圓筒型SCR后處理器性能分析

支保京

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

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圓筒型SCR后處理器性能分析

支保京

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

摘 要：文章在理論及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上分析圓筒消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)整體性能的影響，進(jìn)行無(wú)載體及有載體構(gòu)型的模擬計(jì)算；獲得其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)，通過(guò)對(duì)比得到后處理器內(nèi)部阻力產(chǎn)生部位、湍動(dòng)能集中點(diǎn)等；同時(shí)進(jìn)行實(shí)車壓降及排溫試驗(yàn)，得到相關(guān)數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)提供參考及依據(jù)。

關(guān)鍵詞：排氣系統(tǒng)；數(shù)值模擬；壓力損失；試驗(yàn)測(cè)試

CLC NO.: U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-91-03

引言

柴油機(jī)由于具有動(dòng)力性強(qiáng)、耗油率低等優(yōu)勢(shì)，在中／重型車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，但嚴(yán)重的排放問(wèn)題仍然制約著柴油機(jī)的快速發(fā)展。排氣系統(tǒng)關(guān)乎發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，早期的國(guó)三消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只起到消聲效果，隨著環(huán)保要求的不斷提高，國(guó)家對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放要求也越來(lái)越高，技術(shù)的更新使消聲器改進(jìn)為后處理系統(tǒng)。目前，我國(guó)在商用車柴油機(jī)滿足國(guó)Ⅳ、國(guó)V排放法規(guī)技術(shù)路線中，普遍采用SCR技術(shù)路線，也是滿足未來(lái)更嚴(yán)格排放要求的主要技術(shù)措施。對(duì)于越來(lái)越復(fù)雜的消聲器結(jié)構(gòu)，不論是理論指導(dǎo)還是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)我們都處于起步階段。研究排氣消聲器主要涉及到氣體流動(dòng)、傳熱、振動(dòng)、聲學(xué)以及發(fā)動(dòng)機(jī)性能等多個(gè)方面的學(xué)科，必須給予足夠的重視[1]。

早期由于技術(shù)手段有限，研究工作基本以實(shí)驗(yàn)為主。設(shè)計(jì)者根據(jù)產(chǎn)品的要求，查詢有關(guān)資料確定參數(shù)，憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證最后達(dá)到要求即可。本文在理論及數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行分析研究。

1、模擬構(gòu)型

計(jì)算流體的實(shí)體構(gòu)型內(nèi)部去除隔音壓板及隔音棉，所有加強(qiáng)及固定設(shè)計(jì)部件，只留下腔體，進(jìn)氣管，中間隔板，及出氣管。計(jì)算中不考慮焊接工藝及振動(dòng)，只模擬內(nèi)部的氣流流動(dòng)。本文將柴油機(jī)排出的氣體看作空氣，密度定為1.25Kg/m3。消聲器進(jìn)口氣體溫度為873K；壁厚1.5mm；材料為B436M不銹鋼，入口質(zhì)量流率0.5kg/s。圖1為國(guó)四圓筒后處理器的構(gòu)型圖。

圖1　國(guó)四圓筒后處理器構(gòu)型

計(jì)算中用到的渦黏模型包括零方程模型、一方程模型和兩方程模型。兩方程模型在計(jì)算成本不大的情況下保證了很好的計(jì)算精度，因此在工程中使用最廣泛。文中采用最基本的模型作為計(jì)算模型[2,3]。壓力損失等于消聲器前后入口端的總壓差值，當(dāng)進(jìn)、出氣管道直徑相等時(shí)，壓力損失就等于消聲器前后管道內(nèi)的平均靜壓差值[4,5]。

2、模擬分析

為了分析后處理器內(nèi)部的流動(dòng)特性，經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得出了后處理器內(nèi)部的壓力云圖（如圖2所示）。無(wú)載體構(gòu)型的內(nèi)部壓力沿后處理器徑向方向逐步下降，觀察切面云圖發(fā)現(xiàn)插入管內(nèi)壓力較大（圖2a所示），因?yàn)闅饬魍ㄟ^(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入孔管，氣流再通過(guò)穿孔管上的圓形小眼排出進(jìn)入第一腔，氣流通過(guò)每一個(gè)小眼產(chǎn)生摩擦造成了流速降低，故在穿孔管內(nèi)出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象。此區(qū)域也是無(wú)載體構(gòu)型內(nèi)部壓力最高區(qū)域。前后隔板位置壓力變化不大。第二腔中壓力開始下降，氣流在第一腔中由于擴(kuò)張損失能量，沿插入管進(jìn)入第二腔中二次擴(kuò)張，使得氣體壓力下降。出口處因?yàn)橥鈧?cè)空間較大，使得氣體壓力大量聚集，在穿孔管出口處，形成沿軸線的聚集運(yùn)動(dòng)。無(wú)載體構(gòu)型，腔體內(nèi)壓力變化不大，表面壓力區(qū)域一致，無(wú)壓力突增區(qū)域。

