Safety in Technosphere Safety in Technosphere Безопасность в техносфере 1998-071X 19322 10.12737/article_5a2905be4bb1e8.12358964 Методы и средства обеспечения безопасности Methods and means of safety Методы и средства обеспечения безопасности Urea Using in Piston Engines’ Exhaust Gases Treatment Systems Использование мочевины в системах обработки выпускных газов поршневых двигателей Марков В. А. Markov V. A. vladimir.markov58@yandex.ru

доктор технических наук;

doctor of technical sciences;

 Мягков Л. Л. Myagkov L. L. mll‑08@mail.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Маластовский Н. С. Malastovskiy N. S.

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Блинов А. С. Blinov A. S. mr.blinoff1@yandex.ru Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Moscow Россия Bauman Moscow State Technical University Moscow Russian Federation Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Москва Россия Bauman Moscow State Technical University Москва Russian Federation Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Россия Bauman Moscow State Technical University Russian Federation Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Москва Россия Bauman Moscow State Technical University Moscow Russian Federation 6 4 40 49 https://naukaru.ru/en/nauka/article/19322/view

Разработка и совершенствование систем обработки выпускных газов двигателей внутреннего сгорания в условиях ужесточения предельно допустимых значений выбросов токсичных веществ продолжают оставаться актуальными задачами. Использование методов вычислительной газовой динамики при проектировании подобных систем представляет значительную практическую ценность. В работе рассмотрена и реализована методика расчета испарения и термического разложения мочевины в системах селективной каталитической нейтрализации (SCR) в трехмерной постановке на базе программного комплекса ANSYS Fluent. Проведено сравнение результатов с существующими экспериментальными данными. Сделан вывод о возможности применения разработанной методики при оценке эффективности систем каталитической нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Development and updating of systems for internal-combustion engines’ exhaust gases treatment under tightened limits for toxics emissions continues to be an urgent issue. The usage of computational fluid dynamics methods in the design of such systems presents a significant practical value. In this work has been considered and realized a calculation procedure for evaporation and thermal decomposition of urea in SCR-systems based on ANSYS Fluent. The calculated results have been compared with existing experimental data. It has been concluded that the developed calculation procedure can be used for efficiency estimation of SCRsystems for internal-combustion engines’ exhaust gases.

 поршневой двигатель отработавшие газы оксиды азота селективное каталитическое восстановление впрыск мочевины испарение термическое разложение методика расчета. piston engine exhaust gases nitrogen oxides SCR urea injection evaporation thermal decomposition calculation procedure.

1. ВведениеНа современном этапе развития двигателестроения вводятся все более ужесточающиеся требования к предельно допустимому уровню выбросов токсичных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1, 2].

