發布時間：所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：選擇性催化還原(SCR)是目前道路用國六柴油機降低NO。排放的常用手段。但是，如果噴射的尿素水溶液得不到及時分解和反應，容易在噴嘴、混合器、壁面等處產生結晶，不僅降低NO。的轉化效率，還會增加排氣背壓，影響油耗。尿素結晶問題已成為發動機企業產品開發的難
摘要：選擇性催化還原(SCR)是目前道路用國六柴油機降低NO。排放的常用手段。但是，如果噴射的尿素水溶液得不到及時分解和反應，容易在噴嘴、混合器、壁面等處產生結晶，不僅降低NO。的轉化效率，還會增加排氣背壓，影響油耗。尿素結晶問題已成為發動機企業產品開發的難題之一。通過數值模擬方法，研究了某重型國六柴油機尿素噴射、排氣和管路布置的相互作用，分析了SCR混合器內流動過程，針對結構上存在的問題提出了改進方案，并對混合器改進前后的內部流場、溫度場、濃度場等作了對比分析。結果表明，優化后的混合器可以提高尿素水溶液和廢氣的混合效果，降低尿素結晶風險。
關鍵詞：柴油機氮氧化物選擇性催化還原混合器數值模擬
引言
在全球對發動機排放限值要求越來越嚴格的情況下，選擇性催化還原(selective catalytic reduction， SCR)已成為降低柴油機NQ排放的常規手段。SCR 使用的還原介質一般是濃度為32.5%的尿素水溶液，理想狀況下，經尿素噴射器高壓噴射出的尿素水溶液可以迅速與高溫廢氣產生相互作用，到達催化劑前完全分解生成NH，，在催化劑作用下，NO;發生還原反應生成N：。實際情況下，受多種因素制約，尿素水溶液很難完全分解，NH，、HNCO和尿素都有可能進人催化器，尤其是在排氣溫度比較低的情況下更是如此。此外，噴射的溶液會發生撞壁并形成液膜，液膜蒸發吸熱降低了壁面溫度，加劇了尿素水溶液的不完全分解，從而產生尿素結晶及其他沉積物，如縮二脲、三聚氰酸等。基于市場反應存在結晶問題的某款重型國六柴油機，本文利用CONVERGE軟件對其SCR混合器進行了仿真，發現了原方案結構設計存在的一些問題，基于這些問題對混合器進行了改進，并對混合器改進前后的內部流場、溫度場、濃度場等作了對比分析。結果表明，優化后的混合器可以提高尿素水溶液和廢氣的混合效果，降低尿素結晶風險。
1 SCR混合器
圖1為尿素分解的詳細機理。
近年來，眾多學者及科研機構對結晶生成原因進行了深入研究。Zheng G.等11}認為減少碰壁和液膜的產生能有效抑制結晶。高俊華等[21通過試驗分析發現沉積物主要是尿素和三聚氰酸的混合物，認為沉積物主要是在低溫環境下噴射的尿素未完全反應而生成的。Liao Y.等㈣提出了一種柴油機SCR系統噴霧與壁面相互作用的傳熱試驗模型，認為排氣管壁冷卻開始于沖擊區域的噴霧錐體核心。胡帥等14研究了混合管路、噴霧粒徑和尿素噴射量對結晶的影響。
為了降低尿素沉積物的生成風險，通常在噴射器和催化器之間安裝混合器15j。混合器的主要作用有：
1)加強對尿素噴霧和廢氣的混合效果，加速尿素水溶液的蒸發和熱解;
2)促進NH，和廢氣的混合，提高進入催化器時的分布均勻性，有助于提高NO，的轉化效率;
3)調節噴霧流動方向，改變撞壁位置，減少液滴撞壁數量，降低產生尿素沉積物的風險。
但混合器會增加后處理的流阻，對油耗產生消極的影響。因此，SCR混合器需要經過精細設計，既要考慮降低尿素沉積物的生成風險，又要兼顧排氣背壓不能過大。
SCR混合器的設計和優化十分重要，如果通過試驗方法進行選型，不但耗費巨大的人力物力成本，而且周期較長。隨著計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)的迅速發展，仿真的準確度不斷提高。仿真在發動機行業內得到廣泛應用，在某些領域已逐步取代試驗，成為產品開發的必要手段。Sun Y.等【6】通過液膜厚度、HNCO濃度和壁面溫度等指標評價結晶風險，發現壁面溫度與結晶風險的關聯度最高，同時認為433～463 K是結晶風險較高的溫度區間。佟德輝等l，l基于CFD對SCR催化轉化器內流動性能進行數值模擬，提出了用流量不均勻性指數來評價多載體并聯式轉化器內載體間流量均勻性的方法。王謙等【8】采用FIRE軟件對SCR催化器的混合器結構進行仿真模擬研究，發現了葉片式、擋板式結構混合器對催化器內NH，分布均勻性的不同影響。葉片式的背壓更低，NO。的轉化效率提高約20%。并且發現葉片數量越多，NH，分布均勻性越趨于穩定。Schiller s.等19I總結了傳統的SCR混合器結構，并對各種結構混合器的性能進行了對比分析，如圖2 所示。
2 SCR混合器仿真模型
2.1 SCR混合器幾何模型
本文以某發動機企業生產的國六柴油機作為試驗樣機，發動機主要技術參數見表1。
