吳 迪，倪計(jì)民

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

與EGR系統(tǒng)相比，SCR技術(shù)因其燃油經(jīng)濟(jì)性好，且具有良好的耐硫性，已成為中國(guó)的重型柴油車在國(guó)Ⅳ階段主要采取的技術(shù)路線［1］。在桶式封裝的SCR系統(tǒng)中，出于混合距離的需要，還原劑噴嘴與載體之間要留出足夠的混合距離［2］。噴嘴與載體封裝的集成度低，不利于節(jié)省車身布置空間，還會(huì)帶來產(chǎn)品配套時(shí)需針對(duì)具體車型的排氣管路匹配設(shè)計(jì)噴嘴的形式及其布置位置和角度的麻煩。針對(duì)以上問題，SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了眾多以“緊湊”為特點(diǎn)的解決方案［3］。這些方案提高了SCR系統(tǒng)噴嘴和載體封裝的集成度，有利于模塊化設(shè)計(jì)。

本文研究了桶式封裝SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)趨勢(shì)，并針對(duì)近來出現(xiàn)的一種緊湊型桶式SCR系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以保證系統(tǒng)具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能和有效限制背壓增量為目的，利用流體力學(xué)計(jì)算（CFD）軟件Fluent對(duì)載體封裝包內(nèi)的螺旋葉片混合器前后流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，為催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)提供了預(yù)測(cè)性的意見。

1 SCR系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 現(xiàn)有SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，現(xiàn)有的桶式SCR系統(tǒng)封裝的兩端分別為一個(gè)錐形擴(kuò)口和一個(gè)錐形收口，其上、下游分別連接著排氣管及排氣尾管。噴嘴布置在錐形擴(kuò)口上游的排氣管上?；旌掀魍ǔ３手行膶?duì)稱的葉片狀，其常被布置在噴嘴下游，錐形擴(kuò)口之前的排氣管中?；旌掀鞯淖饔檬峭ㄟ^對(duì)氣流的擾動(dòng)促進(jìn)還原劑與廢氣的混合。研究表明，不設(shè)混合器時(shí)，混合距離L需達(dá)到5~8倍排氣管管徑才能在載體入口端面獲得理想的還原劑分布均勻度［4］。而設(shè)置混合器時(shí)，還原劑流經(jīng)200mm處軸截面上的分布均勻度相當(dāng)于未裝混合器時(shí)流經(jīng)500mm處軸截面的分布均勻度［5］。使用混合器會(huì)給排氣系統(tǒng)帶來一定的背壓增量，而通過對(duì)管道結(jié)構(gòu)和混合器的優(yōu)化，可以把背壓控制在可以接受的范圍內(nèi)。

1.2 新的緊湊型SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

桶式封裝的緊湊型SCR系統(tǒng)希望噴嘴與載體的布置距離更近，甚至將噴嘴直接布置在載體封裝之上。這樣做有兩點(diǎn)好處：①省去SCR系統(tǒng)與具體車型匹配時(shí)要根據(jù)不同排氣管路走向來選擇噴嘴形式和布置位置的麻煩；②由于噴嘴與載體距離的縮短，載體可更接近排氣門，SCR反應(yīng)氣的溫度相對(duì)得到提升，促進(jìn)了反應(yīng)進(jìn)行。

圖2是一種桶式封裝SCR系統(tǒng)的緊湊型設(shè)計(jì)思路。由于載體封裝包的直徑一般為排氣管道直徑的4～5倍，因此在載體入口前端的封裝包內(nèi)利用同樣長(zhǎng)度的軸向距離能獲得相比排氣管道更大的設(shè)計(jì)空間。在這種更大的設(shè)計(jì)空間中進(jìn)行得當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，有可能更好的提升還原劑和廢氣在同等軸距下的混合均勻程度，從而使噴嘴能夠布置得更接近載體。

在這種緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路下，Eduardo Alano等人在上述的設(shè)計(jì)空間中引入了一種螺旋葉片結(jié)構(gòu)［6］，將設(shè)計(jì)空間由直通型通道隔成了螺旋型通道，如圖3所示。這種螺旋結(jié)構(gòu)能對(duì)還原劑及廢氣的混合產(chǎn)生極好的促進(jìn)作用。使用這種結(jié)構(gòu)時(shí)，噴嘴布置在3號(hào)位置時(shí)依然能夠在載體端面獲得可以接受的還原劑濃度分布均勻度。

與桶式封裝SCR系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，螺旋葉片結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是一種混合器，相比排氣管中的混合器，它對(duì)氣流擾動(dòng)的程度更大。不同的是，排氣管中的混合器一般為中心對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu)，氣流流經(jīng)混合器前后，在排氣管的軸截面上都呈現(xiàn)出中心對(duì)稱狀分布。但是，因?yàn)槁菪~片出口位置是偏向壁面一側(cè)的，所以氣流經(jīng)過這種混合器后，在載體入口端面上很可能分布不均。因此，對(duì)于這類緊湊型SCR系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有必要對(duì)氣流在載體入口端面上的分布均勻度做結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化。

