二甲醚发动机SCR系统仿真分析与结构优化.pdf

第 61 卷 第 11 期Vol.61 No.112023 年 11 月November 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言内燃机的发展面临着能源危机和环境污染的严峻挑战，寻找清洁替代燃料是解决当前问题的方法之一。二甲醚（Dimethyl ether,DME）为一种醚类化合物，常温常压下是一种无色可燃气体，十六烷值略高于柴油，具有良好的自燃性能1，因此非常适用于压燃式发动机。二甲醚发动机的优点是可以实现零碳烟排放和超低 NOX排放，HC 和 CO 的排放与柴油机略有差异，但是都处于很低的水平，因此对于二甲醚发动机排放污染物的降低研究主要针对 NOX的排放展开，并选取 SCR 后处理装置进行研究，以达到进一步降低二甲醚发动机 NOX的目的2-3。目前，国内外对 SCR 系统主要是关于尿素喷射均匀性和催化转化器的研究。帅石金等4利用 CFD软件研究了 SCR 催化转化器扩张角度对于 NOX转化效率的影响，研究发现扩张角度的变化会影响 NOX的转化效率，扩张角度的增大会造成 SCR 催化转化器压力损失的增大，不利于催化剂载体的正常使用；张洪涛5采用 Kriging 模型研究了催化剂载体长度、载体截面积、载体壁厚对 NOX转化效率的影响，结果表明，SCR 系统对于尾气中 NOX的转化效率与催化剂载体长度、载体壁厚成反比，与催化剂载体截面积成正比；Olsen 等6对大功率非道路柴油机的 SCR 喷射系统进行研究，结果表明，精确控制尿素喷射量可以提高 NOX转化效率，降低因尿素喷射量过多而引起的 NH3泄露问题。上述关于 SCR 系统的研究主要集中在单一结构因素变量的研究，不能体现多种变量之间的相互影响。本文以 SCR 催化转化器载体前端面处的气体流doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2022.11.017二甲醚发动机 SCR 系统仿真分析与结构优化于多友，吴君华，张凤娇（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）摘要 为了更好地对二甲醚发动机 SCR 催化还原性能进行优化，降低排放尾气中 NOX的含量，利用仿真软件Fluent 研究 SCR 催化转化器扩张管扩张角度、催化剂载体长度、催化剂载体间隙、收缩管收缩角度等结构参数对催化转化器内部气体流动均匀性的影响，从而为 SCR 催化转化器的结构优化提供依据。通过 Nelder-Mead 算法结合 Latin hypercube sampling 法选取 SCR 催化转化器的最优结构参数组合。结果表明：SCR 催化转化器最优组合参数结构下催化剂载体前端面气体流动均匀指数为89.94%，比优化前提高5.73%，优化后能够有效提高 NOX转化效率。关键词 二甲醚发动机；SCR；仿真分析；优化设计 中图分类号 TK421+.5 文献标志码 B 文章编号 1673-3142(2023)11-0086-05引用格式：于多友,吴君华,张凤娇.二甲醚发动机 SCR 系统仿真分析与结构优化 J.农业装备与车辆工程,2023,61(11):86-90.Simulation analysis and structural optimization of SCR system of dimethyl ether engineYU Duoyou,WU Junhua,ZHANG Fengjiao（School of Automobile and Traffic Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,Jiangsu,China)Abstract In order to better optimize the catalytic reduction performance of dimethyl ether engine SCR and reduce the NOX content in exhaust gas,simulation software Fluent was used to study the effects of structural parameters such as expansion angle of SCR catalytic converter expansion tube,catalyst carrier length,catalyst carrier gap and contraction tube contraction angle on the uniformity of gas flow inside the catalytic converter.It provided a basis for structure