重型柴油機SCR混合器的數(shù)值模擬與優(yōu)化

（濰坊學院機電與車輛工程學院 山東 濰坊 261000）

引言

在全球對發(fā)動機排放限值要求越來越嚴格的情況下，選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）已成為降低柴油機NOx排放的常規(guī)手段。SCR使用的還原介質一般是濃度為32.5%的尿素水溶液，理想狀況下，經(jīng)尿素噴射器高壓噴射出的尿素水溶液可以迅速與高溫廢氣產(chǎn)生相互作用，到達催化劑前完全分解生成NH3，在催化劑作用下，NOx發(fā)生還原反應生成N2。實際情況下，受多種因素制約，尿素水溶液很難完全分解，NH3、HNCO 和尿素都有可能進入催化器，尤其是在排氣溫度比較低的情況下更是如此。此外，噴射的溶液會發(fā)生撞壁并形成液膜，液膜蒸發(fā)吸熱降低了壁面溫度，加劇了尿素水溶液的不完全分解，從而產(chǎn)生尿素結晶及其他沉積物，如縮二脲、三聚氰酸等。基于市場反應存在結晶問題的某款重型國六柴油機，本文利用CONVERGE 軟件對其SCR 混合器進行了仿真，發(fā)現(xiàn)了原方案結構設計存在的一些問題，基于這些問題對混合器進行了改進，并對混合器改進前后的內部流場、溫度場、濃度場等作了對比分析。結果表明，優(yōu)化后的混合器可以提高尿素水溶液和廢氣的混合效果，降低尿素結晶風險。

1 SCR 混合器

圖1 為尿素分解的詳細機理。

圖1 尿素分解詳細機理

近年來，眾多學者及科研機構對結晶生成原因進行了深入研究。Zheng G.等[1]認為減少碰壁和液膜的產(chǎn)生能有效抑制結晶。高俊華等[2]通過試驗分析發(fā)現(xiàn)沉積物主要是尿素和三聚氰酸的混合物，認為沉積物主要是在低溫環(huán)境下噴射的尿素未完全反應而生成的。Liao Y.等[3]提出了一種柴油機SCR 系統(tǒng)噴霧與壁面相互作用的傳熱試驗模型，認為排氣管壁冷卻開始于沖擊區(qū)域的噴霧錐體核心。胡帥等[4]研究了混合管路、噴霧粒徑和尿素噴射量對結晶的影響。

為了降低尿素沉積物的生成風險，通常在噴射器和催化器之間安裝混合器[5]?；旌掀鞯闹饕饔糜校?/p>

1）加強對尿素噴霧和廢氣的混合效果，加速尿素水溶液的蒸發(fā)和熱解；

2）促進NH3和廢氣的混合，提高進入催化器時的分布均勻性，有助于提高NOx的轉化效率；

3）調節(jié)噴霧流動方向，改變撞壁位置，減少液滴撞壁數(shù)量，降低產(chǎn)生尿素沉積物的風險。

但混合器會增加后處理的流阻，對油耗產(chǎn)生消極的影響。因此，SCR 混合器需要經(jīng)過精細設計，既要考慮降低尿素沉積物的生成風險，又要兼顧排氣背壓不能過大。

SCR 混合器的設計和優(yōu)化十分重要，如果通過試驗方法進行選型，不但耗費巨大的人力物力成本，而且周期較長。隨著計算流體力學（computational fluid dynamics，CFD）的迅速發(fā)展，仿真的準確度不斷提高。仿真在發(fā)動機行業(yè)內得到廣泛應用，在某些領域已逐步取代試驗，成為產(chǎn)品開發(fā)的必要手段。Sun Y.等[6]通過液膜厚度、HNCO 濃度和壁面溫度等指標評價結晶風險，發(fā)現(xiàn)壁面溫度與結晶風險的關聯(lián)度最高，同時認為433～463 K 是結晶風險較高的溫度區(qū)間。佟德輝等[7]基于CFD 對SCR 催化轉化器內流動性能進行數(shù)值模擬，提出了用流量不均勻性指數(shù)來評價多載體并聯(lián)式轉化器內載體間流量均勻性的方法。王謙等[8]采用FIRE 軟件對SCR 催化器的混合器結構進行仿真模擬研究，發(fā)現(xiàn)了葉片式、擋板式結構混合器對催化器內NH3分布均勻性的不同影響。葉片式的背壓更低，NOx的轉化效率提高約20%。并且發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)量越多，NH3分布均勻性越趨于穩(wěn)定。Schiller S.等[9]總結了傳統(tǒng)的SCR 混合器結構，并對各種結構混合器的性能進行了對比分析，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)SCR 混合器結構

