車尾氣排放選擇性催化還原系統管道參數優(yōu)化

李伯林，李峰，張國強

(1.濟南市工業(yè)學校 智能汽車制造部，山東 濟南 250400；2.齊魯工業(yè)大學 機械工程學院，山東 濟南 250400；3.山東齊魯汽車制造有限公司，山東 濟南 250400)

0 引言

柴油機具有很高的輸出轉矩、良好的環(huán)境適應性及優(yōu)異的經濟性能等優(yōu)勢，目前已被大量應用于汽車動力系統中，但是柴油機存在尾氣中的氮氧化物NOx排放含量較高以及顆粒物PM濃度較高的問題，對人類的生活環(huán)境造成了較大的污染[1-4]。選擇性催化還原技術作為一項能夠降低NOx排放含量的技術，獲得了眾多研究人員的關注，并開始在汽車與船舶等行業(yè)中的發(fā)動機領域進行了應用[5-6]。現階段，對選擇性催化還原技術進行研究的重點領域包括催化劑性能研究、還原劑的制備、催化效果的理論模擬與實驗分析等[7-8]。當前，我國選擇性催化還原市場基本以外國選擇性催化還原供應商為主。其中，按照國Ⅳ排放標準設計的重卡、工程車等基本都選擇安裝博世選擇性催化還原尿素噴射系統。對于機械車行業(yè)，選擇性催化還原系統則主要為格蘭富尿素噴射系統[9-11]。

為了提高汽車燃油的排放效率，本文設計了車尾氣排放選擇性催化還原系統。通過有限元方法數值計算了尿素液滴分布，并研究了噴射角度和偏置角度對NOx轉化率的影響。

1 車尾氣排放選擇性催化還原系統組成

選擇性催化還原系統運行流程如圖1所示。首先，該系統的電控單元對柴油機的噴油信號、轉速信號、催化器與排氣溫度信號分別進行收集，之后將上述所得信號和尿素噴射的脈譜圖匹配分析獲得對應狀態(tài)下應該噴射的尿素溶液體積。連通壓縮空氣管路，在排氣溫度與轉速到達預定條件時，通過控制單元將壓縮空氣與尿素溶液經噴嘴一起噴射至排氣管中，與排放尾氣進行混合，并通過選擇性催化還原催化設備實現尾氣的還原催化過程，達到尾氣凈化目的。

圖1 選擇性催化還原系統運行流程

在選擇性催化還原系統中，尿素水溶液經過尿素噴嘴噴入排氣管內后，將先完成汽化、水解、熱分解等過程，最后生成相應的還原劑進入催化設備中參與催化還原反應，該過程包含多個復雜的反應機理[12-13]。可以將其分為3類基本反應過程，包含NOx催化還原、NH3生成反應與其他副反應過程。

2 車尾氣排放選擇性催化還原系統模型建立

選擇某一桶式車尾氣排放選擇性催化還原催化器實施建模分析[14]，其結構如圖2所示。該排氣管的外徑為100 mm，催化反應器外徑250 mm、長度280 mm，并在其內部充滿蜂窩狀陶瓷介質。排氣管壁厚0.1 mm，孔密度達到62孔/cm2，催化劑涂層厚0.01 mm。

圖2 選擇性催化還原器模型結構

通過UG軟件設計所需的三維模型，之后將其導入AVL Fire軟件對其實施六面體結構網格劃分處理。圖3是最后形成的網格分析模型，根據反應過程的不同把催化器分為3個不同部分進行單獨計算。其中，異氰酸水解段(H)的作用是催化異氰酸發(fā)生水解反應并轉化為NH3產物；選擇性催化還原反應段(S)的作用是催化NOx發(fā)生還原反應；氧化段(O)的作用是對尚未徹底完成反應的NH3進行氧化，避免發(fā)生泄漏。設定上述3個反應段的長度比為1∶2∶1。

圖3 選擇性催化還原器網格模型

對于出口的計算按照靜壓邊界條件進行，入口處則按照質量入口邊界條件進行。在模擬計算時將NH3/NOx比例設定為1∶1。同時，將尿素水溶液的噴射時間區(qū)間設定在0.1～0.4 s之間，模擬時長總共為0.8 s。所建立模型的工況邊界條件如表1所示。

