唐蓮花龍順洪鄭貫宇王奉雙張素英

（1.天津億利汽車環(huán)?？萍加邢薰荆?.濰柴動(dòng)力有限公司技術(shù)中心）

滿足國IV標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴集成式SCR系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

唐蓮花1龍順洪1鄭貫宇2王奉雙2張素英2

（1.天津億利汽車環(huán)?？萍加邢薰?；2.濰柴動(dòng)力有限公司技術(shù)中心）

為改善分體式SCR系統(tǒng)安裝空間要求高、尿素易結(jié)晶、維修成本高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種把噴嘴和SCR系統(tǒng)集成的結(jié)構(gòu)；運(yùn)用CFD方法對4種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對比，確認(rèn)最優(yōu)結(jié)構(gòu)后制作樣件，將新樣件安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行結(jié)晶試驗(yàn)和排放試驗(yàn)。結(jié)果表明，SCR系統(tǒng)中無結(jié)晶并且能達(dá)到國IV排放要求，表明該集成式結(jié)構(gòu)可行并且優(yōu)于分體式結(jié)構(gòu)。

1 前言

柴油機(jī)排氣中PM、NOx是兩種主要的排放污染物，且兩者之間有著矛盾的生成關(guān)系。目前，機(jī)內(nèi)凈化已經(jīng)無法滿足需求，而機(jī)外凈化已經(jīng)成為趨勢，其中SCR技術(shù)已經(jīng)成為主要手段之一。SCR技術(shù)通過優(yōu)化噴油和燃燒過程，盡量在機(jī)內(nèi)控制微粒PM的產(chǎn)生，而后在機(jī)外處理富氧條件下形成的NOx，即使用車用尿素水溶液（體積分?jǐn)?shù)為32.5%）對NOx進(jìn)行選擇性催化還原，還能降低部分HC，從而達(dá)到既節(jié)能又減排的目的，并且尿素溶液容易儲(chǔ)存，常溫下很穩(wěn)定，沒有刺激性氣味。該項(xiàng)技術(shù)是歐洲主流技術(shù)路線，歐洲長途載貨汽車和大型客車幾乎全部采用這一技術(shù)，在國內(nèi)正在成為最具有應(yīng)用前景的柴油機(jī)后處理技術(shù)。本文將對傳統(tǒng)SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高系統(tǒng)各方面性能的目的。

2 分體式SCR系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的分體式SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為使尿素和尾氣達(dá)到很好的混合效果，一般將噴嘴安裝在SCR系統(tǒng)進(jìn)口前300 mm以上，如圖1所示。

從圖1可以看出，尿素從噴嘴噴出后，容易被直接噴射到排氣管管壁上，雖然尿素液滴會(huì)隨尾氣蒸發(fā)掉大部分，但是依然會(huì)有一部分沉積在管壁上，久而久之形成液膜，進(jìn)而形成結(jié)晶，其不但會(huì)對管壁造成腐蝕，還會(huì)堵塞管道，因此該結(jié)構(gòu)不但在安裝空間要求上有很大的局限性，而且因排氣管腐蝕、堵塞后需要更換而造成運(yùn)行成本和維護(hù)成本的上升。

分體式SCR系統(tǒng)尿素噴射狀態(tài)如圖2所示。

由圖2可以看出，液體從噴嘴噴出后直接撞擊在排氣管壁上，此處的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)非常高。

3 集成式SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將噴嘴集成到SCR系統(tǒng)進(jìn)氣口上是一個(gè)創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)，不但可以節(jié)省安裝空間、降低運(yùn)行和維護(hù)成本，同時(shí)還能降低結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)和提高SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。因此，針對該新型的創(chuàng)新理念，并根據(jù)車廠提出的安裝要求，設(shè)計(jì)開發(fā)集成式SCR系統(tǒng)，通過CFD仿真計(jì)算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場、噴射、蒸發(fā)情況并以此來確定結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)是否可以滿足各項(xiàng)技術(shù)要求。設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所列。

表1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

3.1 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT中的歐拉-拉格朗日離散模型，將空氣處理為連續(xù)相，液滴處理為離散型，采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型建立連續(xù)相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進(jìn)行計(jì)算。

3.1.1 連續(xù)相數(shù)學(xué)模型[2]

模型中包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和能量方程。流體運(yùn)動(dòng)通用的控制方程為：

式中，ρ是連續(xù)相的密度；Φ是通用變量，可分別代表速度、動(dòng)量、湍動(dòng)能k、湍動(dòng)能耗散率ε和溫度；u是速度矢量；SΦ、ΓΦ分別是廣義源項(xiàng)和廣義擴(kuò)散系數(shù)。

3.1.2 離散相顆粒的控制方程

FLUENT中通過積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。對每個(gè)單顆粒求解運(yùn)動(dòng)控制方程：

式中，vk為顆粒的運(yùn)動(dòng)速度；mk為該顆粒的質(zhì)量；(∑F)k表示該顆粒所受的合力。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CFD仿真計(jì)算

3.2.1 模型

圖3為車廠提供的SCR系統(tǒng)進(jìn)氣口位置?？芍?，無法安裝很長的進(jìn)氣管。

為滿足車廠要求，根據(jù)尾氣進(jìn)氣方向，在進(jìn)氣口段設(shè)計(jì)一個(gè)斜臺(tái)，將噴嘴的位置調(diào)成合適的角度安裝在斜臺(tái)上，并且把進(jìn)口段設(shè)計(jì)成雙層套管的形式，進(jìn)口段結(jié)構(gòu)決定著尿素與氣體混合蒸發(fā)的程度，最終影響結(jié)晶的狀態(tài)。針對該問題，設(shè)計(jì)4種不同進(jìn)口結(jié)構(gòu)的SCR噴射系統(tǒng)M1～M4，其中M1為套管底部全部封死；M2為中間封死，旁邊敞開；M3為底部封死但是開孔；M4為中間封死但有鼓包，旁邊敞開。結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

