基于CFD分析的NOx傳感器監(jiān)測特性研究

卞增濤，王奉雙，劉興龍，李俊普，耿磊，李昭陽

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著排放法規(guī)逐漸升級，選擇性催化還原(SCR)后處理系統(tǒng)成為處理柴油機污染物的必不可少的裝置[1-3]。SCR后處理系統(tǒng)工作時向排氣管中噴入一定量的尿素水溶液，尿素水溶液經(jīng)過霧化、蒸發(fā)、熱解和水解過程生成氨氣，氨氣有選擇性還原催化劑的作用，能將廢氣中對環(huán)境和人體有害的NOx還原為N2，起到凈化發(fā)動機廢氣的作用。在國六柴油機后處理裝置中，SCR下游NOx傳感器監(jiān)測后處理系統(tǒng)排氣口尾氣中NOx的量，將信號反饋給ECU，修正尿素噴射量，對NOx排放起到閉環(huán)控制的作用。在柴油機臺架試驗中，存在NOx傳感器測量數(shù)據(jù)與臺架氣體分析儀不一致問題，原因在于NOx分布不均勻，NOx傳感器安裝位置附近NOx濃度過高或過低都會使測量數(shù)據(jù)偏離整體平均值，導(dǎo)致監(jiān)測不準(zhǔn)。對于NOx分布均勻性的研究，試驗難以獲得整個截面的數(shù)據(jù)，而計算機技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，為解決以上問題提供了方法。

計算流體力學(xué)(Computional Fluid Dynamics，CFD)是借助高性能計算機通過求解偏微分方程組來描述流體流動的數(shù)值模擬技術(shù)。通過求解流體的控制方程以及建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，流體域內(nèi)的速度場、壓力場、溫度場以及尿素噴霧分布等得到求解，并可以直觀地由云圖、矢量圖和流線圖等表示出來。

本研究應(yīng)用商業(yè)CFD仿真軟件Fluent來模擬SCR載體前端面及下游NOx傳感器安裝位置的氨分布均勻性，研究NOx傳感器監(jiān)測準(zhǔn)確性問題。針對兩種SCR后處理方案，分析了尿素噴霧的形態(tài)及蒸發(fā)分解過程，對NOx傳感器安裝位置氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏差進行評估，并通過發(fā)動機臺架試驗進行了對比，驗證了分析的可信性。CFD仿真計算不考慮催化還原反應(yīng)過程，只考慮氨在SCR催化器前后濃度分布情況，來間接反映催化器后端NOx分布不均勻情況。

1 SCR后處理系統(tǒng)仿真模型建立

1.1 SCR后處理系統(tǒng)模型及網(wǎng)格劃分

研究對象為一臺排量為3 L的國六柴油機，圖1示出該柴油機兩種結(jié)構(gòu)后處理系統(tǒng)布置方案，包括DOC、DPF、尿素噴嘴及混合器、SCR等組成部分，下游NOx傳感器布置在SCR載體后錐管上。方案二結(jié)構(gòu)相較方案一而言，唯一不同點是在SCR載體后NOx傳感器前增加了螺旋混合結(jié)構(gòu)。

圖1 兩種后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

采用ICEM軟件進行后處理系統(tǒng)網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格選用四面體網(wǎng)格，全局尺寸設(shè)定為8 mm。為提高尿素噴霧發(fā)展模擬的準(zhǔn)確性，對混合器和噴霧發(fā)展區(qū)域進行局部加密，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為3 mm。DOC、DPF和SCR載體區(qū)域選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為6 mm(見圖2)。

圖2 兩種方案網(wǎng)格劃分

1.2 CFD物理模型的設(shè)置

整個計算域中，通過有限體積法求解守恒方程，后處理系統(tǒng)大包入口流速在50 m/s以上，入口雷諾數(shù)為49 000以上，內(nèi)部氣流為湍流運動，將5%進口平均速度的平方設(shè)定為湍動能值，特征長度值設(shè)定為進口直徑的10%[4]。數(shù)值仿真模型見表1。

