薛　陽(yáng)，尹自斌，楊國(guó)豪，李　琦

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

SCR反應(yīng)器對(duì)船用柴油機(jī)性能影響仿真分析

薛陽(yáng)，尹自斌，楊國(guó)豪，李琦

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

摘要：以某船用中速柴油機(jī)為仿真對(duì)象，利用AVL_Boost軟件建立帶有SCR反應(yīng)器的整機(jī)模型，分析SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)性能影響。結(jié)果表明，在E3和D2工況下，SCR反應(yīng)器所產(chǎn)生的壓降隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷率的增大，呈線性化增大。加入SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性均有所降低，除E3額定況點(diǎn)外，其余工況點(diǎn)降低幅度均小于5%。通過對(duì)SCR反應(yīng)器的仿真分析，可對(duì)該型柴油機(jī)SCR反應(yīng)器的選型設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：船用柴油機(jī)；選擇性催化還原(SCR)；性能；Boost

0引言

MARPOL73/78防污公約附則VI—“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”，制定了船用柴油機(jī)NOx排放控制標(biāo)準(zhǔn)。隨著NOx排放限制標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，SCR處理技術(shù)因其脫硝效率高、經(jīng)濟(jì)性好、適用溫度范圍廣，將成為船用柴油機(jī)極具前景的NOx排放處理方法之一[1]。本文利用Boost軟件對(duì)某船用中速柴油機(jī)SCR反應(yīng)器進(jìn)行仿真模擬分析，通過實(shí)驗(yàn)所得NOx生成量及排氣參數(shù)作為SCR反應(yīng)器邊界輸入條件，分析影響SCR反應(yīng)器性能的主要因素及趨勢(shì)，并進(jìn)一步仿真分析SCR催化器對(duì)整機(jī)性能的影響，為該型柴油機(jī)SCR反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型提供一定的理論指導(dǎo)。

1柴油機(jī)仿真模型的建立與驗(yàn)證

利用AVL_Boost仿真軟件建立柴油機(jī)仿真模型，并利用柴油機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證所建模型的準(zhǔn)確性。

1.1　數(shù)學(xué)模型

根據(jù)柴油機(jī)工作特點(diǎn)，應(yīng)用熱力學(xué)第一定律、質(zhì)量守恒定律及氣體狀態(tài)方程和能量守恒方程等建立柴油機(jī)工作過程的通用方程組。同時(shí)，建立相應(yīng)的氣缸工作容積、氣體流動(dòng)方程、熱量交換、放熱規(guī)律等方程使方程組封閉。燃燒模型采用Boost軟件提供的AVL_MCC模型[2]。

VL_MCC模型可預(yù)測(cè)直噴壓燃式柴油機(jī)的燃燒特性。模型考慮了預(yù)混合和擴(kuò)散燃燒的影響，燃燒放熱率如下：

(1)

式中：QMCC為擴(kuò)散燃燒總放熱率，kJ；QPMC為預(yù)混合燃燒總放熱率，kJ。

擴(kuò)散燃燒的放熱率是可燃燃油質(zhì)量函數(shù)和湍動(dòng)能密度函數(shù)：

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：CComb為燃燒常數(shù)，kJ/kg/°CA；CRate為混合率常數(shù)，s；k為本地湍動(dòng)能密度，m2/s2；mF為蒸發(fā)燃油質(zhì)量，kg；wAir,available為在開始燃燒時(shí)有效的空氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；CEGR為EGR影響常數(shù)。

預(yù)混合燃燒是利用一個(gè)單韋伯函數(shù)描述實(shí)際的放熱率：

(5)

其中：

(6)

式中Δφc為預(yù)混合燃燒持續(xù)期，°CA。

另外，傳熱模型選用適用于不同負(fù)荷工況的沃西尼(G.Woschni)1990模型[2]。

圖1　BOOST整機(jī)模型Fig.1　The whole engine model

1.2　實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原機(jī)為1臺(tái)廢氣渦輪增壓、不可逆轉(zhuǎn)的四沖程直噴式柴油機(jī)，其基本參數(shù)見表1。

