CC BY
24УДК 621.4-2
В.Л. Химич, Н.А. Хрипач, Л.Ю. Лежнев, Б.А. Папкин, Ф.А. Шустров, Д.А. Иванов, В.И. Сонкин, И.А. Папкин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ДИЗЕЛЬНОГО ОКИСЛИТЕЛЬНОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Московский государственный технический университет «МАМИ»
Рассмотрена одномерная модель окисления СО, СН и NO2 для расчета вредных выбросов на выходе из перспективного дизельного каталитического нейтрализатора. Модель базируется на законах сохранения массы, энергии и химических веществ в каталитическом нейтрализаторе и использует упрощенную схему гетерогенных химических реакций на поверхности катализатора. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными подтверждает достоверность модели.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, дизель, окислительный каталитический нейтрализатор, химические реакции.
Для выполнения вводимых в России с 2014 г. перспективных экологических норм Ев-ро-5, а в дальнейшем Евро-6 на вредные выбросы с отработавшими газами (ОГ) дизельного двигателя необходимо иметь 4-компонентную систему нейтрализации для контроля СО, СН, NOx и дисперсных частиц. Такая система обычно включает дизельный окислительный катализатор, селективно-восстановительный катализатор и сажевый фильтр, каждый из которых выполняет свои собственные, в том числе новые функции [1-3]. Например, окислительный нейтрализатор, помимо окисления СО и СН, может участвовать в активной и/или пассивной регенерации сажевого фильтра, предотвращая повышение противодавления на выпуске и потерю топливной экономичности. При этом для эффективной пассивной регенерации окислительный нейтрализатор должен обеспечивать на входе в фильтр отношение NO2/NO = 1,0. В связи с усложнением системы нейтрализации моделирование играет все более важную роль в разработке и оптимизации ее компонентов.
Целью данной работы является разработка и проверка модели перспективного дизельного окислительного каталитического нейтрализатора.
Предлагаемая модель дизельного окислительного нейтрализатора базируется на физической и химической теориях, которые описывают химическую кинетику и характеристики переноса тепла и массы в одномерной квазистационарной постановке. Модель учитывает: конвективный перенос тепла и массы от ОГ к поверхности катализатора; гетерогенные химические реакции на поверхности катализатора; тепловые потери в окружающую среду и теплопроводность вдоль каталитического нейтрализатора. Влияние гомогенных реакций в газовой фазе мало и поэтому не учитывается. Отработавшие газы состоят из О2, СО2, Н2О, N2, CO, NO, NO2 и СН.
Основные уравнения. Основные уравнения модели рассматривают сохранение массы, энергии и химических веществ в одном канале нейтрализатора. Для упрощения неравномерность распределения потока на входе не учитывается, а при описании переноса массы и энергии между газом и твердой поверхностью используются эмпирические коэффициенты из литературных источников.
Далее приведены уравнения сохранения энергии и веществ в газовой среде и на поверхности катализатора в форме, предложенной в работе [4]. Для одномерной модели уравнение сохранения массы газовой фазы в канале имеет вид
ди ■ Ygi
+ ктгg (Ygi - Ysi) = 0,
© Химич В.Л., Хрипач Н.А., Лежнев Л.Ю., Папкин Б.А., Шустров Ф.А., Иванов Д.А., Сонкин В.И., Папкин И.А., 2012.
где и - скорость потока в одном канале, 2 - осевое направление канала; Уё/ - концентрация /-го вещества в газовой фазе, а У^ - концентрация на твердой стенке кт - коэффициент мас-сообмена, 8ё - геометрическая площадь поверхности.
Уравнение сохранения энергии газовой фазы имеет вид
дТя
Р + к 8 я Т - Т™) = 0'
где сРё - удельная теплоемкость газа, Тё - температура газа, Т^ - температура стенки, И - коэффициент конвективного теплообмена, - плотность газа.
Уравнение сохранения индивидуальных веществ на стенке имеет вид
(1 -8) д^ = кт 8 (У& - У,,) - Г^а ,
где 8 - пористость, г, - скорость химической реакции вещества, 8а - масса катализатора на единицу объема каталитического блока, I - время.
Уравнение сохранения энергии на стенке имеет вид:
■а г
(1 - s)p^= С1"^w -ТТ + ZHtr>S° + Ыg(Тё -)'
где Н, - теплота реакции /-го вещества, ^ - теплопроводность стенки.
Каталитические реакции. Гетерогенные химические реакции на поверхности дизельного окислительного катализатора моделируются по трехреакционной схеме.
СО + / О2 ^ СО2 (1)
СзНб + 9/2 О2 ^ 3 СО2 + 3 Н2О (2)
N0 + / О2 ^ N02. (з)
Окисление оксида углерода в диоксид углерода является упрощенным и поясняется уравнением (1). Окисление углеводородов дается уравнением (2). В качестве углеводорода выбран пропилен (С3Н^), который часто используют в аналогичных моделях, как более удобный для моделирования.
