柴油機scr催化器no

與廣泛使用環(huán)電子控制三效蒸化器（twc）相比，發(fā)動機主要依靠egr、延遲噴油前角、改善燃燒結(jié)構(gòu)等機內(nèi)清潔措施來減少有害的排放。由于柴油機兩大主要排放物氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)之間的Trade-off關(guān)系,隨著日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的實施,單純依靠機內(nèi)措施已經(jīng)不能滿足法規(guī)需要。因此,排氣后處理技術(shù)和機內(nèi)凈化措施相結(jié)合將成為未來解決柴油機排放問題的主要技術(shù)手段。在目前研究開發(fā)中的柴油機NOx后處理方法中,以尿素水溶液為還原劑的選擇性催化還原技術(shù)(Urea-SCR)最為成熟,能在柴油機排氣富O2且流量、溫度和組分多變的反應(yīng)環(huán)境下有效降低NOx排放。歐洲重型汽車協(xié)會宣布將采用Urea-SCR技術(shù)作為達(dá)到歐Ⅳ以上排放法規(guī)的技術(shù)路線。目前,常用的Urea-SCR催化劑有釩基催化劑和沸石型催化劑,并普遍采用32.5%的尿素水溶液(AdBlue)為還原劑,通過空氣輔助噴射的形式噴入排氣。相比傳統(tǒng)TWC和氧化催化劑(DOC),SCR催化器系統(tǒng)更為復(fù)雜。由于在催化劑中與NOx反應(yīng)的實際還原劑為尿素水解生成的氨氣(NH3),所以,噴入的AdBlue在進(jìn)入催化劑載體前充分熱解并與排氣充分混合,是同時獲得高NOx轉(zhuǎn)化率和低NH3泄漏的必要條件。本研究首先在臺架試驗的基礎(chǔ)上對某款達(dá)歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機SCR催化器系統(tǒng)建立了詳細(xì)的三維計算流體力學(xué)(CFD)模型,利用所建模型研究噴嘴型式、安裝位置、噴孔數(shù)目和催化器形狀等因素對還原劑濃度分布及相應(yīng)NOx轉(zhuǎn)化率的影響,為催化器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。1cpr噴油器cfd建模1.1催化器入口孔數(shù)的影響圖1為實際催化器系統(tǒng)的示意圖,所用催化劑為V2O5/WO3/TiO2整體式催化劑,容積16.6L,孔密度為40孔/cm2,壁厚0.06mm,涂層厚度0.15mm。其中排氣管到催化器入口為突擴直角過渡,采用的四孔徑向噴嘴的安裝位置到催化器入口的距離(l)為5d(d為排氣管直徑)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變參數(shù)研究,分別對l為2d,3.5d,6.5d,8d,孔數(shù)為2孔、6孔、8孔噴嘴以及不同催化器形狀(擴張管與收縮管錐角α為45°,60°,90°)進(jìn)行了數(shù)值模擬。由于還原劑噴霧模擬要求采用較小的計算網(wǎng)格,為了節(jié)省計算成本,模擬時利用催化器和噴嘴沿中心軸對稱的特點只選用系統(tǒng)的1/4(為消除網(wǎng)格的影響,對噴孔數(shù)目進(jìn)行變參數(shù)研究時選取1/2)作為計算域,其中根據(jù)圖1幾何尺寸得到的三維結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖2所示,共有26873個計算網(wǎng)格。1.2相關(guān)模型1.2.1空氣中.3%空氣可還原劑噴射采用了空氣輔助噴射的形式,即從噴嘴中同時噴出AdBlue和壓縮空氣。由于在標(biāo)準(zhǔn)狀況下壓縮空氣的消耗量(1.05m3/h～1.32m3/h)相對于排氣流量而言很小,所以,在模擬時只考慮了尿素水溶液的噴射,輔助空氣忽略不計。噴霧模擬采用離散液滴模型(DDM),采用Dukowicz蒸發(fā)模型來考慮液滴的蒸發(fā)和氣液相之間的傳熱傳質(zhì)過程,采用Huh-Gosman破碎模型來考慮液滴的二次破碎過程。