支保京

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

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圓筒型SCR后處理器性能分析

支保京

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

摘 要：文章在理論及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析圓筒消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對整體性能的影響，進行無載體及有載體構(gòu)型的模擬計算；獲得其壓力場、速度場，通過對比得到后處理器內(nèi)部阻力產(chǎn)生部位、湍動能集中點等；同時進行實車壓降及排溫試驗，得到相關(guān)數(shù)據(jù)為設(shè)計提供參考及依據(jù)。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng)；數(shù)值模擬；壓力損失；試驗測試

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-91-03

引言

柴油機由于具有動力性強、耗油率低等優(yōu)勢，在中／重型車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，但嚴(yán)重的排放問題仍然制約著柴油機的快速發(fā)展。排氣系統(tǒng)關(guān)乎發(fā)動機的性能，早期的國三消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，只起到消聲效果，隨著環(huán)保要求的不斷提高，國家對發(fā)動機尾氣排放要求也越來越高，技術(shù)的更新使消聲器改進為后處理系統(tǒng)。目前，我國在商用車柴油機滿足國Ⅳ、國V排放法規(guī)技術(shù)路線中，普遍采用SCR技術(shù)路線，也是滿足未來更嚴(yán)格排放要求的主要技術(shù)措施。對于越來越復(fù)雜的消聲器結(jié)構(gòu)，不論是理論指導(dǎo)還是經(jīng)驗設(shè)計我們都處于起步階段。研究排氣消聲器主要涉及到氣體流動、傳熱、振動、聲學(xué)以及發(fā)動機性能等多個方面的學(xué)科，必須給予足夠的重視[1]。

早期由于技術(shù)手段有限，研究工作基本以實驗為主。設(shè)計者根據(jù)產(chǎn)品的要求，查詢有關(guān)資料確定參數(shù)，憑個人經(jīng)驗進行設(shè)計，經(jīng)過試驗驗證最后達到要求即可。本文在理論及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進行消聲器的優(yōu)化設(shè)計，進行分析研究。

1、模擬構(gòu)型

計算流體的實體構(gòu)型內(nèi)部去除隔音壓板及隔音棉，所有加強及固定設(shè)計部件，只留下腔體，進氣管，中間隔板，及出氣管。計算中不考慮焊接工藝及振動，只模擬內(nèi)部的氣流流動。本文將柴油機排出的氣體看作空氣，密度定為1.25Kg/m3。消聲器進口氣體溫度為873K；壁厚1.5mm；材料為B436M不銹鋼，入口質(zhì)量流率0.5kg/s。圖1為國四圓筒后處理器的構(gòu)型圖。

圖1　國四圓筒后處理器構(gòu)型

計算中用到的渦黏模型包括零方程模型、一方程模型和兩方程模型。兩方程模型在計算成本不大的情況下保證了很好的計算精度，因此在工程中使用最廣泛。文中采用最基本的模型作為計算模型[2,3]。壓力損失等于消聲器前后入口端的總壓差值，當(dāng)進、出氣管道直徑相等時，壓力損失就等于消聲器前后管道內(nèi)的平均靜壓差值[4,5]。

2、模擬分析

為了分析后處理器內(nèi)部的流動特性，經(jīng)過數(shù)值計算得出了后處理器內(nèi)部的壓力云圖（如圖2所示）。無載體構(gòu)型的內(nèi)部壓力沿后處理器徑向方向逐步下降，觀察切面云圖發(fā)現(xiàn)插入管內(nèi)壓力較大（圖2a所示），因為氣流通過進氣管進入孔管，氣流再通過穿孔管上的圓形小眼排出進入第一腔，氣流通過每一個小眼產(chǎn)生摩擦造成了流速降低，故在穿孔管內(nèi)出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象。此區(qū)域也是無載體構(gòu)型內(nèi)部壓力最高區(qū)域。前后隔板位置壓力變化不大。第二腔中壓力開始下降，氣流在第一腔中由于擴張損失能量，沿插入管進入第二腔中二次擴張，使得氣體壓力下降。出口處因為外側(cè)空間較大，使得氣體壓力大量聚集，在穿孔管出口處，形成沿軸線的聚集運動。無載體構(gòu)型，腔體內(nèi)壓力變化不大，表面壓力區(qū)域一致，無壓力突增區(qū)域。

圖2　國四圓筒后處理器壁面壓力云圖

觀察圖2b的有載體構(gòu)型發(fā)現(xiàn)，由于載體的加入使得后處理器內(nèi)部存在壓差變化，壓差分界線不在以隔板為界，而是以載體表面向內(nèi)延伸，在載體的后方，壓力又極具的下降，氣流由排氣管排出后處理器。載體區(qū)域的壓力變化最為明顯，在載體入口面壓力顯示呈黃色，壓力較高，氣流進入載體一段區(qū)域后，壓力降低呈現(xiàn)綠色，氣流繼續(xù)通過載體，壓力迅速下降，直到氣流流出載體后在出氣腔呈現(xiàn)藍色。對于傳統(tǒng)后處理器，內(nèi)部腔體的分隔可按隔板進行，分為兩個腔體；對于有載體的構(gòu)型，內(nèi)部分腔要按載體的前后端面分，分為三個腔體，載體以前為第一腔體，載體為第二個腔體，載體后為第三腔體。圖3的有載體構(gòu)型壓力切面圖中的穿孔管內(nèi)也是最高區(qū)域，說明無論載體存在與否，穿孔管內(nèi)都是后處理器內(nèi)的壓力最高區(qū)域，在設(shè)計初期穿孔管的材料、加工工藝、焊接工藝都要非常重視，以確保此結(jié)構(gòu)可靠耐用。