optimization of SCR catalytic converter.Nelder-Mead algorithm combined with Latin hypercube sampling method was used to select the optimal structural parameter combination of SCR catalytic converter.The results showed that the gas flow uniformity index on the front face of the catalyst carrier under the optimal combined SCR catalytic converter parameter structure was 89.94%,which was 5.73%higher than that before optimization.The improvement of the gas flow uniformity after optimization can effectively improve the conversion efficiency of NOX.Key words dimethyl ether engine;SCR;simulation analysis;optimization design收稿日期：2022-11-0787第 61 卷第 11 期动均匀性指数为优化目标，以 D6114ZLQB 二甲醚发动机 SCR 系统为原型进行建模，利用仿真软件研究扩张管扩张角度、催化剂载体长度、催化剂载体间隙、收缩管收缩角度等结构参数对催化转化器内部气体流动均匀性的影响，最后通过 Nelder-Mead 算法结合 Latin hypercube sampling 法对 SCR 催化转化器的机构参数进行优化，从而得到 SCR 催化转换器最优的结构参数。1 SCR 模型建立与验证1.1 模型建立由于 SCR 在正常工作过程中，系统内会发生一系列化学和物理反应，在保证仿真模拟结果精确度的前提下，为提高仿真效率7，对仿真模型做以下假设：（1）将发动机排放尾气与尿素的混合气体视为空气；（2）将流经 SCR 催化转化器的气流视为稳定气流，不会再发生压缩变化；（3）将流经 SCR 催化转化器的气体性质视为常数，不会随着温度的变化而发生改变。SCR催化转化器内部的流体域可分为自由流动域和模拟催化剂载体结构的多孔介质域 2 种区域，为了降低仿真模拟的计算量，选择多孔介质模型模拟 SCR 催化转化器内部的催化剂载体区域，其内部流体流动类型为层流，这样不仅保证了仿真模拟计算结果的准确度，还大大降低了计算量，提高了模拟计算的整体效率8-9。该区域的动量方程为 xpVuiiii22ab=-+v (1)式中：Viiab+v渗透率；i、i常数；Vv气体流速。利用多孔介质模型模拟催化剂载体，气体在多孔介质区域流动时，只能轴向流动，在截面径向没有动能，因此在轴向设定惯性阻力系数=375，粘性阻力系数=1 712，在截面径向取=107。本文选择气体流动特性作为 SCR 系统性能的评价指标10，载体由很多载体通道组成，每个通道前端面的气体流动速度反映了进入该通道的气体情况。整个前端面的气体流速分布也反映了气体在整个载体内部的流动分布情况，对还原反应的进行有一定影响，其表达式为nVVV121meanmeaniin21v=-=j/(2)式中：流动均匀性指数；n载体通道数；V流速在第 i 个通道中的数值；Vmean所有通道中气体的平均速度。1.2 模型验证为了进一步验证所建立 SCR 催化转换器模型仿真结果的准确性，在 SCR 催化转化器后载体出口端面上沿径向由中心到边缘依次选取 10 个点，求出这 10 个点在仿真结果的轴向速度10，结果如图 1 所示。由图 1 可见，实测值和仿真值之间的误差不大，最大误差不超过 3 m/s，而且在第 6 个、第 7 个点处的值几乎相等，这说明所建立的 SCR催化转化器仿真模型比较趋近于实际情况，能够较准确地反映混合气体在 SCR 催化转化器内部的运动规律，仿真模拟计算可行，为 SCR 催化转化器的结构参数优化提供参考11-12。利用仿真软件计算出初步设计的 SCR 系统催化剂载体前端面的气体流动均匀性指数为 84.21%。2 SCR 催化转化器性能仿真分析与结构优化2.1 扩张角的影响分析采用单一变量方法，在初步设计的 SCR 催化转换器的基础上将扩张角度依次设定为 40、70、100、130，分别建立不同的 SCR 催化转化器模型，并在 Fluent 中模拟仿真，不同扩张角度模型下的催化剂载体前端面的速度分布云图如图2所示，可见，当扩张角度从 40 增加到 130 时，催化剂载体前端面上速度分布均匀性变差，SCR 催化转化器内部气体流动均匀性也随之进一步下降。