空氣輔助式SCR 系統非圓形噴孔噴霧速度場研究

葉麗華 ,李杰，施愛平

（1.212013 江蘇省 鎮江市 江蘇大學 汽車與交通工程學院；2.212013 江蘇省 鎮江市 江蘇大學 農業工程學院）

0 引言

選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR）是柴油機動車尾氣凈化環節中控制氮氧化物（NOX）排放最為關鍵的技術。在SCR系統中，核心部件是尿素噴射系統，尿素水溶液的噴霧特性直接影響尿素的分解及其與排氣的混合，從而影響NOX的轉化效率[1-6]。

根據尿素溶液的霧化方式可分為空氣輔助式和非空氣輔助式尿素噴射系統，許多研究表明，空氣輔助式噴射系統更有助于尿素溶液的霧化。趙英良[7]等分析了兩種噴射系統的硬件結構、工作過程及整車匹配需求差異等技術差異，結果表明空氣輔助式系統優勢明顯，尿素轉化效率高；華倫[8]等利用高速攝影技術和粒子動態分析儀對這2 種SCR 尿素噴射系統進行了比較，發現隨著尿素溶液噴射速率的提高，空氣輔助噴射系統的噴霧貫穿距增大，噴霧錐角變小，噴霧液滴粒徑明顯小于無空氣輔助噴射系統，因而具有良好的噴霧特性。

許多學者通過實驗方法研究了尿素水溶液（Urea Water Solution，UWS）的噴霧特性，并且使用光學技術完成了相關研究。SPITERI[9]等使用陰影成像技術和PIV 系統，在不同試驗條件下研究了壓力式噴嘴的噴霧霧化特性，并用PIV 分析的速度場表明噴射工況對噴霧的夾帶效果影響很大。PAYRI[10]等研究了UWS 噴射系統的液滴霧化過程，發現增加噴射壓力會產生軸向上具有較高速度的較小顆粒。

迄今為止，大部分的噴霧特性研究都基于圓形噴孔進行，很少涉及非圓形噴孔。國內外一些學者研究發現，非圓形噴孔在很大程度上能夠改善噴霧質量。QUINN[11]通過實驗比較了三角形和圓形噴孔的噴霧特性，測量了平均速度的3 個分量，從實測數據中獲得了平均流向渦度，湍流動能和平均流向速度中的局部剪切力，發現等邊三角形射流的能量要比圓形噴孔高，并且等邊三角形噴孔的近場混合速率比等腰三角形噴孔和圓形噴孔快。KASYAP等[12]通過實驗方法研究了在靜止空氣條件下，橢圓形和圓形噴孔的液體噴霧行為。觀察到了橢圓形噴霧的軸切換現象，即在短軸平面內噴射寬度較大，然后在下游的地方變成圓形，最終沿射流軸線反轉。綜上可知非圓形噴孔通常會有較好的噴霧特性，從而提供更好的混合質量。而液滴速度影響尿素水溶液與尾氣的混合質量，本文對空氣輔助式SCR 系統非圓形噴孔的噴霧速度場進行研究。

1 試驗材料與方法

考慮到影響噴霧特性的物理因素，特別是表面張力和粘度，對于純凈水和尿素水溶液是相似的，孟雪峰[13]等通過實驗對尿素溶液以及純凈水進行對比分析，發現用純凈水代替尿素溶液是可行的，所以本次實驗中同樣以純凈水替代尿素溶液進行噴霧試驗，避免尿素水溶液對設備的污染。圖1 為試驗所設計的噴嘴，為了控制誤差以及節約試驗成本，在圓孔盤中心利用電火花加工技術進行開孔，所開噴孔形狀以及尺寸如表1 所示。為了探究噴孔形狀對噴霧特性影響，非圓形噴孔出口截面積在誤差范圍內認為與圓形噴孔面積相同。

圖1 噴嘴裝配結構尺寸Fig.1 Model of nozzle assembly

表1 噴孔參數Tab.1 Orifice parameters

圖2 為實驗系統示意圖，系統由空氣輔助式尿素噴射系統和PIV 測量系統組成。使用空氣壓縮機提供噴射壓力，壓縮機可提供的最大壓力為0.8 MPa。水泵流量范圍為100～7 000 ml/h，水流量由計算機通過USB-CAN II 適配器精確控制。通過調壓閥將壓縮空氣的壓力控制在一個恒定值，然后在壓縮空氣的幫助下將水輸送到噴嘴，水和空氣在噴嘴內部相互作用后同時從噴孔噴出。

