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

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

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

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. 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

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

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.

САПР и графика 10`2015