車用Urea-SCR系統結構參數優化研究

吳里程， 王謙， 王靜， 趙煒

(1.江蘇大學能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212013； 2.鎮江船艇學院內燃機教研室, 江蘇 鎮江 212003)

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車用Urea-SCR系統結構參數優化研究

吳里程1， 王謙1， 王靜2， 趙煒1

(1.江蘇大學能源與動力工程學院， 江蘇 鎮江 212013； 2.鎮江船艇學院內燃機教研室, 江蘇 鎮江 212003)

為了對柴油機SCR系統噴射區和催化轉化區進行優化，采用AVL Fire軟件對某型號柴油機SCR系統進行了三維建模。分別對比了尿素噴嘴噴孔數、催化器結構型式及轉向型催化器內擴散器的幾何參數對SCR系統轉化效率的影響。研究表明，最佳尿素噴孔數為4～6個，當使用轉向型催化器并且擴散器處開孔區域角度在180°～270°之間時能達到最佳的優化效果。

柴油機； 選擇性催化還原； 氮氧化物； 數值模擬； 轉向型催化器； 擴散器

隨著環境問題的日益嚴峻以及公眾環保意識的不斷加強，汽車尾氣排放特別是柴油機NOx排放逐漸受到了人們的重視。為了控制NOx和PM排放量，各國相應制定了嚴格的柴油機排放法規。研究表明，僅靠機內凈化已經很難滿足排放要求，必須同時輔以尾氣后處理技術來控制污染物的排放。尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)技術具有抗硫中毒和節油方面的優勢，被認為是我國車用柴油機實現未來嚴格排放法規的技術路線[1]。

鑒于車用柴油機運行工況多變，排氣參數波動大，且SCR系統布置空間有限，目前車用SCR系統需解決兩個關鍵問題：一是系統中管路布置和催化器結構尺寸；二是恰當的尿素噴射與控制策略[2]。本研究運用AVL Fire軟件在分析系統內部流場和組分濃度的基礎上，對SCR系統噴射區和催化還原區的結構參數進行了優化研究，分別對比了尿素噴嘴噴孔數、催化器結構型式以及催化器內擴散器幾何參數對SCR系統轉化效率的影響，獲得了這些參數改變時組分分布、NOx轉化效率和均勻性指數變化的規律，為后續SCR系統的結構設計提供理論參考。

1 研究對象

1.1 SCR系統幾何模型的建立

本研究模擬對象為某型號柴油機SCR系統，封裝型式為桶式封裝，其結構見圖1。進出口排氣管直徑為100 mm，所用催化劑為V2O5/WO3/TiO2整體式催化劑，內部為方形孔道的蜂窩狀結構，容積為14 L，孔密度為62孔/cm2，壁厚為0.2 mm，載體涂層厚度為0.127 mm。其中催化器為轉向型，采用4孔噴嘴，中間徑向噴射，噴嘴的安裝位置到催化器入口的距離為7d，有利于尿素的蒸發、熱解以及還原劑與尾氣的均勻混合。催化器內擴散器四周上均勻分布著直徑為8mm的小孔。

1.2 計算網格及邊界條件

本研究采用的模型結構比較復雜，所以利用Fire軟件中的FAME技術對其進行自動網格劃分。生成的網格見圖2，為保證計算精度，對擴散器處的小孔進行了網格加密。圖3示出計算模型與工程上實際應用模型的比較。

根據發動機的性能測試試驗，選取3個典型工況A25，B50，C100的數據作為邊界條件的輸入量(見表1)，A，B，C分別代表發動機低、中、高3個轉速，后面的數字代表負荷百分數[3]。其中采用質量流量作為進口邊界，出口邊界條件設為靜壓，壓力為0.1MPa。壁面采用無滑移邊界，外界溫度為300K。尿素溶液的噴射為間歇周期噴射，本次模擬選擇的噴射周期為0.8s，0.1s開始噴射，噴射持續到0.4s。計算模型中的氣體成分主要有7種：NO，NO2，NH3，O2，CO2，HCNO，N2。

表1 典型工況的邊界條件

2 數值計算模型

系統內部流體流動采用質量和動量守恒方程進行描述，湍流運動過程用雷諾方程來分析，尿素在排氣管中的擴散情況用湍流擴散模型來分析[4]。從尿素噴射處到SCR催化器出口，涉及很多物理化學過程，主要包括尿素溶液的霧化、尿素液滴蒸發和熱解、尿素溶液撞壁及液膜模型和表面催化化學反應。

2.1 噴霧模型

本研究尿素溶液的噴霧模擬采用離散液滴模型(DDM)，即忽略液相初次霧化過程，認為尿素溶液離開噴嘴就成為離散的液滴，并結合拉格朗日方法和歐拉方法來求解液滴運動軌跡。液滴的二次破碎過程采用Huh-Gosman破碎模型[5]。

2.2 尿素溶液蒸發模型

尿素水溶液噴霧到排氣管后，因為水的沸點比尿素低，所以尿素液滴中水先蒸發，直到形成熔融或固態的尿素。這一過程可以簡化為以下兩步反應[6]：

(1)

