宋志良

摘要：基于我國(guó)對(duì)柴油機(jī)尾氣第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)的限值和終端顧客的用車要求，提出對(duì)Urea ?SCR混合器的理論開發(fā)目標(biāo)，通過(guò)對(duì)逐個(gè)開發(fā)目標(biāo)的展開分析與討論識(shí)別出混合器選型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性，進(jìn)而從Urea ?SCR混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)定義、功能要求（包括壓降、流速均勻性、氨分布均勻性、抗結(jié)晶能力等）等方面進(jìn)行初始設(shè)計(jì)選型，在計(jì)算機(jī)模擬仿真與分析的輔助下，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并最終得出最佳設(shè)計(jì)理論方案。

Abstract： Based on the emission standard of China VI and the requirement of customers， the theoretical development target of urea SCR mixer was proposed. Through the analysis and discussion of each development target， the key characteristics of mixer selection design were identified. Then， the initial design selection was carried out by structural design， material definition and functional requirements （including pressure drop， flow uniformity， ammonia distribution uniformity， and anti-crystallization ability， etc.） of Urea-SCR mixer. Under the assistance of computer simulation and analysis， the design structure was continuously optimized， and the best design theoretical scheme was finally obtained.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);氮氧化物;Urea_SCR;混合器;選型

Key words： diesel engine;NOx;Urea ?SCR;mixer;selection

0 ?引言

常見(jiàn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的主要排放污染物是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM），其中氮氧化物占汽車排放總量的69.2%以上，是機(jī)動(dòng)車氮氧化物排放的主要“貢獻(xiàn)者”。

為了有效抑制大氣環(huán)境的繼續(xù)惡化，我國(guó)政府制定了嚴(yán)格的柴油機(jī)尾氣排放限值要求。2001年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局正式頒布了GB17691-2001《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》，這就是大名鼎鼎的“國(guó)一”。2003年環(huán)?？偩钟职l(fā)布國(guó)家第二階段機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)的公告，到了2007年，國(guó)三階段柴油機(jī)開始了電噴時(shí)代——高壓共軌的大門。在技術(shù)上來(lái)看，此時(shí)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)并沒(méi)有多大改變，通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部燃燒或高壓共軌就能達(dá)到法規(guī)排放限值，由此可見(jiàn)之前的柴油機(jī)排放是十分惡劣的。國(guó)四直到2014年才開啟，也是從那一刻起，柴油機(jī)的后處理時(shí)代來(lái)了，技術(shù)路線主要有EGR+DOC+POC、EGR+DPF或SCR等等。2017年，全面執(zhí)行國(guó)五！與國(guó)四相比后處理系統(tǒng)采用SCR技術(shù)路線就更加普遍了，其中原因就是動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。2018年6月22日生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》并要求于2021年7月1日全面執(zhí)行。（表1）

從排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對(duì)比看，第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮氧化物排放限值較國(guó)五階段加嚴(yán)了80%左右，而發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物的凈化主要依靠后處理系統(tǒng)的選擇性催化還原催化器（Selective Catalytic Reduction，簡(jiǎn)寫SCR），其工作原理在于：根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，SCR系統(tǒng)控制器通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器將適量的尿素水溶液（濃度32.5%）噴射到排氣管中，在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣溫度作用下，尿素水溶液快速水解為氨氣（NH3），在Urea_SCR混合器作用下與排氣尾氣充分混合均勻，基于SCR催化劑將尾氣中的氮氧化物還原成氮?dú)猓∟2）排出，具體化學(xué)反應(yīng)公式如下：

由工作原理可知，在柴油機(jī)后處理系統(tǒng)正常工作的前提下，Urea_SCR混合器的選型直接決定著SCR催化劑還原反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率。本文主要就是基于國(guó)六階段對(duì)柴油機(jī)尾氣排放的限值，提出對(duì)Urea_SCR混合器（Mixer）選型分析并基于計(jì)算機(jī)模擬仿真驗(yàn)證和優(yōu)化分析的一般方法。

1 ?Urea_SCR混合器開發(fā)目標(biāo)

國(guó)六階段的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中的催化器主要由催化氧化器（DOC）、顆粒捕捉器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和消氨催化器（ASC）組成，其中消氨催化器（ASC）常集成在SCR催化器中， Urea_SCR混合器（Mixer）作為SCR系統(tǒng)中重要組成部分，布置其前端，如圖1所示。

國(guó)家第六階段排放法規(guī)明確規(guī)定了柴油機(jī)尾氣中氮氧化物的排放限值為0.4g/kWh（WHSC循環(huán)）和0.46g/kWh（WHTC循環(huán)），同時(shí)規(guī)定了氨（NH3）泄漏量不得超過(guò)10ppm，另外結(jié)合實(shí)際應(yīng)用、整車用戶使用需求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，Urea_SCR混合器開發(fā)還需要關(guān)注針對(duì)尿素的抗結(jié)晶性能、材質(zhì)耐尿素腐蝕性能和產(chǎn)品壓降。為確保上述性能，歸納出具體的混合器開發(fā)指標(biāo)如表2所示。

