SCR安裝位置對柴油機性能的影響分析

宋 洋，吳桂濤

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

SCR安裝位置對柴油機性能的影響分析

宋 洋，吳桂濤

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

針對SCR催化器對柴油機輸出功率影響的問題，采用fluent軟件模擬仿真廢氣流經SCR的速度、總壓的分布，運用boost軟件模擬仿真SCR位于渦輪前后不同位置時柴油機的排氣背壓、輸出功率。結果顯示，SCR安裝在渦輪前方對柴油機的輸出功率影響較小，安裝在后方會造成最大為7%的功率損失。

柴油機輸出功率；SCR催化器；排氣背壓；仿真

為滿足TIERIII或歐IV排放標準,船用或車用柴油機需要在排煙管上安裝SCR催化器(以下簡稱SCR)，以此降低柴油機尾氣中的氮氧化物含量。此種方法被認為是最具前景的技術[1]。但是，發動機安裝SCR后，其帶來的副作用是廢氣流經SCR后會造成一定的壓力損失，柴油機排氣背壓會因此升高，最終造成其功率的下降。因此，針對柴油機加裝SCR的研究，不僅要考慮到滿足排放的規定，同時不造成柴油機較大的功率損失也是必須要考慮的問題。廢氣流經SCR的壓力損失，會造成柴油機性能的下降，同時通過前人一系列的理論、仿真研究可知[2]，SCR位于柴油機渦輪前后不同的位置會對柴油機性能造成不同的影響。在此基礎上，擬采用模擬仿真的方法對帶有SCR的柴油機實驗臺進行研究，定量地計算出SCR在渦輪前后不同的位置對柴油機性能的影響大小，同時計算出廢氣流經SCR在其內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背壓過高的原因，為以后SCR的結構設計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

本實驗臺所使用的SCR結構如圖1所示。催化劑載體采用方形孔道蜂窩結構。據有關資料統計得到，廢氣流經SCR的壓力損失占整個柴油機排氣系統壓力損失的30%～40%[3]。

圖1 SCR結構示意

廢氣流經SCR的壓力損失主要包括廢氣流經催化劑載體的沿程損失和流經擴張管、收縮管的局部損失[4-5]。其本質是由于廢氣在流動過程中產生的旋渦、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生的動量交換最終造成廢氣能量的損失[6]。對于類似SCR這樣多孔介質的載體，在理論計算壓力損失過程中目前常用的方法是將其假設為各項異性多孔介質，采用達西公式計算出沿程阻力。

(1)

式中：λ——沿程損失系數，由尼古拉茲公式得到[7]；

ρ——流體密度；

μ——流體的動力粘度；

l——流體載體的長度；

dH——孔道的水力直徑；

v——流體的流速；

Re——雷諾數。

為得到SCR整體壓力損失的大小，選用商用CFD軟件對本實驗臺SCR載體內部廢氣流動和壓力損失進行仿真分析。

1.2 仿真分析

采用商用CFD軟件fluent模擬本實驗臺SCR內部沿軸線方向的流體流動和壓力分布情況。在建模的過程當中，應用到質量守恒、能量守恒、動量守恒3大基本控制方程。經理論分析可知廢氣在催化劑載體以外的區域內為湍流流動，選用標準的k-ε模型進行模擬。對于催化劑載體在fluent軟件中設置為多孔流體區域，其內部的流動可以看做是不可壓縮的層流。柴油機穩定的工作在某一負荷下，廢氣流過SCR的過程為穩態不可壓縮流動，因此求解器選用SIMPLE算法，離散格式和松弛因子采用默認數值進行求解計算[8]。實驗臺的催化劑機構尺寸見表1。運用ICEM軟件劃分網格見圖2。

表1 SCR催化劑結構參數

圖2 SCR網格劃分示意

1.2.1 SCR內部速度分布

首先模擬柴油機在100%負荷下SCR內部氣體流動情況，計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內部的速度分布直接影響其通過SCR的整體壓降。柴油機在100%負荷下，SCR內部軸向的速度矢量分布見圖3。廢氣由入口管進入擴壓管的過程中，由于流通面積的逐漸增大，氣流速度逐漸降低。廢氣在SCR載體內流動時由于沒有橫截面積的變化同時整個過程處于層流狀態，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，進而會產生較大的湍流動能。如圖4所示，廢氣在擴張管和收縮管處具有較大的湍流動能，由于載體內部為層流流動，湍流動能為0。

圖3 SCR軸向截面廢氣流速矢量分布

圖4 SCR軸向截面湍流動能分布

1.2.2 SCR內部壓力分布

圖5為柴油機在100%負荷下廢氣經過SCR時，其內部總壓沿軸線的分布情況。經仿真分析可知，當廢氣流速為30 m/s時，其流過SCR會有約0.013 MPa的壓降。同時可進一步看出，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為面積的急劇縮小從而產生較大的湍流動能，廢氣分子之間碰撞加劇進而造成較大的局部壓力損失。

圖5 SCR軸向總壓分布

根據上述分析可知，壓力損失和速度的平方成方正比，運用fluent軟件仿真出SCR入口廢氣速度分別為15和30 m/s時，SCR內部壓力分布情況并進行比較，結果見圖6。由此可知，隨著柴油機負荷的增大，廢氣流速的加快，其經過SCR壓力損失會隨之加大。