(2)

根據Arrhenius定理，反應(2)的反應速率表達式如下：

(3)

2.3 載體多孔介質模型

催化劑載體通道尺寸很小，數量非常龐大，直接模擬載體所有通道內的三維流動較為困難，需要對載體內部的流動進行簡化。將整體式陶瓷蜂窩催化劑載體簡化為多孔介質、單一方向，即流體流經載體時只有沿軸向方向的速度和壓力損失。壓力損失按Forchheimer模型[5]進行計算。

(4)

該源項包括兩個損失項：黏性損失及慣性損失。αi為黏性損失系數(i代表X，Y，Z方向)；μ為動力學黏度；wi為當地速度分量；ζ為慣性損失系數；ρ為流體密度。

2.4 催化劑表面化學反應模型

在催化器內部，異氰酸進入催化器發生的反應主要是在催化劑涂層表面。當條件合適時，NH3將選擇性地與尾氣中的NOx發生還原反應生成N2和水，降低NOx排放。在催化劑表面發生的化學反應較多，本文中主要考慮了以下5個反應：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

反應式(5)表示尿素熱分解產物異氰酸在催化劑表面與水蒸氣發生水解反應生成氨氣和二氧化碳。反應式(6)至式(8)表示NH3選擇性還原NOx的SCR反應。由于在發動機排氣中NO為主要氮氧化物(含量約為90%)，因此反應式(6)被稱為標準SCR反應。研究表明NO2的存在可以提高反應速率，當V(NO2)/V(NOx)≈50%時反應速率最快，因此反應式(7)被稱作快速SCR反應。當V(NO2)/V(NOx)比例繼續增大時，反應式(8)所示的緩慢SCR反應占主導作用，NOx轉化效率降低[7]。反應式(9)為氨氣氧化反應，以防止氨泄漏。

3 結果與分析

3.1 尿素噴射參數優化

還原劑的分布均勻性與尿素噴霧液滴的分布直接相關，噴嘴噴孔數的增多有利于擴大液滴的分布范圍，使還原劑在排氣管中與尾氣更好地混合[8]。所以本研究在B50工況的基礎上，比較了不同噴孔數(分別為1，2，3，4，5，6，7，8共8種情況)對SCR系統的影響。噴孔直徑保持0.5 mm不變，單個噴孔噴嘴的尿素噴射方向沿著軸線方向，與排氣流方向相同，其余幾種噴射均為徑向噴射，與排氣流方向垂直。

圖4示出了不同噴孔數下尿素液滴和還原劑分布情況。從圖中可以看出，單孔軸向噴嘴的液滴沿排氣方向運動，尿素噴射貫穿距偏大，尿素液滴分布主要集中在排氣管中心區域，到達擴散器底部時，一部分液滴隨著排氣反彈到擴散器上方，然后混合氣通過擴散孔流出進行二次分配，所以還原劑分布呈兩邊多中間少的趨勢，致使催化劑出口會有一部分NO未被還原。隨著噴孔數的增多，尿素液滴分散范圍擴大，NH3的分布均勻性有所改善。

從圖5 NOx轉化效率中也可以看出，NOx轉化效率隨著噴孔數的增加呈增長趨勢，當噴孔數達到5時，NOx轉化效率達到最高，繼續增加噴孔數，NOx轉化效率不再提高，反而呈下降趨勢。這是由于隨著噴孔數的增多，在噴射流量一定的情況下，單個噴孔流出的質量流量會變少，相應地噴射速度變小，液滴分布范圍隨之減小，所以液滴霧化效果以及與排氣的混合均勻性略有下降。而對于徑向噴嘴，隨著噴孔數的增加，相應地噴孔加工面也增多，加工難度和成本隨之提高，所以綜合考慮NOx的轉化效率和噴嘴的加工工藝，噴孔數為4～6個比較合適。在以下模擬中使用的噴嘴噴孔數為4個。

3.2 催化器的結構優化

催化器結構型式對SCR系統的速度和壓力分布影響很大,所以本研究比較了3種不同排氣結構型式對SCR系統的影響，分別是轉向型催化器、圓錐型催化器和帶導流裝置的圓錐型催化器[9]。這3種催化器結構的管徑、催化劑長度及參數、噴嘴到催化劑的距離以及噴嘴參數都相同，計算網格見圖6。

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圖7示出了B50工況下不同催化器結構SCR系統的湍動能分布。從圖中可以看出，轉向型催化器的湍動能較高，能夠促進尿素液滴的蒸發熱解以及異氰酸的水解，所以生成的HCNO量比較多，進而產生的還原劑能夠與NOx充分發生反應，催化器出口的NOx消耗完全。而圓錐型催化器的湍動能較低，比較容易發生壁面分離，在催化器壁面處會引起流體回流，形成了漩渦。加裝導流裝置后，湍動能變高，促進了尿素液滴的熱解，同時排氣流經導流裝置后會形成沿軸線旋轉的旋流，可以促進還原劑的混合，進而減少了催化器出口未被還原的NOx量。但是加裝導流裝置后湍動能過高，發生了質變，會使還原劑的均勻性不夠 。所以轉向型催化器的還原劑均勻性要優于圓錐型和帶導流裝置的圓錐型催化器。