表1 數(shù)值仿真模型

催化劑載體為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，CFD仿真將其簡化為多孔介質(zhì)模型，多孔介質(zhì)模型是在標(biāo)準(zhǔn)的動量方程后加上動量源項，包括黏性損失項和慣性損失項[5]。

(1)

式中：Si為第i個動量方程中的源項；μ為流體黏度；ρ為流體密度；|v|為速度大小；vj為x，y或z方向上的速度分量，j=1,2,3；D和C是給定矩陣。該源項是多孔介質(zhì)中壓力梯度產(chǎn)生的原因。

SCR后處理系統(tǒng)采用博世非氣助尿素噴射系統(tǒng)，表2示出尿素噴嘴的相關(guān)參數(shù)。CFD仿真采用離散相模型(DPM)模擬噴霧運動[6]，該模型根據(jù)歐拉-拉格朗日方法建立，將流體作為連續(xù)介質(zhì)，求解N-S方程；將噴霧液滴顆粒作為離散介質(zhì)，可以與流體交換質(zhì)量、動量和能量，通過追蹤大量顆粒的運動軌跡來求解。

表2 尿素噴嘴和噴霧參數(shù)

選取3 L柴油機SCR下游NOx傳感器處3種典型工況進行分析(見表3)。仿真過程為先計算穩(wěn)態(tài)內(nèi)部流場，至流場完全收斂，然后加入尿素噴射，以瞬態(tài)求解方式計算尿素噴霧的發(fā)展和氨分布。

表3 計算工況

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 尿素噴霧軌跡

尿素噴霧軌跡指尿素液滴顆粒從噴嘴噴射出來后的運動軌跡，其受發(fā)動機廢氣氣流、混合器結(jié)構(gòu)和尿素噴嘴自身性能影響，可以反映出尿素液滴顆粒受熱蒸發(fā)的情況，從而進一步反映出氨氣的濃度分布。圖3示出兩種后處理方案在計算工況點1的尿素噴霧軌跡?？梢钥吹酱蠖鄶?shù)尿素液滴以一定錐角向下發(fā)展，直到打到混合器多孔板及底部殼體上，并且分解為粒徑更小的尿素液滴(見圖3下部深色顆粒)。其原因是尿素噴嘴3個噴孔向斜下方，混合器中氣流流動方向也向下。同樣受這兩個因素影響，工況點2和工況點3下的噴霧軌跡類似于圖3。

圖3 尿素噴霧軌跡

2.2 混合器附近氨氣分布

從以上尿素噴霧軌跡可知，絕大多數(shù)尿素液滴與混合器的接觸位置在底部殼體上，受熱分解為更小粒徑的液滴。液滴進一步吸收傳導(dǎo)自殼體的熱量，則會蒸發(fā)氣化，尿素發(fā)生熱解，產(chǎn)生氣態(tài)的氨氣，所以尿素落點位置的氨氣量應(yīng)該最多。圖4示出方案一和方案二在工況點1下混合器附近的氨氣分布?？梢钥吹桨睔赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的位置位于尿素噴霧在混合器的落點附近，這一結(jié)果與以上分析一致。同樣地，工況點2和工況點3下的混合器氨氣分布類似于圖4。

圖4 混合器附近氨氣分布

2.3 SCR下游流場軌跡

方案一和方案二的差異在于SCR載體后有無安裝螺旋混合結(jié)構(gòu)，SCR下游流場的形態(tài)必然受該差異影響發(fā)生改變，包括氨氣在內(nèi)的氣體組分間的混合會受到流場對流擴散影響，而流場形態(tài)的改變則會影響到氨分布的均勻性。圖5示出兩種方案在工況點1下的SCR下游流場軌跡。從圖中可以看到，方案一的流速軌跡基本沿著后處理系統(tǒng)箱體軸線向后發(fā)展，流場各部分互相影響較??；方案二的流速受到螺旋結(jié)構(gòu)的約束，形成了強烈的旋流，流場各部分之間混合效果明顯。據(jù)此分析方案二的組分均勻性更好。

