宋 洋，吳桂濤

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

SCR安裝位置對(duì)柴油機(jī)性能的影響分析

宋 洋，吳桂濤

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對(duì)SCR催化器對(duì)柴油機(jī)輸出功率影響的問題，采用fluent軟件模擬仿真廢氣流經(jīng)SCR的速度、總壓的分布，運(yùn)用boost軟件模擬仿真SCR位于渦輪前后不同位置時(shí)柴油機(jī)的排氣背壓、輸出功率。結(jié)果顯示，SCR安裝在渦輪前方對(duì)柴油機(jī)的輸出功率影響較小，安裝在后方會(huì)造成最大為7%的功率損失。

柴油機(jī)輸出功率；SCR催化器；排氣背壓；仿真

為滿足TIERIII或歐IV排放標(biāo)準(zhǔn),船用或車用柴油機(jī)需要在排煙管上安裝SCR催化器(以下簡(jiǎn)稱SCR)，以此降低柴油機(jī)尾氣中的氮氧化物含量。此種方法被認(rèn)為是最具前景的技術(shù)[1]。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝SCR后，其帶來的副作用是廢氣流經(jīng)SCR后會(huì)造成一定的壓力損失，柴油機(jī)排氣背壓會(huì)因此升高，最終造成其功率的下降。因此，針對(duì)柴油機(jī)加裝SCR的研究，不僅要考慮到滿足排放的規(guī)定，同時(shí)不造成柴油機(jī)較大的功率損失也是必須要考慮的問題。廢氣流經(jīng)SCR的壓力損失，會(huì)造成柴油機(jī)性能的下降，同時(shí)通過前人一系列的理論、仿真研究可知[2]，SCR位于柴油機(jī)渦輪前后不同的位置會(huì)對(duì)柴油機(jī)性能造成不同的影響。在此基礎(chǔ)上，擬采用模擬仿真的方法對(duì)帶有SCR的柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行研究，定量地計(jì)算出SCR在渦輪前后不同的位置對(duì)柴油機(jī)性能的影響大小，同時(shí)計(jì)算出廢氣流經(jīng)SCR在其內(nèi)部壓力的大小和分布情況，分析SCR造成壓力損失的來源和引起柴油機(jī)背壓過高的原因，為以后SCR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝提供一定的參考。

1 SCR造成壓力損失的原因

1.1 理論分析

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)所使用的SCR結(jié)構(gòu)如圖1所示。催化劑載體采用方形孔道蜂窩結(jié)構(gòu)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)得到，廢氣流經(jīng)SCR的壓力損失占整個(gè)柴油機(jī)排氣系統(tǒng)壓力損失的30%～40%[3]。

圖1 SCR結(jié)構(gòu)示意

廢氣流經(jīng)SCR的壓力損失主要包括廢氣流經(jīng)催化劑載體的沿程損失和流經(jīng)擴(kuò)張管、收縮管的局部損失[4-5]。其本質(zhì)是由于廢氣在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的旋渦、速度重新分布而引起的加速或減速以及煙氣與催化劑載體和煙氣顆粒之間劇烈碰撞而發(fā)生的動(dòng)量交換最終造成廢氣能量的損失[6]。對(duì)于類似SCR這樣多孔介質(zhì)的載體，在理論計(jì)算壓力損失過程中目前常用的方法是將其假設(shè)為各項(xiàng)異性多孔介質(zhì)，采用達(dá)西公式計(jì)算出沿程阻力。

(1)

式中：λ——沿程損失系數(shù)，由尼古拉茲公式得到[7]；

ρ——流體密度；

μ——流體的動(dòng)力粘度；

l——流體載體的長(zhǎng)度；

dH——孔道的水力直徑；

v——流體的流速；

Re——雷諾數(shù)。

為得到SCR整體壓力損失的大小，選用商用CFD軟件對(duì)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)SCR載體內(nèi)部廢氣流動(dòng)和壓力損失進(jìn)行仿真分析。