為了達(dá)到混合器的上述功能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)尾氣中的氮氧化物凈化需求和車輛實(shí)際使用需要，設(shè)計(jì)出一款關(guān)鍵特性均能達(dá)標(biāo)的Urea_SCR混合器（Mixer）就尤為重要。

2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)選型

Urea_SCR混合器根據(jù)在尾氣后處理系統(tǒng)中的布置邊界和系統(tǒng)集成要求，可分為常規(guī)混合器和高效混合器，常規(guī)混合器主要應(yīng)用于整車布置空間較為寬裕，可利用排氣管作為SCR部分混合腔提高混合均勻性的后處理系統(tǒng)中，常見(jiàn)于國(guó)四、國(guó)五階段SCR后處理系統(tǒng)中;而高效混合器多應(yīng)用于整車布置空間較為緊湊，僅能依靠混合器自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)或空間較狹小的排氣管作為混合腔實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣與尿素水解后的氨氣混合均勻，常應(yīng)用于國(guó)六階段SCR后處理系統(tǒng)中，如圖2所示。

從工作原理來(lái)看，常規(guī)混合器相對(duì)簡(jiǎn)單，其主要是讓排氣管中的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣在經(jīng)過(guò)混合器時(shí)產(chǎn)生沿著軸線旋轉(zhuǎn)渦流，然后排放尾氣在渦流的作用下與尿素水解的氨氣在混合腔中充分混合均勻通過(guò)SCR催化劑，在一定的排氣溫度下實(shí)現(xiàn)尾氣中氮氧化物的還原反應(yīng)成為氨氣排出;而高效混合器就較為復(fù)雜，不僅要實(shí)現(xiàn)排氣管中發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣產(chǎn)生渦流，而且要改變氣流方向，如：由單一的軸向直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向旋轉(zhuǎn)，再由軸向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為軸向直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)尾氣與尿素水解的氨氣的高效混合，同時(shí)為防止尿素結(jié)晶，高效混合器一般帶有尿素破碎設(shè)計(jì)。目前，常規(guī)混合器和高效混合器常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種，如圖3所示。

在混合器的材質(zhì)選型上，目前思路較為統(tǒng)一，主要是因?yàn)榛旌掀鞯膽?yīng)用環(huán)境。在后處理系統(tǒng)中，混合器作為直接接觸尿素水溶液的部件，不得不考慮其耐尿素腐蝕性，同時(shí)混合器一般結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)成型性要求較高，尤其是國(guó)六階段的混合器，再結(jié)合產(chǎn)品成本的考慮，所以目前常選用的材質(zhì)主要有：304不銹鋼、441不銹鋼、436或436L不銹鋼、904不銹鋼等，具體的材質(zhì)參數(shù)對(duì)比如表3所示。

Urea_SCR混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式多式多樣，材質(zhì)定義也是各有不同，不同的后處理廠家會(huì)根據(jù)所選用的尿素噴射系統(tǒng)產(chǎn)品特性、應(yīng)用場(chǎng)景以及顧客的特定需求開發(fā)不同的結(jié)構(gòu)和定義材質(zhì)以實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

3 ?CFD分析與優(yōu)化

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是研究Urea_SCR混合器性能最為常用的方法。本文將針對(duì)某型四缸國(guó)六柴油機(jī)（排量：2.8L）后處理的一款高效混合器（見(jiàn)圖4，代號(hào)為A，材質(zhì)：441不銹鋼）進(jìn)行模擬分析，分別從混合器的壓降、流場(chǎng)均勻性、氨分布均勻性、抗尿素結(jié)晶能力等方面評(píng)估混合器的性能并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于三維模型運(yùn)用ANSYS FLUENT軟件，結(jié)合該型柴油機(jī)工況信息和后處理系統(tǒng)的基本配置參數(shù)作為分析邊界和計(jì)算域?qū)rea-SCR混合器性能進(jìn)行模擬分析，如表4所示。

3.1 混合器壓降分析

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壓降直接決定著其動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)排氣背壓過(guò)大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致排氣阻力增加，排氣速率下降，最終會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能將會(huì)下降，高效混合器作為催化器重要組成部分，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般壓降占比高，所以其壓降分析是后處理壓降控制的重要環(huán)節(jié)。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定點(diǎn)廢氣流量和排溫參數(shù)，對(duì)該A型Urea ?SCR混合器及所配套的后處理催化器進(jìn)行CFD壓降分析，如圖5所示。在額定點(diǎn)工況下混合器的壓降為7.11kPa，后處理器壓降為26.23kPa，滿足定義的30kPa工程目標(biāo)要求。

