張曉麗，王霞，榮超，石代龍，安邦，王東升，楊永春

(濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東 濰坊 261205)

目前，在國Ⅵ排放階段，SCR依然是解決柴油機(jī)NOx排放的主流技術(shù)路線[1-2]。但尿素結(jié)晶一直是制約尿素-SCR技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題[3-6]。尿素結(jié)晶最直接的危害就是堵塞混合器，使后處理系統(tǒng)背壓急劇升高，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性降低；另外，尿素結(jié)晶還會(huì)影響SCR催化劑使用壽命[7-10]。

針對(duì)目前國Ⅵ柴油機(jī)SCR后處理系統(tǒng)中存在的尿素結(jié)晶問題，以某重型國Ⅵ柴油機(jī)箱式后處理SCR混合器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種雙旋流混合器結(jié)構(gòu)。采用CFD手段[11-14]分析SCR載體前端NH3分布均勻性、混合器壁面液膜厚度分布及流場分布。最后進(jìn)行測試NOx轉(zhuǎn)化效率的單點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)、測試NOx排放的WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)以及用于驗(yàn)證結(jié)晶情況的10 h發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架尿素結(jié)晶驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 SCR混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 單旋流混合器結(jié)構(gòu)原理及缺陷

某重型國Ⅵ柴油機(jī)SCR混合器為單旋流混合器(因?yàn)樵摶旌掀髦挥幸患?jí)旋流片，因此稱單旋流混合器)，其結(jié)構(gòu)見圖1。該混合器由旋流片、擋流板、

多孔管組成，其中旋流片接近噴嘴的一端有一小段條形孔管。廢氣進(jìn)入混合器，一部分進(jìn)入條形孔管，一部分進(jìn)入旋流片，在旋流片的擾流作用下形成旋轉(zhuǎn)氣流，與噴嘴垂直噴入的尿素溶液混合，隨后一部分氣體從旋流片流出，經(jīng)擋流板上的小孔流出，另一部分氣體直接從管內(nèi)流出。由于廢氣進(jìn)入混合器時(shí)一部分進(jìn)入條形孔管，一部分進(jìn)入旋流片，未能充分利用旋流片的旋流作用，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流很微弱，不能使滴落在旋流片壁面上的尿素液滴剝離、蒸發(fā)熱解，從而產(chǎn)生大量尿素沉積，形成尿素結(jié)晶[15-19](見圖2)。

圖1 國Ⅵ柴油機(jī)后處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 單旋流混合器結(jié)晶

1.2 雙旋流混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決上述問題，本研究提出了一種雙旋流混合器結(jié)構(gòu)(該混合器有兩級(jí)旋流片，因此稱雙旋流混合器)(見圖3)。該混合器由一級(jí)旋流片、擋流板、錐形多孔管和二級(jí)旋流片組成，其中一級(jí)旋流片整段為旋流片，擋流板上沿圓周分布一圈小葉片，錐形多孔管出口為多孔板結(jié)構(gòu)。

圖3 雙旋流混合器

廢氣進(jìn)入混合器全部吹向一級(jí)旋流片，充分利用旋流片的擾流作用形成高速旋轉(zhuǎn)氣體，與噴嘴垂直噴入的尿素溶液混合，并包裹尿素液滴隨其旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使尿素液滴在有限的混合時(shí)間里充分蒸發(fā)熱解。隨后一部分氣體直接從管內(nèi)旋轉(zhuǎn)流出多孔管，一部分氣體流出一級(jí)旋流片后通過擋流板上的開孔流出，在小葉片的導(dǎo)流作用下吹向多孔管，使沉積在多孔管背面的少量液滴剝離、蒸發(fā)分解。最后氣體流經(jīng)二級(jí)旋流片，在其擾流作用下旋轉(zhuǎn)流出，不僅極大程度降低混合器壁面的尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，還促進(jìn)離開混合器后仍未完全分解的部分尿素溶液蒸發(fā)分解，進(jìn)而提高SCR轉(zhuǎn)化效率。