Марков В. А., Баширов Р. М., Габитов И. И. Токсичность отработавших газов дизелей. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 376 с. Markov V. A., Bashirov R. M., Gabitov I. I. Toksichnost’ otrabotavshikh gazov dizeley [Toxicity of Diesel Engines Exhaust Gases]. Moscow, «MGTU imeni N. E. Baumana» Publ., 2002. 376 p. (in Russian) Александров А. А., Архаров И. А., Багров В. В., Девянин С. Н., Ксенофонтов Б. С., Лобанов Б. С., Марков В. А., Середа А. В., Шарин Е. А., Шпак А. В. Нефтяные моторные топлива: экологические аспекты применения / Под ред. А. А. Александрова, В. А. Маркова. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2014. 691 с Aleksandrov A. A., Arkharov I. A., Bagrov V. V., Devyanin S. N., Ksenofontov B. S., Lobanov B. S., Markov V. A., Sereda A. V., Sharin E. A., Shpak A. V. Ed. by Aleksandrov A. A., Markov V. A. Neftyanyje motornyje topliva: ekologicheskije aspekty primenenija [Petroleum Fuel: Environmental Aspects of their Use]. Moscow, LLC «NITS «Inzhener» Publ., LLC «Oniko-M» Publ., 2014. 691 p. (in Russian) Марков В. А., Девянин С. Н., Маркова В. В. Оценка экологической безопасности силовых установок с дизельными двигателями // Безопасность в техносфере. 2014. № 2. С. 23-32. Markov V. A., Devyanin S. N., Markova V. V. Otsenka ekologicheskoy bezopasnosti silovykh ustanovok s dizel’nymi dvigatelyami [Assessment of the environmental safety of power plants with diesel engines]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in Technosphere]. 2014, I. 2, pp. 23-32. (in Russian) Марков В. А., Маркова В. В., Сивачев В. М., Сивачев С. М. Оптимизация состава смесевого биотоплива для дизельных двигателей // Безопасность в техносфере. 2014. № 6. С. 19-30. Markov V. A., Markova V. V., Sivachev V. M., Sivachev S. M. Optimizatsiya sostava smesevogo biotopliva dlya dizel’nykh dvigateley [Optimization of the composition of the mix of biofuel for diesel engines]. Bezopasnost’ v tekhnosfere [Safety in Technosphere]. 2014, I. 6, pp. 19-30. (in Russian) Nova I., Tronconi E. Urea-SCR Technology for deNOx After Treatment of Diesel Exhausts. New York, NY: Springer, 2014. 716 p. Nova I.; Tronconi E. Urea-SCR Technology for deNOx After Treatment of Diesel Exhausts. New York, NY: Springer, 2014. 716 p. ANSYS Fluent Theory Guide URL: https://support.ansys.com/AnsysCustomerPortal/en_us/Knowledge+Resources/ Online+Documentation/Current+Release (дата обращения 15 января 2017). ANSYS Fluent Theory Guide. Available at: https://support.ansys.com/AnsysCustomerPortal/en_us/Knowledge+ Resources/ Online+Documentation/Current+Release (Accessed 15 January 2017). Кавтарадзе Р. З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. 720 с. Kavtaradze R. Z. Teoriya porshnevykh gvigateley. Spetsial’nye glavy [The theory of piston engines. Special chapters]. Moscow, «MGTU imeni N. E. Baumana» Publ., 2008. 720 p. (in Russian). Reitz R. D. Mechanisms of Atomization Processes in High- Pressure Vaporizing Sprays // Atomization and Spray Technology. 1987. Vol. 3. P. 309-337. Reitz R. D. Mechanisms of Atomization Processes in High-Pressure Vaporizing Sprays. Atomization and Spray Technology. 1987, Vol. 3, pp. 309-337. Liu A. B., Mather D., Reitz R. D. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on Fuel Sprays // SAE Technical Paper Series. 1993. N930072. P. 1-12 Liu A. B., Mather D., Reitz R. D. Modeling the Effects of Drop Drag and Breakup on Fuel Sprays. SAE Technical Paper Series. 1993. I. 930072. pp.1-12 Koebel M., Elsener M., Kleemann M. Urea-SCR: a Promising Technique to Reduce NOx Emissions from Automotive Diesel Engines // Catalysis Today. 2000. Vol. 59. P. 335-345. Koebel M., Elsener M., Kleemann M. Urea-SCR: a Promising Technique to Reduce NOx Emissions from Automotive Diesel Engines. Catalysis Today. 2000, Vol. 59, pp. 335-345. Ranz W. E., Marshall W. R. Еvaporation from Drops, Part I // Chemical Engineering Progress. 1952. № 48. P. 141-146. Ranz W. E., Marshall W. R. Evaporation from Drops, Part I. Chemical Engineering Progress. 1952, I. 48, pp. 141-146. Ebrahimian V., Nicolle A., Habchi C. Detailed Modeling of the Evaporation and Thermal Decomposition of Urea-Water Solution in SCR Systems // AIChE Journal. 2012. Vol. 58. P. 1998-2009. Ebrahimian V., Nicolle A., Habchi C. Detailed Modeling of the Evaporation and Thermal Decomposition of Urea-Water Solution in SCR Systems // AIChE Journal. 2012. Vol. 58. P. 1998-2009. Sazhin S. S. Advanced Models of Fuel Droplet Heating and Evaporation // Progress in Energy and Combustion Science. Elsevier Science. 