2 催化轉(zhuǎn)化器的CFD建模

重型柴油車車體空間和排量都相對(duì)較大，更多情況下會(huì)采用箱式封裝。相比之下，中小型柴油車的車體空間較小，常采用桶式封裝SCR系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的緊湊性要求更高。本文以一款匹配3.3 L排量柴油機(jī)的SCR系統(tǒng)為CFD仿真計(jì)算及研究的對(duì)象。該系統(tǒng)載體半徑100mm，長(zhǎng)232mm，襯墊厚6mm，進(jìn)口錐角 30°，出口錐角 60°。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

以提升載體入口端面處氣流分布均勻程度和限制螺旋葉片混合器帶來的系統(tǒng)背壓為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了三種具體形式的螺旋葉片結(jié)構(gòu)。如圖4所示，方案a為原型葉片；方案b為在螺旋葉片出、入口處拓了半徑30 mm半圓孔，目的是加寬螺旋流道出入口流通截面積，減小氣阻；方案c為在螺旋葉片入口及出口處打了一系列直徑12mm的小圓孔，使從小孔進(jìn)入螺旋流道的氣流跟從入口進(jìn)入螺旋流道的氣體發(fā)生相互擾動(dòng)，促進(jìn)混合，同時(shí)也可以減小氣阻。

2.2 網(wǎng)格劃分

在CFD計(jì)算中，網(wǎng)格單元的類型對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響。六面體單元具有變形特性好、計(jì)算精度高、收斂速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，在數(shù)值模擬計(jì)算中具有其他網(wǎng)格類型無法比擬的優(yōu)勢(shì)，但六面體網(wǎng)格的劃分比較復(fù)雜，不適用螺旋流道等難以分塊的結(jié)構(gòu)。

本次計(jì)算采用四面體網(wǎng)格及六面體網(wǎng)格混合劃分的方式。首先使用CATIA繪圖軟件對(duì)整個(gè)SCR催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行造型，提取表面后單獨(dú)保存生成model文件，再將此文件導(dǎo)入ICEM網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行處理。處理時(shí)將SCR系統(tǒng)分成三部分：第1部分為排氣管與進(jìn)口錐；第2部分為螺旋葉片混合器；第3部分為載體、襯墊、出口錐和排氣尾管。其中，對(duì)第2部分采用八叉樹算法進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并使用ICEM的面網(wǎng)格相關(guān)設(shè)置工具對(duì)螺旋葉片表面做了細(xì)化處理。對(duì)1、3部分做了六面體網(wǎng)格劃分。這三部分網(wǎng)格通過人工耦合的方法合并組成了這次計(jì)算的完整網(wǎng)格。其中1、2部分和2、3部分的接合面將在Fluent里設(shè)置成interface交接面，以確保網(wǎng)格流體區(qū)域的流通。圖5是網(wǎng)格拼接之后中軸面的截面圖。

2.3 邊界和初始條件

入口邊界設(shè)置為mass-flow-inlet，流體介質(zhì)設(shè)為N2，并假設(shè)進(jìn)入SCR系統(tǒng)入口的氣體是均勻分布的，且僅沿軸線方向流動(dòng)。由于此次研究的SCR系統(tǒng)匹配的是一臺(tái)3.3 L柴油機(jī)，而從這臺(tái)柴油機(jī)的外特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到該機(jī)從1000 r/min到3200 r/min的排氣流量及排氣溫度變化范圍分別是111 kg/h到569 kg/h和340℃到550℃，故將本次仿真的入口質(zhì)量流量范圍限定為100 kg/h到600 kg/h，流體溫度范圍限定為300℃到600℃。

出口邊界設(shè)置為pressure-outlet，假設(shè)出口絕對(duì)壓力為大氣壓，表壓即為0 Pa。

壁面熱邊界設(shè)置為混合類型，熱傳導(dǎo)系數(shù)、自由流溫度、外部發(fā)射率以及外部輻射溫度設(shè)置為7 w/m·k、298 k、0.3、298 k。

2.4 數(shù)學(xué)模型

SCR系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)分為自由流動(dòng)區(qū)和反應(yīng)區(qū)（蜂窩載體）兩部分，反應(yīng)區(qū)又分為氣相流動(dòng)區(qū)（蜂窩孔）和固相區(qū)（載體壁），計(jì)算中將反應(yīng)區(qū)作為多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬。本次仿真?zhèn)戎乜疾旖Y(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響，而化學(xué)反應(yīng)對(duì)流場(chǎng)影響較小，故在反應(yīng)區(qū)只考慮蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)流體的阻滯作用，而不涉及化學(xué)反應(yīng)。

