緊湊型SCR系統結構設計及仿真研究

吳 迪，倪計民

（同濟大學 汽車學院，上海 201804）

與EGR系統相比，SCR技術因其燃油經濟性好，且具有良好的耐硫性，已成為中國的重型柴油車在國Ⅳ階段主要采取的技術路線［1］。在桶式封裝的SCR系統中，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，不利于節省車身布置空間，還會帶來產品配套時需針對具體車型的排氣管路匹配設計噴嘴的形式及其布置位置和角度的麻煩。針對以上問題，SCR系統結構設計中出現了眾多以“緊湊”為特點的解決方案［3］。這些方案提高了SCR系統噴嘴和載體封裝的集成度，有利于模塊化設計。

本文研究了桶式封裝SCR系統的結構特點和設計趨勢，并針對近來出現的一種緊湊型桶式SCR系統封裝結構進行研究，以保證系統具有良好的空氣動力學性能和有效限制背壓增量為目的，利用流體力學計算（CFD）軟件Fluent對載體封裝包內的螺旋葉片混合器前后流場的流動特性進行模擬計算及結構改進設計，為催化轉化器結構布置和設計提供了預測性的意見。

1 SCR系統封裝結構設計方案

1.1 現有SCR系統結構形式

如圖1所示，現有的桶式SCR系統封裝的兩端分別為一個錐形擴口和一個錐形收口，其上、下游分別連接著排氣管及排氣尾管。噴嘴布置在錐形擴口上游的排氣管上。混合器通常呈中心對稱的葉片狀，其常被布置在噴嘴下游，錐形擴口之前的排氣管中。混合器的作用是通過對氣流的擾動促進還原劑與廢氣的混合。研究表明，不設混合器時，混合距離L需達到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］。而設置混合器時，還原劑流經200mm處軸截面上的分布均勻度相當于未裝混合器時流經500mm處軸截面的分布均勻度［5］。使用混合器會給排氣系統帶來一定的背壓增量，而通過對管道結構和混合器的優化，可以把背壓控制在可以接受的范圍內。

1.2 新的緊湊型SCR系統結構形式

桶式封裝的緊湊型SCR系統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。這樣做有兩點好處：①省去SCR系統與具體車型匹配時要根據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反應氣的溫度相對得到提升，促進了反應進行。

圖2是一種桶式封裝SCR系統的緊湊型設計思路。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利用同樣長度的軸向距離能獲得相比排氣管道更大的設計空間。在這種更大的設計空間中進行得當的設計，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。

在這種緊湊型結構設計思路下，Eduardo Alano等人在上述的設計空間中引入了一種螺旋葉片結構［6］，將設計空間由直通型通道隔成了螺旋型通道，如圖3所示。這種螺旋結構能對還原劑及廢氣的混合產生極好的促進作用。使用這種結構時，噴嘴布置在3號位置時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系統典型結構對比，可以發現，螺旋葉片結構的本質是一種混合器，相比排氣管中的混合器，它對氣流擾動的程度更大。不同的是，排氣管中的混合器一般為中心對稱的幾何結構，氣流流經混合器前后，在排氣管的軸截面上都呈現出中心對稱狀分布。但是，因為螺旋葉片出口位置是偏向壁面一側的，所以氣流經過這種混合器后，在載體入口端面上很可能分布不均。因此，對于這類緊湊型SCR系統封裝結構設計，有必要對氣流在載體入口端面上的分布均勻度做結構調整和優化。

2 催化轉化器的CFD建模

重型柴油車車體空間和排量都相對較大，更多情況下會采用箱式封裝。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，并對系統的緊湊性要求更高。本文以一款匹配3.3 L排量柴油機的SCR系統為CFD仿真計算及研究的對象。該系統載體半徑100mm，長232mm，襯墊厚6mm，進口錐角 30°，出口錐角 60°。

2.1 結構優化設計方案

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背壓為目標，設計了三種具體形式的螺旋葉片結構。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，使從小孔進入螺旋流道的氣流跟從入口進入螺旋流道的氣體發生相互擾動，促進混合，同時也可以減小氣阻。

2.2 網格劃分

在CFD計算中，網格單元的類型對計算精度和計算效率有重要影響。六面體單元具有變形特性好、計算精度高、收斂速度相對較快的特點，在數值模擬計算中具有其他網格類型無法比擬的優勢，但六面體網格的劃分比較復雜，不適用螺旋流道等難以分塊的結構。