2006. № 32. P. 162-214. Sazhin S. S. Advanced Models of Fuel Droplet Heating and Evaporation // Progress in Energy and Combustion Science. Elsevier Science. 2006. № 32. P. 162-214. Sparrow E. M., Gregg J. L. The Variable Fluid Property Problem in Free Convection // Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 1958. Vol. 80, N5. P. 879-886. Sparrow E. M., Gregg J. L. The Variable Fluid Property Problem in Free Convection. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 1958, Vol. 80, I. 5, pp. 879-886. Rota R., Antos D., Zanoelo E. F., Morbidelly M. Experimental and Modeling Analysis of the NOx OUT Process // Chemical Engineering Science. 2002. Vol. 57. P. 27-38. Rota R., Antos D., Zanoelo E. F., Morbidelly M. Experimental and Modeling Analysis of the NOx OUT Process. Chemical Engineering Science. 2002, Vol. 57, pp. 27-38. Yim S. D., Kim S. J., Baik J. H., Nam I., Mok Y. S., Lee J. H., Cho B., Oh S. H. Decomposition of Urea into NH3 for the SCR Process // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2004. Vol. 43. P. 4856-4863. Yim S. D., Kim S. J., Baik J. H., Nam I., Mok Y. S., Lee J. H., Cho B., Oh S. H. Decomposition of Urea into NH3 for the SCR Process. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2004, Vol. 43, pp. 4856-4863. Schaber O. M., Colson J., Higgins S., Thielen D., Anspach B., Brauer J. Thermal Decomposition (Pyrolysis) of Urea in an Open Reaction Vessel // Thermochimica Acta. 2004. Vol. 424. P. 13-14. Schaber O. M., Colson J., Higgins S., Thielen D., Anspach B., Brauer J. Thermal Decomposition (Pyrolysis) of Urea in an Open Reaction Vessel. Thermochimica Acta. 2004, Vol. 424, pp. 13-14. Birkhold F., Meinghast U., Wasserman P., Deutschmann O. Modeling and Simulation of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx Systems // Applied Catalysis B: Environmental. 2007. Vol. 70. P. 119-127. Birkhold F., Meinghast U., Wasserman P., Deutschmann O. Modeling and Simulation of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx Systems. Applied Catalysis B: Environmental. 2007, Vol. 70, pp. 119-127. Kim J. Y., Ryu S. H., Ha J. S. Numerical Prediction on the Characteristics of Spray-Induced Mixing and Thermal Decomposition of Urea Solution in SCR System // Proceedings of the Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division, Long Beach, California USA, 2004. Kim J. Y., Ryu S. H., Ha J. S. Numerical Prediction on the Characteristics of Spray-Induced Mixing and Thermal Decomposition of Urea Solution in SCR System. Proceedings of the Technical Conference of the ASME Internal Combustion Engine Division, Long Beach, California USA, 2004. Park T., Sung Y., Kim T., Lee I., Choi G., Kim D. Effect of Static Mixer Geometry on Flow Mixing and Pressure Drop in Marine SCR Applications // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2014. N6. P. 27-38. Park T., Sung Y., Kim T., Lee I., Choi G., Kim D. Effect of Static Mixer Geometry on Flow Mixing and Pressure Drop in Marine SCR Applications. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2014, I. 6, pp. 27-38. Regner M., Östergren K., Trägårdh C. Effect of Geometry and Flow Rate on Secondary Flow and the Mixing Process in Static Mixers - A Numerical Study // Chemical Engineering Science. 2006. Vol. 61. N18. P. 6133-6141. Regner M., Östergren K., Trägårdh C. Effect of Geometry and Flow Rate on Secondary Flow and the Mixing Process in Static Mixers - A Numerical Study. Chemical Engineering Science. 2006, Vol. 61, I. 18, pp. 6133-6141. Thakur R. K., Vial C., Nigam K. D.P., Nauman E. B., Djelveh G. Static Mixers in the Process Industries - a Review // Chemical Engineering Research and Design. 2003. Vol. 81. N7. P. 787-826. Thakur R. K., Vial C., Nigam K. D.P., Nauman E. B., Djelveh G. Static Mixers in the Process Industries - a Review. Chemical Engineering Research and Design. 2003, Vol. 81, I. 7, pp. 787-826. Zhang X., Romzek M. 3-D Numerical Study of Flow Mixing in Front of SCR for Different Injection Systems // SAE Technical Paper Series. 2007. N2007-01-1578. P. 1-16. Zhang X., Romzek M. 3-D Numerical Study of Flow Mixing in Front of SCR for Different Injection Systems. SAE Technical Paper Series. 2007, I. 2007-01-1578, pp. 1-16. Niki Y., Hirata K., Kishi T., Inaba T., Takagi M., Fukuda T., Nagai T., Muraoka E. SCR System for NOx Reduction of Medium Speed Marine Diesel Engine // CIMAC Congress, Bergen. 2010. Paper N228. P. 1-11. Niki Y., Hirata K., Kishi T., Inaba T., Takagi M., Fukuda T., Nagai T., Muraoka E. SCR System for NOx Reduction of Medium Speed Marine Diesel Engine. CIMAC Congress, Bergen. 2010, Paper I. 228, pp. 1-11.