圖2　國(guó)四圓筒后處理器壁面壓力云圖

觀察圖2b的有載體構(gòu)型發(fā)現(xiàn)，由于載體的加入使得后處理器內(nèi)部存在壓差變化，壓差分界線不在以隔板為界，而是以載體表面向內(nèi)延伸，在載體的后方，壓力又極具的下降，氣流由排氣管排出后處理器。載體區(qū)域的壓力變化最為明顯，在載體入口面壓力顯示呈黃色，壓力較高，氣流進(jìn)入載體一段區(qū)域后，壓力降低呈現(xiàn)綠色，氣流繼續(xù)通過(guò)載體，壓力迅速下降，直到氣流流出載體后在出氣腔呈現(xiàn)藍(lán)色。對(duì)于傳統(tǒng)后處理器，內(nèi)部腔體的分隔可按隔板進(jìn)行，分為兩個(gè)腔體；對(duì)于有載體的構(gòu)型，內(nèi)部分腔要按載體的前后端面分，分為三個(gè)腔體，載體以前為第一腔體，載體為第二個(gè)腔體，載體后為第三腔體。圖3的有載體構(gòu)型壓力切面圖中的穿孔管內(nèi)也是最高區(qū)域，說(shuō)明無(wú)論載體存在與否，穿孔管內(nèi)都是后處理器內(nèi)的壓力最高區(qū)域，在設(shè)計(jì)初期穿孔管的材料、加工工藝、焊接工藝都要非常重視，以確保此結(jié)構(gòu)可靠耐用。

圖3　國(guó)四圓筒后處理器切面壓力云圖

圖4　國(guó)四方型后處理器切面速度云圖

從圖4可看出在設(shè)定的排氣流量工況下入口處速度大約為V=50.00m/s。后處理器的速度分布與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同的后處理器構(gòu)型會(huì)造成入口速度，內(nèi)部壓降及最大壓強(qiáng)的不同。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通過(guò)后處理器入口經(jīng)插入管進(jìn)入第一腔，氣流進(jìn)行一級(jí)減速，后通過(guò)隔板進(jìn)入第二腔，總體速度呈減小趨勢(shì)。出口管處的流速比較大，出口管截面中心流速大約為55.00m/s。流線圖反映后處理器中流體分布情況，看到第一腔，第二腔，插入管周圍，穿孔管外側(cè)及內(nèi)側(cè)都有明顯的渦流存在，其中速度較高的地方很容易出現(xiàn)再生噪聲。計(jì)算壓降如表1所示。

3、試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)實(shí)車測(cè)試得到圓筒后處理器的真實(shí)性能。怠速時(shí)，排氣溫度甚至低至100.00℃左右，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷接近最大時(shí)排溫則可以超過(guò)500.00℃。城區(qū)工況的典型特征就是低速而且反復(fù)停車、起步，車輛的負(fù)荷也相對(duì)較低，低轉(zhuǎn)速、低負(fù)荷的城區(qū)工況下排氣溫度大多低于300.00℃。在這種工況下，由于尿素噴射量的減少，并且催化劑活性較低，SCR系統(tǒng)工作效率很低，NOx減排效果不理想。

試驗(yàn)得到整個(gè)排氣系統(tǒng)背壓最高轉(zhuǎn)速下為16.8KPa，最大扭矩下為13.5KPa；消聲器排氣阻力最高轉(zhuǎn)速下為13.3KPa，最大扭矩下為9.5KPa；滿足設(shè)計(jì)要求整個(gè)排氣阻力≤20kpa。

表1　試驗(yàn)壓降

圖5　國(guó)四圓筒后處理器切面壓力云圖

圖5為試驗(yàn)測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)排溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)測(cè)得的最高溫度出現(xiàn)在1100.00r/min左右，達(dá)到580.00℃且渦輪后與SCR前的排氣溫度相差50.00℃左右。

4、結(jié)論

本文分析了有無(wú)載體構(gòu)型的壓力及速度分布，得到了后處理器內(nèi)部阻力產(chǎn)生部位、湍動(dòng)能集中點(diǎn)。

（1）對(duì)于不帶載體的后處理器，內(nèi)部腔體的分隔可按隔板進(jìn)行，分為兩個(gè)腔體；對(duì)于有載體的構(gòu)型，內(nèi)部腔體要按載體的前后端面分為三個(gè)腔體，載體以前為第一腔體，載體為第二個(gè)腔體，載體后端面為第三腔體。

（2）進(jìn)行了實(shí)車性能測(cè)試得到相關(guān)參數(shù)，驗(yàn)證后處理器測(cè)試結(jié)果符合發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求。

參考文獻(xiàn)

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汽車電子

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.031

The performance analysis of cylinder type exhaust post treatment

Zhi Baojing
( Shaanxi Automoblie Group CO., Ltd Institute of Automotive Engineering R&D, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:On the basis of theoretical analysis and numerical simulation of the impact of the internal structure of a cylindrical muffler on overall performance, SCR-free and have a SCR configuration simulation; obtaining the pressure field, velocity field, obtained by comparing the post processor inside resistance generating portion, turbulent kinetic energy focus points; at the same time the pressure drop and the actual vehicle exhaust temperature tests to obtain the relevant data to provide reference and basis for the design.

Keywords:Numerical simulation; exhaust; pressure loss; test

作者簡(jiǎn)介：支保京，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院。

中圖分類號(hào)：U467.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-91-03