2 SCR 混合器仿真模型

2.1 SCR 混合器幾何模型

本文以某發(fā)動機企業(yè)生產(chǎn)的國六柴油機作為試驗樣機，發(fā)動機主要技術參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動機主要技術參數(shù)

后處理系統(tǒng)包括DOC、DPF 和SCR，由于布置空間的限制，后處理采用U 型布置，從DPF 出口到SCR 催化器入口定義為混合器區(qū)域，包括U 型管路。通過3D 掃描得到用于仿真的幾何模型，如圖3所示。

圖3 SCR 混合器幾何結構

2.2 計算工況

為了快速選出易結晶的工況，本文引用Schiller S.等[9]總結的能量因子EER，該方法已在韓峰等[10]的研究中得到驗證。EER 的計算方法為廢氣中的可用能量與初始溫度為70 ℃時水蒸發(fā)所需能量之比，數(shù)據(jù)越大，結晶風險越低。計算公式如下：

計算工況見表2。其中，標定工況用于評估混合器壓力損失。

表2 計算工況

2.3 CFD 模型設置

本文使用CONVERGE 2.4 版本軟件進行仿真計算，在計算過程中，實時自動創(chuàng)建高質量的正交六面體網(wǎng)格，并基于幾何切割邊界，保留真實幾何結構?；A網(wǎng)格為8 mm，計算過程中會根據(jù)速度場和溫度場進行自適應加密，最小網(wǎng)格為1 mm。

計算流體域是SCR 混合器段，計算邊界采用流量入口和壓力出口，傳遞方程通過二階梯度有限體積法，由PISO 算法求解。湍流由RNG k-ε RANS 模型模擬，液滴破碎采用Taylor Analogy Breakup 模型模擬，液滴受到的拖拽由動態(tài)拖拽模型模擬，液滴的湍流擴散由O′Rourke 模型模擬。

本文采用熔融狀態(tài)的尿素狀態(tài)模型模擬尿素水溶液蒸發(fā)和NH3生成，熔融狀態(tài)的尿素被假設成固體球型，直接分解成NH3和HNCO，粒徑的減小由阿尼雷烏斯關系式?jīng)Q定[11]。尿素噴射器結構及參數(shù)如圖4 所示。

圖4 尿素噴射器結構及參數(shù)

3 仿真結果分析

3.1 原機SCR 混合器存在的問題

根據(jù)臺架試驗和市場反饋，原機混合器容易發(fā)生尿素結晶問題，可觀測到的結晶位置在尿素噴霧落點附近，如圖5 所示。

圖5 尿素結晶位置

通過對上述3 個工況的仿真分析，發(fā)現(xiàn)原機SCR 混合器主要存在的問題如下：

1）混合器壓力損失較大。壓降是SCR 設計的重要指標，在標定工況，整個后處理的壓降是32.3kPa，其中SCR 混合器產(chǎn)生的壓力損失達13.7kPa，與仿真結果一致，約占42%，是排氣背壓高的主要原因。通過分析還發(fā)現(xiàn)，SCR 混合器內部以噴射腔的壓力損失最大，如圖6 所示。

圖6 SCR 混合器內部壓力場分布

2）尿素噴射腔內空氣利用率低。尿素噴射腔利用兩側進氣，受氣流大小和脈沖影響較大，尿素噴束易被吹向一側，如圖7 所示。帶來的不良影響主要有兩個：一個是噴射腔內空氣利用率較低，廢氣與尿素混合效果差；另一個是尿素溶液在較集中的區(qū)域蒸發(fā)吸熱，降低了壁面溫度，加劇了尿素結晶風險。

圖7 尿素噴射落點的壁面溫度

3）存在流動死區(qū)，容易滯留大粒徑液滴。原機混合器局部存在流動死區(qū)，大粒徑液滴易在此處滯留，如圖8 所示。

圖8 尿素液滴聚集

從圖8 可以看出，氣體流動速度較低的區(qū)域恰好與壁面溫度較低的區(qū)域重合，此處待水分蒸發(fā)后容易產(chǎn)生尿素的沉積物。這與上述展示的結晶出現(xiàn)位置一致。

