基于FIRE的柴油機排放后處理關(guān)鍵技術(shù)研究

伍玉霞 唐碧秋 唐 焱

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004）

1 引言

從20世紀70年代以來，針對日趨嚴重的環(huán)境廢氣污染，在發(fā)達國家相繼出臺并實施了控制機動車尾氣排放的相關(guān)法規(guī)，依此不斷推動了發(fā)動機設(shè)計及制造技術(shù)的發(fā)展。然而對于排量大、轉(zhuǎn)速相對較高的重型柴油機，僅僅依靠機內(nèi)凈化技術(shù)難以達到現(xiàn)行規(guī)范對排放的要求，廢氣排放后處理成為降低NOx的重要途徑。

在這種形勢下，NOx凈化效率高而且在CO排放和油耗經(jīng)濟性方面具有優(yōu)勢的選擇性催化還原（SCR—Selective Catalytic Reduction）系統(tǒng)越來越得到各發(fā)動機制造商的青睞，并把它作為機外凈化的關(guān)鍵技術(shù)之一進行研究和推廣，己成為重型柴油機尾氣處理的主要技術(shù)之一。

2 SCR技術(shù)分析

2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)代柴油機普遍采用了先進的內(nèi)燃技術(shù)，燃燒室內(nèi)油氣混合基本達到理想狀態(tài)從而保證了顆粒排放降低到法規(guī)限值以內(nèi)，但由于較高的升功率、燃燒溫度等因素影響，導(dǎo)致廢氣中的NOx含量偏高。降低NOx的方法主要分為二大類：機內(nèi)技術(shù)和機外技術(shù)。機內(nèi)技術(shù)主要有：推遲噴油、優(yōu)化噴油規(guī)律、冷卻進氣等，機內(nèi)技術(shù)在歐Ⅱ排放達標過程中已經(jīng)使用，要想進一步降低柴油機的 NOx含量，必須結(jié)合一定的機外技術(shù)，機外技術(shù)主要分為兩大類：EGR技術(shù)和SCR技術(shù)。目前柴油機排氣后處理技術(shù)中 SCR是最簡潔有效的技術(shù)之一，對降低重型柴油機NOx排放效果尤為明顯。

Urea-SCR技術(shù)是將濃度為 32.5%的尿素水溶液在適當位置，定時定量噴入發(fā)動機排氣管中，尿素受熱水解成氨氣，并與廢氣中殘余的 NOx在催化劑作用下迅速反應(yīng)生成氮氣和水。有關(guān)統(tǒng)計表明，在不改變發(fā)動機輸出的前提下，Urea-SCR技術(shù)能使廢氣中NOx被還原效率超過90%，即使在工況變化頻繁，排氣管內(nèi)溫度壓力變化復(fù)雜的情形，也能保證 NOx轉(zhuǎn)換率在60%以上；另外，該技術(shù)還可使發(fā)動機油耗減少5%～7%，且對燃油品質(zhì)相對不敏感；同時具有較高的催化劑活性以及對水蒸氣穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

現(xiàn)階段在我國的重型柴油機設(shè)計及制造中，已經(jīng)開始使用 Urea-SCR系統(tǒng)；但由于現(xiàn)有工藝經(jīng)驗儲備不足，實施過程中相關(guān)應(yīng)用技術(shù)尚未成熟，如還存在尿素冷凝結(jié)晶、尿素噴量不合理控制、水解氨的泄露等問題，其中尿素結(jié)晶嚴重影響到廢氣管內(nèi)氣流的規(guī)律性，并導(dǎo)致排氣阻力增大及溫控系統(tǒng)失效，成為發(fā)動機運行使用中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析及處理

本研究以排量為8.4L的某款國產(chǎn)柴油機為目標機型：在安裝Urea-SCR系統(tǒng)后，初期運行正常，廢氣排放中所有指標達到歐Ⅳ標準；但持續(xù)運行一定時間后，混合器及波紋管等部件內(nèi)壁出現(xiàn)不同程度的結(jié)晶現(xiàn)象（見圖1尿素結(jié)晶圖），導(dǎo)致排氣阻力增大，NOx轉(zhuǎn)化效率明顯降低，致使發(fā)動機的動力性下降和經(jīng)濟性變差。通過臺架試驗分析表明，產(chǎn)生尿素結(jié)晶最主要的原因是高壓尿素液體噴入后，由于受管內(nèi)氣流運動影響，液滴未能及時霧化，而是以液滴形式長時間滯留管壁，在局部溫度急劇降低時即會形成固體結(jié)晶。