催化劑入口速度與還原劑分布直接影響催化器的轉化效率。還原劑分布不均會使得還原劑局部過量或不足，從而導致SCR轉化效率降低和氨氣的泄漏[9]，長時間氨氣分布不均勻會加速催化劑老化，從而影響催化劑的整體性能[10]。

均勻性指數γ定義為[11]

(10)

圖8和圖9分別示出了3種催化器結構的NH3均勻性指數和NOx轉化效率。從圖8中可以看出，從0.1 s開始噴射尿素，0.4 s停止噴射，圓錐型催化器NH3均勻性一直較差，均勻性指數在0.60～0.74之間，所以NOx轉化效率相應地較低，只有60%。而加裝導流裝置后，催化劑入口處還原劑的均勻性略有提高，能夠達到0.86左右，NOx轉化效率可達到71.7%，比圓錐型催化器的提高了11.7%左右。相對于圓錐型和帶導流裝置的圓錐型催化器，轉向型催化器的NH3均勻性指數可到達0.9，NOx轉化效率也隨之提高到80%左右。

通過比較3種型式的SCR系統可知，轉向型催化器在湍動能分布、還原劑均勻性和NOx轉化效率等方面都要優于其他兩種。

3.3 擴散器的結構優化

擴散器主要起導流作用，能夠引導氣體快速地通過擴散孔進入催化器內部，同時起到促進尿素液滴破碎的作用。合理地設計擴散器不僅可以使氣體快速地到達催化器，還可以使還原劑均勻地分布到催化劑表面，從而提高催化劑的利用率。而擴散器處的開孔區域是擴散器細孔面占整個擴散器外圍的角度，它對載體內部氣流分布具有一定的影響，所以對擴散器處開孔區域角的影響進行了模擬分析。

如圖10所示，當區域角大于90°時，由于擴散孔處的徑向流通面積增大，導致從擴散孔處流出的氣體速度減弱，催化器前腔內氣體發生負壓卷吸作用的能力也會相應減小，進而使流動分離現象減弱，提升了載體內部還原劑的對稱性。而當區域角上升至360°時，由于氣體通過擴散孔流出，沒有形成有效的二次分配，而是一部分氣體直接到達載體前端面，造成載體前端面氣體分布不均勻，進而導致載體內部還原劑的不對稱性增加，影響NOx轉化效率。

通過圖11可以發現，還原劑隨著區域角的增加而變得更加均勻，均勻性指數由0.933 6增加到0.947，但當區域角大于270°時，還原劑均勻性開始下降，進而影響NOx轉化效率。 圖12示出3種典型工況(A25，B50，C100)下NOx轉化效率隨區域角的變化。從區域角為90°開始，NOx轉化效率呈先增加后下降的趨勢，區域角在180°～270°時3種工況下的NOx轉化效率都達到最大值，分別為92%，81%，68%。繼續增大開口區域角，NOx轉化效率開始下降，到區域角為360°時，3種工況下轉化效率分別降為90%,78%,67%。所以，擴散器處開孔區域角最好在180°～270°之間。

4 結論

a) 尿素噴嘴噴孔數會影響液滴形態和空間分布，通過綜合比較催化器的性能和噴嘴的加工工藝，發現噴孔數為4～6個最為合適；

b) 通過比較3種不同結構型式的催化器發現，轉向型催化器在湍動能分布、還原劑均勻性和NOx轉化效率方面都要優于其他兩種催化器，而且在圓錐型催化器的基礎上加裝導流裝置，可以提高系統的NOx轉化效率；

c) 對轉向型催化器內的擴散器進行優化，比較了不同開孔區域角度的催化器，發現區域角存在一個最佳的范圍，可以使載體內部氣流分布均勻，同時提高NOx轉化效率。

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[編輯: 李建新]

Optimization of Structural Parameters for Vehicle Urea-SCR System

WU Licheng1, WANG Qian1, WANG Jing2, ZHAO Wei1

(1. School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. Internal Combustion Engine Research Institute， Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003， China)

In order to optimize the injection and catalytic conversion area of SCR system, 3D simulation of SCR system for a diesel engine was conducted with AVL Fire software and the influences of nozzle hole number, catalyst structure and geometry parameters of diffuser for steering-type catalyst on conversion efficiency were analyzed and compared. The results showed that the optimal nozzle hole number was 4-6. The SCR system using steering-type catalytic converter with 180°-270° angle at the drilling area of diffuser could achieve the best optimization effects.

diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); nitrogen oxides; numerical simulation; steering-type catalytic converter; diffuser

2015-07-07;

2015-11-10

國家自然科學基金重點項目(51276084)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(CXZZ11_0560)

吳里程(1991—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機NOx的排放控制;wulicheng@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.012

TK 421.5

B

1001-2222(2015)06-0059-06