Для моделирования реакций используются кинетические выражения типа Ленгмюра-Хиншельвуда, учитывающие ингибирующее влияние N0 на скорости г химических реакций (1-3):
гсо = ксоУсоУо2 /G >
гсзи6 = ^СзИ6 ^сзи6 У02/G,
г:о = к:оУ:оУо2 /G>
где к, и У/ - константа скорости реакции и концентрация /-го вещества (СО, О2, С3Н^, N0), а О - ингибирующий фактор, который учитывает влияние на общую кинетику адсорбции и десорбции реагентов и продуктов.
Константа скорости реакции к/ имеет вид уравнения Аррениуса
к, = ARle- ^,
где - предэкспоненциальный множитель, а ЕЫ/ - энергия активации /-го вещества. Значения этих констант заимствованы из работы [5].
Ингибирующий фактор О задается выражением
G = Т х [1 + К1УС0 + К17сзи6 ]2 х [1 + Кз7с2оГс2зи6 ] х [1 + У£0] . (4)
Первый член уравнения (4) Т отражает температурную зависимость модифицированного уравнения Аррениуса для скорости реакции. Второй член уравнения
[1 + КУсо + КУсн ] , является функцией, которая учитывает ингибирующие влияние хеми-
2 2
сорбции СО и С3Н<5. Третий член уравнения [1 + КзУсоУс3и6 ] используется для калибровки модели с учетом экспериментальных данных, полученных при повышенных концентрациях
П 7
СО и С3Н6. Последний член уравнения [1 + Г^] учитывает ингибирующее влияние NO на
скорости окисления СО и С3Н6.
Константа равновесия адсорбции К заимствована из работы [5] и также моделируется в форме уравнения Аррениуса с помощью выражения
К, - АА1е-ЕА'!ш.
Перенос тепла и массы. Помимо химических реакций характеристики окислительного нейтрализатора существенно зависят от переноса массы и тепла от ОГ к поверхности катализатора. Конвективный перенос тепла от ОГ к каталитическому блоку и тепло, генерируемое при экзотермических реакциях на поверхности катализатора, являются основными источниками тепла в каталитическом нейтрализаторе. Перенос массы в каналах катализатора обусловлен градиентом концентрации между ОГ и подложкой. Из-за низких концентраций массоперенос осуществляется вследствие диффузии и рассчитывается с учетом аналогии тепло- и массопереноса.
Процессы конвективного тепло- и массопереноса моделируются по упрощенной модели. В этой модели безразмерные числа Нуссельта (№) и Шервуда характеризуют скорости тепло- и массопереноса. Коэффициенты теплопереноса и массопереноса рассчитываются по формулам:
И - ш *
БИ ■ Б, кв / --3~,
в Ви
где - гидравлический диаметр канала ячейки нейтрализатора.
Исследования показывают, что числа Нуссельта и Шервуда зависят от структуры течения в узких каналах нейтрализатора. В настоящей модели для упрощения расчетов принято, что течение является полностью развитым стационарным и ламинарным. Для таких течений значения № и Sh изменяются в диапазоне от 3,0 до 4,5. В настоящей работе, с учетом результатов исследования [6], использовались фиксированные значения чисел Нуссельта и Шервуда, равные 3.
Граничные и начальные условия. Для решения основных уравнений модели, необходимо задать граничные и начальные условия. Граничными условиями являются концентрации вредных веществ и температура ОГ на входе в дизельный окислительный катализатор. Начальные условия для температуры на поверхности катализатора выбраны равными окружающей температуре.
Таблица 1
Краткая техническая характеристика двигателя и окислительного нейтрализатора
Тип двигателя 4-тактный, дизельный с турбонаддувом
Число и расположение цилиндров 6,рядное
Рабочий объем, л 8,1
Номинальная мощность, кВт 175 х 2200 мин-1
Размерность: диаметр х длина, мм 267 х 152,4
Материал каталитического блока Кордиерит
Геометрия ячеек Квадратные
Плотность и число ячеек, яч./дюйм 300
Ширина канала, мм 1,47
Толщина стенки канала, мм 0,19
Фронтальная площадь, см2 559
Объем, л 8,51
При моделировании в качестве начальных и граничных условий использовались опубликованные экспериментальные данные.
Проверка модели. Для проверки достоверности модели результаты моделирования дизельного окислительного нейтрализатора были сопоставлены с соответствующими экспериментальными данными [5].
Краткая техническая характеристика двигателя и окислительного нейтрализатора приведена в табл. 1.
Рис. 1. Изменение концентрации СО в ОГ в зависимости от температуры окислительного катализатора при 1400 мин-1:
сплошная линия - результаты моделирования, отдельные точки - экспериментальные данные
Рис. 2. Изменение концентрации СН в ОГ в зависимости от температуры окислительного катализатора при 1400 мин-1:
сплошная линия - результаты моделирования, отдельные точки - экспериментальные данные
Испытания были выполнены на дизельном топливе с низким содержанием серы (~15 ррт) и предусматривали измерение концентрации СО, СН, N0 и N02 в ОГ на различных установившихся скоростных и нагрузочных режимах. Указанные в таблице данные по
катализатору использовались при моделировании. В расчетах принималось, что теплопроводность кордиерита равна 1,255 Вт/мК, объемная плотность - 0,44 г/см3, удельная теплоемкость - 836,8 Дж/кгК.
