基于FIRE的柴油機排放后處理關鍵技術研究

伍玉霞 唐碧秋 唐 焱

（桂林電子科技大學，廣西 桂林541004）

1 引言

從20世紀70年代以來，針對日趨嚴重的環境廢氣污染，在發達國家相繼出臺并實施了控制機動車尾氣排放的相關法規，依此不斷推動了發動機設計及制造技術的發展。然而對于排量大、轉速相對較高的重型柴油機，僅僅依靠機內凈化技術難以達到現行規范對排放的要求，廢氣排放后處理成為降低NOx的重要途徑。

在這種形勢下，NOx凈化效率高而且在CO排放和油耗經濟性方面具有優勢的選擇性催化還原（SCR—Selective Catalytic Reduction）系統越來越得到各發動機制造商的青睞，并把它作為機外凈化的關鍵技術之一進行研究和推廣，己成為重型柴油機尾氣處理的主要技術之一。

2 SCR技術分析

2.1 應用現狀

現代柴油機普遍采用了先進的內燃技術，燃燒室內油氣混合基本達到理想狀態從而保證了顆粒排放降低到法規限值以內，但由于較高的升功率、燃燒溫度等因素影響，導致廢氣中的NOx含量偏高。降低NOx的方法主要分為二大類：機內技術和機外技術。機內技術主要有：推遲噴油、優化噴油規律、冷卻進氣等，機內技術在歐Ⅱ排放達標過程中已經使用，要想進一步降低柴油機的 NOx含量，必須結合一定的機外技術，機外技術主要分為兩大類：EGR技術和SCR技術。目前柴油機排氣后處理技術中 SCR是最簡潔有效的技術之一，對降低重型柴油機NOx排放效果尤為明顯。

Urea-SCR技術是將濃度為 32.5%的尿素水溶液在適當位置，定時定量噴入發動機排氣管中，尿素受熱水解成氨氣，并與廢氣中殘余的 NOx在催化劑作用下迅速反應生成氮氣和水。有關統計表明，在不改變發動機輸出的前提下，Urea-SCR技術能使廢氣中NOx被還原效率超過90%，即使在工況變化頻繁，排氣管內溫度壓力變化復雜的情形，也能保證 NOx轉換率在60%以上；另外，該技術還可使發動機油耗減少5%～7%，且對燃油品質相對不敏感；同時具有較高的催化劑活性以及對水蒸氣穩定性好等優點。

現階段在我國的重型柴油機設計及制造中，已經開始使用 Urea-SCR系統；但由于現有工藝經驗儲備不足，實施過程中相關應用技術尚未成熟，如還存在尿素冷凝結晶、尿素噴量不合理控制、水解氨的泄露等問題，其中尿素結晶嚴重影響到廢氣管內氣流的規律性，并導致排氣阻力增大及溫控系統失效，成為發動機運行使用中亟待解決的關鍵問題之一。

2.2 關鍵技術分析及處理

本研究以排量為8.4L的某款國產柴油機為目標機型：在安裝Urea-SCR系統后，初期運行正常，廢氣排放中所有指標達到歐Ⅳ標準；但持續運行一定時間后，混合器及波紋管等部件內壁出現不同程度的結晶現象（見圖1尿素結晶圖），導致排氣阻力增大，NOx轉化效率明顯降低，致使發動機的動力性下降和經濟性變差。通過臺架試驗分析表明，產生尿素結晶最主要的原因是高壓尿素液體噴入后，由于受管內氣流運動影響，液滴未能及時霧化，而是以液滴形式長時間滯留管壁，在局部溫度急劇降低時即會形成固體結晶。

圖1 尿素結晶圖

因此，在Urea-SCR后處理技術中減少尿素管內結晶關鍵在于提高尿素水溶液噴入后液滴的擴散速率和分布密度，其影響因素包括噴入點內氣流強度、噴入角度、噴射初速度和噴射量等。由于噴射壓力和噴射量受其他條件限制不便調整，而管內氣流強度及流動方向與排氣管結構參數直接相關；因此研究廢氣在排氣管內流動強度和方向的變化規律，改進管路硬件系統，成為解決尿素結晶問題的關鍵。

2.3 Urea-SCR系統實體CFD建模

在現用Urea-SCR系統結構參數的基礎上，進行結構參數優化應綜合考慮以下四方面因素：（1）噴射截面有利于尿素充分水解；（2）通過調整噴嘴位置相對催化劑入口距離，使得尿素噴射流與廢氣流混合并達到應有的均勻度；（3）根據噴嘴安裝點的氣流方向，確定合適的噴霧角度有利于兩股流束的疊加，避免大量尿素液滴碰撞到內壁；（4）根據尾氣流場分布選擇管路截面形狀、尺寸。

根據上述原則對原有管路系統（方案一）優化設計了三種改進方案。方案一（原始模型）：帶有混合器，噴嘴與混合器內側連接，錐角45°；外徑101.6mm，內徑98.6mm。方案二：原有管路系統基礎上，管徑大小不變，把原有系統中的混合器改為文丘里管，噴嘴安裝在拐角處，錐度30°。方案三：原系統基礎上，排氣接管外徑改為94mm，內徑改為91mm，此方案排氣管與混合器內管（外徑94mm，內徑91mm）焊接在一起，混合器外觀相當于一外殼。方案四：取消混合器，直接在排氣接管上增加添藍噴嘴，錐度 60°；外徑 101.6mm，內徑98.6mm。建立準確的三維CFD模型，作為運用流體力學FIRE軟件的基礎準備，為計算分析管路中流體狀態創造條件。各方案結構參數見表1。