表1　柴油機(jī)基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試設(shè)備有Horiba MEXA-1600DSEGR型氣體分析儀、SG880型水渦流測(cè)功機(jī)、FC2210型智能油耗儀、FC2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀及DEWE-2010CA型燃燒分析儀。

圖2為該柴油機(jī)在額定工況下實(shí)測(cè)和仿真所得示功圖對(duì)比。圖2表明，仿真所得缸壓曲線與實(shí)測(cè)缸壓曲線吻合良好。圖3為該柴油機(jī)D2工況下油耗率和功率的實(shí)測(cè)值和仿真值對(duì)比。圖3表明，各工況下油耗率和功率的仿真值與實(shí)測(cè)值偏差在3%以內(nèi)。這說明所建整機(jī)模型準(zhǔn)確可靠，能正確反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程及性能，可用于研究分析SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)整機(jī)性能的影響。

圖2　額定工況下實(shí)測(cè)與仿真示功圖對(duì)比Fig.2　Diagram of work by measured and simulatedon on rated　working codition

圖3　D2工況下油耗率和功率的實(shí)測(cè)值和仿真值對(duì)比Fig.3　BSFC and power by measured and stimulated on D2　working conditions

2SCR反應(yīng)器仿真模型的建立

2.1　 模型的基本假設(shè)

SCR反應(yīng)器內(nèi)常用催化劑有蜂窩式、波紋板式和平板式等。目前蜂窩式催化劑具有模塊化、相對(duì)質(zhì)量輕、長(zhǎng)度易于控制、比表面積大、易改變節(jié)距、適應(yīng)不同工況等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍最廣[1]。因此，本文所建模型選用蜂窩式催化劑。同時(shí)，船舶柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況較為穩(wěn)定，進(jìn)而SCR催化劑的工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，因此建立的數(shù)學(xué)模型為穩(wěn)態(tài)模型。

本文所建模型假設(shè)：

1)催化劑的每個(gè)孔道內(nèi)各物理?xiàng)l件相同，徑向濃度梯度、速度梯度為0；

2)催化劑孔道內(nèi)的流動(dòng)為一維定常流動(dòng)；

3)SCR反應(yīng)遵循Eley-Rideal機(jī)理；

4)模型考慮NH3的氧化反應(yīng)[3]。

2.2　邊界條件的選取

該模型邊界條件主要由以下3個(gè)部分組成：

1)入口邊界條件。需定義入口排氣溫度，排氣流量及各尾氣成分的濃度等，本文以額定工況下實(shí)驗(yàn)所測(cè)的排氣數(shù)據(jù)作為邊界輸入條件，其參數(shù)如表2所示。

表2　額定工況下柴油機(jī)排氣參數(shù)及各氣體組分

2)催化器的物理特性以及化學(xué)反應(yīng)速率參數(shù)。催化器物理特性包括催化器尺寸、密度，多孔載體的孔密度、比熱及導(dǎo)熱系數(shù)等，化學(xué)反應(yīng)速率的參數(shù)包括活化能和頻率因子等，本文以Boost軟件推薦值進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)如表3所示。

3)出口條件，定義出口壓力，通常取1個(gè)大氣壓[1]。

表3　SCR催化器物理參數(shù)

本文按NOx濃度90%為NO，10%為NO2進(jìn)行質(zhì)量組分計(jì)算，在模擬中取氨氮摩爾比為1，假設(shè)噴入的尿素完全水解生成NH3和HCNO。根據(jù)該型柴油機(jī)排溫范圍，選用V2O5-WO3/TiO2催化劑，其活性溫度約為300 ℃~450 ℃[1]。SCR反應(yīng)器內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)遵循Eley-Rideal機(jī)理[5]，反應(yīng)所涉及的活化能、速率及活性溫度均遵循Arrhenius反應(yīng)公式。

