（濰坊學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院 山東 濰坊 261000）

引言

在全球?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)排放限值要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）已成為降低柴油機(jī)NOx排放的常規(guī)手段。SCR使用的還原介質(zhì)一般是濃度為32.5%的尿素水溶液，理想狀況下，經(jīng)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(chǎn)生相互作用，到達(dá)催化劑前完全分解生成NH3，在催化劑作用下，NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2。實(shí)際情況下，受多種因素制約，尿素水溶液很難完全分解，NH3、HNCO 和尿素都有可能進(jìn)入催化器，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(huì)發(fā)生撞壁并形成液膜，液膜蒸發(fā)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(chǎn)生尿素結(jié)晶及其他沉積物，如縮二脲、三聚氰酸等?；谑袌?chǎng)反應(yīng)存在結(jié)晶問題的某款重型國(guó)六柴油機(jī)，本文利用CONVERGE 軟件對(duì)其SCR 混合器進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)了原方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的一些問題，基于這些問題對(duì)混合器進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)混合器改進(jìn)前后的內(nèi)部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等作了對(duì)比分析。結(jié)果表明，優(yōu)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(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

1 SCR 混合器

圖1 為尿素分解的詳細(xì)機(jī)理。

圖1 尿素分解詳細(xì)機(jī)理

近年來(lái)，眾多學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)對(duì)結(jié)晶生成原因進(jìn)行了深入研究。Zheng G.等[1]認(rèn)為減少碰壁和液膜的產(chǎn)生能有效抑制結(jié)晶。高俊華等[2]通過(guò)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)沉積物主要是尿素和三聚氰酸的混合物，認(rèn)為沉積物主要是在低溫環(huán)境下噴射的尿素未完全反應(yīng)而生成的。Liao Y.等[3]提出了一種柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)噴霧與壁面相互作用的傳熱試驗(yàn)?zāi)Ｐ停J(rèn)為排氣管壁冷卻開始于沖擊區(qū)域的噴霧錐體核心。胡帥等[4]研究了混合管路、噴霧粒徑和尿素噴射量對(duì)結(jié)晶的影響。

為了降低尿素沉積物的生成風(fēng)險(xiǎn)，通常在噴射器和催化器之間安裝混合器[5]。混合器的主要作用有：

1）加強(qiáng)對(duì)尿素噴霧和廢氣的混合效果，加速尿素水溶液的蒸發(fā)和熱解；

2）促進(jìn)NH3和廢氣的混合，提高進(jìn)入催化器時(shí)的分布均勻性，有助于提高NOx的轉(zhuǎn)化效率；

3）調(diào)節(jié)噴霧流動(dòng)方向，改變撞壁位置，減少液滴撞壁數(shù)量，降低產(chǎn)生尿素沉積物的風(fēng)險(xiǎn)。

但混合器會(huì)增加后處理的流阻，對(duì)油耗產(chǎn)生消極的影響。因此，SCR 混合器需要經(jīng)過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)，既要考慮降低尿素沉積物的生成風(fēng)險(xiǎn)，又要兼顧排氣背壓不能過(guò)大。

SCR 混合器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化十分重要，如果通過(guò)試驗(yàn)方法進(jìn)行選型，不但耗費(fèi)巨大的人力物力成本，而且周期較長(zhǎng)。隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的迅速發(fā)展，仿真的準(zhǔn)確度不斷提高。仿真在發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，在某些領(lǐng)域已逐步取代試驗(yàn)，成為產(chǎn)品開發(fā)的必要手段。Sun Y.等[6]通過(guò)液膜厚度、HNCO 濃度和壁面溫度等指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)壁面溫度與結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)聯(lián)度最高，同時(shí)認(rèn)為433～463 K 是結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)較高的溫度區(qū)間。佟德輝等[7]基于CFD 對(duì)SCR 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)流動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了用流量不均勻性指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)多載體并聯(lián)式轉(zhuǎn)化器內(nèi)載體間流量均勻性的方法。王謙等[8]采用FIRE 軟件對(duì)SCR 催化器的混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬研究，發(fā)現(xiàn)了葉片式、擋板式結(jié)構(gòu)混合器對(duì)催化器內(nèi)NH3分布均勻性的不同影響。葉片式的背壓更低，NOx的轉(zhuǎn)化效率提高約20%。并且發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)量越多，NH3分布均勻性越趨于穩(wěn)定。Schiller S.等[9]總結(jié)了傳統(tǒng)的SCR 混合器結(jié)構(gòu)，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)混合器的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)SCR 混合器結(jié)構(gòu)

2 SCR 混合器仿真模型

2.1 SCR 混合器幾何模型

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)的國(guó)六柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

