柴油機Urea_SCR混合器的設計選型分析

宋志良

摘要：基于我國對柴油機尾氣第六階段排放標準的限值和終端顧客的用車要求，提出對Urea ?SCR混合器的理論開發目標，通過對逐個開發目標的展開分析與討論識別出混合器選型設計的關鍵特性，進而從Urea ?SCR混合器的結構設計、材質定義、功能要求（包括壓降、流速均勻性、氨分布均勻性、抗結晶能力等）等方面進行初始設計選型，在計算機模擬仿真與分析的輔助下，不斷優化設計結構并最終得出最佳設計理論方案。

Abstract： Based on the emission standard of China VI and the requirement of customers， the theoretical development target of urea SCR mixer was proposed. Through the analysis and discussion of each development target， the key characteristics of mixer selection design were identified. Then， the initial design selection was carried out by structural design， material definition and functional requirements （including pressure drop， flow uniformity， ammonia distribution uniformity， and anti-crystallization ability， etc.） of Urea-SCR mixer. Under the assistance of computer simulation and analysis， the design structure was continuously optimized， and the best design theoretical scheme was finally obtained.

關鍵詞：柴油機;氮氧化物;Urea_SCR;混合器;選型

Key words： diesel engine;NOx;Urea ?SCR;mixer;selection

0 ?引言

常見的柴油發動機尾氣中的主要排放污染物是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM），其中氮氧化物占汽車排放總量的69.2%以上，是機動車氮氧化物排放的主要“貢獻者”。

為了有效抑制大氣環境的繼續惡化，我國政府制定了嚴格的柴油機尾氣排放限值要求。2001年，國家標準局正式頒布了GB17691-2001《車用壓燃式發動機排氣污染物排放限值及測量方法》，這就是大名鼎鼎的“國一”。2003年環保總局又發布國家第二階段機動車排放標準的公告，到了2007年，國三階段柴油機開始了電噴時代——高壓共軌的大門。在技術上來看，此時的柴油發動機設計技術并沒有多大改變，通過優化內部燃燒或高壓共軌就能達到法規排放限值，由此可見之前的柴油機排放是十分惡劣的。國四直到2014年才開啟，也是從那一刻起，柴油機的后處理時代來了，技術路線主要有EGR+DOC+POC、EGR+DPF或SCR等等。2017年，全面執行國五！與國四相比后處理系統采用SCR技術路線就更加普遍了，其中原因就是動力性和經濟性。2018年6月22日生態環境部發布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》并要求于2021年7月1日全面執行。（表1）

從排放標準內容對比看，第六階段排放標準對氮氧化物排放限值較國五階段加嚴了80%左右，而發動機尾氣中的氮氧化物的凈化主要依靠后處理系統的選擇性催化還原催化器（Selective Catalytic Reduction，簡寫SCR），其工作原理在于：根據柴油發動機實時運行工況，SCR系統控制器通過精準計算并驅動執行器將適量的尿素水溶液（濃度32.5%）噴射到排氣管中，在發動機尾氣溫度作用下，尿素水溶液快速水解為氨氣（NH3），在Urea_SCR混合器作用下與排氣尾氣充分混合均勻，基于SCR催化劑將尾氣中的氮氧化物還原成氮氣（N2）排出，具體化學反應公式如下：

由工作原理可知，在柴油機后處理系統正常工作的前提下，Urea_SCR混合器的選型直接決定著SCR催化劑還原反應的轉化效率。本文主要就是基于國六階段對柴油機尾氣排放的限值，提出對Urea_SCR混合器（Mixer）選型分析并基于計算機模擬仿真驗證和優化分析的一般方法。

1 ?Urea_SCR混合器開發目標

國六階段的柴油機后處理系統中的催化器主要由催化氧化器（DOC）、顆粒捕捉器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和消氨催化器（ASC）組成，其中消氨催化器（ASC）常集成在SCR催化器中， Urea_SCR混合器（Mixer）作為SCR系統中重要組成部分，布置其前端，如圖1所示。

國家第六階段排放法規明確規定了柴油機尾氣中氮氧化物的排放限值為0.4g/kWh（WHSC循環）和0.46g/kWh（WHTC循環），同時規定了氨（NH3）泄漏量不得超過10ppm，另外結合實際應用、整車用戶使用需求和經濟性指標，Urea_SCR混合器開發還需要關注針對尿素的抗結晶性能、材質耐尿素腐蝕性能和產品壓降。為確保上述性能，歸納出具體的混合器開發指標如表2所示。

為了達到混合器的上述功能指標，實現柴油機尾氣中的氮氧化物凈化需求和車輛實際使用需要，設計出一款關鍵特性均能達標的Urea_SCR混合器（Mixer）就尤為重要。

2 ?結構設計與材質選型

Urea_SCR混合器根據在尾氣后處理系統中的布置邊界和系統集成要求，可分為常規混合器和高效混合器，常規混合器主要應用于整車布置空間較為寬裕，可利用排氣管作為SCR部分混合腔提高混合均勻性的后處理系統中，常見于國四、國五階段SCR后處理系統中;而高效混合器多應用于整車布置空間較為緊湊，僅能依靠混合器自身的結構優勢或空間較狹小的排氣管作為混合腔實現發動機尾氣與尿素水解后的氨氣混合均勻，常應用于國六階段SCR后處理系統中，如圖2所示。