1.2 仿真分析

采用商用CFD軟件fluent模擬本實(shí)驗(yàn)臺(tái)SCR內(nèi)部沿軸線方向的流體流動(dòng)和壓力分布情況。在建模的過程當(dāng)中，應(yīng)用到質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒3大基本控制方程。經(jīng)理論分析可知廢氣在催化劑載體以外的區(qū)域內(nèi)為湍流流動(dòng)，選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行模擬。對(duì)于催化劑載體在fluent軟件中設(shè)置為多孔流體區(qū)域，其內(nèi)部的流動(dòng)可以看做是不可壓縮的層流。柴油機(jī)穩(wěn)定的工作在某一負(fù)荷下，廢氣流過SCR的過程為穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)，因此求解器選用SIMPLE算法，離散格式和松弛因子采用默認(rèn)數(shù)值進(jìn)行求解計(jì)算[8]。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的催化劑機(jī)構(gòu)尺寸見表1。運(yùn)用ICEM軟件劃分網(wǎng)格見圖2。

表1 SCR催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 SCR網(wǎng)格劃分示意

1.2.1 SCR內(nèi)部速度分布

首先模擬柴油機(jī)在100%負(fù)荷下SCR內(nèi)部氣體流動(dòng)情況，計(jì)算可知廢氣流速約為30 m/s，廢氣密度約為1.15 kg/m3。

廢氣在SCR內(nèi)部的速度分布直接影響其通過SCR的整體壓降。柴油機(jī)在100%負(fù)荷下，SCR內(nèi)部軸向的速度矢量分布見圖3。廢氣由入口管進(jìn)入擴(kuò)壓管的過程中，由于流通面積的逐漸增大，氣流速度逐漸降低。廢氣在SCR載體內(nèi)流動(dòng)時(shí)由于沒有橫截面積的變化同時(shí)整個(gè)過程處于層流狀態(tài)，因此廢氣通過SCR載體沒有明顯的速度變化。在廢氣通過收縮管和出口管的過程中，由于通流面積的急劇減小，廢氣流速迅速升高。流通面積的劇烈變化造成廢氣速度大小方向的較大變化，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生較大的湍流動(dòng)能。如圖4所示，廢氣在擴(kuò)張管和收縮管處具有較大的湍流動(dòng)能，由于載體內(nèi)部為層流流動(dòng)，湍流動(dòng)能為0。

圖3 SCR軸向截面廢氣流速矢量分布

圖4 SCR軸向截面湍流動(dòng)能分布

1.2.2 SCR內(nèi)部壓力分布

圖5為柴油機(jī)在100%負(fù)荷下廢氣經(jīng)過SCR時(shí)，其內(nèi)部總壓沿軸線的分布情況。經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)廢氣流速為30 m/s時(shí)，其流過SCR會(huì)有約0.013 MPa的壓降。同時(shí)可進(jìn)一步看出，在收縮管和出口管相接的位置壓降幅度較大，這是由于上文提到的因?yàn)槊娣e的急劇縮小從而產(chǎn)生較大的湍流動(dòng)能，廢氣分子之間碰撞加劇進(jìn)而造成較大的局部壓力損失。

圖5 SCR軸向總壓分布

根據(jù)上述分析可知，壓力損失和速度的平方成方正比，運(yùn)用fluent軟件仿真出SCR入口廢氣速度分別為15和30 m/s時(shí)，SCR內(nèi)部壓力分布情況并進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6。由此可知，隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增大，廢氣流速的加快，其經(jīng)過SCR壓力損失會(huì)隨之加大。

圖6 不同廢氣流速下SCR軸向總壓分布

計(jì)算燃?xì)饬鹘?jīng)SCR的壓力損失，為下文BOOST建模過程中SCR的仿真提供依據(jù)。

2 安裝SCR后對(duì)柴油機(jī)的影響

在柴油機(jī)的排煙管上安裝SCR有2種選擇，分別是安裝在渦輪的前方和后方，不同的安裝位置直接影響到柴油機(jī)排氣背壓數(shù)值的大小，進(jìn)而影響柴油機(jī)的輸出功率。

2.1 理論分析

如圖7所示，首先假設(shè)燃?xì)饨?jīng)過SCR之后會(huì)有0.1 MPa的壓降，渦輪的膨脹比保持1∶4不變，廢氣流經(jīng)排煙管沿途的壓降為0。當(dāng)柴油機(jī)不安裝SCR時(shí)，通過推算可知柴油機(jī)的排氣背壓為0.4 MPa。若將SCR安裝在渦輪之前，柴油機(jī)的排氣被壓升高為0.5 MPa。而如果將SCR安裝在渦輪的后方，柴油機(jī)的排氣背壓會(huì)因此上升到0.8 MPa。當(dāng)柴油機(jī)排氣背壓升高時(shí)，柴油機(jī)需要消耗更多的能量將燃?xì)馀懦鰵飧?，使排氣過程推出功增大，從而傳給活塞的能量降低，換氣損失增加，導(dǎo)致柴油機(jī)的輸出功率降低。由于換氣損失增加，氣缸內(nèi)殘余廢氣量增多，從而導(dǎo)致燃燒效率降低，進(jìn)一步導(dǎo)致柴油機(jī)輸出功率下降[9]。