图 1 模型仿真结果验证Fig.1 Verification of model simulation results轴向速度/(m/s)201816141210864200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0距中心距离/r实测值仿真值 （a）（b）contour:1Velocity Magnitude5.49e+014.94e+014.39e+013.84e+013.29e+012.74e+012.20e+011.66e+011.10e+015.49e+000.00e+00m/s于多友 等：二甲醚发动机 SCR 系统仿真分析与结构优化88农业装备与车辆工程 2023 年利用仿真软件可以计算不同扩张角度下 SCR催化转换器载体前端面的气体流动均匀性指数。如图 3 所示，随着扩张管扩张角度的增加，催化剂载体前端面的均匀性指数下降，说明催化转化器内部混合气体的流动均匀性逐渐下降。2.2 载体长度的影响分析同理，将单个载体的长度依次设定为 100、130、160、190 mm，仿真得到不同单载体长度催化剂载体前端面速度分布云图，如图 4 所示，随着催化剂载体长度的增大，云图中环状区域的颜色逐渐变浅，说明该区域的速度变小。原因在于随着催化剂载体长度的增加，气体在催化剂载体区域流动长度增加，由于载体对气体的阻碍作用，气流扩散得更加充分，因此催化剂载体前端面的速度分布均匀程度就越高。利用仿真软件可以计算不同单载体长度对应的载体前端面均匀性指数。如图 5 所示，随着单催化剂载体长度的增加，催化剂载体前端面的均匀性指数上升，说明催化转化器内部混合气体的流动均匀性逐渐提升，因此可以通过适当加大载体长度提高均匀性指数。2.3 载体间隙的影响分析同理，将双催化剂载体之间的间隙依次设定为 0、40 mm，不同间隙下催化剂载体前端面速度分布云图如图 6 所示，可见，随着载体间隙的增大载体前端面速度分布均匀性向好。因此，在保证合理压力损失的前提下，可以适当增大催化剂载体间隙，从而提高 SCR 系统对 NOX的转化效率。（c）（d）图 2 不同扩张角度催化剂载体前端面速度分布云图Fig.2 Cloud diagram of front surface velocity distribution of catalyst support with different expansion angles（a）40（b）70（c）100（d）130contour:1Velocity Magnitude5.49e+014.94e+014.39e+013.84e+013.29e+012.74e+012.20e+011.66e+011.10e+015.49e+000.00e+00m/s图 3 不同扩张角对应的载体前端面均匀性指数Fig.3 Homogeneity index of front surface of carrier corresponding to different expansion angles气体流动均匀性指数/%8684828040 60 80 100 120 140扩张角/()contour:1Velocity Magnitude3.96e+013.56e+013.17e+012.77e+012.38e+011.98e+011.58e+011.19e+017.92e+003.96e+000.00e+00 （a）（b）m/s （c）（d）图 4 不同单载体长度催化剂载体前端面速度分布云图Fig.4 Cloud diagram of velocity distribution on front surface of catalyst support with different single support lengths（a）100 mm （b）130 mm （c）160 mm （d）190 mmcontour:1Velocity Magnitudem/s3.96e+013.56e+013.17e+012.77e+012.38e+011.98e+011.58e+011.19e+017.92e+003.96e+000.00e+00图 5 不同单载体长度对应的载体前端面均匀性指数Fig.5 Homogeneity index of front surface of carrier corresponding to different single carrier lengths87868584100 120 140 160 180 200单载体长度/mm气体流动均匀性指数/%（a）（b）图 6 不同载体间隙催化剂载体前端面速度分布云图Fig.6 Cloud diagram of velocity distribution on front surface of catalyst carrier with different carrier gaps（a）0 mm （b）40 mm contour:1Velocity Magnitudem/s3.67e+013.30e+012.94e+012.57e+012.20e+011.84e+011.47e+011.10e+017.34e+003.67e+000.00e+0089第 61 卷第 11 期于多友 等：二甲醚发动机 SCR 系统仿真分析与结构优化2.4 收缩角的影响分析同理，将收缩角度依次设计为 40、70、100、130，得到催化剂载体前端面速度分布云图如图 7 所示，可见随着收缩角度的增大催化剂载体前端面的气体流动不均匀程度增加。