柴油機(jī)SCR系統(tǒng)車用尿素噴霧特性仿真與試驗(yàn)研究

劉磊,鄧成林

(1.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.后勤科學(xué)與技術(shù)研究所，北京 100071)

選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)是滿足柴油機(jī)國(guó)Ⅳ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)路線之一。柴油機(jī)排放的NOx在SCR催化劑的作用下被還原劑氨(NH3)凈化，SCR系統(tǒng)主要采用車用尿素溶液作為還原劑。基于車用尿素溶液的SCR技術(shù)在實(shí)際使用中存在低溫活性差以及尿素排氣管結(jié)晶等問題，為了可以有效解決尾氣后處理系統(tǒng)中排氣管結(jié)晶的問題，目前采用的方法是通過加入壓縮空氣噴射改善尿素水溶液的噴射霧化效果，從而在一定程度上減少排氣管的結(jié)晶現(xiàn)象。對(duì)于空氣輔助式尿素噴射系統(tǒng)，尿素水溶液和空氣在泵內(nèi)進(jìn)行混合，然后通過噴嘴霧化并噴入排氣管內(nèi)，由泵來計(jì)量尿素量。相比非空氣輔助式尿素噴射系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更好的噴射霧化效果和還原反應(yīng)質(zhì)量，并降低對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)要求。本研究即針對(duì)空氣輔助尿素噴射方式，開展還原劑供給系統(tǒng)的霧化性能研究。

車用尿素溶液噴射進(jìn)入排氣管的速率、直徑和排氣流速等參數(shù)直接影響NH3的生成速率和在催化器內(nèi)部的均勻性[1-2]。本研究采用模型分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法系統(tǒng)研究了車用尿素溶液噴霧時(shí)噴孔個(gè)數(shù)、噴孔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)和輔助空氣壓力、排氣流速等工況參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響規(guī)律。

1 模型建立和仿真計(jì)算

壓縮空氣輔助的車用尿素溶液噴射霧化過程是氣液二相非定常流動(dòng)問題，本研究采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Fluent建立還原劑噴霧特性三維模型，對(duì)噴霧過程進(jìn)行研究。

1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格的劃分

選取噴嘴及部分排氣管為計(jì)算域，計(jì)算的網(wǎng)格與實(shí)際尺寸完全相同，噴嘴直徑為2 mm，周向布置4個(gè)直徑0.5 mm的噴孔。排氣管直徑為100 mm，截取長(zhǎng)度為200 mm。

使用Fluent的前處理軟件Gambit建立噴嘴及其射流場(chǎng)的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用TGrid體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格單元類型為Tet/Hybrid，網(wǎng)格數(shù)量為50萬。由于排氣尾管的幾何結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)優(yōu)先采用了三角形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，便于模型計(jì)算和結(jié)果收斂；噴嘴部分由于在尺寸上與排氣管相比差距較大，因此采用尺寸函數(shù)對(duì)噴嘴部分進(jìn)行了細(xì)化[6]，重點(diǎn)解決噴嘴部位結(jié)構(gòu)的圓滑過渡，噴孔圓周截面上網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為40個(gè)，具有較高的計(jì)算精度和實(shí)用性。圖1示出了建立的三維網(wǎng)格模型和噴嘴網(wǎng)格。

圖1 排氣管噴霧模型和細(xì)化的噴嘴網(wǎng)格

1.2 噴霧模型及邊界條件設(shè)置

噴霧模型建立過程分可為兩個(gè)部分，第一部分為忽略液滴存在的初始定常流動(dòng)求解，第二部分為創(chuàng)建霧滴噴射后的非定常噴霧計(jì)算。

1) 定常流動(dòng)模型控制方程的離散方式采用有限容積法作為數(shù)值解析的離散化方程構(gòu)建方法。離散方程的求解采用SIMPLE法(壓力速度的半隱式耦合算法)求得壓力和速度的修正，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