后處理系統(tǒng)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 催化器入口定義為混合器區(qū)域，包括U 型管路。通過(guò)3D 掃描得到用于仿真的幾何模型，如圖3所示。

圖3 SCR 混合器幾何結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算工況

為了快速選出易結(jié)晶的工況，本文引用Schiller S.等[9]總結(jié)的能量因子EER，該方法已在韓峰等[10]的研究中得到驗(yàn)證。EER 的計(jì)算方法為廢氣中的可用能量與初始溫度為70 ℃時(shí)水蒸發(fā)所需能量之比，數(shù)據(jù)越大，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)越低。計(jì)算公式如下：

計(jì)算工況見表2。其中，標(biāo)定工況用于評(píng)估混合器壓力損失。

表2 計(jì)算工況

2.3 CFD 模型設(shè)置

本文使用CONVERGE 2.4 版本軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中，實(shí)時(shí)自動(dòng)創(chuàng)建高質(zhì)量的正交六面體網(wǎng)格，并基于幾何切割邊界，保留真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)網(wǎng)格為8 mm，計(jì)算過(guò)程中會(huì)根據(jù)速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行自適應(yīng)加密，最小網(wǎng)格為1 mm。

計(jì)算流體域是SCR 混合器段，計(jì)算邊界采用流量入口和壓力出口，傳遞方程通過(guò)二階梯度有限體積法，由PISO 算法求解。湍流由RNG k-ε 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(dòng)態(tài)拖拽模型模擬，液滴的湍流擴(kuò)散由O′Rourke 模型模擬。

本文采用熔融狀態(tài)的尿素狀態(tài)模型模擬尿素水溶液蒸發(fā)和NH3生成，熔融狀態(tài)的尿素被假設(shè)成固體球型，直接分解成NH3和HNCO，粒徑的減小由阿尼雷烏斯關(guān)系式?jīng)Q定[11]。尿素噴射器結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖4 所示。

圖4 尿素噴射器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 原機(jī)SCR 混合器存在的問題

根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)和市場(chǎng)反饋，原機(jī)混合器容易發(fā)生尿素結(jié)晶問題，可觀測(cè)到的結(jié)晶位置在尿素噴霧落點(diǎn)附近，如圖5 所示。

圖5 尿素結(jié)晶位置

通過(guò)對(duì)上述3 個(gè)工況的仿真分析，發(fā)現(xiàn)原機(jī)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(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在標(biāo)定工況，整個(gè)后處理的壓降是32.3kPa，其中SCR 混合器產(chǎn)生的壓力損失達(dá)13.7kPa，與仿真結(jié)果一致，約占42%，是排氣背壓高的主要原因。通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)，SCR 混合器內(nèi)部以噴射腔的壓力損失最大，如圖6 所示。

圖6 SCR 混合器內(nèi)部壓力場(chǎng)分布

2）尿素噴射腔內(nèi)空氣利用率低。尿素噴射腔利用兩側(cè)進(jìn)氣，受氣流大小和脈沖影響較大，尿素噴束易被吹向一側(cè)，如圖7 所示。帶來(lái)的不良影響主要有兩個(gè)：一個(gè)是噴射腔內(nèi)空氣利用率較低，廢氣與尿素混合效果差；另一個(gè)是尿素溶液在較集中的區(qū)域蒸發(fā)吸熱，降低了壁面溫度，加劇了尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 尿素噴射落點(diǎn)的壁面溫度

3）存在流動(dòng)死區(qū)，容易滯留大粒徑液滴。原機(jī)混合器局部存在流動(dòng)死區(qū)，大粒徑液滴易在此處滯留，如圖8 所示。

圖8 尿素液滴聚集

從圖8 可以看出，氣體流動(dòng)速度較低的區(qū)域恰好與壁面溫度較低的區(qū)域重合，此處待水分蒸發(fā)后容易產(chǎn)生尿素的沉積物。這與上述展示的結(jié)晶出現(xiàn)位置一致。

3.2 SCR 混合器優(yōu)化

針對(duì)原機(jī)混合器存在的問題，對(duì)混合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后混合器結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖9 所示。

圖9 混合器優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

主要的結(jié)構(gòu)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(jìn)氣，降低氣流對(duì)尿素噴束的沖擊，同時(shí)產(chǎn)生一定渦流，提高噴射腔內(nèi)空氣利用率；

