車用柴油機SCR混合段結構優化設計

方今朝，劉會猛，高超，董昕，張選國，李光義

1.萬向通達股份公司 技術中心，湖北 武漢 430056；2.華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074

0 引言

國六排放標準對車用柴油機NOx排放限值要求更加嚴格，降低NOx排放是必須解決的主要問題之一。選擇性催化還原(selective catalytic redution，SCR)對發動機燃燒的影響小、結構布置容易、對發動機的動力性和經濟性影響小，是目前降低NOx排放的主流技術。重型柴油車NOx排放限值由國五排放標準要求的2 g/(kW·h)大幅降低至國六排放標準要求的0.46 g/(kW·h)，相應地對SCR系統的性能要求也明顯提高[1-4]。

性能良好的SCR系統要求NOx轉化效率高、排氣阻力損失小、結構緊湊、對發動機工況變化的響應速度快，并且應避免產生尿素結晶。為此，SCR混合段設計時應進行結構優化，提高流場速度的均勻性和氨均勻性，避免尿素液沉積，控制尿素結晶，降低排氣阻力。后處理系統的很多研究結合尿素液噴霧混合過程，采用模擬仿真和試驗方法。Zhang等[5]對NH3-SCR系統三角翼流動混合器的混合特性進行了三維模擬，分析了葉片混合器形狀、位置、葉片數量對混合性能的影響，發現葉片混合器安裝在尿素噴嘴下游可以快速提高混合均勻性，但尿素噴嘴距離載體較遠時葉片混合器安裝在尿素噴嘴上游更有利于提高混合均勻性；葉片扭曲產生的旋流在尿素噴嘴距離載體較遠時可以改善混合均勻性；混合器葉片數量為3的混合效果比葉片數量為6時提高8%，壓力損失減少5.3～13.0 kPa。溫苗苗[6]運用三維模擬的方法，分析了不同混合段結構的系統壓降和速度場均勻性、氨均勻性，研究發現轉向型SCR系統結構壓降小且流場均勻性最好；在錐形SCR進口段中加裝孔板混合結構會改善流場均勻性，但導致排氣壓降損失增加1～3 kPa。趙彥光等[7]設計了2種分別帶4個葉片和8個葉片的混合器，葉片結構與文獻[5]中的不同，不產生旋流運動，試驗研究了2種混合器的壓降損失和對NOx轉化效率的影響，表明8個葉片混合器的壓力損失比4個葉片混合器的壓力損失小，且混合器可使SCR系統NOx轉化效率最高提升10%。

混合段設計中采用不同結構混合器的主要作用是：增強流場的湍流強度，改善混合；使排氣氣流產生偏轉，從而可以在不增加排氣管長度的情況下增加尿素液與排氣氣流的混合時間，以及尿素液的熱解、水解時間，提高流場速度的均勻性和氨均勻性；使排氣氣流產生螺旋運動，在不增加排氣管長度的情況下增加混合時間，并利用尿素液和排氣的密度差強化混合過程。

近年來，隨著排放標準要求的日益提高，柴油機排氣后處理必須結合SCR、柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)等多項技術才能滿足排放標準要求[8-9]。為了節省安裝空間，出現了各種緊湊型、集成式的排氣后處理設計方案。Seo[10]在設計重載車用柴油機的DPF和SCR封裝裝置時，發現將尿素噴嘴設置在連接彎管處時，尿素噴霧容易在彎管處沉積，形成濕壁現象，產生結晶；而將尿素噴嘴設置在DPF后處理裝置末端，同時利用帶孔隔板，形成氣體擾流，可加速尿素噴霧與尾氣間的換熱，避免形成結晶。Alano等[11]為一臺1.6 L的4缸柴油機設計了一款緊湊型螺旋式混合器BlueBox，將混合距離由400 mm縮短至小于75 mm，在維持壓降不變的條件下使氨均勻性達0.95以上。Neusser等[12]在大眾渦輪增壓直接噴射歐VI柴油機開發過程中，采用帶SCR涂層的顆粒過濾器，將SCR和顆粒過濾器集成起來，減小了后處理裝置體積，與采用獨立的SCR裝置相比，在冷起動和低負荷下排氣溫度可提高30 K，不需要在發動機上采取專門措施提高排溫。Michelin等[13]為提高混合均勻性和減小后處理裝置體積，設計了U型連接的DOC-SCR/DPF后處理裝置結構，氣流轉向角度為180°，計算流體動力學模擬結果表明，在排氣質量流量為450 kg/h時，氨均勻性可達0.96，發動機試驗臺架測試結果表明NOx排放可滿足歐VI標準。

不同發動機對SCR的要求一致，但混合段結構需要結合發動機的具體工作參數和空間布置進行設計。本文中針對某車用柴油機SCR系統進行混合段結構優化設計，著重解決尿素沉積結晶和流場均勻性問題，以滿足國六排放標準的要求。