圖5 SCR下游流場軌跡

2.4 氨分布均勻性

混合器方案影響尿素的霧化程度，催化劑前端面氨混合均勻性是評價催化器設(shè)計優(yōu)劣的重要指標(biāo)[7-10]。氨分布均勻性指數(shù)定義為

(2)

圖6中A和B分別表示SCR載體前端面和NOx傳感器安裝位置截面，C點表示NOx傳感器探頭位置。仿真得到了SCR載體前端面A和NOx傳感器安裝位置截面B的氨分布云圖及氨分布均勻性指數(shù)，最后比較了C點的氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與截面B的氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的偏差占比。

2.4.1 方案一氨分布均勻性

方案一后處理系統(tǒng)截面A和截面B的氨分布云圖分別見圖7和圖8?？梢钥吹?個工況下，在中下部氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，上半部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小。

圖7 方案一截面A氨分布云圖

圖8 方案一截面B氨分布云圖

柴油機排氣中NOx濃度是均勻分布的，NH3混合均勻性指數(shù)小意味著NH3在廢氣中分布不均，各區(qū)域NH3與NOx物質(zhì)的量之比不同。部分區(qū)域NH3過多，NOx轉(zhuǎn)化效率足夠高，SCR下游NOx的逃逸量較少；部分區(qū)域NH3濃度不足，則不能達到理想的NOx轉(zhuǎn)化效率[11]，下游NOx的逃逸量較多。因此還原劑NH3分布不均勻，直接影響到SCR下游逃逸的NOx的分布均勻性。

表4示出氨分布均勻性指數(shù)。3個工況下，截面A和截面B的指數(shù)分別在0.94和0.96左右。通常認為均勻性指數(shù)達到0.99即足夠均勻，因此本研究中氨分布均勻性還有較大提升空間。結(jié)合圖7和圖8及表4總體看來，氨氣分布并未足夠均勻，存在局部過大或過小現(xiàn)象，因此會導(dǎo)致SCR下游逃逸的NOx的分布均勻性較差。

表4 方案一氨分布均勻性指數(shù)

氨分布的不均勻是下游NOx傳感器監(jiān)測不準(zhǔn)確的主要原因，為了精確衡量監(jiān)測值的差異，本研究考慮局部氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差。表5示出NOx傳感器探頭監(jiān)測點C的氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、傳感器安裝截面B的氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及兩者的偏差占比。可以看到偏差占比在11%～15%，反映出NOx傳感器監(jiān)測的值和實際值有較大的差異。

表5 方案一氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及偏差

2.4.2 方案二氨分布均勻性

方案二后處理系統(tǒng)截面A和截面B的氨分布云圖分別見圖9和圖10。從圖中可以看到，由于混合器未作優(yōu)化，SCR載體前端面的氨分布均勻程度依然較差；而SCR催化劑后加裝混合裝置，使得下游氨分布足夠均勻。

圖9 方案二截面A氨分布云圖

圖10 方案二截面B氨分布云圖

排氣流場對氨氣分布有著重要的影響，排氣速度的大小及旋流程度會強烈影響氨氣組分間的混合。方案二的SCR催化劑后排氣流場發(fā)生了極大改變，由于螺旋結(jié)構(gòu)對氣流的引導(dǎo)作用，氣流形成了強烈的旋流。在旋流氣流的攪動作用下，空間不同位置的氣體組分間發(fā)生對流與擴散，互相混合，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低的地方得到補充，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的地方被稀釋，因此氨均勻性得到極大的提升。表6示出氨分布均勻性指數(shù)。

表6 方案二氨分布均勻性指數(shù)