氣體流動(dòng)的多維數(shù)值模擬一般應(yīng)用質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，組分平衡方程，理想氣體狀態(tài)方程及湍流流動(dòng)模型。計(jì)算為穩(wěn)態(tài)過程，認(rèn)為流動(dòng)不隨時(shí)間變化，計(jì)算中采用SIMPLE算法和Realize k-ε湍流模型。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1 流道結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響

圖6 是a型螺旋葉片混合器在入口質(zhì)量流量為300 kg/h、溫度為300℃的邊界條件下的流場(chǎng)視圖?？梢钥闯觯菪鞯姥娱L(zhǎng)了氣流到載體入口端面的途經(jīng)距離，并且螺旋流道內(nèi)產(chǎn)生了明顯的渦流，這將促進(jìn)廢氣與還原劑的混合。另外，氣流在流出螺旋流道時(shí)產(chǎn)生貼壁面的螺旋流動(dòng)，載體入口端面與螺旋流道出口之間應(yīng)留出一定的軸向距離使氣流在載體入口端面上盡可能均勻分布。

桶式封裝SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)的特點(diǎn)通常是中軸線附近流速高，周圍近壁面處流速低，因此會(huì)出現(xiàn)載體中心利用率高于周圍的情況。從平均載體內(nèi)徑向方向上流速，進(jìn)而提高載體利用率的角度考慮，應(yīng)提高排氣在載體入口端面處的速度軸向分量的均布程度。故引入速度分布均勻程度評(píng)價(jià)指數(shù)Gamma來評(píng)價(jià)氣流在載體入口端面的分布均勻程度［7］，其定義如下：

式中：vi為某一點(diǎn)的當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)速度；vmean是截面平均流動(dòng)速度，計(jì)算式如下：

由于載體入口端面處氣流徑向速度分量很大，而載體內(nèi)部截面上的氣流速度以軸向分量為主，為簡(jiǎn)化計(jì)算，以載體中截面上的氣流速度為分析對(duì)象。對(duì)不同入口氣流溫度和不同入口質(zhì)量流量條件下載體中截面的速度分布均勻程度分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)載體中截面上氣流速度分布均勻程度無明顯影響。而隨著入口質(zhì)量流量的增加，載體中截面上氣流速度分布均勻程度逐漸降低。

如圖7所示，方案a的γ指數(shù)降低速度最快，在入口質(zhì)量流量低于200 kg/h時(shí)，還能保持在0.88以上，而在入口質(zhì)量流量大于400 kg/h時(shí)，γ值降低到0.80以下。方案b的γ值降低的趨勢(shì)與方案a保持一致，只在各個(gè)工況點(diǎn)上有略微的提高。改進(jìn)后的方案c其γ值的降低趨勢(shì)明顯趨緩，總體保持在0.86以上，載體中截面上氣流速度分布均勻程度較其它兩種方案更優(yōu)。

圖8為載體中截面的速度云圖，從中可以看出，由于螺旋流道的出口位置和其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，載體中截面上的速度分布情況由不含混合器時(shí)的中心高周圍低變成含混合器時(shí)的中心低周圍高。方案a和方案b在中軸線附近速度過低，不利氣流的均勻分布，而方案c改善了這種情況，提高了載體中截面上的速度分布均勻程度。

3.2 壓力比較

仿真計(jì)算中考察了SCR入口邊界inlet處的表壓值隨不同方案和不同工況的變化情況。發(fā)現(xiàn)在整個(gè)計(jì)算工況內(nèi)由于螺旋葉片混合器而引起的背壓增量最高達(dá)到3.7 kPa（方案a），而在對(duì)方案a做出改進(jìn)后，方案b和方案c則能明顯降低背壓增量。其中方案c在流道出入口分別開辟總面積占管道截面積5.7%的小孔后，壓力增加量最高只有2.1 kPa，相比方案b下降了43%。

3.3 還原劑分布均勻度

Eduardo Alano等人的研究表明在方案a中將噴嘴布置在3號(hào)位置時(shí)，采用公式（1），將速度替換成還原劑濃度后得出的還原劑分布均勻度值可達(dá)到0.95以上［6］。而經(jīng)過計(jì)算，方案b和方案c的還原劑分布均勻度值在各工況下也能保持在0.85以上，其中方案c的值在各點(diǎn)均高于方案b。

4 結(jié)論

（1）利用CFD技術(shù)對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)性能的數(shù)值模擬，可以獲得大量流場(chǎng)信息，為催化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分的理論指導(dǎo)，另一方面也大大降低了實(shí)際試驗(yàn)的工作量。

（2）混合器的螺旋結(jié)構(gòu)改變了載體截面上的氣流速度分布特點(diǎn)，氣流速度由不含混合器時(shí)的中間高周圍低變成含混合器時(shí)的中間低周圍高。

（3）對(duì)螺旋葉片做適當(dāng)?shù)拈_孔處理既可以有效降低氣阻，限制背壓增量，又可以在保證載體截面上還原劑分布均勻程度的同時(shí)優(yōu)化氣流的分布均勻程度。

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