На рис. 1-3 показано изменение концентрации в отработавших газах СО, СН, N0 и N02 на выходе из дизельного окислительного катализатора в зависимости от температуры катализатора по данным экспериментального исследования и результатам моделирования.
Рис. 3. Изменение концентрации NO и NO2 в ОГ в зависимости от температуры окислительного катализатора при 1400 мин-1:
пунктирная линия - моделирование NO; сплошная линия - моделирование NO2; отдельные точки - экспериментальные данные
Из графиков видно, что результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными в диапазоне температур от 150 до 490оС. Приведенные результаты сравнительного исследования экологических характеристик подтверждают достоверность модели дизельного окислительного каталитического нейтрализатора.
Настоящая работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Библиографический список
1. Панчишный, В.И. Дизельные фильтры и фильтры-нейтрализаторы отработавших газов дизелей / В.И. Панчишный // Автомобильная промышленность. 2008. № 12.
2. Панчишный, В.И. Нейтрализаторы отработавших газов дизелей / В.И. Панчишный // Автомобильная промышленность. 2008. № 11.
3. Ferrari G., Piscaglia F., Onorati A. «1D Modeling of the Hydrodynamics and of the Regeneration Mechanism in Continuous Regenerating Traps», SAE Paper, № 2006-01-3011, 2006.
4. York A.P.E., Cox J. P., Watling T. C., Walker A. P., Bergeal D., Allansson R., Lavenius M. «Development and Validation of a One-Dimensional Computational Model of the Continuously Regenerating Diesel Particulate Filter (CR-DPF) System», SAE Paper, № 2005-01-0954, 2005.
5. Triana A. P., Johnson J. H., Yang S. L., Baumgard K. J. «An Experimental and Numerical Study of the Performance Characteristics of the Diesel Oxidation Catalyst in a Continuously Regenerating Particulate Filter», SAE Paper, № 2003-01-3176, 2003.
6. Day E. G. W., Benjamin S. F., Roberts C. A. «Simulating Heat Transfer in Catalyst Substrates with Triangular and Sinusoidal Channels and the Effect of Oblique Inlet Flow», SAE Paper № 2000-010206, 2000.
7. Каменев, В.Ф. Конструктивное исполнение нейтрализатора отработавших газов и экологические показатели автомобиля / В.Ф. Каменев [и др.] // Автомобильная промышленность. 2007. № 1.
8. Ипатов, А.А. Автономные системы выработки тепловой и электрической энергии на биотопливе" / А.А. Ипатов [и др.] // Энергия: экономика, техника, экология. 2010. № 3. С. 6-12.
9. Ипатов, А.А. "Разработка технологической схемы автономной системы с комбинированным тепло- и электроснабжением отдельно стоящих объектов с возможностью использования в качестве топлива продуктов переработки биомассы" / А.А. Ипатов [и др.] // Труды НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Вып. № 242: Комбинированные энергоустановки автотранспортных средств: сб. науч. ст. - М., 2009. С. 85-95.
10. Ипатов, А.А. Разработка элементов автономной когенерационной установки, работающей на биотопливе / А.А. Ипатов [и др.] // Труды НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ». Вып. № 242: Комбинированные энергоустановки автотранспортных средств: сб. науч. ст. - М., 2009. С. 96-104.
Дата поступления в редакцию 27.04.2012
V.L. Khimich, N.A. Khripach, L.Yu. Lezhnev, B.A. Papkin, F.A. Shustrov, D.A. Ivanov, V.I. Sonkin, I.A. Papkin
SIMULATION OF PROMISING DIESEL OXIDATION CATALYST
The purpose of this work is to develop and test models of prospective diesel oxidation catalytic converter. The one-dimensional oxidation model of the of CO, CH and NO2 was considered to calculate emissions at the outlet from the diesel promising of oxidation catalyst. The model is based on the laws of conservation of mass, energy and chemicals in the oxidation catalyst and uses a simplified method of calculation of heterogeneous chemical reactions on the catalyst surface. Comparison of simulation results with experimental data confirms the validity of the model. The proposed model of the diesel oxidation catalyst based on the physical and chemical theories that describe the chemical kinetics and the characteristics of heat and mass transfer in a one-dimensional quasi-stationary formulation. The model takes into account: the convective heat and mass transfer from the exhaust gas to the catalyst surface, heterogeneous chemical reactions on the catalyst surface, heat rub into the environment and the thermal conductivity along the catalytic converter. The influence of homogeneous reactions in the gas phase is small and not considered. Exhaust gases are composed of O2, CO2, H2O, N2, CO, NO, NO2, and CH.
Key words: internal combustion engine, diesel engine, oxidation catalyst, chemical reactions.