圖1 尿素結(jié)晶圖

因此，在Urea-SCR后處理技術(shù)中減少尿素管內(nèi)結(jié)晶關(guān)鍵在于提高尿素水溶液噴入后液滴的擴散速率和分布密度，其影響因素包括噴入點內(nèi)氣流強度、噴入角度、噴射初速度和噴射量等。由于噴射壓力和噴射量受其他條件限制不便調(diào)整，而管內(nèi)氣流強度及流動方向與排氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)直接相關(guān)；因此研究廢氣在排氣管內(nèi)流動強度和方向的變化規(guī)律，改進管路硬件系統(tǒng)，成為解決尿素結(jié)晶問題的關(guān)鍵。

2.3 Urea-SCR系統(tǒng)實體CFD建模

在現(xiàn)用Urea-SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化應(yīng)綜合考慮以下四方面因素：（1）噴射截面有利于尿素充分水解；（2）通過調(diào)整噴嘴位置相對催化劑入口距離，使得尿素噴射流與廢氣流混合并達到應(yīng)有的均勻度；（3）根據(jù)噴嘴安裝點的氣流方向，確定合適的噴霧角度有利于兩股流束的疊加，避免大量尿素液滴碰撞到內(nèi)壁；（4）根據(jù)尾氣流場分布選擇管路截面形狀、尺寸。

根據(jù)上述原則對原有管路系統(tǒng)（方案一）優(yōu)化設(shè)計了三種改進方案。方案一（原始模型）：帶有混合器，噴嘴與混合器內(nèi)側(cè)連接，錐角45°；外徑101.6mm，內(nèi)徑98.6mm。方案二：原有管路系統(tǒng)基礎(chǔ)上，管徑大小不變，把原有系統(tǒng)中的混合器改為文丘里管，噴嘴安裝在拐角處，錐度30°。方案三：原系統(tǒng)基礎(chǔ)上，排氣接管外徑改為94mm，內(nèi)徑改為91mm，此方案排氣管與混合器內(nèi)管（外徑94mm，內(nèi)徑91mm）焊接在一起，混合器外觀相當于一外殼。方案四：取消混合器，直接在排氣接管上增加添藍噴嘴，錐度 60°；外徑 101.6mm，內(nèi)徑98.6mm。建立準確的三維CFD模型，作為運用流體力學(xué)FIRE軟件的基礎(chǔ)準備，為計算分析管路中流體狀態(tài)創(chuàng)造條件。各方案結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 FIRE計算模型

采用數(shù)值計算方法對車輛 SCR系統(tǒng)尿素噴霧熱解，尾氣管路的布置進行模擬計算，與試驗研究比較有許多優(yōu)點，前者不僅花費少，所需時間少，并且能夠提供試驗研究無法得到的一些信息。因此本文運用FIRE軟件進行數(shù)值計算。FIRE軟件是由奧地利 AVL公司開發(fā)的用于模擬內(nèi)燃機流動、噴霧和燃燒過程的 CFD軟件，由三部分組成，分別是前處理、求解器和后處理。

本文按以下步驟進行數(shù)值模擬：繪制或輸入1D，2D或3D的幾何模型；選擇欲定義分析系統(tǒng)的方程式；具體指定所選擇的方程式之物理特性和定義物理參數(shù);設(shè)定邊界條件和初始條件；建立并劃分有限元網(wǎng)格；求解(執(zhí)行仿真)；可視化結(jié)果。

3.1 邊界條件

為考慮湍流的影響，F(xiàn)IRE提供了兩類不同的湍流模型：k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型。k-ε模型由于比較簡單，計算量又并不太大，又能較好地反映大多數(shù)工程實際的湍流流動,并得到工程上滿意的結(jié)果，因此本計算采用k-ε模型，計算時假定流體為理想氣體。

由于在 CFD計算之前不能從實驗和計算中得到空間壁面溫度分布，所以計算中均采用了假定的壁面溫度場。為了使各個方案計算結(jié)果具有可比性，計算采用相同的邊界條件。計算流體為空氣。