3.2 流場(chǎng)均勻性分析

流場(chǎng)均勻性分析是模擬分析進(jìn)入催化劑的尾氣截面速度是否均勻，只有均勻性達(dá)到一定要求后，才能確保尾氣與催化劑充分接觸，提升催化劑對(duì)尾氣中的有毒有害氣體的凈化效率。選取發(fā)動(dòng)機(jī)的額定點(diǎn)廢氣流量和排溫參數(shù)下對(duì)該A型Urea ?SCR混合器及所配套的后處理催化器進(jìn)行CFD流場(chǎng)均勻性分析，如圖6所示。設(shè)置有高效混合器的SCR在額定點(diǎn)工況下進(jìn)氣端面的流場(chǎng)均勻性能夠達(dá)到97%，滿足表3定義的工程目標(biāo)要求。

3.3 氨分布均勻性分析

在SCR系統(tǒng)的控制下要想排氣尾氣中的氮氧化物得到充分凈化，不僅需要排氣流程均勻，而且還要確保排氣尾氣與水解后的氨氣充分混合均勻，所以Urea ?SCR混合器作用下的氨分布是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。

在額定工況點(diǎn)和低溫工況點(diǎn)下，基于廢氣流量和排溫參數(shù)對(duì)該A型Urea-SCR混合器及所配套的后處理催化器進(jìn)行CFD氨均勻性分析，如圖7所示。設(shè)置有高效混合器的SCR在額定點(diǎn)工況下進(jìn)氣端面的流場(chǎng)均勻性能夠達(dá)到96.9%，在低溫工況下進(jìn)氣端面的流場(chǎng)均勻性能夠達(dá)到98.7%，滿足表3定義的工程目標(biāo)要求。

3.4 抗結(jié)晶能力分析

柴油機(jī)SCR系統(tǒng)所用的尿素水溶液濃度為32.5%，純正的尿素是白色固體，所以當(dāng)溶液中水在高溫蒸發(fā)以后，尿素必然會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶。為了防止SCR尿素噴射系統(tǒng)噴入到排氣管的尿素水溶液產(chǎn)生結(jié)晶，需要想辦法以最快的速度實(shí)現(xiàn)尿素水溶液水解為氨氣，這樣就要求噴入到排氣管中的尿素水溶液霧化效果好同時(shí)尿素粒徑越小越好，這樣便于水解反應(yīng)的快速發(fā)生。對(duì)于Urea ?SCR混合器來(lái)說(shuō)，作為直接接觸尿素水溶液的重要部件，抗結(jié)晶能力是一個(gè)重要的考核指標(biāo)。

為了驗(yàn)證Urea-SCR混合器抗結(jié)晶能力，一般選取發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況和低溫工況對(duì)混合器進(jìn)行CFD分析，主要考核混合器表面的尿素液膜厚度，一般設(shè)置指標(biāo)為液膜厚度≤1*10-5m。對(duì)于該A型高效混合器及所配套的后處理催化器進(jìn)行CFD抗結(jié)晶性能分析，如圖8所示，可見(jiàn)在額定點(diǎn)工況下混合器表面液膜厚度為9.3*10-6m，在低溫工況下混合器表面液膜厚度為2.6*10-14m，均能滿足工程指標(biāo)要求。

4 ?結(jié)論

本文通過(guò)結(jié)合法規(guī)與整車使用要求識(shí)別混合器的開發(fā)指標(biāo)與關(guān)鍵特性，繼而提出一套混合器設(shè)計(jì)選型的方法，為今后柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中Urea ?SCR混合器的開發(fā)設(shè)計(jì)指明一條切實(shí)有效的工作方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]Cho Y S， Lee S， Choi W C， et al. Urea-SCR system optimization with various combinations of mixer types and decomposition pipe lengths[J]. International Journal of Automotive Technology，2014，15（5）：723-731.

[2]NOVAI， TRONCONIE. Urea-SCR technology for deNOx after treatment of diesel exhausts[M].New York：Springer，2014：221-232.

[3]Park K， Hong C-H， Oh S， et al. Numerical Prediction on the Influence of Mixer on the Performance of Urea-SCR System[J]. International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering，2014（8）：972-978.

[4]Dewen，盧凱.柴油機(jī)Urea-SCR系統(tǒng)模擬與其混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（23）：9-10.

[5]譚理剛，馮鵬飛，楊樹寶，等.基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2018，39（4）：61-66.

[6]董善舉，王楠.SCR后處理用不銹鋼耐尿素高溫循環(huán)腐蝕性能的研究[J].汽車工藝與材料，2017（5）：41-44.

[7]劉軍，王明遠(yuǎn)，周磊，等.基于優(yōu)化尿素液滴蒸發(fā)特性的SCR混合器[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018，36（4）：332-337.

[8]江濤，范皖元，宋長(zhǎng)青.后處理結(jié)構(gòu)對(duì)柴油車尿素結(jié)晶的影響[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2019，9（3）：221-226.

[9]呂祎強(qiáng).柴油機(jī)Urea-SCR混合器的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)電設(shè)備與儀器儀表，2019（5）：41-44.