表1 工況邊界條件設置

3 模擬計算結果與分析

3.1 尿素液滴分布

尿素水溶液在噴射后以及和尾氣的混合過程需要經歷眾多的復雜反應階段，并且隨著溶液液滴的尺寸大小不同，所經歷的變化過程也存在明顯區(qū)別，其中小液滴溶液將快速汽化消失，大尺寸液滴則在徹底蒸發(fā)分解前遇到管壁時發(fā)生沉積，并不斷積累形成液膜結構。同時，當液滴與管壁接觸后，隨著管壁自身的熱散失以及液滴的汽化吸熱作用導致壁面溫度快速降低，并在達到一定溫度時發(fā)生液滴沉積現象，從而引起管道內壁的腐蝕甚至堵塞問題，最終降低了發(fā)動機的運行性能[15]。可以利用尿素噴嘴的角度與位置變化以及安裝選擇性催化還原混合器等方法來促進NOx轉化率的提升，并減少尿素液滴與管壁相撞的概率。

圖4為尿素液滴及催化轉換器前端NOx濃度分布。排氣過程對尿素液滴的運動狀態(tài)影響不大，尿素液滴基本都是保持原先的運動軌跡，極少液滴會和管壁碰撞。NH3大部分都分布于催化器的下部區(qū)域。氨氣在催化器入口部位的分布狀態(tài)對于NOx轉化率存在明顯作用。當氨氣分布的均勻性較差時，會導致部分區(qū)域出現還原劑不夠的問題，從而降低了NOx轉化率，同時還有部分區(qū)域因為氨氣量過多導致泄漏問題發(fā)生。本文的噴嘴結構是4孔噴嘴，因此不會對尿素液滴狀態(tài)造成太大的影響，其分布狀態(tài)基本為四角分布形態(tài)，因為受排氣拖拽的影響，下部區(qū)域的氨氣濃度明顯高于上部區(qū)域以及左右兩側區(qū)域。

圖4 系統內部NOx濃度分布

3.2 尿素噴孔噴射角度參數優(yōu)化

本文對噴嘴的4個噴射角度進行了研究，即角度分別為0°、20°、40°和60°。圖5給出了不同噴射角度的NOx轉化率隨噴射時間的變化規(guī)律。由圖5可知，無論在何種噴射角度下，NOx轉化率隨噴射時間均表現出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。0°噴射角度下的NOx轉化率整體約為30%。隨著噴射角度由0°逐漸增加至20°時，排氣管內的液滴均勻性獲得了顯著提升，NOx轉化率也由原先的30%增加至48%。當噴射角進一步增加至40°及60°時，因為噴嘴所在的圓管彎曲部位空間較為狹窄，因此下部與兩側噴孔處噴出的尿素存在明顯的撞壁現象，并且此時還原劑基本存在于內壁附近區(qū)域。在上述不同噴射角度下的排氣管內液滴分布狀態(tài)也基本相同。

圖5 不同噴射角度的NOx轉化率隨噴射時間的變化規(guī)律

3.3 噴嘴偏置角度參數優(yōu)化

本文對噴嘴的3個噴射偏置角度進行了研究，即角度分別為0°、10°和20°。圖6給出了不同偏置角度的NOx轉化率隨噴射時間的變化規(guī)律。由圖6可知，無論在何種偏置角度下，NOx轉化率隨噴射時間均表現出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。隨著偏置角從0°逐漸增加至10°時，排氣管下部區(qū)域的尿素液滴撞壁量不斷下降，而排氣管內的液滴量開始增加。隨著夾角的進一步增大達到20°時，液滴在排氣管下部的撞壁程度進一步降低，此時液滴開始往排氣管上部轉移，部分噴霧和對側管壁相撞，根據圖中所示，在偏置角等于20°時，噴射液滴主要富集于排氣管上部，整體均勻性發(fā)生降低。

圖6 不同偏置角度的NOx轉化率隨噴射時間的變化規(guī)律

4 結語

1)尿素液滴在排氣過程基本是保持原先的運動軌跡，極少液滴會和管壁碰撞。NH3大部分分布于催化器的下部區(qū)域。

2)NOx轉化率隨噴射時間均表現出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。隨著噴射角度的增加，NOx轉化率增大；偏置角度10°時能獲得較好的NOx轉化率。