由图 8 可见，随着收缩管收缩角度的增加，催化剂载体前端面的均匀性指数下降，说明催化转化器内部混合气体的流动均匀性逐渐下降。因此，在催化转化器尺寸对安装布局不产生影响的前提下，可以适当减小收缩角度，以此来提高 SCR 系统对NOX的转化效率。3 基于 Nelder-Mead 算法的结构参数优化采用单一变量进行模拟仿真计算虽然能够准确反应不同结构 SCR 催化转化器内部气体流动情况，但是忽略了这些变量之间的相互影响。为了综合考虑这些结构参数对催化转化器性能的影响，采用 Nelder-Mead 算法对 SCR 催化转化器的架构参数进行综合优化。选取扩张管扩张角度 A1、单催化剂载体长度 A2、前后催化剂载体间隙 A3、收缩管收缩角度 A4作为 SCR 催化转化器结构优化参数，将载体前端面上的气体流动均匀性指数 为优化目标，从而提高 SCR 系统 NOX的转化效率。（1）建立优化目标函数根据本文的研究对象、研究目的，建立待优化的目标函数为,MaxAAAAAAAA401301001900404013012341234GGGGGGGGv_iZ (3)式（3）中催化剂载体前端面处气流流动均匀性指数 的取值范围为（0,1），优化的目标为获取 的最大值。结构参数 A1、A2、A3、A4的取值范围如表 1 所示。表 1 结构参数取值范围表Tab.1 Structure parameter value range参数名称A1/()A2/mmA3/mmA4/()上限值13019040130下限值40100040（2）选取样本点选取为了保证每个样本点选取概率相等，尽可能保证所选有限样本点集合能够完整反应整个样本的特性。利用 Latin hypercube sampling 法选取样本点，在整个样本空间进行样本点选取时，最小样本容量的计算公式为 ()()qnn212=+(4)式中：q 最小样本容量；n 需要研究的参数个数。研究 4 个结构参数 A1、A2、A3、A4，计算出最小样本容量为 15，对整体样本空间均匀分为 15 层，每一层样本空间随机选取 1 个样本点，能够较为完整地反应样本空间的整体特性。选取的 15 个样本点如图 9 所示。考虑二甲醚发动机在实际工作过程中工况的多样性，选取二甲醚发动机低负荷工况 a 和中高负荷工况 b 这 2 个不同的工况进行 SCR 催化转化器结构参数优化的研究。（c）（d）图 7 不用收缩角度催化剂载体前端面速度分布云图Fig.7 Cloud diagram of velocity distribution on front surface of catalyst support without shrinkage angle（a）40（b）70（c）100（d）130 （a）（b）contour:1Velocity Magnitudecontour:1Velocity Magnitude4.02e+013.62e+013.22e+012.81e+012.41e+012.01e+011.61e+011.21e+018.04e+004.02e+000.00e+004.02e+013.62e+013.22e+012.81e+012.41e+012.01e+011.61e+011.21e+018.04e+004.02e+000.00e+00m/sm/s图 8 不同收缩角对应的载体前端面均匀性指数Fig.8 Homogeneity index of front surface of carrier corresponding to different shrinkage angles8684828040 60 80 100 120 140收缩角/()气体流动均匀性指数/%90农业装备与车辆工程 2023 年（3）优化结果分析用 Latin hypercube sampling 法 选 取 的 15 个样本点依次对应图 10 中的 115 号样本点。通过Nelder-Mead 单纯形算法计算出新的点，替换之前的气体流动均匀性较差的样本点，以达到求出最优结构参数组合的目的。15 个新的样本点依次对应图 10 中 1630 号样本点。利用 Design Explore设计工具对不同样本点结构参数组合下的 SCR 系统模型进行仿真，得到 130 个样本点对应的速度均匀性指数。