3帶SCR反應(yīng)器的柴油機(jī)性能仿真分析

3.1　帶SCR 反應(yīng)器的柴油機(jī)模型

結(jié)合前期所建的整機(jī)模型，將分析所得的SCR反應(yīng)器相關(guān)參數(shù)輸入，建立帶有SCR反應(yīng)器的柴油機(jī)整機(jī)模型，如圖4所示。通過在SCR反應(yīng)器進(jìn)出口端布置測(cè)點(diǎn)，可測(cè)出其前后端的壓力。

圖4　帶有SCR反應(yīng)器的整機(jī)模型Fig.4　The whole engine model with SCR catalytic converter

船用柴油機(jī)多為推進(jìn)特性或負(fù)荷特性運(yùn)行工況，即E3和D2工況。不同工況下，柴油機(jī)的排氣參數(shù)不同，故SCR反應(yīng)器所產(chǎn)生壓降也不同，所以須對(duì)不同工況下SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響進(jìn)行分析。

3.2　SCR反應(yīng)器壓降對(duì)比分析

整個(gè)SCR系統(tǒng)的壓降是由催化劑壓降以及反應(yīng)器及煙道等壓降組成[6-7]。圖5為帶有SCR反應(yīng)器的柴油機(jī)在E3和D2工況下SCR反應(yīng)器所產(chǎn)生的壓降。

圖5　E3和D2工況下SCR反應(yīng)器壓降Fig.5　The pressure drop of SCR on E3 and D2 working conditions

圖5表明：隨著柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的增大，SCR反應(yīng)器的壓降也隨之增大，基本呈線性趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋涸贓3和D2工況下，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增大，排氣流量、流速和溫度均增大，由達(dá)西公式得：壓降和流速的平方成正比，故壓降隨之增大。同時(shí)NOx的排放量增大，反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)時(shí)間相應(yīng)增長(zhǎng)，就導(dǎo)致在載體催化劑層的壓力損失增大。

3.3　SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響

柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分別為功率和有效燃油消耗率。本文通過對(duì)帶與不帶SCR反應(yīng)器柴油機(jī)E3和D2工況下的性能對(duì)比，分析SCR反應(yīng)器對(duì)該柴油機(jī)整機(jī)性能的影響。

3.3.1E3工況下性能對(duì)比分析

圖6為E3工況下，原機(jī)與加入SCR反應(yīng)器后柴油機(jī)的功率和油耗率的對(duì)比曲線。

圖6　E3工況下油耗率和功率對(duì)比Fig.6　Comparison of BSFC and power on E3 working conditions

圖6表明：加入SCR反應(yīng)器后，柴油機(jī)的功率有所下降，且在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域(909 r/min和1 000 r/min)下降幅度較大，分別為4.44 kW和5.9 kW，相比原機(jī)在同等工況下的下降幅度為2.69%和2.68%；燃油消耗率增加，并隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域(909 r/min和1 000 r/min)分別為10.03 g/kW·h和12.06 g/kW·h，相比原機(jī)增加幅度分別為4.7%和5.76%，可見隨著轉(zhuǎn)速的增加，油耗率的增加幅度也隨之增大。

這主要是因?yàn)椋涸贓3工況下，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率同時(shí)改變，安裝SCR反應(yīng)器后，會(huì)造成柴油機(jī)排氣背壓增大，從而導(dǎo)致廢氣渦輪增壓器效率下降，進(jìn)而造成充量系數(shù)的下降，且隨轉(zhuǎn)速的增大，充氣效率下降越大。故進(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣量減少，所以噴入缸內(nèi)的燃油未能充分燃燒，且燃油量將有所增大。同時(shí)，充氣效率的下降也會(huì)使指示功率和燃燒放熱率下降。這些都會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的下降。

