、eS C Rs y s t e mi n c l u d i n gt h eu r e as o l u t i o ns p r a ya n de v a p o r a t i o nm o d e l a n dt h e c a t a l y s t s u r f a c e c h e m i c a l r e a c t i o nm o d e lw a s c r e a t e d.T h ee f f e c t o f t h e s i m u l a t e dm i x-e ro nt h e i n t e r n a l t e m p e r a t
6、 u r e f i e l d,c o n c e n t r a t i o nf i e l d,v e l o c i t y f i e l dd i s t r i b u t i o na n du n i f o r m i t yo f t h ec a t a l y s ta n dt h ep r e s s u r e l o s so f t h ee n t i r ea f t e r t r e a t m e n t s y s t e m.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e i n s t a l l a t
7、i o no f t h em i x e r c a na c c e l e r a t e t h ed e c o m p o s i t i o nr a t eo f u r e a a q u e o u s s o l u t i o n,i m p r o v e t h eq u a l i t yo f s p r a ya t o m i z a t i o n,a n d i m p r o v et h eu n i f o r m i t yo f d i s t r i b u t i o no fNH 3a n d t e m p e r a t u r e.
8、A f t e r i n s t a l l i n g t h em i x e r,t h eNO xc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e sb ya b o u t 1 0%u n d e r v a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s.T h e c o r r e s p o n d i n gp r e s s u r e l o s s i n c r e a s e db ya p p r o x i-m a t e l y0.6k P a.K e yw o
9、r d s:D i e s e l e n g i n e;S e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n;U n i f o r m i t y;C o n v e r s i o ne f f i c i e n c y作者简介:刘勇(1 9 9 5),男,安徽铜陵人,合肥工业大学硕士生。0 引言柴油机因具有动力性强、燃油经济性好等优点广泛运用于工程装备1。柴油机尾气排放主要有N O x、C O、HC和颗粒物,N O x排放已成为制约柴油机发展的关键2。随着我国排放法规越来越严格,降低柴油机的N O x排放刻不容缓,仅仅依靠优化缸内燃
10、烧过程已经不能满足排放标准了,需要辅以后处理系统。尿素 选 择 性 催 化 还 原 技 术(U r e as e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n,U r e a-S C R)是目前最有效降低氮氧化物的技术之一3。目前为止,很多的学者对影响S C R转化效率方向做了 大 量 的 研 究。文 献4提 出 了 一 种S C R系 统 的NH3表面覆盖率的控制策略,针对有两个催化转化器的S C R系统,能够提高N O x转化效率的同时降低NH3泄漏。文献5通过试验和模拟对比了锥形、两极型等混合器对催化器前流动分析了均匀性和NH3分布均匀性
11、的影响,结果表明不同类型的混合器在特定工况运行条件下具有不同的混合性能和背压特性。文献6建立了喷雾及其与排气流和静态混合器相互作用的数值模型以研究混合器对选择性催化还原(S C R)的影响。研究了带或不带混合器的直管中液滴的停留时间以及液滴与混合器叶片之间的相互作用。数值结果表明,由于喷雾蒸发速率的提高和将液滴分解成较小液滴的能力,静态混合器可以帮助S C R系统实现更高的尿素转化效率。此外,使用混合器显着改善 了 管 道 中 还 原 剂 的 均 匀 性。文 献 7 利 用 一 维C F D分析温度、物料比对N O转化效率的影响,采用三维C F D方法计算直通式单S C R催化器喷雾过程以及分
12、析混合器对催化剂上游组分浓度的影响。文献8针对大功率的柴油机的S C R混合器设计了两种不同方案,通过计算流体动力学技术对两种方案的气流轨迹、尿素分解率、分布均匀性等进行了仿真分析,结果表明安装前置混合器能够提高S C R转化效率,更适应N O x的排放法规要求。文献9利用C F D软件建立选择性催化还原催化剂的N O x的催化反应模型和尿素喷射雾化模型等,研究了叶片型混合器不同布置方案对尿素溶液雾化、蒸发和分解和NH3分布均匀性的影响。结果表明混合器布置在1倍排气管直径位置 时S C R系 统 有 更 高 的N O x转 化 效 率。文 献1 0通过对一款混合器结构进行改造,提出一种半球形和