1.2.2adblue的熱分析噴嘴將AdBlue以液滴的形式噴入排氣后,隨著液滴的霧化與擴散,因排氣溫度較高導(dǎo)致液滴水分蒸發(fā)從而產(chǎn)生固體或熔化的尿素,其熔點為132℃,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,AdBlue從噴入排氣到催化劑之前發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)過程可以概括為對均相反應(yīng)式(2),其反應(yīng)速率(r˙r˙hom)可以用典型的冪律方程表達(dá)為r˙hom=K0hom?exp(?EhomTg)C[(NH2)2CO(s)]r˙hom=Κhom0?exp(-EhomΤg)C[(ΝΗ2)2CΟ(s)]。(3)式中,K0hom為頻率因子;Ehom為活化能;Tg是排氣溫度;C[(NH2)2CO(s)]是尿素的氣相摩爾分?jǐn)?shù)。1.2.3arcy定律整體式陶瓷蜂窩催化劑載體按各向異性多孔介質(zhì)處理,即流體流經(jīng)載體時只有沿軸向方向的速度和壓力損失可按Darcy定律進(jìn)行計算,dpgdz=AD?vgdpgdz=AD?vg,AD=φ?vg?ρg2?dhyd?ξAD=φ?vg?ρg2?dhyd?ξ。(4)式中,pg表示氣體壓力;φ為管道形狀因子,即圓形截面φ=1,方形截面φ=0.89;dhyd為管道水力直徑;ξ為摩擦系數(shù);vg為管內(nèi)氣體速度。1.2.4反應(yīng)式5e在富O2條件下,NH3在SCR催化劑表面選擇性地與NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氮氣(N2)和水蒸氣,從而達(dá)到降低NOx排放的目的。在本研究中主要考慮如下5個總包反應(yīng)(假設(shè)催化劑表面的吸附/脫附過程處于準(zhǔn)平衡狀態(tài)),HCNO+H2O→r1NH3+COΗCΝΟ+Η2Ο→r1ΝΗ3+CΟ2,(5)4NH3+4NO+O2→r24N2+6H2O,(6)4NH3+2NO+2NO2→r34N2+6H2O,(7)8NH3+6NO2→r47N2+12H2O,(8)4NH3+3O2→r52N2+6H2O。(9)4ΝΗ3+4ΝΟ+Ο2→r24Ν2+6Η2Ο,(6)4ΝΗ3+2ΝΟ+2ΝΟ2→r34Ν2+6Η2Ο,(7)8ΝΗ3+6ΝΟ2→r47Ν2+12Η2Ο,(8)4ΝΗ3+3Ο2→r52Ν2+6Η2Ο。(9)如反應(yīng)式(5)所示,尿素?zé)岱纸猱a(chǎn)物之一的HCNO在以氧化物為載體的催化劑表面將與燃燒生成的水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)生成NH3和CO2。反應(yīng)式(6)至(8)表示的是NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng)。由于NOx中最主要的是NO(含量約為90%),因此,反應(yīng)(6)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。相關(guān)研究成果表明,NO2的存在可以提高反應(yīng)速率,當(dāng)NO2與NOx含量比約等于50%,反應(yīng)速率最快,因此,反應(yīng)(7)被稱作快速SCR反應(yīng)。當(dāng)NO2與NOx含量比繼續(xù)增大時,反應(yīng)(8)所示的緩慢SCR反應(yīng)占主導(dǎo)作用,使得總體轉(zhuǎn)化效率降低。上述5個總包反應(yīng)的速率表達(dá)式及相應(yīng)的速率常數(shù)可參考文獻(xiàn)。還原劑噴霧模型和催化反應(yīng)機理等相關(guān)模型的驗證可參考文獻(xiàn)。1.3入口邊界條件模擬對應(yīng)的發(fā)動機工況點為最大扭矩轉(zhuǎn)速1500r/min,71%負(fù)荷(500N·m)。入口邊界條件為采用給定質(zhì)量流量和溫度的方式;湍流參數(shù)中,湍動能設(shè)定為進(jìn)口平均速度平方的5%,特征長度為進(jìn)口直徑的10%。進(jìn)口各組分的濃度按照發(fā)動機臺架實際試驗測量值進(jìn)行設(shè)置,其中NO與NOx含量比約為90%。出口設(shè)置為靜壓邊界條件,壓力為101.3kPa。2催化劑載體前端濃度分布均勻程度NH3在載體入口處的濃度分布均勻程度對NOx轉(zhuǎn)化率有很大影響。