從工作原理來看，常規混合器相對簡單，其主要是讓排氣管中的發動機尾氣在經過混合器時產生沿著軸線旋轉渦流，然后排放尾氣在渦流的作用下與尿素水解的氨氣在混合腔中充分混合均勻通過SCR催化劑，在一定的排氣溫度下實現尾氣中氮氧化物的還原反應成為氨氣排出;而高效混合器就較為復雜，不僅要實現排氣管中發動機尾氣產生渦流，而且要改變氣流方向，如：由單一的軸向直線運動轉化為軸向旋轉，再由軸向旋轉轉化為軸向直線運動，實現尾氣與尿素水解的氨氣的高效混合，同時為防止尿素結晶，高效混合器一般帶有尿素破碎設計。目前，常規混合器和高效混合器常見的結構形式主要有以下幾種，如圖3所示。

在混合器的材質選型上，目前思路較為統一，主要是因為混合器的應用環境。在后處理系統中，混合器作為直接接觸尿素水溶液的部件，不得不考慮其耐尿素腐蝕性，同時混合器一般結構較為復雜，對成型性要求較高，尤其是國六階段的混合器，再結合產品成本的考慮，所以目前常選用的材質主要有：304不銹鋼、441不銹鋼、436或436L不銹鋼、904不銹鋼等，具體的材質參數對比如表3所示。

Urea_SCR混合器的結構設計形式多式多樣，材質定義也是各有不同，不同的后處理廠家會根據所選用的尿素噴射系統產品特性、應用場景以及顧客的特定需求開發不同的結構和定義材質以實現最佳匹配。

3 ?CFD分析與優化

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是研究Urea_SCR混合器性能最為常用的方法。本文將針對某型四缸國六柴油機（排量：2.8L）后處理的一款高效混合器（見圖4，代號為A，材質：441不銹鋼）進行模擬分析，分別從混合器的壓降、流場均勻性、氨分布均勻性、抗尿素結晶能力等方面評估混合器的性能并實現最優化設計。

基于三維模型運用ANSYS FLUENT軟件，結合該型柴油機工況信息和后處理系統的基本配置參數作為分析邊界和計算域對Urea-SCR混合器性能進行模擬分析，如表4所示。

3.1 混合器壓降分析

發動機排氣系統壓降直接決定著其動力性和燃油經濟性。當排氣背壓過大時，將會導致排氣阻力增加，排氣速率下降，最終會導致發動機燃燒效率降低，燃油經濟性變差，同時發動機的動力性能將會下降，高效混合器作為催化器重要組成部分，其結構較為復雜，一般壓降占比高，所以其壓降分析是后處理壓降控制的重要環節。

根據發動機的額定點廢氣流量和排溫參數，對該A型Urea ?SCR混合器及所配套的后處理催化器進行CFD壓降分析，如圖5所示。在額定點工況下混合器的壓降為7.11kPa，后處理器壓降為26.23kPa，滿足定義的30kPa工程目標要求。

3.2 流場均勻性分析

流場均勻性分析是模擬分析進入催化劑的尾氣截面速度是否均勻，只有均勻性達到一定要求后，才能確保尾氣與催化劑充分接觸，提升催化劑對尾氣中的有毒有害氣體的凈化效率。選取發動機的額定點廢氣流量和排溫參數下對該A型Urea ?SCR混合器及所配套的后處理催化器進行CFD流場均勻性分析，如圖6所示。設置有高效混合器的SCR在額定點工況下進氣端面的流場均勻性能夠達到97%，滿足表3定義的工程目標要求。

3.3 氨分布均勻性分析

在SCR系統的控制下要想排氣尾氣中的氮氧化物得到充分凈化，不僅需要排氣流程均勻，而且還要確保排氣尾氣與水解后的氨氣充分混合均勻，所以Urea ?SCR混合器作用下的氨分布是一個重要的考核指標。

在額定工況點和低溫工況點下，基于廢氣流量和排溫參數對該A型Urea-SCR混合器及所配套的后處理催化器進行CFD氨均勻性分析，如圖7所示。設置有高效混合器的SCR在額定點工況下進氣端面的流場均勻性能夠達到96.9%，在低溫工況下進氣端面的流場均勻性能夠達到98.7%，滿足表3定義的工程目標要求。

3.4 抗結晶能力分析

柴油機SCR系統所用的尿素水溶液濃度為32.5%，純正的尿素是白色固體，所以當溶液中水在高溫蒸發以后，尿素必然會產生結晶。為了防止SCR尿素噴射系統噴入到排氣管的尿素水溶液產生結晶，需要想辦法以最快的速度實現尿素水溶液水解為氨氣，這樣就要求噴入到排氣管中的尿素水溶液霧化效果好同時尿素粒徑越小越好，這樣便于水解反應的快速發生。對于Urea ?SCR混合器來說，作為直接接觸尿素水溶液的重要部件，抗結晶能力是一個重要的考核指標。

為了驗證Urea-SCR混合器抗結晶能力，一般選取發動機額定工況和低溫工況對混合器進行CFD分析，主要考核混合器表面的尿素液膜厚度，一般設置指標為液膜厚度≤1*10-5m。對于該A型高效混合器及所配套的后處理催化器進行CFD抗結晶性能分析，如圖8所示，可見在額定點工況下混合器表面液膜厚度為9.3*10-6m，在低溫工況下混合器表面液膜厚度為2.6*10-14m，均能滿足工程指標要求。

4 ?結論

本文通過結合法規與整車使用要求識別混合器的開發指標與關鍵特性，繼而提出一套混合器設計選型的方法，為今后柴油機后處理系統中Urea ?SCR混合器的開發設計指明一條切實有效的工作方向。

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