本研究將封裝單旋流混合器和封裝雙旋流混合器的國Ⅵ后處理DOC_DPF_SCR總成分別稱為單旋流結(jié)構(gòu)和雙旋流結(jié)構(gòu)。

2 兩種結(jié)構(gòu)的CFD對(duì)比分析

2.1 CFD模型設(shè)置

模型處理(包括流體域抽腔、幾何處理、面網(wǎng)格劃分)采用Hypermesh2017.1，求解軟件采用西門子STAR-CCM+11.04。體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格Polyhedral，網(wǎng)格目標(biāo)尺寸為8 mm，最小尺寸為0.5 mm。為保證載體部分計(jì)算精度，其體網(wǎng)格采用拉伸網(wǎng)格Extruder。

影響尿素溶液蒸發(fā)分解快慢的主要因素有廢氣流速和溫度，且成正相關(guān)關(guān)系。因此，關(guān)于尿素液滴的蒸發(fā)分解、NH3分布均勻性以及結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的CFD計(jì)算，結(jié)合WHSC試驗(yàn)循環(huán)(圖4)選擇廢氣溫度較低、負(fù)荷較低的工況(見表1)。

圖4 WHSC試驗(yàn)循環(huán)

表1 計(jì)算工況條件

國Ⅵ后處理系統(tǒng)的排氣壓力損失主要取決于封裝結(jié)構(gòu)、載體規(guī)格、廢氣溫度和廢氣流量，而對(duì)于確定的后處理結(jié)構(gòu)，其排氣壓力損失主要由廢氣溫度和廢氣流量決定，且與廢氣溫度和廢氣流量成正相關(guān)，因此，關(guān)于后處理系統(tǒng)背壓的CFD計(jì)算選擇標(biāo)定工況。

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性及模型有效性驗(yàn)證

2.2.1網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

圖5示出最小網(wǎng)格分別為1 mm和2 mm時(shí)載體前端面NH3的質(zhì)量流量對(duì)比。從圖中可以看出，兩曲線基本重合，說明本模型基本上消除了網(wǎng)格尺寸大小對(duì)結(jié)果的影響，證明了網(wǎng)格的無關(guān)性，從而增強(qiáng)了結(jié)果的可信性。

圖5 SCR載體前端面NH3質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化

2.2.2模型有效性驗(yàn)證

圖6示出模型模擬計(jì)算得到的單旋流混合器壁面液膜厚度分布與瞬態(tài)結(jié)晶驗(yàn)證試驗(yàn)中結(jié)晶位置分布對(duì)比情況。從圖中可以看出，仿真計(jì)算得到的混合器壁面液膜厚度分布與結(jié)晶試驗(yàn)得到的混合器結(jié)晶位置基本一致，證明了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和有效性。

圖6 混合器壁面液膜(仿真)與結(jié)晶(試驗(yàn))分布對(duì)比

2.3 模擬結(jié)果及分析

2.3.1液膜厚度

在低負(fù)荷工況下，單旋流混合器和雙旋流混合器壁面液膜厚度對(duì)比情況見圖7。從圖中可以看出，與單旋流混合器相比，雙旋流混合器的壁面液膜厚度要小很多。這是因?yàn)閺U氣進(jìn)入單旋流混合器時(shí)，一部分進(jìn)入條形孔管，一部分進(jìn)入旋流片，未能充分利用旋流片的旋流作用，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流很微弱，不能使滴落在旋流片壁面上的尿素液滴剝離、蒸發(fā)熱解，從而形成液膜。而在雙旋流混合器中，廢氣全部吹向一級(jí)旋流片，充分利用旋流片的擾流作用，形成高速旋轉(zhuǎn)氣流(見圖8)，包裹尿素液滴隨其旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使尿素液滴在有限的混合時(shí)間里充分蒸發(fā)熱解，同時(shí)，從一級(jí)旋流片流出后通過擋流板開孔流出的氣體，在小葉片的導(dǎo)流作用下吹向多孔管，使沉積在多孔管背面的少量液滴剝離，進(jìn)而降低了混合器壁面液膜的厚度，從而減小了結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 液膜厚度對(duì)比

圖8 速度流線

2.3.2分布均勻性

在低排溫、低負(fù)荷工況下，封裝單旋流混合器和雙旋流混合器的SCR載體前端面尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比見圖9。由圖9可知，封裝單旋流混合器和雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)尿素?zé)峤饴史謩e為81%和90%，與封裝單旋流混合器相比，封裝雙旋流混合器尿素?zé)峤庑侍岣吡?1.1%，尿素溶液的蒸發(fā)熱解效果大幅度增強(qiáng)。

