Optimering av ureainsprutning för SCR katalysator

Sammanfattning

Kommande emissionskrav inom fordonsindustrin för utsläpp av kväveoxider,

partiklar, kolväten och koldioxid innebär att tillverkarna måste förbättra

renheten på avgaserna som släpps ut. Ett sätt att göra detta är

efterbehandling av avgaserna med SCR-system. Ett SCR-system fungerar på det

sättet att man sprutar in urea i avgaserna vilket omvandlas till ammoniak

som i den efterföljande katalysatorn reagerar med kväveoxiderna och bildar

oreglerade ämnen.

För att få hög omvandlingsgrad av kväveoxiderna i katalysatorn är det

viktigt att man har en jämn fördelning av ammoniak i avgaserna samt att all

urea har omvandlats till ammoniak. Denna studie har gjorts på ett befintligt

SCR-system hos Scania CV AB. Målet med studien var att skapa en CFD-modell

för systemet och med hjälp av denna CFD-modell göra en parameterstudie för

att optimera ureafördelningen.

En CFD-modell skapades där beräkningsnätets inverkan på resultatet

undersöktes. För denna CFD-modell gjordes vissa avgränsningar. Inloppet

placerades direkt nedströms avgasturbinen för att ta med inverkan från

avgasbromsspjället och avgasröret för de alternativa insprutarplaceringarna.

Flödesbilden från turbinen förenklades till ett konstant flöde jämnt

fördelat över tvärsnittet. Utloppet från ljuddämparen modellerades ej då

utvärdering skedde i inloppet till katalysatorn. Urea ersattes med vatten

och avgaser ersattes med luft med samma fysikaliska egenskaper som avgaser.

Ingen väggfilm simulerades vid studien.

Vid parameterstudien valdes 3 stycken insprutningsplaceringar och 3 stycken

insprutningsutformningar. Dessa placeringar var i en gavel inne i

ljuddämparen, vid inloppet till ljuddämparen samt vid avgasbromsen. De

insprutningsriktningar som studerades var 8 håls radiellt riktad, enkel

medströmsriktad samt enkel motströmsriktad.

Vid utvärdering av resultaten sågs en tidsförskjutning när avgaser blandade

med insprutat vatten nådde inloppet till katalysatorn för inlopps- och

avgasbromsplaceringen gentemot gavelplaceringen. Denna tidsförskjutning

krävde modifiering av de utvärderingsmetoder som användes för att kunna

jämför det olika placeringarna. Med hjälp av dessa modifierade

utvärderingsmetoder sågs att insprutningsplacering och

insprutningsutformning hade påverkan för resultatet.

För gavelplaceringen gav den 8 håls radiella insprutaren jämnast fördelning

vid inloppet till katalysatorn. Vid utvärdering av inloppsplaceringen sågs

att den enkla motströms riktade insprutaren uppvisade jämnast fördelning,

denna insprutare uppvisade även jämnast fördelning för insprutare placerad

vid avgasbromsen. Från resultaten sågs att vid flytt av insprutaren från

gaveln till inloppet så förbättrades fördelningen vid inloppet till

katalysatorn med en faktor 40 samt med faktor 200 för placering vid

avgasbromsen jämfört med gavelplaceringen. Standardavvikelsen σ(Φ)

minskar

med en faktor 5 för inloppsplacering jämfört med gavelplacering och med en

faktor 5.5 för avgasbromsplacering jämfört med gavelplacering.

Bäst placering och utformning för systemet gavs vid avgasbromsplacering med

enkel motströms riktad insprutare.