3.3.2D2工況下性能對(duì)比分析

圖7為D2工況下，原機(jī)與加入SCR反應(yīng)器后柴油機(jī)的功率和油耗率的對(duì)比曲線。

圖7　D2工況下油耗率和功率對(duì)比Fig.7　Comparison of BSFC and power on D2 working conditions

圖7表明：加入SCR反應(yīng)器后，柴油機(jī)的功率相應(yīng)下降，趨勢(shì)同E3工況基本相同，在10%，25%和50%負(fù)荷工況下，下降值僅為0.8 kW，2.22 kW和3.14 kW，為同等負(fù)荷下原機(jī)功率的3.64%、4.04%和2.85%，而在75%和100%負(fù)荷工況時(shí)，下降值為4.42 kW和4.9 kW，為同等負(fù)荷下原機(jī)功率的2.68%和2.23%；在各負(fù)荷工況下，燃油消耗率增加值為8.19 g/kW·h，9.63 g/kW·h，8.45 g/kW·h，6.92 g/kW·h和9.53 g/kW·h，相比原機(jī)在同等負(fù)荷工況下的增加幅度分別為1.9%，3.52%，3.77%，3.28%和4.56%。可見隨著負(fù)荷的增大，燃油消耗率的增加幅度也基本呈增大趨勢(shì)。

這主要是因?yàn)椋篋2工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，故在10%~50%負(fù)荷工況下，SCR反應(yīng)器產(chǎn)生的壓降較小，對(duì)排氣系統(tǒng)背壓的增加相對(duì)較小，且同時(shí)廢氣渦輪增壓器效率受負(fù)荷影響較小，所以功率和油耗率的改變幅度均很小。但隨著負(fù)荷率的增大，廢氣渦輪增壓器效率所受影響變大，充量效率明顯下降。由圖5可得：SCR反應(yīng)器所產(chǎn)生的壓降也隨之增大。所以，50%~100%負(fù)荷工況下，SCR反應(yīng)器對(duì)該柴油機(jī)整機(jī)的功率和油耗率的改變幅度均有所增大。

4結(jié)語

通過利用AVL_Boost仿真軟件，分別建立帶有SCR反應(yīng)器和不帶SCR反應(yīng)器的柴油機(jī)模型，進(jìn)行柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，仿真分析結(jié)果表明：

1)在E3和D2工況下，SCR催化器所產(chǎn)生的壓降隨負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的增大而增大，基本呈線性趨勢(shì)增加。

2)加入SCR反應(yīng)器后，由于排氣背壓的增大，造成柴油機(jī)整機(jī)功率的減小和油耗率的增大，且在E3工況下，SCR反應(yīng)器對(duì)柴油機(jī)整機(jī)性能的影響較D2工況更為明顯。

3)E3和D2工況下，帶SCR反應(yīng)器對(duì)該柴油機(jī)功率和油耗率的改變均小于原機(jī)在同等工況下所測(cè)值的5%，說明該SCR反應(yīng)器的尺寸和內(nèi)部參數(shù)設(shè)置能夠滿足該柴油機(jī)多數(shù)工況下的要求，設(shè)計(jì)良好。但在E3工況下1000r/min工況點(diǎn)下，帶有SCR反應(yīng)器時(shí)，柴油機(jī)的油耗率增加幅度大于5%，故應(yīng)對(duì)該型SCR反應(yīng)器的尺寸結(jié)構(gòu)和催化劑結(jié)構(gòu)參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化分析。

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Performance analysis of SCR catalytic converter of diesel engine

XUE Yang,YIN Zi-bin,YANG Guo-hao,LI Qi

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China)

Abstract：Taking a medium-speed marine diesel engine as a simulation object, establish a whole engine model coupled with and without the SCR catalytic converter by AVL_Boost to analyse and compare the performance brought from the SCR catalytic converter. The results showed that as the speed and load of the engine increases , the pressure drop of SCR catalyst converter increase proportionately on the E3 and D2 working conditions.In the comparative analysis of the diesel engine model with and without SCR catalyst converter, whose dynamic and economy perfomences were decreased and the value were less than 5% excepting the E3 mode 100% power condition point.The results can provide a reference for optimum design and type selection of SCR catalytic converters for the marine diesel engine.

Key words：marine diesel engine;SCR;performance;Boost

作者簡(jiǎn)介：薛陽(yáng)(1987-)，男，碩士研究生，主要從事內(nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化研究。

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J01230)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目(2014329815080)

收稿日期：2013-10-08； 修回日期： 2014-04-21

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0092-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.019

中圖分類號(hào)：U664.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A