经过 Nelder-Mead 单纯形算法优化求解，由图 11 可见，21 号样本点结构参数组合下工况 a、b 的气体流动均匀性指数达到最优，分别为 89.61%、89.94%；载体前端面气体的流动均匀指数比最差结构参数组合分别提高 11.43%、11.52%，比初始设计的SCR催化转化器提高5.73%。此时最优结构参数组合：扩张管扩张角度为 48、单催化剂载体长度为 136 mm、载体间隙为 10 mm、收缩管收缩角度为 66。4 结论SCR 催化转化器的结构参数会影响 NOX的转换效率，通过对结构参数的研究来提高 SCR 系统的整体性能，利用 Fluent 进行仿真分析，对结构进行综合优化，通过仿真和优化分析得到以下结论：（1）对初步设计的 SCR 催化转化器进行仿真分析，计算出初步设计的 SCR 系统催化剂载体前端面的气体流动均匀性指数为 84.21%；（2）在初步设计的 SCR 催化转化器结构模型基础上，以扩张管扩张角度、催化剂载体、催化剂载体间隙、收缩管收缩角度为影响因素，分别建立不同结构的催化转化器模型并进行仿真模拟计算，研究不同结构参数对于催化转化器内部气体流动的影响效果，为结构优化提供参考。（3）筛选出相关的结构参数，基于 Nelder-Mead 算法结合 Latin hypercube sampling 法对初步设计的 SCR 催化转化器进行结构优化。二甲醚发动机 2 个不同的工况点作为优化研究的工况加载点，以优化催化剂载体前端面处的气体流动均匀程度为目标，得到最优的 SCR 催化转化器结构参数组合，此参数结构下催化剂载体前端面气体流动均匀指数为 89.94%，相比初步设计结构提高了 5.73%。此时最优组合的 SCR 催化转化器扩张管扩张角度为48、单催化剂载体长度为 136 mm、载体间隙为10 mm、收缩管收缩角度为 66。参考文献1 赵廉,孙平,刘军恒,等.DOC/SCR 对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料发动机 NOx 排放的影响 J.石油学报(石油加工),2021,37(04):875-883.2 侯军兴,杨海鹏,郑路,等.二甲醚发动机组合燃烧压力振荡特性研究 J.车用发动机,2022(04):36-40,48.3 卢凯,臧志成,刘德文,等.非道路柴油机后处理系统 SCR 喷嘴座结构优化 J.内燃机学报,2022,40(03):280-287.4 帅石金,张文娟,董红义,等.柴油机尿素 SCR 催化器优化设计 J.车用发动机,2007,(1):44-47.5 张洪涛.国六排放车用柴油机 SCR 系统的研究与开发 D.天津:天津大学,2019.6 OLSEN D B,SCHMITT J.Control of an industrial SCR catalyst using ceramic NOx sensorsJ.Energy and Power Engineering,2011,3(3):317-324.7 华伦,赵彦光,胡静,等.空气辅助和无空气辅助 SCR 系统尿素喷雾特性的对比试验研究 J.汽车工程,2013,35(3):197-201.8 HESSER M,LDERS H,HENNING R-S.SCR technology for NOx reduction:series experience and state of developmentC.Proceedings of the Proceedings of the Diesel Engine Emission Reduction Conference,F,2005-08-23.9 林建辉,王炳轩,陈必文,等.船用低速柴油机 SCR 系统的设计优化与试验分析 J.舰船科学技术,2021,43(23):136-139.10 帅石金,张文娟,董红义,等.柴油机尿素 SCR 催化器优化设计 J.车用发动机,2007,(1):44-47.11 华伦,赵彦光,胡静,等.空气辅助和无空气辅助 SCR 系统尿素喷雾特性的对比试验研究 J.汽车工程,2013,35(3):197-201.12 卢凯,臧志成,刘德文,等.非道路柴油机后处理系统 SCR 喷嘴座结构优化 J.内燃机学报,2022,40(03):280-287.作者简介 于多友（1994-），男，硕士研究生，研究方向：柴油机尾气后处理。E-mail：通信作者 吴君华（1974-），男，博士，教授，研究方向：柴油机排放控制技术。E-mail：图 9 样本分布图Fig.9 Sample distribution3025201510500 5 10 15 20 25 30图 10 不同样本下气体流动均匀性指数Fig.10 Homogeneity index under different samples908580750 5 10 15 20 25 30样本点气体流动均匀性指数/%工况 a工况 b