薛　阳，尹自斌，杨国豪，李　琦

(集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

SCR反应器对船用柴油机性能影响仿真分析

薛阳，尹自斌，杨国豪，李琦

(集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021)

摘要：以某船用中速柴油机为仿真对象，利用AVL_Boost软件建立带有SCR反应器的整机模型，分析SCR反应器对柴油机性能影响。结果表明，在E3和D2工况下，SCR反应器所产生的压降随转速和负荷率的增大，呈线性化增大。加入SCR反应器对柴油机的经济性和动力性均有所降低，除E3额定况点外，其余工况点降低幅度均小于5%。通过对SCR反应器的仿真分析，可对该型柴油机SCR反应器的选型设计有一定指导意义。

关键词：船用柴油机；选择性催化还原(SCR)；性能；Boost

0引言

MARPOL73/78防污公约附则VI—“防止船舶造成空气污染规则”，制定了船用柴油机NOx排放控制标准。随着NOx排放限制标准的日益严格，SCR处理技术因其脱硝效率高、经济性好、适用温度范围广，将成为船用柴油机极具前景的NOx排放处理方法之一[1]。本文利用Boost软件对某船用中速柴油机SCR反应器进行仿真模拟分析，通过实验所得NOx生成量及排气参数作为SCR反应器边界输入条件，分析影响SCR反应器性能的主要因素及趋势，并进一步仿真分析SCR催化器对整机性能的影响，为该型柴油机SCR反应系统的设计和选型提供一定的理论指导。

1柴油机仿真模型的建立与验证

利用AVL_Boost仿真软件建立柴油机仿真模型，并利用柴油机试验数据与仿真数据进行比对，验证所建模型的准确性。

1.1　数学模型

根据柴油机工作特点，应用热力学第一定律、质量守恒定律及气体状态方程和能量守恒方程等建立柴油机工作过程的通用方程组。同时，建立相应的气缸工作容积、气体流动方程、热量交换、放热规律等方程使方程组封闭。燃烧模型采用Boost软件提供的AVL_MCC模型[2]。

VL_MCC模型可预测直喷压燃式柴油机的燃烧特性。模型考虑了预混合和扩散燃烧的影响，燃烧放热率如下：

(1)

式中：QMCC为扩散燃烧总放热率，kJ；QPMC为预混合燃烧总放热率，kJ。

扩散燃烧的放热率是可燃燃油质量函数和湍动能密度函数：

(2)

其中：

(3)

(4)

式中：CComb为燃烧常数，kJ/kg/°CA；CRate为混合率常数，s；k为本地湍动能密度，m2/s2；mF为蒸发燃油质量，kg；wAir,available为在开始燃烧时有效的空气质量分数；CEGR为EGR影响常数。

预混合燃烧是利用一个单韦伯函数描述实际的放热率：

(5)

其中：

(6)

式中Δφc为预混合燃烧持续期，°CA。

另外，传热模型选用适用于不同负荷工况的沃西尼(G.Woschni)1990模型[2]。

图1　BOOST整机模型Fig.1　The whole engine model

1.2　实验装置及测试设备

实验原机为1台废气涡轮增压、不可逆转的四冲程直喷式柴油机，其基本参数见表1。

表1　柴油机基本参数

实验采用的测试设备有Horiba MEXA-1600DSEGR型气体分析仪、SG880型水涡流测功机、FC2210型智能油耗仪、FC2000发动机测控仪及DEWE-2010CA型燃烧分析仪。

图2为该柴油机在额定工况下实测和仿真所得示功图对比。图2表明，仿真所得缸压曲线与实测缸压曲线吻合良好。图3为该柴油机D2工况下油耗率和功率的实测值和仿真值对比。图3表明，各工况下油耗率和功率的仿真值与实测值偏差在3%以内。这说明所建整机模型准确可靠，能正确反映发动机工作过程及性能，可用于研究分析SCR反应器对柴油机整机性能的影响。

图2　额定工况下实测与仿真示功图对比Fig.2　Diagram of work by measured and simulatedon on rated　working codition

