柴油机尿素SCR催化器优化设计

。
(3)
式中 , K0hom 为频率因子 ; Ehom 为活化能 ; Tg 是排气
温度 ; C[ (N H2) 2 CO(s) ] 是尿素的气相摩尔分数 。 1. 2. 3 载体多孔介质模型
整体式陶瓷蜂窝催化剂载体按各向异性多孔介
质处理 ,即流体流经载体时只有沿轴向方向的速度
和压力损失可按 Darcy 定律进行计算[3] ,
第20017期年(总2 月第 16 7 期 )
车 用 发 动 机 V EH ICL E EN GIN E
No . 1 (FSeebri.a2l0N07o
. 167)
柴油机尿素 SCR 催化器优化设计
帅石金 , 张文娟 , 董红义 , 王建昕 , 王 志
图 5 喷孔数目对 N H3 浓度及其分布的影响
图 6 比较了 4 种喷嘴型式下模拟计算得到的催 化器 NO x 转化率 。其中 , NO x 转化率随喷孔数目 的变化规律与γ随喷孔数目变化的趋势有很好的对 应关系 ,即γ大者其还原剂分布不均匀 ,催化反应进 行不充分 ,相应的NOx 转化率较低 ;如图6所示 , 2 孔喷嘴对应的转化效率最低 ;采用 4 孔喷嘴后 , NO x 转化率有较大提高 ;继续增加喷孔数时转化率 有所提高 ,但是幅度较小 。对于径向喷射喷嘴 ,喷孔 数增多意味着加工面的增多 ,其加工难度和成本也 相应提高 ,综合考虑催化器性能及喷嘴加工两方面 因素 ,比较合适的喷孔孔数为 4 孔～6 孔 。
图 1 U rea2SCR 系统尺寸示意
由于还原剂喷雾模拟要求采用较小的计算网 格 ,为了节省计算成本 ,模拟时利用催化器和喷嘴沿 中心轴对称的特点只选用系统的 1/ 4 (为消除网格 的影响 ,对喷孔数目进行变参数研究时选取 1/ 2) 作
收稿日期 : 2006212208 ; 修回日期 : 2007201211 基金项目 : 国家 863 计划子课题 (2001AA64304003) ,中国科学院知识创新工程项目 ( KZCX32SW2430) 作者简介 : 帅石金 (1965 —) ,男 ,江苏省靖江市人 ,教授 ,主要从事发动机燃烧与排放等的研究 ; E2mail : sjshuai @t singhua. edu. cn 。
2007 年 2 月 帅石金 , 等 : 柴油机尿素 SCR 催化器优化设计 · 45 ·
为计算域 ,其中根据图 1 几何尺寸得到的三维结构 化网格如图 2 所示 ,共有 26 873 个计算网格 。
图 2 催化器计算网格
1. 2 相关模型
1. 2. 1 喷雾模型
图 4 示出了喷嘴位置对催化剂转化率的影响 。 其中催化剂 NO x 转化率随着 l 增大而提高 ,当 l > 5 d 时 , NO x 转化率均在 90 %以上 ;在喷嘴离催化器 入口较近时 ,喷嘴位置对于 NO x 转化率的影响更为 明显 ,如 l 从 2. 0 d 增至 3. 5 d 时 , NO x 转化率提高 约4. 7 % ,而从6 . 5 d增至8 . 0 d时 ,转化率提高 约 2. 6 %;考虑到催化器车载布置时的空间限制 , 5 d ～8 d 是比较合适的选择 ,如实际催化器中要求 喷嘴距离催化器入口 5 d 以上 。
生成的水蒸气发生水解反应生成 N H3 和 CO2 。反
应式 (6) 至 (8) 表示的是 N H3 选择性还原 NO x 的 SCR 反应 。由于 NO x 中最主要的是 NO (含量约为 90 %) ,因此 ,反应 (6) 被称为标准 SCR 反应 。相关
研究成果表明 , NO2 的存在可以提高反应速率 ,当 NO2 与 NO x 含量比约等于 50 % ,反应速率最快 ,因 此 ,反应 (7) 被称作快速 SCR 反应 。当 NO2 与 NO x 含量比继续增大时 ,反应 (8) 所示的缓慢 SCR 反应
d pg dz
=
A D ·vg
, AD
= φ·2vg··dρhygd ·ξ。
(4)
式中 , pg 表示气体压力 ; φ为管道形状因子 ,即圆形
截面φ = 1 ,方形截面φ = 0. 89 ; dhyd 为管道水力直