計算域初值定義為1.1bar、300℃。

假定壁面溫度：300℃。

入口邊界條件：流體入口溫度300℃；流量0.15kg/s。

出口邊界條件∶給定壓力邊界（靜壓1.1bar）。

重力加速度方向為y軸，-9.8m/s2；

添藍噴射量1.057g/s，溫度20℃，噴入速度25m/s，噴孔出口直徑0.3mm，噴射半錐角22.5度，顆粒直徑8e-5m。

3.2 網(wǎng)格劃分

圖2是幾個方案計算網(wǎng)格圖。計算網(wǎng)格由FIRE自動網(wǎng)格生成器FAME HYBIRD生成，網(wǎng)格數(shù)約60萬，網(wǎng)格主要是由六面體單元組成，另外還包括少量五面體和四面體。

圖2 幾個方案計算網(wǎng)格圖

3.3 計算范圍及目的

（1）本文計算過程中只涉及到排氣管路的氣流分布和尿素液滴的噴射分布停留時間，不涉及到化學(xué)反應(yīng)與液滴的碰壁蒸發(fā)模擬。

（2）計算的目的是指導(dǎo)設(shè)計排氣管路，SCR噴嘴的安裝位置和角度，主要是為了解決添藍結(jié)晶問題。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 方案1計算結(jié)果及分析

圖3為方案1添藍噴入管內(nèi)得生命時間圖，從圖中可以看出：在混和器附近存在生命時間很長的顆粒。再對應(yīng)看圖4的顆粒速度分布圖，可以看出這些生命時間長的顆粒速度很低，這些液滴由于動能很小，一旦與壁面接觸，就容易粘附在壁面上形成結(jié)晶，因此該方案在混和器葉片上容易形成結(jié)晶。

圖3 方案1添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖

圖4 方案1添藍噴入管內(nèi)的速度分布圖

4.2 方案2計算結(jié)果及分析

圖5、6分別為方案2添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：在文丘里管前后管壁附近都存在生命時間長，速度低的液滴，這些液滴與壁面接觸后容易粘附在壁面上并結(jié)晶。

圖5 方案2添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖

圖6 方案2添藍噴入管內(nèi)的速度分布圖

4.3 方案3計算結(jié)果及分析

圖7、8分別為方案3添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：混合器附近存在較大范圍的低速區(qū)，噴入的液滴容易與壁面粘附產(chǎn)生結(jié)晶。

圖7 方案3添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖

圖8 方案3添藍噴入管內(nèi)的速度分布圖

4.4 方案4計算結(jié)果及分析

圖9、10分別為方案4添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖、速度分布圖，從圖中可以看出：管內(nèi)混合器旋轉(zhuǎn)180°，同噴嘴與管路豎直布置，因此噴入的液滴在自身的噴射作用、氣流的帶動作用、以及重力的三重影響下保持較高的速度，由于液滴動能大，即使與壁面接觸也不容易被粘附，因此結(jié)晶的可能性較小。

圖9 方案4添藍噴入管內(nèi)的生命時間圖

圖10 方案4添藍噴入管內(nèi)的速度分布圖

5 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，選擇方案 4作為噴嘴合理的安裝位置及尾氣管道的布置。方案 1混合器附近容易產(chǎn)生結(jié)晶；方案2在文丘里管前后段管壁上容易產(chǎn)生結(jié)晶。方案3混合器附近存在較大范圍的低速區(qū)，容易產(chǎn)生結(jié)晶；方案 4不容易產(chǎn)生結(jié)晶（注意添藍噴入之后的管路是向下豎直布置）。

通過仿真研究尿素水溶液噴射相關(guān)參數(shù)、管路結(jié)構(gòu)等對柴油機Urea-SCR系統(tǒng)性能的影響，獲得如下結(jié)論：

（1）尿素液體噴嘴相對催化劑入口距離直接影響還原劑在管路空間分布的合理性，其值為大于或等于催化劑入口直徑的6倍，且應(yīng)布置在彎管處；

（2）噴射方向與入口軸線夾角為45°，可減輕尾氣流的影響，避免大量尿素液滴碰管壁形成尿素結(jié)晶；

（3）管道直徑與彎管半徑之比取1，可獲不同工況下氣流速度梯度最小值，減少回流處結(jié)晶。

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