图3　D2工况下油耗率和功率的实测值和仿真值对比Fig.3　BSFC and power by measured and stimulated on D2　working conditions

2SCR反应器仿真模型的建立

2.1　 模型的基本假设

SCR反应器内常用催化剂有蜂窝式、波纹板式和平板式等。目前蜂窝式催化剂具有模块化、相对质量轻、长度易于控制、比表面积大、易改变节距、适应不同工况等优点，其应用范围最广[1]。因此，本文所建模型选用蜂窝式催化剂。同时，船舶柴油机实际运行工况较为稳定，进而SCR催化剂的工作环境相对稳定，因此建立的数学模型为稳态模型。

本文所建模型假设：

1)催化剂的每个孔道内各物理条件相同，径向浓度梯度、速度梯度为0；

2)催化剂孔道内的流动为一维定常流动；

3)SCR反应遵循Eley-Rideal机理；

4)模型考虑NH3的氧化反应[3]。

2.2　边界条件的选取

该模型边界条件主要由以下3个部分组成：

1)入口边界条件。需定义入口排气温度，排气流量及各尾气成分的浓度等，本文以额定工况下实验所测的排气数据作为边界输入条件，其参数如表2所示。

表2　额定工况下柴油机排气参数及各气体组分

2)催化器的物理特性以及化学反应速率参数。催化器物理特性包括催化器尺寸、密度，多孔载体的孔密度、比热及导热系数等，化学反应速率的参数包括活化能和频率因子等，本文以Boost软件推荐值进行设置，其参数如表3所示。

3)出口条件，定义出口压力，通常取1个大气压[1]。

表3　SCR催化器物理参数

本文按NOx浓度90%为NO，10%为NO2进行质量组分计算，在模拟中取氨氮摩尔比为1，假设喷入的尿素完全水解生成NH3和HCNO。根据该型柴油机排温范围，选用V2O5-WO3/TiO2催化剂，其活性温度约为300 ℃~450 ℃[1]。SCR反应器内部化学反应遵循Eley-Rideal机理[5]，反应所涉及的活化能、速率及活性温度均遵循Arrhenius反应公式。

3带SCR反应器的柴油机性能仿真分析

3.1　带SCR 反应器的柴油机模型

结合前期所建的整机模型，将分析所得的SCR反应器相关参数输入，建立带有SCR反应器的柴油机整机模型，如图4所示。通过在SCR反应器进出口端布置测点，可测出其前后端的压力。

图4　带有SCR反应器的整机模型Fig.4　The whole engine model with SCR catalytic converter

船用柴油机多为推进特性或负荷特性运行工况，即E3和D2工况。不同工况下，柴油机的排气参数不同，故SCR反应器所产生压降也不同，所以须对不同工况下SCR反应器对柴油机动力性和经济性的影响进行分析。

3.2　SCR反应器压降对比分析

整个SCR系统的压降是由催化剂压降以及反应器及烟道等压降组成[6-7]。图5为带有SCR反应器的柴油机在E3和D2工况下SCR反应器所产生的压降。

图5　E3和D2工况下SCR反应器压降Fig.5　The pressure drop of SCR on E3 and D2 working conditions

图5表明：随着柴油机负荷和转速的增大，SCR反应器的压降也随之增大，基本呈线性趋势。这主要是因为：在E3和D2工况下，随着转速和负荷的增大，排气流量、流速和温度均增大，由达西公式得：压降和流速的平方成正比，故压降随之增大。同时NOx的排放量增大，反应器内部反应时间相应增长，就导致在载体催化剂层的压力损失增大。