圖2 試驗系統圖Fig.2 Diagram of experiment setup

PIV 測量系統主要由雙脈沖摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器、同步控制器、CCD 相機和圖像處理分析軟件。激光波長為532 nm，CCD 相機用于圖像采集，為了更清晰準確地獲取數據，將熒光顆粒添加到水中。激光束通過L 形圓柱棱鏡組擴展，以形成厚度為1 mm 的光片。可以旋轉片狀光學器件以調整光的方向，以更好地照亮測試流場。為了在光片區域捕獲數據，應將CCD 相機垂直于光片光學器件放置。同步控制器同步控制激光和CCD 攝像機的觸發。同步控制器同時生成周期性的脈沖觸發信號和多個延遲的觸發信號，這些信號使激光器、CCD 相機和圖像采集軟件協同工作。通過高分辨率 CCD 相機連續兩次（t1、t2時刻，時間間隔Δt）拍攝記錄示蹤粒子在流場空間的瞬時位置，經過圖像處理識別出兩幀圖像上對應的示蹤粒子，利用互相關分析方法，求出時間間隔Δt 內噴霧的速度場，最后分別提取粒子軸向和徑向速度進行分析。

2 試驗結果

2.1 噴射工況對軸向速度場的影響

噴射速率為3 000 ml/h 時，不同噴射壓力下3種噴孔出口平均速度沿軸向變化的情況如圖3 所示。對于圓形噴孔，測量平面是長軸所在平面，對于三角形噴孔，測量平面是三角形高度所在的平面。對于3 種噴孔，可以看出噴霧速度沿噴射軸線先增大然后減小。這是由于霧化的液滴離開噴嘴后，由于缺乏外力，并受到空氣阻力和液滴間相互作用的影響，液滴的加速度逐漸減小，從而導致液滴速度先增大然后減小。

圖3 噴霧軸向速度隨噴射壓力變化情況Fig.3 Variation of axial velocity under a constant injection at different air pressure

對比各個噴孔噴霧的峰值速度，可以發現圓形噴孔噴霧的軸向速度隨著噴射壓力的增加先升后降。具體為：當壓力小于0.5 MPa 時，噴霧速度隨著噴射壓力的增加而增加，速度最大值約為17.5 m/s；當噴射壓力達到0.6 MPa 時，噴霧速度會下降。三角形噴孔噴霧具有與圓形噴孔相同的現象，速度最大值約為17.5 m/s。KIM[14]等發現在試驗工況下，噴嘴中存在環狀流動，液體碎裂成軸向運動的液線和液滴，氣體在噴嘴的中部形成氣柱，液相則繞噴孔內壁一周形成環形液膜。在噴射氣體和液體之前，混合過程伴隨著劇烈的相互作用，從而增加了液體的表面能。當氣體到達噴嘴出口時，壓力高于環境壓力，氣體進一步膨脹和加速，然后在氣體和液體之間產生更高的相對速度。因此，當液體噴射速率恒定時，隨著噴射壓力的增加，空氣和水的相互作用變得更加強烈。在這一階段，空氣的強烈運動加強了水與空氣的混合過程，導致水和空氣間的相對速度隨噴射壓力的升高而升高。但是氣體和液體在霧化器的密閉空間中混合，當噴射壓力達到0.6 MPa 時，流體的流動阻力增加。另外，由于空氣的快速流動，水和空氣的混合物在沒有充分混合的情況下從噴孔噴出，壓縮空氣不能為水提供足夠的能量，因此圓形和三角形噴孔的噴霧速度下降。相比之下，橢圓噴孔的噴霧速度隨噴射壓力的增加而增加，當噴射壓力為0.6 MPa 時，速度達到最大值21.3 m/s,要比圓形噴孔和三角形噴孔的噴霧速度大21.7%。這可以解釋為，橢圓噴孔造成的軸轉換現象使界面處的流動不穩定性增加,同工況下液滴粒徑更小，這可以使氣液混合質量得到顯著改善[15-16]，但實際應用過程中，速度過大容易造成噴霧碰壁現象。

如圖4 所示為在0.4 MPa 噴射壓力下，噴霧軸向速度隨噴射速率的增加而變化的趨勢。如圖4（a）所示，圓形噴孔的噴霧速度隨噴射速率的增加而增加，直到噴射速率為4 000 mL/h。如前文所述，當氣體和液體移動到噴嘴出口時，增加噴射速率還可以提高氣液之間的相對速度，相對速度的增大會使得液膜表面的擾動振幅增大，片狀液體會碎裂形成更細小的液滴。因此，在一定范圍內增大噴射速率，噴霧速度會增加，但是當噴射速率達到5000 mL/h時，液體便占據更多的空間，而0.4 MPa 的噴射壓力無法完全霧化那么多的水，最終導致射流發生，從而平均速度降低。對于橢圓噴孔，在3 000，4 000，5 000 mL/h 的噴霧速度非常接近，這說明在恒定噴射壓力下，增加噴射速率不能使橢圓噴孔噴霧速度大幅度提高。還可以發現，橢圓形噴孔的噴霧速度大于圓形和三角形噴孔的噴霧速度。如前所述，這是由于橢圓噴孔軸轉換現象的存在所導致。圖4（c）表明，3 000 mL/h 的噴射速率時三角形噴孔能夠得到最大速度。此外，與圓形噴孔和橢圓形噴孔相比，三角形噴孔噴霧最快達到最大值，速度衰減率高于其他噴孔速度衰減率，因此混合效率更高，這一結論同樣可以從圖3 中得出。