本研究采用Welten等人提出的不均勻度指數(shù)γ來評價NH3在催化劑載體前端橫截面的濃度分布均勻程度,定義為γ=12n∑i=1n(Ci?Cˉˉˉ)2????????√Cˉˉˉγ=12n∑i=1n(Ci-Cˉ)2Cˉ。(10)式中,n表示載體前端截面的網(wǎng)格總數(shù);Ci是NH3在網(wǎng)格i中的濃度;CˉˉˉCˉ是NH3在整個截面上的平均濃度。γ越小,表示NH3在該截面上的分布越均勻,γ=0表示濃度分布完全均勻。2.1dblue液滴與排氣相互作用的特點如圖3所示,隨著噴射點到催化器入口距離l的增大,NH3在催化劑載體前端橫截面的平均濃度相應(yīng)增大,其分布也更趨均勻。這是因為隨著噴嘴安裝位置的遠(yuǎn)離,噴入的AdBlue液滴與排氣相互作用的時間更長、液滴蒸發(fā)以及尿素?zé)峤飧鼮槌浞?。圖4示出了噴嘴位置對催化劑轉(zhuǎn)化率的影響。其中催化劑NOx轉(zhuǎn)化率隨著l增大而提高,當(dāng)l>5d時,NOx轉(zhuǎn)化率均在90%以上;在噴嘴離催化器入口較近時,噴嘴位置對于NOx轉(zhuǎn)化率的影響更為明顯,如l從2.0d增至3.5d時,NOx轉(zhuǎn)化率提高約4.7%,而從6.5d增至8.0d時,轉(zhuǎn)化率提高約2.6%;考慮到催化器車載布置時的空間限制,5d～8d是比較合適的選擇,如實際催化器中要求噴嘴距離催化器入口5d以上。2.2孔多孔口的影響圖5對比了不同噴嘴型式下催化劑載體入口處的NH3濃度。其中,NH3平均濃度在不同的噴孔數(shù)目時基本保持不變,即生成的NH3的數(shù)量基本一致,說明噴嘴型式不影響尿素的熱解過程。但其對還原劑分布均勻程度有很大影響,因為還原劑濃度分布與噴霧液滴分布直接相關(guān),噴嘴孔數(shù)較多有利于將液滴分散到更大的范圍,從而使得還原劑在排氣中分散更均勻。如圖5所示,采用2孔噴嘴時,還原劑在催化劑載體入口的分布很不均勻,噴嘴從2孔增至4孔時,其γ減小50%左右;6孔和8孔噴嘴對應(yīng)的γ基本相同,比4孔噴嘴稍低。圖6比較了4種噴嘴型式下模擬計算得到的催化器NOx轉(zhuǎn)化率。其中,NOx轉(zhuǎn)化率隨噴孔數(shù)目的變化規(guī)律與γ隨噴孔數(shù)目變化的趨勢有很好的對應(yīng)關(guān)系,即γ大者其還原劑分布不均勻,催化反應(yīng)進(jìn)行不充分,相應(yīng)的NOx轉(zhuǎn)化率較低;如圖6所示,2孔噴嘴對應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率最低;采用4孔噴嘴后,NOx轉(zhuǎn)化率有較大提高;繼續(xù)增加噴孔數(shù)時轉(zhuǎn)化率有所提高,但是幅度較小。對于徑向噴射噴嘴,噴孔數(shù)增多意味著加工面的增多,其加工難度和成本也相應(yīng)提高,綜合考慮催化器性能及噴嘴加工兩方面因素,比較合適的噴孔孔數(shù)為4孔～6孔。2.3nh3在載體入口邊及其意識分類中的均勻性相對東南角過渡圖7定量地比較了不同形狀的催化器載體前端橫截面上還原劑NH3的最大濃度、最小濃度、平均濃度和γ。其中各催化器總長(1100mm)以及噴嘴到催化器入口的距離(l=5d)相同?？梢钥闯?NH3在載體入口處的徑向濃度分布隨擴張管錐角的變化規(guī)律不是特別明顯,但是采用錐形入口擴張管后(α=45°,60°,90°),其濃度分布均勻性相對直角過渡的實際催化器得到了較大改善。因此,采用錐形入口擴張管的催化器,模擬計算得到的NOx轉(zhuǎn)化效率比實際催化器普遍要高6%左右,但擴張管錐角減小到一定程度(90°)后,NOx轉(zhuǎn)化率則基本保持不變(見圖8)。3催化劑的流變性通過模擬計算研究了尿素水溶液噴射相關(guān)參數(shù)和催化器形狀對柴油機Urea-SCR催化系統(tǒng)性能的影響。a)NH3在載體入口處的濃度及其分布均勻程度對催化劑NOx轉(zhuǎn)化率有重要影響;b)AdBlue的添加位置直接影響液滴蒸發(fā)和尿素?zé)峤獾某潭?噴射點離催化劑載體過近,會導(dǎo)致該過程進(jìn)行不充分而降低NOx轉(zhuǎn)化率;l的增大,NH3生成量增多且其在載體前端面上的濃度分布更加均勻,NOx轉(zhuǎn)化率相應(yīng)提