3.3　SCR反应器对柴油机动力性和经济性的影响

柴油机的动力性和经济性指标分别为功率和有效燃油消耗率。本文通过对带与不带SCR反应器柴油机E3和D2工况下的性能对比，分析SCR反应器对该柴油机整机性能的影响。

3.3.1E3工况下性能对比分析

图6为E3工况下，原机与加入SCR反应器后柴油机的功率和油耗率的对比曲线。

图6　E3工况下油耗率和功率对比Fig.6　Comparison of BSFC and power on E3 working conditions

图6表明：加入SCR反应器后，柴油机的功率有所下降，且在中高转速区域(909 r/min和1 000 r/min)下降幅度较大，分别为4.44 kW和5.9 kW，相比原机在同等工况下的下降幅度为2.69%和2.68%；燃油消耗率增加，并随转速的增大而增大，在中高转速区域(909 r/min和1 000 r/min)分别为10.03 g/kW·h和12.06 g/kW·h，相比原机增加幅度分别为4.7%和5.76%，可见随着转速的增加，油耗率的增加幅度也随之增大。

这主要是因为：在E3工况下，柴油机的转速和功率同时改变，安装SCR反应器后，会造成柴油机排气背压增大，从而导致废气涡轮增压器效率下降，进而造成充量系数的下降，且随转速的增大，充气效率下降越大。故进入气缸内的新鲜空气量减少，所以喷入缸内的燃油未能充分燃烧，且燃油量将有所增大。同时，充气效率的下降也会使指示功率和燃烧放热率下降。这些都会导致柴油机的动力性和经济性的下降。

3.3.2D2工况下性能对比分析

图7为D2工况下，原机与加入SCR反应器后柴油机的功率和油耗率的对比曲线。

图7　D2工况下油耗率和功率对比Fig.7　Comparison of BSFC and power on D2 working conditions

图7表明：加入SCR反应器后，柴油机的功率相应下降，趋势同E3工况基本相同，在10%，25%和50%负荷工况下，下降值仅为0.8 kW，2.22 kW和3.14 kW，为同等负荷下原机功率的3.64%、4.04%和2.85%，而在75%和100%负荷工况时，下降值为4.42 kW和4.9 kW，为同等负荷下原机功率的2.68%和2.23%；在各负荷工况下，燃油消耗率增加值为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，相比原机在同等负荷工况下的增加幅度分别为1.9%，3.52%，3.77%，3.28%和4.56%。可见随着负荷的增大，燃油消耗率的增加幅度也基本呈增大趋势。

这主要是因为：D2工况下，柴油机转速恒定，故在10%~50%负荷工况下，SCR反应器产生的压降较小，对排气系统背压的增加相对较小，且同时废气涡轮增压器效率受负荷影响较小，所以功率和油耗率的改变幅度均很小。但随着负荷率的增大，废气涡轮增压器效率所受影响变大，充量效率明显下降。由图5可得：SCR反应器所产生的压降也随之增大。所以，50%~100%负荷工况下，SCR反应器对该柴油机整机的功率和油耗率的改变幅度均有所增大。

4结语

通过利用AVL_Boost仿真软件，分别建立带有SCR反应器和不带SCR反应器的柴油机模型，进行柴油机动力性和经济性对比分析，仿真分析结果表明：

1)在E3和D2工况下，SCR催化器所产生的压降随负荷和转速的增大而增大，基本呈线性趋势增加。

2)加入SCR反应器后，由于排气背压的增大，造成柴油机整机功率的减小和油耗率的增大，且在E3工况下，SCR反应器对柴油机整机性能的影响较D2工况更为明显。

3)E3和D2工况下，带SCR反应器对该柴油机功率和油耗率的改变均小于原机在同等工况下所测值的5%，说明该SCR反应器的尺寸和内部参数设置能够满足该柴油机多数工况下的要求，设计良好。但在E3工况下1000r/min工况点下，带有SCR反应器时，柴油机的油耗率增加幅度大于5%，故应对该型SCR反应器的尺寸结构和催化剂结构参数做进一步优化分析。

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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

作者简介：薛阳(1987-)，男，硕士研究生，主要从事内燃机性能优化研究。

基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2012J01230)；交通运输部应用基础研究资助项目(2014329815080)

收稿日期：2013-10-08； 修回日期： 2014-04-21

文章编号：1672-7649(2015)02-0092-05

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.019

中图分类号：U664.1

文献标识码：A