1 結構方案

車用柴油機的主要參數如表1所示。為滿足國六排放標準要求，使用DOC-DPF-SCR等多種后處理技術組合方案，采用筒式結構封裝，總體結構如圖1所示。

表1 柴油機主要參數

圖1 排氣后處理總體結構

為保證NOx轉化效率高，必須保證SCR催化反應段入口氣體速度均勻性和氨體積均勻性(以下簡稱氨均勻性)符合要求。速度均勻性影響催化反應段的NOx催化轉化性能，氨均勻性能直接決定NOx轉化效率。氨氮摩爾比(以下簡稱氨氮比)基本不影響速度均勻性，但對氨均勻性影響明顯。氨氮比越大，尿素液噴霧越難以混合均勻，水解、熱解氨均勻性越低[14]。在一定的氨氮比下，排氣流量和排氣溫度是影響尿素結晶以及氨均勻性的主要因素。為滿足國六排放標準限值要求，需提高氨氮比，由此帶來結晶和氨均勻性問題，相比國五排放標準階段更難以解決。采取以下分級的辦法解決結晶和氨均勻性：1)噴霧混合腔進行初步混合，盡量避免結晶；2)為提高均勻性，可增加混流板。具體包括在混合段僅布置混合腔和在混合腔后再布置混流板2種方案?；炝靼褰Y構有2種，如圖2所示，其中混流板1為扇葉結構，混流板2為網孔板結構。

a)混流板1 b)混流板2

2 仿真分析

為分析流場均勻性，應用Fluent軟件對混合段進行了三維流場模擬分析，計算網格如圖3所示，網格采用局部加密方式：特征線段至少設置4個節點，連結面限定節點最大距離為0.2 mm；節點數為1 084 331，網格單元數為5 123 242。

圖3 模擬分析網絡

混合均勻性因數[15]

基于以上定義，當氨混合均勻、截面中任意方向的氨質量濃度梯度均為0或截面處氣體的流速均一致時，均勻性因數最大，為1；當參數N集中于一點時均勻性因數最小，為0。

計算工況的排氣質量流量、SCR入口排氣溫度和尿素液噴射質量流量等參數如表2所示，不同工況時基于體積的EGR混合器內氣體速度場仿真計算結果如圖4～6所示。

表2 計算工況主要參數

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

由圖4～6和式(1)可知：1)工況1下，無混流板的EGR混合器內氣體的速度均勻性為0.945，混流板1為0.965，混流板2為0.991；2)工況2下，無混流板的EGR混合器內氣體的速度均勻性為0.925，混流板1為0.955，混流板2為0.988；3)工況3下，無混流板的EGR混合器內氣體的速度均勻性為0.951，混流板1為0.972，混流板2為0.993；4)3種工況下沒有混流板時，EGR混合器內氣體流速均勻性較差，帶混流板2的流速均勻性最好。

基于體積算法(參與均勻性積分計算的單元是有限元單元格賦值乘以有限元單元格體積)的氨的摩爾分數仿真計算結果如圖7～9所示。

由圖7～9及式(1)可知：1)工況1下，無混流板的EGR混合器內氣體中氨均勻性為0.952，混流板1為0.970，混流板2為0.985；2)工況2下，無混流板的EGR混合器內氣體的氨均勻性為0.934，混流板1為0.965，混流板2為0.987；3)工況3下，無混流板的EGR混合器內氣體的氨均勻性為0.964，混流板1為0.982，混流板2為0.990；4)3種工況下均以帶混流板2的EGR混合器內氣體的氨均勻性最好，均不低于0.985。

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無混流板 b)混流板1 c)混流板2

3 試驗考核

3.1 抗結晶試驗

為考核混合段的實際效果，進行發動機臺架試驗?？菇Y晶試驗工況如表3所示，主要測試設備及型號如表4所示。

表3 抗結晶試驗工況

表4 主要試驗設備及其型號

根據發動機后處理系統匹配要求，按照表3中工況，對裝配3種混合器的發動機進行抗結晶試驗。運行18 h后，測量3種結構混合器的尿素結晶均不超過1.0 g。發動機生產企業要求運行18 h后，后處理器總質量增加小于2 g，符合匹配要求。

發動機臺架試驗結果表明：不帶混流板時后處理器排氣阻力為22 kPa；2種帶混流板的后處理器排氣阻力基本相同，均為24 kPa；與帶混流板相比，不帶混流板時后處理器的排氣阻力小2 kPa。

3.2 均勻性試驗

進行均勻性考核尤其是氨均勻性考核時，直接測量催化反應段入口的均勻性費用高、時間長。由于一定的排氣成分、溫度、流量下，氨氮比相同時，均勻性與NOx轉化效率正相關，轉化效率越高，均勻性越好。因此，可以在發動機臺架上直接測量NOx的轉化效率，用轉化效率評估均勻性。均勻性試驗包括3種工況：排氣溫度均為350 ℃，空速分別為20 000、40 000、60 000 h-1?？账贋?0 000 h-1時3種混合段結構下的NOx轉化效率測量結果如圖10所示，帶混流板2時3種空速下的NOx轉化效率如圖11所示。

圖10 空速為60 000 h-1時3種結構的NOx轉化效率 圖11 3種空速下混流板2的NOx轉化效率

由圖10可知：NOx轉化效率隨氨氮比的增加而增大，氨氮比較小時，不同工況下的轉化效率差別不大，在氨氮比為1時，3種混合段結構中，無混流板的NOx轉化效率最低，帶混流板2的轉化效率最高，表明帶混流板2的混合段均勻性最好，測試結果與模擬計算結果相吻合；隨著氨氮比增大，NOx的轉化效率上升，氨氮比達到化學當量比時，不能保證100%的NOx轉化率；氨氮比大于1.0可以提高NOx轉化效率。由圖11可知：采用混流板2后，氨氮當量比為1.2時，不同空速下NOx轉化效率基本相同，均高于99%。

4 結論

1)不同氨氮比下，NOx的轉化效率與SCR混合段的流場均勻性有比較好的一致性，轉化效率越高，均勻性越好。

2)氨氮比達到化學當量比時不能保證NOx轉化效率為100%，氨氮當量比必須超過化學當量比，才能進一步提高轉化效率。

3)SCR混合段增加混流板可顯著提高均勻性，其中網孔板結構的混流板的NOx轉化效率優于扇葉結構混流板。