圖7 SCR位于不同位置對(duì)柴油機(jī)背壓影響理論分析

2.2 仿真分析

為了定量說明此問題，采用BOOST軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)柴油機(jī)進(jìn)行仿真。在此仿真過程中，應(yīng)用到熱力學(xué)第一定律、質(zhì)量守恒定律、氣體狀態(tài)方程等柴油機(jī)建模的基本方程組。除此之外，計(jì)算過程中還需應(yīng)用到氣體流動(dòng)方程、熱量交換方程、放熱規(guī)律方程[10]。

本試驗(yàn)臺(tái)所用柴油機(jī)為濰坊華東HD 6105AZLD型柴油機(jī)，其具體參數(shù)見表2。柴油機(jī)

表2 試驗(yàn)臺(tái)柴油機(jī)參數(shù)

負(fù)載采用5檔電阻負(fù)載，通過不同的負(fù)載組合，可以實(shí)現(xiàn)的柴油機(jī)運(yùn)行負(fù)荷包括10%、15%、25%、35%、40%、50%、60%、65%、75%、85%、90%、100%，共12級(jí)，能夠滿足試驗(yàn)需求。此次仿真選取負(fù)荷為40%、50%、60%、65%、75%、85%、90%、100%，8個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.2.1 柴油機(jī)仿真模型的建立及驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)臺(tái)柴油機(jī)排煙管上的SCR安裝在渦輪后方，面對(duì)SCR安裝在渦輪前方其對(duì)柴油機(jī)性能的影響無法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。針對(duì)以上問題，借用BOOST軟件對(duì)SCR安裝在渦輪前方這種情況進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，為了體現(xiàn)SCR對(duì)柴油機(jī)性能的影響，對(duì)此柴油機(jī)在不安裝SCR的狀態(tài)下也進(jìn)行了仿真。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作過程利用BOOST軟件搭建如圖8所示的柴油機(jī)模型。同時(shí)為了比較SCR的不同位置對(duì)柴油機(jī)排氣背壓的影響，在氣缸排氣出口的位置各設(shè)1個(gè)測(cè)量點(diǎn)。由于通過BOOST所建的模型中不包含負(fù)載的數(shù)學(xué)模型，因此通過輸入在不同負(fù)荷下的耗油量來模擬柴油機(jī)在不同負(fù)荷下的運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 SCR布置在渦輪后方柴油機(jī)模型

柴油機(jī)在不同負(fù)荷下柴油機(jī)功率仿真結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比見圖9，整體計(jì)算誤差小于5%，說明所建立的模型準(zhǔn)確可靠可以用于下一步的仿真研究。

圖9 仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.2.2 SCR不同的位置對(duì)柴油機(jī)性能的影響

在上述模型的基礎(chǔ)上，保證SCR各項(xiàng)參數(shù)不變的情況下將SCR模型調(diào)整到渦輪前方，如圖10所示，并調(diào)整管路的直徑和長(zhǎng)度，進(jìn)行仿真計(jì)算。同時(shí)，將對(duì)照組設(shè)置為未安裝SCR的柴油機(jī)，模型建立如圖11所示。