表7示出方案二氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿真結(jié)果?？梢钥吹絅Ox傳感器安裝位置C點的氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)與截面B氨氣平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異降低到非常小，偏差占比下降到0.5%附近。

表7 方案二氨氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)及偏差

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

采用CFD方法分析NOx傳感器監(jiān)測偏差原因后，利用發(fā)動機臺架試驗進行仿真結(jié)論的驗證。圖11示出臺架布置情況。該臺架包括發(fā)動機、SCR后處理系統(tǒng)、測功機及控制系統(tǒng)、發(fā)動機燃油供給及油耗測量系統(tǒng)、多組分排放分析儀等。表8示出發(fā)動機基本參數(shù)，表9示出測試儀器與儀表。

圖11 臺架布置

表8 發(fā)動機基本參數(shù)

表9 試驗儀器與儀表

3.2 試驗方法

試驗中通過調(diào)整使發(fā)動機排氣流量和溫度穩(wěn)定在表3給定的各個工況點，尿素噴射系統(tǒng)按照表3中各工況下噴射量進行噴射。試驗使用多組分排放分析儀測量尾管中NOx的含量，同時SCR后處理系統(tǒng)上的NOx傳感器監(jiān)測安裝座附近NOx的含量。在每個工況點，等待臺架穩(wěn)定2 min后進行第一次測量，然后穩(wěn)定運行5 min后進行第二次測量。最后將兩次測量值取平均，得到該工況點下的最終測量值。

3.3 試驗結(jié)果

從表10可以看出，方案一的NOx傳感器測量值不準(zhǔn)，與排放分析儀的測量值之間存在較大差異。3個工況點NOx傳感器監(jiān)測值與排放分析儀測量值的偏差占比在12%～20%，且都是NOx傳感器測量值偏大。證明由于SCR局部還原劑氨氣不足造成NOx轉(zhuǎn)化效率低，從而導(dǎo)致下游逃逸NOx局部區(qū)域過高，所以NOx傳感器測量值偏大。

表10 方案一試驗結(jié)果

從表11可以看出，方案二的NOx傳感器測量值是準(zhǔn)確的，與排放分析儀的測量值基本一致，在3個工況點兩者偏差占比在1.5%～3%之間。證明了螺旋混合裝置促進了排氣組分間的混合，改善了SCR下游NOx的均勻性。

表11 方案二試驗結(jié)果

圖12示出兩種方案的仿真與試驗結(jié)果對比。從圖12可以看出，仿真和試驗偏差占比的趨勢是吻合的。方案一的仿真與試驗結(jié)果均顯示NOx傳感器測量點的值與平均值存在較大差異，而方案二不存在大的差異。該結(jié)果證明了基于CFD分析的結(jié)論的可靠性。

圖12 兩種方案仿真與試驗對比

4 結(jié)論

a)CFD計算仿真結(jié)果表明，對于兩種后處理方案，尿素噴霧蒸發(fā)分解大部分集中在混合器底部殼體，此處氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠高于混合器其他地方；SCR前端面的氨濃度分布呈現(xiàn)為中下部高上部低，導(dǎo)致催化器NOx的催化還原率在同一橫截面上分布不均勻；

b)CFD計算結(jié)果表明，第一種后處理方案在SCR后未加混合裝置，所以SCR下游的氨分布不均勻，表現(xiàn)為局部高、局部低，NOx傳感器探頭位置C和截面B的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在差異，偏差占比在11%～15%；第二種后處理方案SCR下游增加了混合裝置，極大改善了SCR下游的氨氣分布均勻性，NOx傳感器探頭位置C和截面B的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏差在0.5%左右；

c)試驗結(jié)果表明，方案一NOx傳感器測量不準(zhǔn)確，方案二NOx傳感器測量是準(zhǔn)確的；同時在偏差占比方面仿真和試驗的趨勢是吻合的，證明了基于CFD分析的結(jié)論的可信性。