噴霧模型對(duì)還原劑噴射流量、輔助空氣壓力、霧化噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、排氣流量和排氣溫度5個(gè)參數(shù)非常敏感。由于篇幅所限，只列出前3個(gè)參數(shù)的仿真結(jié)果。實(shí)際模型計(jì)算中，排氣溫度和排氣流量選定了其中一個(gè)常用工況數(shù)據(jù)。

定常流動(dòng)計(jì)算中模型邊界條件主要包括排氣速度入口、輔助空氣壓力入口和排氣壓力出口邊界條件。排氣流動(dòng)邊界條件數(shù)值采用某國(guó)產(chǎn)重型柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)ESC的4個(gè)工況點(diǎn)，經(jīng)過換算，排氣管流速分別為2.83 m/s，13.13 m/s，31.46 m/s和51.02 m/s，且假設(shè)排氣入口速度分布均勻，輔助空氣入口壓力分別為50 kPa，100 kPa，150 kPa和200 kPa。排氣出口壓力采用壓差傳感器測(cè)量上述排氣流速下催化器兩端壓差作為出口壓力。

2) 非定常過程使用離散相模型(DPM)模擬噴霧過程，模擬過程中考慮了液滴的碰撞和破裂，液滴的破裂采用波動(dòng)破碎(wave)模型，并考慮液滴的變形；DPM噴霧的邊界條件與定常流動(dòng)模型的邊界條件一致，主要針對(duì)4個(gè)典型工況條件進(jìn)行計(jì)算。噴射源模擬過程采用空氣輔助霧化噴嘴模型(air-blast-atomizer)進(jìn)行模擬，顆粒類型為液滴(droplet)，模擬過程采用隨機(jī)游走模型，假定流體的脈動(dòng)速度是關(guān)于時(shí)間的分段常量函數(shù)，在流體特征生存時(shí)間間隔內(nèi)，速度脈動(dòng)為常量。

1.3 結(jié)果分析

穩(wěn)態(tài)計(jì)算和瞬態(tài)計(jì)算的速度相差很小，未加離散液滴前噴孔平均速度為204.77 m/s，加入離散相后噴孔平均速度為199.45 m/s。這是由于相對(duì)于壓縮空氣來說還原劑的量很小，加入離散液滴后整體速度略有下降，但影響很小。圖2a示出穩(wěn)態(tài)計(jì)算軸向速度，圖2b示出加入離散液滴后的瞬態(tài)速度。

圖2 速度圖

圖3示出還原劑濃度分布及液滴顆粒軌跡隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，還原劑濃度分布與顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相一致。

圖3 噴霧顆粒及濃度分布隨時(shí)間變化

1.4 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

設(shè)計(jì)了冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)，主要用來分析工況參數(shù)變化對(duì)還原劑噴霧特性的影響。該冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)由供氣系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)四部分組成(見圖4)。

圖4 還原劑噴霧特性試驗(yàn)系統(tǒng)

1.5 結(jié)果分析及模型驗(yàn)證

1.5.1霧化粒徑模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

霧化粒徑按照容積-表面平均直徑(索特平均直徑，Sauter Mean Diameter，SMD)方法來仿真計(jì)算，由SMD的定義可以知道，它最能反映出真實(shí)的霧滴群的蒸發(fā)條件。由于還原劑噴霧粒徑試驗(yàn)中沒有加入排氣的影響因素，所以對(duì)粒徑的模擬結(jié)果驗(yàn)證同樣設(shè)置排氣流量為0，輔助空氣壓力為50 kPa，還原劑噴射量為1 000 g/h。

粒徑隨著噴霧時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，分析了0～20 ms時(shí)間內(nèi)還原劑噴霧模擬過程，并對(duì)噴霧直徑(SMD)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其變化值如圖5所示。從圖中可以看出，0～16 ms粒徑呈線性降低趨勢(shì)，16～20 ms粒徑基本穩(wěn)定。

20 ms時(shí)刻的噴霧粒徑模擬結(jié)果見圖6，索特平均直徑為31.5 μm；相同工況下采用噴霧試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，索特平均直徑測(cè)試結(jié)果為34.7 μm，結(jié)果對(duì)比具有一致性。