圖6 不同廢氣流速下SCR軸向總壓分布

計算燃氣流經SCR的壓力損失，為下文BOOST建模過程中SCR的仿真提供依據。

2 安裝SCR后對柴油機的影響

在柴油機的排煙管上安裝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排氣背壓數值的大小，進而影響柴油機的輸出功率。

2.1 理論分析

如圖7所示，首先假設燃氣經過SCR之后會有0.1 MPa的壓降，渦輪的膨脹比保持1∶4不變，廢氣流經排煙管沿途的壓降為0。當柴油機不安裝SCR時，通過推算可知柴油機的排氣背壓為0.4 MPa。若將SCR安裝在渦輪之前，柴油機的排氣被壓升高為0.5 MPa。而如果將SCR安裝在渦輪的后方，柴油機的排氣背壓會因此上升到0.8 MPa。當柴油機排氣背壓升高時，柴油機需要消耗更多的能量將燃氣排出氣缸，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，導致柴油機的輸出功率降低。由于換氣損失增加，氣缸內殘余廢氣量增多，從而導致燃燒效率降低，進一步導致柴油機輸出功率下降[9]。

圖7 SCR位于不同位置對柴油機背壓影響理論分析

2.2 仿真分析

為了定量說明此問題，采用BOOST軟件對試驗臺柴油機進行仿真。在此仿真過程中，應用到熱力學第一定律、質量守恒定律、氣體狀態方程等柴油機建模的基本方程組。除此之外，計算過程中還需應用到氣體流動方程、熱量交換方程、放熱規律方程[10]。

本試驗臺所用柴油機為濰坊華東HD 6105AZLD型柴油機，其具體參數見表2。柴油機

表2 試驗臺柴油機參數

負載采用5檔電阻負載，通過不同的負載組合，可以實現的柴油機運行負荷包括10%、15%、25%、35%、40%、50%、60%、65%、75%、85%、90%、100%，共12級，能夠滿足試驗需求。此次仿真選取負荷為40%、50%、60%、65%、75%、85%、90%、100%，8個工況點進行分析。

2.2.1 柴油機仿真模型的建立及驗證

實驗臺柴油機排煙管上的SCR安裝在渦輪后方，面對SCR安裝在渦輪前方其對柴油機性能的影響無法進行臺架試驗。針對以上問題，借用BOOST軟件對SCR安裝在渦輪前方這種情況進行仿真分析。同時，為了體現SCR對柴油機性能的影響，對此柴油機在不安裝SCR的狀態下也進行了仿真。

根據實驗臺柴油機的結構和工作過程利用BOOST軟件搭建如圖8所示的柴油機模型。同時為了比較SCR的不同位置對柴油機排氣背壓的影響，在氣缸排氣出口的位置各設1個測量點。由于通過BOOST所建的模型中不包含負載的數學模型，因此通過輸入在不同負荷下的耗油量來模擬柴油機在不同負荷下的運行狀態。

圖8 SCR布置在渦輪后方柴油機模型

柴油機在不同負荷下柴油機功率仿真結果和臺架試驗數據的對比見圖9，整體計算誤差小于5%，說明所建立的模型準確可靠可以用于下一步的仿真研究。

圖9 仿真數據與實驗數據對比圖

2.2.2 SCR不同的位置對柴油機性能的影響

在上述模型的基礎上，保證SCR各項參數不變的情況下將SCR模型調整到渦輪前方，如圖10所示，并調整管路的直徑和長度，進行仿真計算。同時，將對照組設置為未安裝SCR的柴油機，模型建立如圖11所示。

圖10 SCR布置在渦輪前方柴油機模型

圖11 原機模型

2.3.3 計算結果及分析

在不同負荷下的仿真計算得到數據，整理3個仿真模型結果見圖12、13。柴油機安裝SCR之后，會造成柴油機在相同油耗的情況下，輸出功率降低，排氣背壓升高。同時，SCR位于不同的安裝位置，對柴油機的輸出功率和排氣背壓造成的影響結果不盡相同。針對本實驗臺柴油機SCR位于渦輪前方，排氣背壓上升幅度較小，柴油機輸出功率損失較小，整體對柴油機性能的影響較小。SCR安裝在渦輪后方，排氣背壓平均升高0.035 MPa，柴油機功率損失較大，在100%負荷時，有大約7%的功率損失。隨著柴油機負荷的增加，排氣背壓逐漸增大，對柴油機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在啟動過程中，SCR中的催化載體快速達到反應溫度，以此有效降低柴油機啟動過程中的廢氣氮氧化物含量。同時，渦輪前較高的溫度和壓力可使SCR在反應過程中具有較高的效率，保證在廢氣中氮氧化物含量達到排放標準的同時，盡可能減小SCR設備的尺寸，節省空間。

圖12 3種柴油機模型排氣背壓比較

圖13 3種柴油模型機功率比較

3 結束語

廢氣經過SCR的壓力損失主要由催化劑載體的沿程損失和擴壓管、收縮管的局部損失組成，本實驗臺SCR中，局部損失約占整體損失的15%，沿程損失約占85%。并且隨著柴油機負荷的增加壓力損失越大。柴油機安裝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柴油機性能影響較小。就本實驗臺而言，SCR安裝

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

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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

國家自然科學基金(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SCR尾氣后處理

E-mail:soong_young@yeah.net