径 ;ξ为摩擦系数 ; vg 为管内气体速度 。
1. 2. 4 催化反应机理
在富 O2 条件下 ,N H3 在 SCR 催化剂表面选择
7 H2 O (气) ,
(1)
(N H2 ) 2 CO (固) N H3 (气) + HCNO (气) 。 (2)
对均相反应式 (2) ,其反应速率 ( rhom ) 可以用
典型的幂律方程表达为
rhom
=
K0hom ·exp ( -
Ehom ) Tg
C[ (N H2 ) 2 CO ( s) ]
中图分类号 : T K421 文献标志码 : A 文章编号 : 100122222 (2007) 0120044204
与汽油机广泛采用闭环电子控制加三效催化 器 ( TWC) 技术相比 ,柴油机主要依靠 E GR 、推迟喷 油提前角 、改善燃烧和改进燃烧室结构等机内净化 措施来降低有害排放物 。由于柴油机两大主要排放 物氮氧化物 ( NO x ) 和颗粒物 ( PM) 之间的 Trade2 off 关系 ,随着日益严格的排放法规的实施 ,单纯依 靠机内措施已经不能满足法规需要 。因此 ,排气后 处理技术和机内净化措施相结合将成为未来解决柴 油机排放问题的主要技术手段 。
目前 ,常用的 U rea2SCR 催化剂有钒基催化剂 和沸石型催化剂 ,并普遍采用 32. 5 %的尿素水溶液 (AdBlue) 为还原剂 ,通过空气辅助喷射的形式喷入 排气 。相比传统 TWC 和氧化催化剂 (DOC) , SCR 催化器系统更为复杂 。由于在催化剂中与 NO x 反 应的实际还原剂为尿素水解生成的氨气 ( N H3 ) ,所 以 ,喷入的 AdBlue 在进入催化剂载体前充分热解 并与排气充分混合 ,是同时获得高 NO x 转化率和低 N H3 泄漏的必要条件[2 ] 。
本研究首先在台架试验的基础上对某款达欧 Ⅳ 排放标准的柴油机 SCR催化器系统建立了详细的
三维计算流体力学 ( CFD) 模型 ,利用所建模型研究 喷嘴型式 、安装位置 、喷孔数目和催化器形状等因素 对还原剂浓度分布及相应 NO x 转化率的影响 ,为催 化器的优化设计提供理论依据 。
1 SCR 催化器 CFD 建模
在网格 i 中的浓度 ; C 是 N H3 在整个截面上的平均
· 46 · 车 用 发 动 机 2007 年第 1 期
浓度 。γ越小 ,表示 N H3 在该截面上的分布越均匀 , γ = 0 表示浓度分布完全均匀 。 2. 1 喷嘴位置的影响 如图 3 所示 ,随着喷射点到催化器入口距离 l 的增大 ,N H3 在催化剂载体前端横截面的平均浓度 相应增大 ,其分布也更趋均匀 。这是因为随着喷嘴 安装位置的远离 ,喷入的 AdBlue 液滴与排气相互 作用的时间更长 、液滴蒸发以及尿素热解更为充分 。
132 ℃[4] ,如式 (1) 所示 ,尿素随之热分解为等摩尔
的 N H3 和异氰酸 ( HCNO) ,见式 (2) 。HCNO 在气
相时非常稳定[5] 。因此 ,AdBlue 从喷入排气到催化
剂之前发生的化学反应过程可以概括为[ 5 ]
(N H2 ) 2 CO (液)
(N H2 ) 2 CO (固) +
(清华大学Байду номын сангаас车安全与节能国家重点实验室 , 北京 100084)
摘要 : 运用计算流体力学手段对柴油机 SCR 催化器内排气流动 、尿素水溶液喷射雾化 、液滴蒸发 、尿素热解和 催化剂表面化学反应等整个 NO x 后处理过程进行了模拟 ,通过考察不同方案下载体前端面的尿素浓度分布及 NO x 转化率 ,研究了还原剂添加位置 、喷嘴型式以及催化器入口扩张管形状等因素对催化器系统 NO x 转化性能的 影响 ,研究结果为催化器的优化设计提供了指导依据 。 关键词 : 柴油机 ; 氮氧化物催化器 ; 选择催化还原 ; 计算流体力学
发模型来考虑液滴的蒸发和气液相之间的传热传质
过程[3] ,采用 Huh2Go sman 破碎模型来考虑液滴的
二次破碎过程[3 ] 。
1. 2. 2 尿素水溶液热解机理