13、百叶窗组成的新型混合器结构,对改进前后催化器内部进1DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0122 0 2 3年第9期行数值模拟,结果表明:新型混合器能够显著提高尿素蒸发性能,改善催化器前段气流和氨蒸气的均匀性,使转化效率有了明显的提高。目前大多数是关于直通式单S C R催化器方面的研究,对于箱式双S C R催化器方面研究甚少。笔者基于国六柴油机的复合后处理系统该系统针对重型柴油机而采用双S C R串联的箱式后处理。分析了混合器对S C R催化器速度场、温度场、浓度场的分布情况以及均匀性和压力损失的影响,在以后的产品的研发过程可以提供借鉴。1 几何模型建立
14、S C R系统网格模型如图1所示,双S C R系统尺寸均相同:直径为3 0 4.8mm,长度为1 7 7.8mm。计算模型中只考虑双S C R系统。边界层网格3层、厚度1mm、增长率1.5、多孔介质区域网格生成方式为D i r e c t e dM e s h;混合器材质按防尿素腐蚀的不锈钢材料;中间的翅片截面是梯形且与混合器支架呈4 5,梯形截面的高度为9mm;混合器支架的厚度为5mm。混合器的三维图如图2所示。图1 催化器网格划分图2 混合器三维图2 反应机理及计算模型为了简化模型,研究的化学反应为尿素热解、异氰酸水解以及氨气与尾气中氧化氮物反应1 1,具体如下:NH2-C O-NH2NH
15、3+HN C O(1)HC N O+H2ONH3+C O2(2)4 NH3+4 N O+O24 N2+H2O(3)4 NH3+2 N O+2 N O24 N2+6 H2O(4)8 NH3+6 N O27 N2+1 2 H2O(5)其中,(1)式是尿素水溶液的热解反应。(2)式为异氰酸的水解反应。(3)(5)式表示的是NH3选择性地还原N O x的S C R反应,被称为主反应。从缸内排出的氮氧化物中N O很大比例,所以(3)式为标准反应1 2。(4)式为快反应,(5)式为慢反应1 3。2.1 喷雾模型K I VA的喷雾模型已经是目前内燃机喷雾模型的一种标准形式,是基于D DM模型衍生的一种模型。
16、D DM模型用于描述喷雾模型中的离散液滴分布。它是利用M o n t e-C a r l o方法将喷雾分成有代表性的几组离散液滴,并用l a g r a n g i a n方法跟踪这些离散液滴在流场中的运动和运输。D DM模型能较好的描述液滴的状态和液滴气相之间的相互作用。有程序最早将单元内颗粒源法与D DM模型相结合用于喷雾模型,现在的C F D商业软件中的喷雾模型都基本基于这个框架。2.2 热解、水解模型对于尿素的热解模型和异氰酸的水解模型都可以用A r r h e n i u s定理来描述。热解反应速率描述为A r r h e n i u s定理:dmu r e adt=-AD de x
17、 pEaR T(6)其中,A为频率因子;Ea为活化能;D d为液滴直径;T为排温;R为摩尔气体常量。水解反应速率描述为A r r h e n i u s定理:rh y d r o=Kh y d r oe x p-Eh y d r oR TscHN C OcH2O(7)其中,Kh y d r o表示频率因子;Eh y d r o表示活化能;Ts表示排气温度;R为 摩 尔 气 体 常 量;cHN C OcH2O表 示 尿 素 的 量浓度。2.3 载体多孔介质模型为了方便计算,将S C R载体简化为多孔介质、沿气流流向,只计算气流流向的气体速率和压力损失,压力损失选用F o r c h h e i
18、m e r1 4模型。dpgdxi=-ii-2|w|wi(8)其中,i为黏性损失系数(i代表X、Y、Z方向);为动力学黏度;wi为速度分量;为惯性损失系数;为气体密度。ii粘性损失,2|w|wi为惯性损失。2.4 催化器化学反应模型对于S C R中标准、快速和慢速反应速率可以用E l e y-R i d e a l来表示1 5。r3=A3e x p-Ea3TscN O*NH31-e x p-NH3*NH3(9)r4=A4e x p-Ea4TscN OcN O2*NH31-e x p-NH3*NH3(1 0)r5=A5e x p-Ea5TscN O2*NH31-e x p-NH3*NH3(1 1
19、)其中,Ai为反应i的频率因子:Ea i为反应i的活化能;Ts为催化剂表面温度,ck为组分k的摩尔浓度,NH3、*NH3分别为NH3的表面覆盖度、临界覆盖度。2.5 液滴碰壁模型K u h n k e-B i r k h o d模型可以用于描述液滴碰壁。液膜厚度hf方程为;hf t+hfu1 x1+hfu2 x2=SmfAc e l l(1 2)其中,u、x分别为速度分量和直角坐标;f为液膜密度;Ac e l l为单元面积;Sm为源项。液膜中能量守恒方程为;h t+(h u1)x1+(h u2)x2=2内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n1fVc e l l(Qw-f+Qg-f
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