圖9 SCR載體前端面 N2H4CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對(duì)比

低排溫、低負(fù)荷工況下SCR載體前端面NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對(duì)比見圖10。單旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面的NH3分布均勻指數(shù)為0.79，雙旋流結(jié)構(gòu)為0.91，雙旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面NH3分布均勻指數(shù)相對(duì)于單旋流結(jié)構(gòu)提高了15.19%。表2示出兩種結(jié)構(gòu)SCR載體前端面NH3分布情況，包括NH3濃度分布的最大值A(chǔ)max，最小值A(chǔ)min及平均值A(chǔ)ave,Amax/Aave和Amin/Aave分別為濃度最大值、最小值與平均值的比值，這兩個(gè)值越接近于1，表示分布均勻性越好。從表中可以看出，封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)相對(duì)于單旋流結(jié)構(gòu)后處理系統(tǒng)的Amax/Aave和Amin/Aave更接近于1。因此，封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)SCR載體前端面NH3分布均勻性優(yōu)于封裝單旋流混合器的后處理系統(tǒng)。

圖10 SCR載體前端面NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對(duì)比

表2 SCR載體前端面NH3分布

單旋流結(jié)構(gòu)和雙旋流結(jié)構(gòu)在低負(fù)荷工況下SCR載體前端面的速度分布對(duì)比情況見圖11。單旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面的流動(dòng)均勻指數(shù)為0.90，雙旋流結(jié)構(gòu)為0.89，雙旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面流動(dòng)均勻指數(shù)相對(duì)于單旋流結(jié)構(gòu)提高了1.12%。表3示出兩種結(jié)構(gòu)SCR載體前端面速度分布情況，包括速度的最大值Vmax，最小值Vmin及平均值Vave,Vmax/Vave和Vmin/Vave分別為速度最大值、最小值與平均值的比值，這兩個(gè)值越接近于1，表示分布均勻性越好。從表中可以看出，封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)相對(duì)于封裝單旋流混合器的后處理系統(tǒng)的Vmax/Vave和Vmin/Vave都更接近于1。因此，雙旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面的速度分布均勻性優(yōu)于單旋流結(jié)構(gòu)。

圖11 SCR載體前端面速度均勻性對(duì)比

表3 SCR載體前端面速度分布

2.3.3背壓

圖12示出單旋流結(jié)構(gòu)和雙旋流結(jié)構(gòu)在標(biāo)定工況下的壓力分布對(duì)比情況，兩種結(jié)構(gòu)在標(biāo)定工況下的系統(tǒng)背壓分別為29.6 kPa和31.1 kPa。雙旋流結(jié)構(gòu)的后處理系統(tǒng)壓力損失相對(duì)于單旋流結(jié)構(gòu)升高了5.08%，但仍滿足工程限值要求。雙旋流結(jié)構(gòu)壓力損失略微升高，是因?yàn)殡p旋流混合器中錐形多孔管出口增加了多孔擋板，對(duì)氣流形成阻力，產(chǎn)生壓力損失。

圖12 兩種結(jié)構(gòu)壓力分布對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)

選取結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)較大的穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)(轉(zhuǎn)速1 599 r/min，扭矩510 N·m)進(jìn)行NOx單點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)架后處理系統(tǒng)管路布置見圖13。

圖13 試驗(yàn)臺(tái)架后處理系統(tǒng)管路布置示意

試驗(yàn)所用的測試設(shè)備、儀器、儀表已校驗(yàn)合格，并且在有效期內(nèi)，包括Horiba 7500DEGR氣體排放設(shè)備和LDS6氨泄漏測量分析儀，前者用于測量NOx排放，后者用于測量氨泄漏。

柴油機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定后開始測量，測量項(xiàng)目包括臺(tái)架上游NOx排放和臺(tái)架下游NOx排放。尿素噴射量按照氨氮比ANR為0.7，0.9和1.2的比例手動(dòng)控制。

圖14示出NOx單點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率試驗(yàn)中測得的兩種結(jié)構(gòu)的NOx轉(zhuǎn)化效率。兩種結(jié)構(gòu)的NOx平均轉(zhuǎn)化效率對(duì)比見表4。從表4可看出，雙旋流結(jié)構(gòu)在氨氮比為0.7，0.9和1.2時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化率相對(duì)于單旋流結(jié)構(gòu)均有所提高，尤其在氨氮比為0.9時(shí)提高幅度最大，提高了1.78%。