本次計算采用四面體網格及六面體網格混合劃分的方式。首先使用CATIA繪圖軟件對整個SCR催化轉化器進行造型，提取表面后單獨保存生成model文件，再將此文件導入ICEM網格劃分軟件中進行處理。處理時將SCR系統分成三部分：第1部分為排氣管與進口錐；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，對第2部分采用八叉樹算法進行四面體網格劃分，并使用ICEM的面網格相關設置工具對螺旋葉片表面做了細化處理。對1、3部分做了六面體網格劃分。這三部分網格通過人工耦合的方法合并組成了這次計算的完整網格。其中1、2部分和2、3部分的接合面將在Fluent里設置成interface交接面，以確保網格流體區域的流通。圖5是網格拼接之后中軸面的截面圖。

2.3 邊界和初始條件

入口邊界設置為mass-flow-inlet，流體介質設為N2，并假設進入SCR系統入口的氣體是均勻分布的，且僅沿軸線方向流動。由于此次研究的SCR系統匹配的是一臺3.3 L柴油機，而從這臺柴油機的外特性試驗數據中得到該機從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℃。

出口邊界設置為pressure-outlet，假設出口絕對壓力為大氣壓，表壓即為0 Pa。

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

2.4 數學模型

SCR系統內氣體流動分為自由流動區和反應區（蜂窩載體）兩部分，反應區又分為氣相流動區（蜂窩孔）和固相區（載體壁），計算中將反應區作為多孔介質進行模擬。本次仿真側重考察結構對流場的影響，而化學反應對流場影響較小，故在反應區只考慮蜂窩結構對流體的阻滯作用，而不涉及化學反應。

氣體流動的多維數值模擬一般應用質量、動量、能量守恒方程，組分平衡方程，理想氣體狀態方程及湍流流動模型。計算為穩態過程，認為流動不隨時間變化，計算中采用SIMPLE算法和Realize k-ε湍流模型。

3 計算結果對比分析

3.1 流道結構對流場的影響

圖6 是a型螺旋葉片混合器在入口質量流量為300 kg/h、溫度為300℃的邊界條件下的流場視圖。可以看出，螺旋流道延長了氣流到載體入口端面的途經距離，并且螺旋流道內產生了明顯的渦流，這將促進廢氣與還原劑的混合。另外，氣流在流出螺旋流道時產生貼壁面的螺旋流動，載體入口端面與螺旋流道出口之間應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系統的流場的特點通常是中軸線附近流速高，周圍近壁面處流速低，因此會出現載體中心利用率高于周圍的情況。從平均載體內徑向方向上流速，進而提高載體利用率的角度考慮，應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價指數Gamma來評價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為某一點的當地流動速度；vmean是截面平均流動速度，計算式如下：

由于載體入口端面處氣流徑向速度分量很大，而載體內部截面上的氣流速度以軸向分量為主，為簡化計算，以載體中截面上的氣流速度為分析對象。對不同入口氣流溫度和不同入口質量流量條件下載體中截面的速度分布均勻程度分析計算發現，溫度對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指數降低速度最快，在入口質量流量低于200 kg/h時，還能保持在0.88以上，而在入口質量流量大于400 kg/h時，γ值降低到0.80以下。方案b的γ值降低的趨勢與方案a保持一致，只在各個工況點上有略微的提高。改進后的方案c其γ值的降低趨勢明顯趨緩，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。

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構特點，載體中截面上的速度分布情況由不含混合器時的中心高周圍低變成含混合器時的中心低周圍高。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。發現在整個計算工況內由于螺旋葉片混合器而引起的背壓增量最高達到3.7 kPa（方案a），而在對方案a做出改進后，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號位置時，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到0.95以上［6］。而經過計算，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的值在各點均高于方案b。

4 結論

（1）利用CFD技術對SCR系統內部流動性能的數值模擬，可以獲得大量流場信息，為催化器的結構優化設計提供充分的理論指導，另一方面也大大降低了實際試驗的工作量。

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

（3）對螺旋葉片做適當的開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優化氣流的分布均勻程度。

［1］帥石金，唐韜，趙彥光，等.柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望 ［J］.汽車安全與節能學報，2012，（3）：200-217.

［2］ Timothy V.Johnson.Review of Diesel Emissions and Control［R］.SAE Paper，2010-01-0301.

［3］尹和儉.緊湊式SCR凈化消聲裝置設計與仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，2010.

［4］帥石金，張文娟，董紅義，等.柴油機尿素SCR催化器優化設計［J］.車用發動機，2007，（1）：44-47.

［5］陳鎮，趙彥光，陸國棟，等.柴油機尿素SCR混合器的設計與數值模擬研究［J］.小型內燃機與摩托車，2011，（1）：57-60.

［6］ Eduardo Alano， Emmanuel Jean， Yohann Perrot， et al.Compact SCR for Passenger Cars ［R］.SAE Paper，2011-01-1318.

［7］ GuanyuZheng，Guenter Palmer，Gabriel Salanta，etal.Mixer Development for Urea SCR Applications ［R］.SAE Paper，2009-01-2879.