圖10 SCR布置在渦輪前方柴油機(jī)模型

圖11 原機(jī)模型

2.3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

在不同負(fù)荷下的仿真計(jì)算得到數(shù)據(jù)，整理3個(gè)仿真模型結(jié)果見圖12、13。柴油機(jī)安裝SCR之后，會(huì)造成柴油機(jī)在相同油耗的情況下，輸出功率降低，排氣背壓升高。同時(shí)，SCR位于不同的安裝位置，對(duì)柴油機(jī)的輸出功率和排氣背壓造成的影響結(jié)果不盡相同。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)柴油機(jī)SCR位于渦輪前方，排氣背壓上升幅度較小，柴油機(jī)輸出功率損失較小，整體對(duì)柴油機(jī)性能的影響較小。SCR安裝在渦輪后方，排氣背壓平均升高0.035 MPa，柴油機(jī)功率損失較大，在100%負(fù)荷時(shí)，有大約7%的功率損失。隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加，排氣背壓逐漸增大，對(duì)柴油機(jī)的功率輸出的影響也俞加顯著。除此之外，SCR安裝在渦輪前方，渦輪前方較高的廢氣溫度可以保證柴油機(jī)在啟動(dòng)過程中，SCR中的催化載體快速達(dá)到反應(yīng)溫度，以此有效降低柴油機(jī)啟動(dòng)過程中的廢氣氮氧化物含量。同時(shí)，渦輪前較高的溫度和壓力可使SCR在反應(yīng)過程中具有較高的效率，保證在廢氣中氮氧化物含量達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，盡可能減小SCR設(shè)備的尺寸，節(jié)省空間。

圖12 3種柴油機(jī)模型排氣背壓比較

圖13 3種柴油模型機(jī)功率比較

3 結(jié)束語(yǔ)

廢氣經(jīng)過SCR的壓力損失主要由催化劑載體的沿程損失和擴(kuò)壓管、收縮管的局部損失組成，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)SCR中，局部損失約占整體損失的15%，沿程損失約占85%。并且隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增加壓力損失越大。柴油機(jī)安裝SCR之后，由于其壓力損失造成排氣背壓升高，輸出功率下降。SCR安裝在渦輪前方與安裝在渦輪后方相比對(duì)柴油機(jī)性能影響較小。就本實(shí)驗(yàn)臺(tái)而言，SCR安裝

渦輪前方對(duì)柴油機(jī)性能幾乎無影響。SCR安裝在渦輪后方，柴油機(jī)排氣背壓平均升高0.035 MPa，在滿負(fù)荷的情況下功率有約下降7%。

[1] VAN HELDEN R, VERBEEK R, WILLEMS F,et al. Optimization of urea SCR de NOxsystems for HD diesel engines[R]. SAE technical paper, 2004.

[2] SUBRAMANIAM M N, HAYES C, TOMAZIC D, et al. Pre-turbo aftertreatment position for large bore diesel engines-compact & cost-effective aftertreatment with a fuel consumption advantage[J]. SAE technical papers, 2011.

[3] WENDLAND D W, KREUCHER J E, ANDERSEN E. Reducing catalytic converter pressure loss with enhanced inlet-header diffusion [R]. Society of automotive engineers, inc., warrendale, PA (United States),1995.

[4] 辛喆,王順喜，張寅，等.Urea-SCR催化器壓力損失及其對(duì)柴油機(jī)性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(8)：169-173.

[5] 帥石金,王建昕,莊人雋.車用催化轉(zhuǎn)化器的壓力損失[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001(增刊1):85-88.

[6] 王志強(qiáng),鄒金生,肖宏川,等.SCR反應(yīng)器內(nèi)各關(guān)鍵部件對(duì)系統(tǒng)壓力損失特性影響的研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2011(3):631-635.

[7] 帥石金,王建昕,莊人雋,等.車用催化器流動(dòng)阻力的試驗(yàn)與理論研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2001(1):8-11.

[8] ANSYS Fluent 15.0流體計(jì)算從入門到精通.北京：電子工業(yè)出版社.

[9] HIELD P. The effect of back pressure on the operation of a disel engine[R]. Defense Science and Technology Organization Victoria (AUSTR -ALIA) Maritime Platforms Div, 2011.

[10] 周俊杰，邱東，解茂昭，等.柴油機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2001.

Analysis of the Effect of SCR Location on the Diesel Engine’s Performance

SONG Yang, WU Gui-tao

(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116023, China)

SCR cause a decrease in output power of diesel engine. The Fluent software was used to simulate the exhaust gas pass through the SCR, with the distribution of the velocity and pressure in SCR, and the Boost software was used to simulate the output power and back pressure of diesel engine with SCR in front of and behind the turbine of diesel engine. The simulation results showed that when SCR is installed in front of the turbine, it makes nearly no difference to the engine’s performance, when SCR is installed behind the turbine, it can cause a decline of diesel engine’ output power.

output power of diesel engine; SCR; exhaust gas back pressure; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.017

2016-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金(51409034)

宋 洋(1991—)，男，碩士生

U664.121

A

1671-7953(2016)06-0076-05

修回日期：2016-05-30

研究方向:柴油機(jī)SCR尾氣后處理

E-mail:soong_young@yeah.net