圖14 兩種結(jié)構(gòu)NOx轉(zhuǎn)化效率

表4 兩種結(jié)構(gòu)NOx平均轉(zhuǎn)化效率對(duì)比

3.2 瞬態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)

對(duì)封裝兩種結(jié)構(gòu)的后處理系統(tǒng)進(jìn)行WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種混合器對(duì)NOx排放的影響。

試驗(yàn)采用某重型柴油機(jī)，廢氣測試所用設(shè)備為MEXA-7100DEGR廢氣分析儀，測功機(jī)為AVL INDYS56。

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如何保證對(duì)比結(jié)果有效是本試驗(yàn)的關(guān)鍵。首先必須保證試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)完全相同，其次要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的原機(jī)狀態(tài)相同，即保證原機(jī)的NOx排放、尿素噴射量和SCR上游排氣溫度相同。

圖15示出兩種結(jié)構(gòu)熱態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗(yàn)的原機(jī)NOx排放體積分?jǐn)?shù)、尿素噴射量以及SCR上游排氣溫度的對(duì)比情況。從圖中可見，兩結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的NOx排放、尿素噴射量和SCR上游溫度曲線基本兩兩重合，即兩種結(jié)構(gòu)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)狀態(tài)一致，說明本試驗(yàn)接下來的排放結(jié)果對(duì)比是有效的。

圖15 兩種結(jié)構(gòu)原機(jī)狀態(tài)對(duì)比

圖16示出封裝單旋流混合器和封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)在WHTC瞬態(tài)循環(huán)下柴油機(jī)尾氣中NOx排放對(duì)比情況。從圖中可以看出，與封裝單旋流混合器的后處理系統(tǒng)相比，封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)NOx排放更低。原因是封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)中，雙旋流混合器的兩級(jí)旋流片可以有效促進(jìn)尿素噴束的蒸發(fā)分解，錐形多孔管可以提高SCR載體前端面的NH3分布均勻性，載體利用率大幅提升，即雙旋流混合器可以促進(jìn)尿素溶液的蒸發(fā)分解，又可以提高NH3均勻性，故封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)能使NOx轉(zhuǎn)化效率提高，從而減小NOx排放。

圖16 兩種結(jié)構(gòu)NOx排放試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架尿素結(jié)晶驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證雙旋流混合器結(jié)晶性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)封裝單旋流混合器和雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)進(jìn)行同等條件下的結(jié)晶驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)采用WHTC前1 200 s+600 s怠速循環(huán)。循環(huán)進(jìn)行10 h后拆下尿素噴嘴，通過尿素噴嘴座孔檢查混合器結(jié)晶情況，結(jié)果見圖17。由圖可見，單旋流混合器在多孔管上產(chǎn)生大量尿素結(jié)晶，而雙旋流混合器壁面未產(chǎn)生尿素結(jié)晶。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙旋流混合器可以促進(jìn)尿素蒸發(fā)、分解，從而避免混合器壁面產(chǎn)生尿素結(jié)晶。

圖17 尿素結(jié)晶驗(yàn)證

4 結(jié)論

a) CFD計(jì)算結(jié)果表明，與封裝單旋流混合器的后處理系統(tǒng)相比，雙旋流混合器可以有效促進(jìn)尿素噴霧的混合、蒸發(fā)和分解，大幅度提高尿素噴霧與廢氣的混合均勻程度，從而降低尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)；

b) NOx單點(diǎn)轉(zhuǎn)化效率測試試驗(yàn)結(jié)果表明，雙旋流結(jié)構(gòu)后處理系統(tǒng)在氨氮比ANR分別為0.7，0.9和1.2時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化率相較于單旋流結(jié)構(gòu)分別提高1.58%，1.78%和0.38%；WHTC排放測試試驗(yàn)結(jié)果表明，與封裝單旋流混合器的后處理系統(tǒng)相比，封裝雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)NOx排放明顯降低；

c) 10 h發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架尿素結(jié)晶驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，雙旋流混合器壁面未出現(xiàn)尿素結(jié)晶；雙旋流混合器可以加強(qiáng)尿素液滴與尾氣混合，充分促進(jìn)液滴的蒸發(fā)和分解，從而有效避免尿素結(jié)晶。