10 - 2015

Применение ANSYS CFD для снижения выбросов NОx

Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал», официальный партнер компании ANSYS, представляет вашему вниманию перевод статьи, рассказывающей о применении решений ANSYS CFD для оптимизации новой конструкции системы cелективной каталитической нейтрализации компании Tenneco. Все вопросы относительно статьи и программного обеспечения вы можете задать нашим техническим специалистам по продуктам ANSYS на сайте www.cae-expert.ru и www.cae-club.ru. Перевод выполнен Кириллом Пестовым, инженером технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал», и Дмитрием Волкиндом, старшим инженером технической поддержки ГК «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал».

Несмотря на то что тяжелые грузовики составляют всего 5% от общего количества транспортных средств в Китае, они производят около 80% выбросов NOx. Недавно в Китае был принят экологический стандарт Stage IV, практически идентичный «Евро­4», который регулирует содержание вредных веществ в выхлопных газах. В новом стандарте ужесточено требование к количеству вредных выбросов до значения 3,5 г/кВт·ч, по сравнению со старым стандартом Stage III, в котором максимально разрешенное количество вредных веществ равнялось 5,0 г/кВт·ч. Селективная каталитическая нейтрализация (SCR) стала основополагающей технологией для удовлетворения жестких требований по выбросам NOx, предъявляемых к дизельным двигателям. Технология SCR основана на впрыске мочевины в качестве восстановителя в поток выхлопных газов. Далее поток попадает в катализатор, где происходит восстановление оксидов азота до нейтрального азота с образованием небольших количеств углекислого газа и водяного пара, являющихся естественными компонентами атмосферного воздуха.

В традиционном варианте конструкции SCR­системы форсунка, распыляющая мочевину, установлена в выхлопном тракте, который напрямую ведет к SCR­модулю со встроенным каталитическим конвертером. Компания Tenneco разработала новую SCR­систему со встроенной форсункой, которая доставляет раствор мочевины через специальный смесительный канал напрямую в SCR­модуль (рис. 1).

Рис. 1. Исходный вариант конструкции SCR-системы

Рис. 1. Исходный вариант конструкции SCR-системы

Компания Tenneco является одним из ведущих мировых разработчиков, производителей и дистрибьюторов продукции по контролю выхлопных газов, а также систем для рынка оригинального автомобильного оборудования и послепродажного обслуживания. Новая разработка позволяет снизить стоимость входного тракта, повысить универсальность конструкции и устранить ограничения, налагаемые на длину и форму входного тракта. Инженеры компании Tenneco столкнулись с проблемой оптимизации новой конструкции SCR­модуля, в котором должна быть реализована прямая инжекция мочевины с целью устранения отложений в смесительном канале SCR­блока.

Ключевая цель оптимизации состояла в увеличении срока службы SCR­модуля. Инженеры решили использовать ANSYS Fluent — один из программных продуктов вычислительной гидрогазодинамики (CFD), чтобы смоделировать сложные физические процессы, происходящие в модуле SCR. К таким процессам относятся: испарение капель NH3 и взаимодействие их со стенкой, а также химические реакции, связанные с подавлением оксидов азота NOx. Инженеры компании Tenneco смоделировали различные варианты конструкции и произвели цикл оптимизации, в результате чего удалось устранить отложения мочевины и удовлетворить конструктивные требования.

Требования, предъявляемые к конструкции SCR­модуля

Как уже было сказано, SCR­технология использует водный раствор мочевины, который подается в выхлопную систему автомобиля. В результате химических реакций мочевина распадается на аммиак и изоциановую кислоту, после чего взаимодействует с NOx на поверхности каталитического конвектора SCR­модуля. SCR­системы должны обладать высокой эффективностью нейтрализации отработавших газов NOx, низким потреблением мочевины, большим сроком службы и низким проскоком аммиака. Проскок аммиака — это количество аммиака, которое проходит через SCR­систему, не взаимодействуя с NOx. В SCR­модуле выполняются два важных этапа. На первом этапе необходимо смешать аммиак и выхлопные газы до получения однородной смеси, перед тем как она попадет непосредственно в катализатор. Далее происходит нейтрализация NOx (рис. 2).

Рис. 2. Новый вариант конструкции со встроенной подачей мочевины в SCR-модуль

Рис. 2. Новый вариант конструкции со встроенной подачей мочевины в SCR-модуль

CFD­моделирование использовалось в процессе проектирования для проверки эффективности поглощения NOx на протяжении полного рабочего цикла двигателя новой предложенной конструкции SCR­модуля.

Технология SCR включает достаточно много физических явлений, таких как взаимодействие жидкой и газовой фаз, сложные химические реакции и взаимодействие инжектируемых частиц жидкости со стенкой. Другая сложность состояла в разнице временных масштабов: время инжекции имеет порядок миллисекунд, формирование пленки происходит за секунды и время каталитических реакции тоже исчисляется в секундах. Кроме того, существовало недостаточное количество экспериментальных данных для валидации используемых физических моделей, а также отсутствовали подобные расчетные методики.