3）尿素噴束落點(diǎn)增加旋流片，加強(qiáng)氣流擾動(dòng)；

4）噴射腔底部打孔，減少流動(dòng)死區(qū)；

5）擴(kuò)大整流板B，提高SCR 載體前端速度和氨分布均勻性。

優(yōu)化后的混合器效果主要包括以下幾個(gè)方面：

1）混合器壓力損失降低，標(biāo)定工況3 的壓力損失降低了5 kPa，如圖10 所示。Zheng G.等人發(fā)現(xiàn)，每增加1 kPa 的壓降會(huì)增加0.1%的油耗[12]。按照這種計(jì)算方法，標(biāo)定工況油耗大約降低1 g/（kW·h）。

圖10 混合器壓力損失降低

2）尿素落點(diǎn)壁面溫度提高。當(dāng)液滴與固體壁面溫差處于一定區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生萊頓弗羅斯特效應(yīng)。針對(duì)尿素溶液，溫差在120 K，即壁面溫度在220 ℃以下時(shí)，萊頓弗羅斯特效應(yīng)較明顯，液滴與壁面之間的傳熱系數(shù)下降明顯，尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)增加[9]，如圖11 所示，其中，縱坐標(biāo)qs″為單位面積的傳熱率。

圖11 沸騰相變

尿素噴射結(jié)束時(shí)（此時(shí)壁面溫度最低），優(yōu)化后尿素噴束落點(diǎn)（葉片）壁面溫度在300 ℃以上，如圖12 所示，明顯高于產(chǎn)生萊頓弗羅斯特效應(yīng)的溫度，傳熱加強(qiáng)，尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)降低。

圖12 尿素噴束落點(diǎn)壁面溫度提高

3）大粒徑的尿素水溶液顆粒減少。如圖13 所示。原機(jī)混合器由于存在流動(dòng)死區(qū)，尿素噴射結(jié)束時(shí)，原機(jī)混合器內(nèi)部滯留較多的大粒徑尿素顆粒，甚至噴射結(jié)束后的0.3 s 大粒徑顆粒仍然存在。一方面，大粒徑顆粒不易被氣流吹散，另一方面，水分蒸發(fā)后易產(chǎn)生尿素沉積物，這些都會(huì)加劇尿素結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后大粒徑顆粒明顯減少，而且顆粒存在時(shí)間較短，尤其是在低負(fù)荷、低溫情況下更是如此。

圖13 流動(dòng)死區(qū)和大粒徑顆粒減少

4）SCR 載體前端NH3分布均勻性提高。如圖14所示。原機(jī)混合器的NH3分布偏向一側(cè)，導(dǎo)致另一側(cè)的催化劑利用率較低，進(jìn)而降低了SCR 的轉(zhuǎn)化效率。

為了方便對(duì)比優(yōu)化前后的NH3分布均勻性，引入均勻性指數(shù)的概念，計(jì)算公式如下：

圖14 NH3 分布均勻性提高

式中：ci為單元網(wǎng)格內(nèi)的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；cm為所選區(qū)域NH3平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ai為單元網(wǎng)格的面積，m2；A 為所選區(qū)域總面積，m2；n 為單元網(wǎng)格的數(shù)目。

優(yōu)化前后NH3分布均勻性對(duì)比見表3。

表3 SCR 載體前端NH3 分布均勻性對(duì)比

從表3 可以看出，優(yōu)化后的NH3分布均勻性明顯提高。同時(shí)，由于尿素分解速度增加，尿素噴射期間SCR 載體前端NH3濃度升高。

通過(guò)以上分析可以看出，優(yōu)化后不但降低了壓力損失，同時(shí)降低了產(chǎn)生尿素沉積物的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文就SCR 結(jié)晶問題對(duì)原機(jī)SCR 混合器進(jìn)行了仿真分析，指出了原機(jī)混合器設(shè)計(jì)存在的一些問題，針對(duì)這些問題提出了優(yōu)化方案，在研究過(guò)程中得到以下結(jié)論：

1）排氣背壓是影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)，本文在降低排氣背壓的同時(shí)優(yōu)化了SCR 混合器結(jié)構(gòu)。

2）尿素噴射腔兩側(cè)進(jìn)氣方式的空氣利用率低，而且氣流變化容易使噴霧方向發(fā)生改變。改為周向進(jìn)氣后，進(jìn)氣均勻性提高，同時(shí)產(chǎn)生的渦流使尿素噴霧和廢氣的混合效果明顯改善。

3）混合器內(nèi)的流動(dòng)死區(qū)既容易引起尿素大粒徑顆粒的滯留，也容易形成低溫區(qū)域，是最容易形成尿素沉積物的區(qū)域。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，基本避免了這類區(qū)域的產(chǎn)生。

4）SCR 催化劑前NH3分布均勻性影響SCR 轉(zhuǎn)化效率，優(yōu)化后NH3分布均勻性得到改善，有助于提高SCR 轉(zhuǎn)化效率。