3.2 SCR 混合器優(yōu)化

針對原機混合器存在的問題，對混合器結構進行了優(yōu)化，優(yōu)化前后混合器結構的對比如圖9 所示。

圖9 混合器優(yōu)化前后結構對比

主要的結構變化有：

1）去除整流板A，以減小壓力損失；

2）尿素噴射腔改為周向進氣，降低氣流對尿素噴束的沖擊，同時產(chǎn)生一定渦流，提高噴射腔內空氣利用率；

3）尿素噴束落點增加旋流片，加強氣流擾動；

4）噴射腔底部打孔，減少流動死區(qū)；

5）擴大整流板B，提高SCR 載體前端速度和氨分布均勻性。

優(yōu)化后的混合器效果主要包括以下幾個方面：

1）混合器壓力損失降低，標定工況3 的壓力損失降低了5 kPa，如圖10 所示。Zheng G.等人發(fā)現(xiàn)，每增加1 kPa 的壓降會增加0.1%的油耗[12]。按照這種計算方法，標定工況油耗大約降低1 g/（kW·h）。

圖10 混合器壓力損失降低

2）尿素落點壁面溫度提高。當液滴與固體壁面溫差處于一定區(qū)域時，會產(chǎn)生萊頓弗羅斯特效應。針對尿素溶液，溫差在120 K，即壁面溫度在220 ℃以下時，萊頓弗羅斯特效應較明顯，液滴與壁面之間的傳熱系數(shù)下降明顯，尿素結晶風險增加[9]，如圖11 所示，其中，縱坐標qs″為單位面積的傳熱率。

圖11 沸騰相變

尿素噴射結束時（此時壁面溫度最低），優(yōu)化后尿素噴束落點（葉片）壁面溫度在300 ℃以上，如圖12 所示，明顯高于產(chǎn)生萊頓弗羅斯特效應的溫度，傳熱加強，尿素結晶風險降低。

圖12 尿素噴束落點壁面溫度提高

3）大粒徑的尿素水溶液顆粒減少。如圖13 所示。原機混合器由于存在流動死區(qū)，尿素噴射結束時，原機混合器內部滯留較多的大粒徑尿素顆粒，甚至噴射結束后的0.3 s 大粒徑顆粒仍然存在。一方面，大粒徑顆粒不易被氣流吹散，另一方面，水分蒸發(fā)后易產(chǎn)生尿素沉積物，這些都會加劇尿素結晶的風險。優(yōu)化后大粒徑顆粒明顯減少，而且顆粒存在時間較短，尤其是在低負荷、低溫情況下更是如此。

圖13 流動死區(qū)和大粒徑顆粒減少

4）SCR 載體前端NH3分布均勻性提高。如圖14所示。原機混合器的NH3分布偏向一側，導致另一側的催化劑利用率較低，進而降低了SCR 的轉化效率。

為了方便對比優(yōu)化前后的NH3分布均勻性，引入均勻性指數(shù)的概念，計算公式如下：

圖14 NH3 分布均勻性提高

式中：ci為單元網(wǎng)格內的NH3質量分數(shù)，%；cm為所選區(qū)域NH3平均質量分數(shù)，%；Ai為單元網(wǎng)格的面積，m2；A 為所選區(qū)域總面積，m2；n 為單元網(wǎng)格的數(shù)目。

優(yōu)化前后NH3分布均勻性對比見表3。

表3 SCR 載體前端NH3 分布均勻性對比

從表3 可以看出，優(yōu)化后的NH3分布均勻性明顯提高。同時，由于尿素分解速度增加，尿素噴射期間SCR 載體前端NH3濃度升高。

通過以上分析可以看出，優(yōu)化后不但降低了壓力損失，同時降低了產(chǎn)生尿素沉積物的風險。

4 結論

本文就SCR 結晶問題對原機SCR 混合器進行了仿真分析，指出了原機混合器設計存在的一些問題，針對這些問題提出了優(yōu)化方案，在研究過程中得到以下結論：

1）排氣背壓是影響發(fā)動機經(jīng)濟性的重要參數(shù)，本文在降低排氣背壓的同時優(yōu)化了SCR 混合器結構。

2）尿素噴射腔兩側進氣方式的空氣利用率低，而且氣流變化容易使噴霧方向發(fā)生改變。改為周向進氣后，進氣均勻性提高，同時產(chǎn)生的渦流使尿素噴霧和廢氣的混合效果明顯改善。

3）混合器內的流動死區(qū)既容易引起尿素大粒徑顆粒的滯留，也容易形成低溫區(qū)域，是最容易形成尿素沉積物的區(qū)域。本文通過結構改進，基本避免了這類區(qū)域的產(chǎn)生。

4）SCR 催化劑前NH3分布均勻性影響SCR 轉化效率，優(yōu)化后NH3分布均勻性得到改善，有助于提高SCR 轉化效率。