喷嘴将 AdBlue 以液滴的形式喷入排气后 ,随
着液滴的雾化与扩散 ,因排气温度较高导致液滴水
分蒸发从而产生固体或熔化的尿素 ,其熔点为
(6)
4N H3 + 2NO + 2NO2
r3
4N2 + 6 H2 O ,
(7)
r4
8N H3 + 6NO2
7N2 + 12 H2 O ,
(8)
4N H3 + 3O2 r5 2N2 + 6 H2 O 。
(9)
如反应式 (5) 所示 ,尿素热分解产物之一的
HCNO 在以氧化物为载体的催化剂表面将与燃烧
N H3 在载体入口处的浓度分布 均匀 程度 对
NO x 转化率有很大影响[2] 。本研究采用 Welten 等 人提出的不均匀度指数γ来评价 N H3 在催化剂载 体前端横截面的浓度分布均匀程度[7] ,定义为
∑n
γ =
1 2 ni
=
1
( Ci - C) 2 。
C
(10)
式中 , n 表示载体前端截面的网格总数 ; Ci 是 N H3
性地与 NO x 发生氧化还原反应 ,生成氮气 (N2 ) 和水 蒸气 ,从而达到降低 NO x 排放的目的 。在本研究中 主要考虑如下 5 个总包反应 (假设催化剂表面的吸
附/ 脱附过程处于准平衡状态) [4] ,
HCNO + H2 O
r1
N H3 + CO2 ,
(5)
4N H3 + 4NO + O2 r2 4N2 + 6 H2 O ,
1. 1 网格生成 图 1 为实际催化器系统的示意图 ,所用催化剂为 V2 O5 / WO3 / TiO2 整体式催化剂 ,容积 16. 6 L ,孔密度 为 40 孔/ cm2 ,壁厚 0. 06 mm ,涂层厚度 0. 15 mm。其中 排气管到催化器入口为突扩直角过渡 ,采用的四孔径 向喷嘴的安装位置到催化器入口的距离 ( l ) 为 5 d ( d 为排气管直径) 。在此基础上进行变参数研究 ,分别对 l 为 2 d ,3. 5 d ,6. 5 d ,8 d , 孔数为 2 孔、6 孔、8 孔喷嘴以 及不同催化器形状(扩张管与收缩管锥角α为 45°,60°, 90°) 进行了数值模拟。
还原剂喷射采用了空气辅助喷射的形式 ,即从
喷嘴中同时喷出 AdBlue 和压缩空气 。由于在标准
状况下压缩空气的消耗量 (1. 05 m3 / h～1. 32 m3 /
h) 相对于排气流量而言很小 ,所以 ,在模拟时只考
虑了尿素水溶液的喷射 ,辅助空气忽略不计 。喷雾
模拟采用离散液滴模型 (DDM) ,采用 Dukowicz 蒸
在目前研究开发中的柴油机 NO x 后处理方法 中 ,以尿素水溶液为还原剂的选择性催化还原技术 ( U rea2SCR) 最为成熟 ,能在柴油机排气富 O2 且流 量 、温度和组分多变的反应环境下有效降低 NO x 排 放 。欧洲重型汽车协会宣布将采用 U rea2SCR 技术 作为达到欧 Ⅳ以上排放法规的技术路线[1] 。
于将液滴分散到更大的范围 ,从而使得还原剂在排 气中分散更均匀 。如图 5 所示 ,采用 2 孔喷嘴时 ,还 原剂在催化剂载体入口的分布很不均匀 ,喷嘴从 2 孔增至 4 孔时 ,其γ减小 50 %左右 ;6 孔和 8 孔喷 嘴对应的γ基本相同 ,比 4 孔喷嘴稍低 。
图 3 喷嘴位置对 N H3 浓度及其分布的影响
为采用给定质量流量和温度的方式 ;湍流参数中 ,湍
动能设定为进口平均速度平方的 5 % ,特征长度为
进口直径的 10 %。进口各组分的浓度按照发动机
台架实际试验测量值进行设置 ,其中 NO 与 NO x 含 量比约为 90 %。出口设置为静压边界条件 ,压力为
101. 3 k Pa 。
2 模拟结果及分析
占主导作用 ,使得总体转化效率降低 。上述 5 个总
包反应的速率表达式及相应的速率常数可参考文献
[ 324 ] 。还原剂喷雾模型和催化反应机理等相关模
型的验证可参考文献[ 6 ] 。
1. 3 边界条件
模 拟 对 应 的 发 动 机 工 况 点 为 最 大 扭 矩 转 速
1 500 r/ min ,71 %负荷 (500 N ·m) 。入口边界条件