圖5 噴霧粒徑隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

圖6 20 ms時(shí)刻噴霧粒徑

1.5.2噴霧形態(tài)模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

在還原劑噴射量同為1 000 g/h的情況下，輔助空氣壓力分別為50 kPa，100 kPa和150 kPa，在3種條件下對(duì)噴霧形態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見圖7。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果具有較好的一致性，噴霧錐角隨輔助空氣壓力的增大而略有增大。

圖7 噴霧形態(tài)可視化試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

1.5.3貫穿距離模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)仿真模型噴射霧化過程中貫穿距離的變化進(jìn)行仿真，加入排氣流量，碰壁點(diǎn)采用壁面上還原劑含量最大的位置點(diǎn)，在仿真與試驗(yàn)中均采用軸向距離來表示貫穿距離，模擬與試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 碰壁點(diǎn)軸向距離試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

圖8、圖9分別示出工況1、工況2排氣管壁面還原劑濃度沿軸向變化模擬結(jié)果，排氣管壁面還原劑濃度最大點(diǎn)的位置確定為還原劑噴霧碰壁點(diǎn)。從對(duì)比結(jié)果看出模擬值與試驗(yàn)值差距在10%以內(nèi)，模型具有可行性。

圖8 工況1排氣管還原劑濃度軸向分布

圖9 工況2排氣管還原劑濃度軸向分布

經(jīng)過以上試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出，噴霧模型在霧化粒徑、噴霧形態(tài)和貫穿距等方面與試驗(yàn)值比較接近，模型標(biāo)定比較準(zhǔn)確，可以保證壓縮空氣輔助噴射還原劑供給系統(tǒng)的霧化過程計(jì)算的精度。

2 噴霧特性的仿真優(yōu)化

利用噴嘴霧化模型進(jìn)一步分析研究噴孔數(shù)目、噴孔直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴嘴霧化性能的影響，為噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.1 噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧的影響研究

噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化中工況參數(shù)如下：輔助空氣壓力為50 kPa，還原劑噴射量為1 000 g/h，排氣流速為13 m/s(發(fā)動(dòng)機(jī)低速工況)。以噴嘴的噴霧均勻性為主要評(píng)判指標(biāo)，由于4孔噴嘴與其他孔數(shù)的噴嘴在霧化性能上相比具備更好的噴霧特性[3-4]，所以重點(diǎn)以4孔噴嘴作為研究對(duì)象。

壓縮空氣輔助噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖10。圖中標(biāo)明了排氣氣流與噴嘴尿素噴射方向，噴嘴居中安裝在一段直排氣管上，與排氣管徑向垂直。

圖10 壓縮空氣輔助噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 噴孔直徑對(duì)霧化性能的影響

對(duì)噴孔直徑分別為0.4 mm，0.5 mm，0.8 mm及1.0 mm的4孔噴嘴進(jìn)行模擬分析，噴霧持續(xù)50 ms。圖11示出噴霧粒徑隨噴孔直徑的變化趨勢(shì)。圖12示出噴孔處霧化液滴的平均速度及出口壓力隨噴孔直徑的變化趨勢(shì)。

圖11 粒徑隨噴孔直徑變化

如圖11所示，霧化粒徑隨著噴孔直徑的增大而增大，但并不是完全的線性變化，這是因?yàn)殡S著噴孔直徑的增大噴孔處平均流速增大，平均壓力減小(見圖12)。粒徑變化曲線顯示，噴孔直徑為0.4 mm時(shí)的曲線斜率比噴孔直徑1.0 mm時(shí)小。圖13至圖16示出不同噴孔直徑時(shí)，出口截面及軸向還原劑分布。