后處理系統包括DOC、DPF和SCR，由于布置空間的限制，后處理采用u型布置，從DPF出口到 SCR催化器人口定義為混合器區域，包括u型管路。通過3D掃描得到用于仿真的幾何模型，如圖3 所示。
2.2計算工況
為了快速選出易結晶的工況，本文引用Schiller s.等[91總結的能量因子EER，該方法已在韓峰等【lo】的研究中得到驗證。EER的計算方法為廢氣中的可用能量與初始溫度為70℃時水蒸發所需能量之比，數據越大，結晶風險越低。
2.3 CFD模型設置
本文使用CONVERGE 2.4版本軟件進行仿真計算，在計算過程中，實時自動創建高質量的正交六面體網格，并基于幾何切割邊界，保留真實幾何結構。基礎網格為8 mm，計算過程中會根據速度場和溫度場進行自適應加密，最小網格為1 mm。
計算流體域是SCR混合器段，計算邊界采用流量人口和壓力出口，傳遞方程通過二階梯度有限體積法，由PISO算法求解。湍流由RNG南一s RANS模型模擬，液滴破碎采用Taylor Analogy Breakup模型模擬，液滴受到的拖拽由動態拖拽模型模擬，液滴的湍流擴散由O7Rourke模型模擬。
本文采用熔融狀態的尿素狀態模型模擬尿素水溶液蒸發和NH，生成，熔融狀態的尿素被假設成固體球型，直接分解成NH，和HNCO，粒徑的減小由阿尼雷烏斯關系式決定…J。尿素噴射器結構及參數如圖4所示。
3仿真結果分析
3.1原機SCR混合器存在的問題
根據臺架試驗和市場反饋，原機混合器容易發生尿素結晶問題，可觀測到的結晶位置在尿素噴霧落點附近，如圖5所示通過對上述3個工況的仿真分析，發現原機 SCR混合器主要存在的問題如下：
1)混合器壓力損失較大。壓降是SCR設計的重要指標，在標定工況，整個后處理的壓降是32.3kPa，其中SCR混合器產生的壓力損失達13.7kPa，與仿真結果一致，約占42%，是排氣背壓高的主要原因。通過分析還發現，SCR混合器內部以噴射腔的壓力損失最大，如圖6所示。
2)尿素噴射腔內空氣利用率低。尿素噴射腔利用兩側進氣，受氣流大小和脈沖影響較大，尿素噴束易被吹向一側，如圖7所示。帶來的不良影響主要有兩個：一個是噴射腔內空氣利用率較低，廢氣與尿素混合效果差;另一個是尿素溶液在較集中的區域蒸發吸熱，降低了壁面溫度，加劇了尿素結晶風險。
3)存在流動死區，容易滯留大粒徑液滴。原機混合器局部存在流動死區，大粒徑液滴易在此處滯留，如圖8所示。
從圖8可以看出，氣體流動速度較低的區域恰好與壁面溫度較低的區域重合，此處待水分蒸發后容易產生尿素的沉積物。這與上述展示的結晶出現位置一致。
3.2 SCR混合器優化
針對原機混合器存在的問題，對混合器結構進行了優化，優化前后混合器結構的對比如圖9所示。
主要的結構變化有：
1)去除整流板A，以減小壓力損失;
2)尿素噴射腔改為周向進氣，降低氣流對尿素噴束的沖擊，同時產生一定渦流，提高噴射腔內空氣利用率;
3)尿素噴束落點增加旋流片，加強氣流擾動;
4)噴射腔底部打孑L，減少流動死區;
5)擴大整流板B，提高SCR載體前端速度和氨分布均勻性。
優化后的混合器效果主要包括以下幾個方面：
1)混合器壓力損失降低，標定工況3的壓力損失降低了5 kPa，如圖10所示。Zheng G.等人發現，每增加1 kPa的壓降會增加0.1%的油耗【12】。按照這種計算方法，標定工況油耗大約降低1 g/(kW·h o
2)尿素落點壁面溫度提高。當液滴與固體壁面溫差處于一定區域時，會產生萊頓弗羅斯特效應。針對尿素溶液，溫差在120 K，即壁面溫度在220℃以下時，萊頓弗羅斯特效應較明顯，液滴與壁面之間的傳熱系數下降明顯，尿素結晶風險增加pI，如圖11所示，其中，縱坐標gj7為單位面積的傳熱率。
尿素噴射結束時(此時壁面溫度最低)，優化后尿素噴束落點(葉片)壁面溫度在300℃以上，如圖 12所示，明顯高于產生萊頓弗羅斯特效應的溫度，傳熱加強，尿素結晶風險降低。 700 r/m;n⑥544 N·I
3)大粒徑的尿素水溶液顆粒減少。如圖13所 面，大粒徑顆粒不易被氣流吹散，另一方面，水分蒸示。原機混合器由于存在流動死區，尿素噴射結束 發后易產生尿素沉積物，這些都會加劇尿素結晶的時，原機混合器內部滯留較多的大粒徑尿素顆粒，甚 風險。優化后大粒徑顆粒明顯減少，而且顆粒存在時至噴射結束后的o.3 S大粒徑顆粒仍然存在。一方 問較短，尤其是在低負荷、低溫情況下更是如此。
4)SCR載體前端NH，分布均勻性提高。如圖14 的催化劑利用率較低，進而降低了SCR的轉化效率。所示。原機混合器的NH，分布偏向一側，導致另一側 為了方便對比優化前后的NH。——論文作者：戰強
本文來源于：《小型內燃機與車輛技術》是由教育部主管、天津大學主辦，天津內燃機研究所承辦的技術性國家中文核心期刊。本刊重點報道小型內燃機、摩托車行業及高等院校、科研院所內燃機、摩托車相關專業的科研和生產中的新成果、新技術、新工藝、新材料以及行業動態、產品使用、維修保養等方面的信息。