表1 主要結構參數

3 FIRE計算模型

采用數值計算方法對車輛 SCR系統尿素噴霧熱解，尾氣管路的布置進行模擬計算，與試驗研究比較有許多優點，前者不僅花費少，所需時間少，并且能夠提供試驗研究無法得到的一些信息。因此本文運用FIRE軟件進行數值計算。FIRE軟件是由奧地利 AVL公司開發的用于模擬內燃機流動、噴霧和燃燒過程的 CFD軟件，由三部分組成，分別是前處理、求解器和后處理。

本文按以下步驟進行數值模擬：繪制或輸入1D，2D或3D的幾何模型；選擇欲定義分析系統的方程式；具體指定所選擇的方程式之物理特性和定義物理參數;設定邊界條件和初始條件；建立并劃分有限元網格；求解(執行仿真)；可視化結果。

3.1 邊界條件

為考慮湍流的影響，FIRE提供了兩類不同的湍流模型：k-ε模型和雷諾應力模型。k-ε模型由于比較簡單，計算量又并不太大，又能較好地反映大多數工程實際的湍流流動,并得到工程上滿意的結果，因此本計算采用k-ε模型，計算時假定流體為理想氣體。

由于在 CFD計算之前不能從實驗和計算中得到空間壁面溫度分布，所以計算中均采用了假定的壁面溫度場。為了使各個方案計算結果具有可比性，計算采用相同的邊界條件。計算流體為空氣。

計算域初值定義為1.1bar、300℃。

假定壁面溫度：300℃。

入口邊界條件：流體入口溫度300℃；流量0.15kg/s。

出口邊界條件∶給定壓力邊界（靜壓1.1bar）。

重力加速度方向為y軸，-9.8m/s2；

添藍噴射量1.057g/s，溫度20℃，噴入速度25m/s，噴孔出口直徑0.3mm，噴射半錐角22.5度，顆粒直徑8e-5m。

3.2 網格劃分

圖2是幾個方案計算網格圖。計算網格由FIRE自動網格生成器FAME HYBIRD生成，網格數約60萬，網格主要是由六面體單元組成，另外還包括少量五面體和四面體。

圖2 幾個方案計算網格圖

3.3 計算范圍及目的

（1）本文計算過程中只涉及到排氣管路的氣流分布和尿素液滴的噴射分布停留時間，不涉及到化學反應與液滴的碰壁蒸發模擬。

（2）計算的目的是指導設計排氣管路，SCR噴嘴的安裝位置和角度，主要是為了解決添藍結晶問題。

4 仿真結果與分析

4.1 方案1計算結果及分析

圖3為方案1添藍噴入管內得生命時間圖，從圖中可以看出：在混和器附近存在生命時間很長的顆粒。再對應看圖4的顆粒速度分布圖，可以看出這些生命時間長的顆粒速度很低，這些液滴由于動能很小，一旦與壁面接觸，就容易粘附在壁面上形成結晶，因此該方案在混和器葉片上容易形成結晶。

圖3 方案1添藍噴入管內的生命時間圖

圖4 方案1添藍噴入管內的速度分布圖

4.2 方案2計算結果及分析

圖5、6分別為方案2添藍噴入管內的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：在文丘里管前后管壁附近都存在生命時間長，速度低的液滴，這些液滴與壁面接觸后容易粘附在壁面上并結晶。

圖5 方案2添藍噴入管內的生命時間圖

圖6 方案2添藍噴入管內的速度分布圖

4.3 方案3計算結果及分析

圖7、8分別為方案3添藍噴入管內的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：混合器附近存在較大范圍的低速區，噴入的液滴容易與壁面粘附產生結晶。

圖7 方案3添藍噴入管內的生命時間圖

圖8 方案3添藍噴入管內的速度分布圖

4.4 方案4計算結果及分析

圖9、10分別為方案4添藍噴入管內的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：管內混合器旋轉180°，同噴嘴與管路豎直布置，因此噴入的液滴在自身的噴射作用、氣流的帶動作用、以及重力的三重影響下保持較高的速度，由于液滴動能大，即使與壁面接觸也不容易被粘附，因此結晶的可能性較小。

圖9 方案4添藍噴入管內的生命時間圖

圖10 方案4添藍噴入管內的速度分布圖

5 結論

根據數值模擬結果，選擇方案 4作為噴嘴合理的安裝位置及尾氣管道的布置。方案 1混合器附近容易產生結晶；方案2在文丘里管前后段管壁上容易產生結晶。方案3混合器附近存在較大范圍的低速區，容易產生結晶；方案 4不容易產生結晶（注意添藍噴入之后的管路是向下豎直布置）。

通過仿真研究尿素水溶液噴射相關參數、管路結構等對柴油機Urea-SCR系統性能的影響，獲得如下結論：

（1）尿素液體噴嘴相對催化劑入口距離直接影響還原劑在管路空間分布的合理性，其值為大于或等于催化劑入口直徑的6倍，且應布置在彎管處；

（2）噴射方向與入口軸線夾角為45°，可減輕尾氣流的影響，避免大量尿素液滴碰管壁形成尿素結晶；

（3）管道直徑與彎管半徑之比取1，可獲不同工況下氣流速度梯度最小值，減少回流處結晶。

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