圖4 噴霧軸向速度隨噴射速率變化情況Fig.4 Variation of axial velocity under a constant air pressure at different liquid injection rates

2.2 噴射工況對徑向速度場的影響

圖5 給出了在3 000 mL/h 噴射速率和不同噴射壓力下，距噴嘴44 mm 處橫截面的噴霧速度分布。由圖5 可見，最大速度出現在軸線附近，但不完全在軸線上，而且曲線不是完全對稱的，這是因為液滴受空氣湍流的影響并在運動過程中蒸發，并且液滴之間的碰撞將導致液滴繼續破裂或聚集。對于橢圓噴孔，在遠離軸線處，不同工況下的速度分布曲線幾乎重疊，這是由于在徑向上距離噴嘴越遠的區域中，液滴速度越低，液滴在徑向上的擴散能力越弱。同位置處，三角形噴孔和圓形噴孔噴霧速度要大于橢圓噴孔噴霧速度，表明噴霧能夠與尾氣混合更充分。由圖5 還可以發現，當噴射壓力低時，噴射壓力的增加帶來了明顯的速度變化，當噴射壓力較高，速度大小僅在軸線附近發生變化。以圓形噴孔為例，當壓力從0.2 MPa 增加到0.3 MPa 時，曲線上幾乎所有的點都向上移動，但是，當壓力從0.4 MPa 增加到0.5 MPa 時，只有靠近軸的點才會改變。可以看出，噴射壓力的增加將削弱沿徑向的擴散，液滴將被帶到下游。對于橢圓孔的長軸面，當壓力為0.3 MPa 時，速度達到18 m/s，然而，增加噴射壓力并沒有明顯的變化。作為對比，橢圓噴孔的短軸面，在噴射壓力為0.5 MPa 時速度達到最大值20.7 m/s，依然要高于圓形噴孔和三角形噴孔噴霧的速度峰值，這也進一步證實了軸轉換現象的存在。從圖5（d）中可以發現，三角形噴孔橫截面的速度比圓形噴孔和橢圓形噴孔的速度更混亂，這可能歸因于三角形噴孔的銳角使得液滴破碎沒有圓形噴孔和橢圓噴孔均勻[15]。

圖5 徑向速度隨噴射壓力變化情況Fig.5 Variation of radial velocity under constant liquid injection rate at different air pressure

圖6 給出了在0.4 MPa 的噴射壓力和不同的噴射速率下，距離噴嘴44 mm 處的橫截面處的噴霧速度的分布。從圖6 可以看出，噴射速率為1 000～4 000 mL/h 時，隨著噴射速率的增加，峰值速度也就是靠近軸線的速度增加，繼續增大噴射速率到5 000 mL/h，峰值速度下降，并且只有橢圓噴孔長軸面下降不明顯，這與圖4 中顯示的結果一致。此外可以發現，每種工況相對應的曲線之間會出現相交，尤其是在噴射速率為2 000，3 000，4 000 mL/h 時，在與每種條件相對應的曲線之間會出現相交，尤其是在液體注入速度為2 000，3 000，4 000 mL/h時，說明在霧化效果好的情況下，增加噴射速率對增加噴霧速度沒有顯著影響。

圖6 徑向速度隨噴射速率變化情況Fig.6 Variation of radial velocity under constant air pressure at different injection rates

3 結論

（1）對于軸向速度，改變噴射壓力時，三角形和圓形噴孔在0.5 MPa 時速度達到最大值17.5 m/s，橢圓形噴孔在0.6 MPa 時達到最大值21.3 m/s，表明橢圓噴孔的軸轉換現象能夠促進氣液的混合；

（2）改變噴射速率時，圓形和橢圓噴孔噴霧速度在4 000 mL/h 時分別達到最大值，三角形噴孔3 000 mL/h 時噴霧速度達到最大值，圓形噴孔噴霧峰值速度約為16.6 m/s，橢圓噴孔噴霧峰值速度比圓形噴孔大15%，表明橢圓噴孔噴霧初始動能更大，但實際應用中可能會造成噴霧碰壁現象；

（3）三角形噴孔噴霧峰值速度比圓形噴孔小11.4%，但是三角形噴孔噴霧最快達到峰值速度，表明三角形噴孔噴霧能與尾氣更快地混合；

（4）霧化良好的工況下，所選取截面上改變工況對徑向速度影響不明顯，僅在靠近軸線處有較大影響。噴射壓力的增大會削弱沿徑向的擴散，液滴被帶到下游。