圖14 噴孔直徑為0.5 mm噴嘴還原劑分布云圖

圖15 噴孔直徑為0.8 mm噴嘴還原劑分布云圖

圖16 噴孔直徑為1.0 mm噴嘴還原劑分布云圖

從圖13至圖16中可以看出，隨著噴孔直徑的增大，還原劑有向排氣管壁分布的趨勢(shì)。噴孔直徑為0.4 mm的噴嘴還原劑較多分布于排氣管中心，這是因?yàn)榇藭r(shí)液滴的徑向速度小，液滴的粒徑小、慣性小，易受排氣的影響。噴孔直徑為1.0 mm的噴嘴噴霧液滴速度大、粒徑大、慣性大，還原劑主要分布在離排氣管壁較近的地方。

從圖17可以看出，軸向距離為30 mm，50 mm時(shí)，直徑1.0 mm，0.8 mm噴嘴噴霧均勻性系數(shù)比噴孔直徑0.4 mm，0.5 mm噴嘴大。但隨著軸向距離的增加，直徑為0.5 mm噴嘴噴霧均勻性系數(shù)超過了0.8 mm和1.0 mm噴嘴。噴孔直徑為0.5 mm的噴嘴出口截面均勻性系數(shù)最大，達(dá)到0.71，噴孔直徑為0.4 mm的噴嘴出口截面均勻性系數(shù)最小，數(shù)值為0.68。

圖17 均勻性系數(shù)隨噴孔直徑的變化曲線

3 噴霧特性優(yōu)化的試驗(yàn)研究

根據(jù)噴嘴霧化性能的仿真計(jì)算結(jié)果，最終選定孔數(shù)為4孔、孔徑為0.5 mm的噴嘴，在不同排氣流速、不同輔助空氣壓力下進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用ESC，ETC測(cè)試循環(huán)[5]對(duì)還原劑噴霧裝置的性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

搭建由柴油機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)、尿素供給系統(tǒng)、SCR控制系統(tǒng)和尾氣測(cè)量設(shè)備組成的試驗(yàn)平臺(tái)；采用某國(guó)產(chǎn)重型柴油機(jī)，直列6缸、水冷，排量9.726 L，最大功率276 kW，最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min。原機(jī)排放達(dá)到了國(guó)家機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)第三階段的排放限值。試驗(yàn)中采用了孔數(shù)為4孔、孔徑為0.5 mm的噴嘴結(jié)構(gòu)，分別配合50 kPa，100 kPa，150 kPa和200 kPa輔助空氣入口壓力等參數(shù)組合，與整體式的蜂窩陶瓷SCR催化器共同組成SCR系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過表3數(shù)據(jù)可以看出，加載輔助空氣噴射的SCR系統(tǒng)后，該型柴油機(jī)NOx排放和NH3泄漏指標(biāo)均滿足了國(guó)Ⅴ階段法規(guī)要求，表明噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及噴射霧化效果較好，可以滿足重型柴油機(jī)SCR噴射系統(tǒng)的需求，進(jìn)一步驗(yàn)證了壓縮空氣輔助噴射還原劑供給系統(tǒng)霧化特性仿真優(yōu)化方法的可行性。

表3 ETC，ESC試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

a) 針對(duì)空氣輔助噴射系統(tǒng)搭建了相應(yīng)的霧化特性仿真模型，根據(jù)噴霧特性冷態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的可用性，并利用仿真模型對(duì)霧化粒徑、噴霧貫穿距和噴霧形態(tài)進(jìn)行了分析；

b) 對(duì)影響還原劑霧化性能的噴嘴孔數(shù)及直徑進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算研究，對(duì)比了排氣管出口截面還原劑均勻性系數(shù)，結(jié)果顯示，4孔、噴孔直徑為0.5 mm噴嘴能獲得較好的噴霧指標(biāo)，改善了空氣輔助下尿素溶液噴射的霧化效果；

c) 采用優(yōu)化后的噴嘴結(jié)構(gòu)及參數(shù)組合構(gòu)建了輔助空氣噴射SCR系統(tǒng)，通過ESC，ETC試驗(yàn)對(duì)還原劑霧化性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真優(yōu)化方法的可行性，為下一步在整車匹配上實(shí)現(xiàn)良好的空氣輔助尿素噴射提供了參考依據(jù)。