圖3　國四圓筒后處理器切面壓力云圖

圖4　國四方型后處理器切面速度云圖

從圖4可看出在設(shè)定的排氣流量工況下入口處速度大約為V=50.00m/s。后處理器的速度分布與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的后處理器構(gòu)型會造成入口速度，內(nèi)部壓降及最大壓強的不同。發(fā)動機排氣通過后處理器入口經(jīng)插入管進入第一腔，氣流進行一級減速，后通過隔板進入第二腔，總體速度呈減小趨勢。出口管處的流速比較大，出口管截面中心流速大約為55.00m/s。流線圖反映后處理器中流體分布情況，看到第一腔，第二腔，插入管周圍，穿孔管外側(cè)及內(nèi)側(cè)都有明顯的渦流存在，其中速度較高的地方很容易出現(xiàn)再生噪聲。計算壓降如表1所示。

3、試驗測試

通過實車測試得到圓筒后處理器的真實性能。怠速時，排氣溫度甚至低至100.00℃左右，而當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷接近最大時排溫則可以超過500.00℃。城區(qū)工況的典型特征就是低速而且反復(fù)停車、起步，車輛的負(fù)荷也相對較低，低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷的城區(qū)工況下排氣溫度大多低于300.00℃。在這種工況下，由于尿素噴射量的減少，并且催化劑活性較低，SCR系統(tǒng)工作效率很低，NOx減排效果不理想。

試驗得到整個排氣系統(tǒng)背壓最高轉(zhuǎn)速下為16.8KPa，最大扭矩下為13.5KPa；消聲器排氣阻力最高轉(zhuǎn)速下為13.3KPa，最大扭矩下為9.5KPa；滿足設(shè)計要求整個排氣阻力≤20kpa。

表1　試驗壓降

圖5　國四圓筒后處理器切面壓力云圖

圖5為試驗測試的發(fā)動機排溫數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)試驗測得的最高溫度出現(xiàn)在1100.00r/min左右，達到580.00℃且渦輪后與SCR前的排氣溫度相差50.00℃左右。

4、結(jié)論

本文分析了有無載體構(gòu)型的壓力及速度分布，得到了后處理器內(nèi)部阻力產(chǎn)生部位、湍動能集中點。

（1）對于不帶載體的后處理器，內(nèi)部腔體的分隔可按隔板進行，分為兩個腔體；對于有載體的構(gòu)型，內(nèi)部腔體要按載體的前后端面分為三個腔體，載體以前為第一腔體，載體為第二個腔體，載體后端面為第三腔體。

（2）進行了實車性能測試得到相關(guān)參數(shù)，驗證后處理器測試結(jié)果符合發(fā)動機性能要求。

參考文獻

[1] 李國祥,李娜,王偉等.消聲器內(nèi)部流場及溫度場的數(shù)值分析[J].內(nèi)燃機學(xué)報,2003,21(5):337-340．

[2] 劉鵬飛,畢傳興.汽車排氣消聲器聲學(xué)性能及流場特性數(shù)值分析[J].噪聲與振動控制,2009,29(4):99-102．

[3] 劉晨,季振林,郭小林等.汽車排氣消聲器結(jié)構(gòu)形式對壓力損失的影響[J].汽車工程,2008,30(12):1113-1116．

[4] 徐磊,劉正士,畢嶸.結(jié)構(gòu)參數(shù)對擴張式消聲器消聲性能影響的數(shù)值分析[J].汽車科技,2010,1(1):26-29．

[5] 葛蘊珊,張宏波,宋艷冗等.汽車排氣消聲器的三維聲學(xué)性能分析[J].汽車工程,2006,28(1):51-55．

汽車電子

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.031

The performance analysis of cylinder type exhaust post treatment

Zhi Baojing
( Shaanxi Automoblie Group CO., Ltd Institute of Automotive Engineering R&D, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:On the basis of theoretical analysis and numerical simulation of the impact of the internal structure of a cylindrical muffler on overall performance, SCR-free and have a SCR configuration simulation; obtaining the pressure field, velocity field, obtained by comparing the post processor inside resistance generating portion, turbulent kinetic energy focus points; at the same time the pressure drop and the actual vehicle exhaust temperature tests to obtain the relevant data to provide reference and basis for the design.

Keywords:Numerical simulation; exhaust; pressure loss; test

作者簡介：支保京，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

中圖分類號：U467.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-91-03