В общем случае SCR­система состоит из устройства подачи мочевины, непосредственно самого SCR­модуля, содержащего каталитический конвертер, и устройства контроля впрыска. Как правило, распыляющая форсунка устанавливается во входном патрубке непосредственно перед SCR­модулем. В компании Tenneco решили отказаться от этого способа подачи мочевины, и было предложено вмонтировать форсунку внутрь SCR­модуля. Благодаря такому подходу в новой конструкции теперь нет необходимости использовать входной патрубок, изготовленный из высококачественной стали, что, в свою очередь, значительно снижает стоимость SCR­системы. Кроме того, у инженеров компании Tenneco появилась возможность изменять форму входного патрубка, тем самым упрощая процедуру интегрирования SCR­системы в различные двигатели и модели тяжелых грузовиков. В то же время, новая конструкция предполагает использование смесительного канала, который глубоко посажен в SCR­модуль. Это означает, что она должна быть сконструирована таким образом, чтобы предотвратить появление отложений, которые могут преждевременно вывести SCR­систему из строя.

Валидация CFD­моделирования

Перед тем как проводить CFD­моделирование новой конструкции SCR­системы, инженеры компании Tenneco решили провести тестовые расчеты и сравнить результаты численного анализа с экспериментальными данными. В эксперименте осуществлялось испарение 32,5­процентного раствора мочевины с поверхности ткани за счет повышения температуры окружающей среды. Отдельно взятые испарившиеся капли регистрировались высокоскоростной камерой. Измерения температуры капель проводились с шагом 50 К (градусов Кельвина). В CFD­моделировании процесс испарения капель фиксировался в таком же положении, что и при натурных испытаниях. В ходе моделирования проводилась оценка значений диаметров капель и времени испарения. Также была создана простейшая 2D­сетка, в центре которой происходило испарение капель. Свойства многокомпонентной среды и смоченного твердого тела (ткани) были взяты из базы данных Fluent. Результаты численного моделирования и натурных испытаний достаточно хорошо согласуются (рис. 3).

Рис. 3. Результаты численного моделирования ANSYS CFD (нижние графики) хорошо совпадают с натурным экспериментом (верхние  графики), выполненным компанией Tenneco

Рис. 3. Результаты численного моделирования ANSYS CFD (нижние графики) хорошо совпадают с натурным экспериментом (верхние  графики), выполненным компанией Tenneco

Компания Tenneco выполнила еще один эксперимент по испарению капель, основываясь на работе J.Y. Kim1 , в которой рассматриваются такие физические явления, как распыление и термическое разложение раствора мочевины в SCR­системах. 40­процентный раствор мочевины распылялся в круглом канале, внутри которого проходил поток горячего газа, и в результате реакции пиролиза из мочевины высвобождался аммиак (рис. 4). В ходе эксперимента была измерена концентрация аммиака в трех точках потока для определения эффективности конверсии (рис. 5). Было установлено, что результаты CFD­моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Рис. 4. Новые варианты конструкций

Рис. 4. Новые варианты конструкций

Рис. 5. Контуры скорости для двух режимов подачи мочевины

Рис. 5. Контуры скорости для двух режимов подачи мочевины

Оптимизация новой конструкции SCR­системы

Недавно инженеры компании Tenneco спроектировали SCR­систему со встроенным впрыском мочевины для 12­литрового дизельного двигателя. В результате цикла натурных испытаний прототипа исходной конструкции было отмечено отложение мочевины в нижней части канала, поэтому инженеры предложили два новых вида конструкций, которые потенциально могли бы решить проблему отложений. В первом варианте конструкции использовался сдвоенный канал, во втором — одинарный канал со смесителем на входе.

Инженеры компании Tenneco использовали ANSYS CFD, чтобы смоделировать процессы, происходящие в базовом варианте конструкции, в конструкции со сдвоенным и одинарным смесительным каналами. На рис. 6 представлены результаты CFD­моделирования.

Рис. 6. Контуры скорости и траектории частиц для трех типов конструкций

Рис. 6. Контуры скорости и траектории частиц для трех типов конструкций

Анализируя результаты, полученные для трех типов конструкций, инженеры компании Tenneco пришли к выводу, что конструкция со сдвоенным смесительным каналом позволяет разрешить проблему отложений. На основании результатов CFD­моделирования было принято решение об изготовлении прототипа и проведении серии натурных испытаний. Как и предполагалось, новая конструкция помогла решить проблему отложения мочевины (рис. 7).

Рис. 7. Отложение мочевины в нижней части канала исходной конструкции (слева). В новом варианте конструкции отложение мочевины отсутствует

Рис. 7. Отложение мочевины в нижней части канала исходной конструкции (слева). В новом варианте конструкции отложение мочевины отсутствует

Это только один из примеров удачного применения CFD­анализа для оптимизации конструкции SCR­системы, который помог улучшить качество выпускаемой продукции, позволяя компании Tenneco занимать лидирующие позиции на рынке по поставке комплектующих для тяжелых грузовиков.


1 *Kim, J.Y.; Ryu, S.H.; Ha, J.S. Numerical Prediction on the Characteristics of Spray­Induced Mixing and Thermal Decomposition of Urea Solution in SCR System. Proceedings of ICEFA04. ASME 2004 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference, 2014. pp. 165­170.

САПР и графика 10`2015