3.2.2 網(wǎng)格生成

載體部分為規(guī)則實(shí)體，故采用六面體網(wǎng)格，其余部分的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故采用四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格數(shù)量為170萬。網(wǎng)格模型如圖6所示。

3.2.3 邊界條件設(shè)置

a.流體相：氣體為連續(xù)相。

b.顆粒相：采用壓力旋流霧化模型，以水代替尿素水溶液[3]，選擇離散相和連續(xù)相耦合計(jì)算，動(dòng)態(tài)曳力模型考慮顆粒的破碎與合并，破碎模型選擇泰勒比模型，液滴為球形[4]。

c.進(jìn)口邊界條件如表2所列。

表2 進(jìn)口邊界條件

d.出口邊界條件：SCR出口定義為壓力出口。

e.壁面邊界條件：連續(xù)相采用無滑移固體壁面邊界條件，計(jì)算時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；顆粒相在壁面處不滿足無滑移條件，與壁面的碰撞類型為escape類型。

3.2.4 仿真結(jié)果及分析

模型的2種截面如圖7所示。

a.壓力分布

截面的壓力分布如圖8所示。

由圖8可以看出，4種模型的壓力分布趨勢基本一致，進(jìn)口雙層套管的壓降很大，占總系統(tǒng)壓降的一半，這是由于其是雙層多孔管的結(jié)構(gòu)形式，氣流反復(fù)經(jīng)過面積擴(kuò)張和縮放造成的，在車廠提供的最大排氣流量的工況下，系統(tǒng)總壓降仍能滿足≤15 kPa的設(shè)計(jì)要求。

b.速度分布

截面的速度分布如圖9所示。

從圖9可以看出，4種模型的速度分布趨勢基本一致，氣流在經(jīng)過雙層套管時(shí)速度值有很大的梯度，腔體內(nèi)的速度梯度不大，因此腔內(nèi)的流場相對均勻。由于液滴粒子要隨尾氣進(jìn)行擴(kuò)散，因此腔內(nèi)的流場最好是均勻的。

c.均勻度分布

對于SCR系統(tǒng)，要保證氣流速度和反應(yīng)物濃度的絕對均勻是不可能的，一般將不均勻度控制在可以接受的范圍內(nèi)。要研究各種因素對于均勻性的影響，必須對均勻性給出合理的評(píng)判準(zhǔn)則。均勻度越大，表示分布越均勻，均勻度等于1表示分布完全均勻。

載體中間截面上速度分布及流動(dòng)均勻指數(shù)γflow的關(guān)系為：

式中，vi為某個(gè)截面各單元網(wǎng)格上的氣體速度值；vˉ為某個(gè)截面上氣體速度的平均值；n為截面上的網(wǎng)格總數(shù)。

載體中間截面速度分布均勻度如圖10所示。

從圖10可以看出，M1的分布較好，M3與M4差別不大，M2較差。

載體入口截面上蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布及蒸氣均勻分布指數(shù)γvapor的關(guān)系為：

式中，mi為某個(gè)截面上各單元網(wǎng)格上的蒸氣質(zhì)量；mˉ為某個(gè)截面上蒸氣質(zhì)量的平均值。

載體入口蒸氣分布均勻度如圖11所示。

從圖11可以看出，M1與M3分布較好，M2與M4分布較差。

速度分布和蒸氣質(zhì)量分布均勻度直接共同決定著SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率。綜合來看，M2和M4的轉(zhuǎn)化率會(huì)較差。

d.粒子噴射軌跡

通過觀察粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以判斷液滴蒸發(fā)、結(jié)晶的情況[5]。液滴粒子軌跡如圖12所示。

從圖12可以看出，雙層套管的結(jié)構(gòu)有助于增加液滴粒子的運(yùn)動(dòng)路徑，從而能增強(qiáng)液滴粒子蒸發(fā)效果，且由于噴嘴合適的安裝位置和角度，使得液體噴出時(shí)撞擊不到套管的管壁上，從而減少結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)，并且液滴粒子在達(dá)到載體前端時(shí)基本上蒸發(fā)完畢。CFD結(jié)果如表3所列。

從以上各項(xiàng)仿真結(jié)果來看，在雙層套管的底部開孔有助于蒸氣分布均勻度，背壓也有所降低，但是把底部全部打開，就會(huì)使得液滴粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡縮短，不利于分布均勻性，而且會(huì)直接打在包住載體的內(nèi)筒體上，因此在能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇M1進(jìn)行樣件制作。

Simulation Design and Experimental Study of a Nozzle Integrated Box SCR System for China IV Standard Compliance

Tang Lianhua1,Long Shunhong1,Zheng Guanyu2,Wang Fengshuang2,Zhang Suying2
（1.Tianjin Yili Automotive Emission Control Co.,Ltd;2.WeiChai Power Co.,Ltd R&D Center）

For optimizing the disadvantages of high demand of installation space,easy to deposit,high maintenance cost of traditional split SCR system,this paper presents a structure of integrated nozzle with SCR system,and applies CFD simulation to compare four different structures of inlets and then confirms the optimal model.After sample is made,it is installed on the engine bed for urea deposit and emission test.Test results show that this SCR system has no urea deposits and complies with China IV emission requirements,indicating this integrated structure is proved to be feasible and superior to the traditional split one.

SCR system,Integrated type,China IV emission standard

SCR系統(tǒng) 集成式 國IV排放標(biāo)準(zhǔn)

U464.22

A

1000-3703（2015）10-0007-04