輕型柴油車SCR催化轉(zhuǎn)化器流場研究與優(yōu)化

劉軍 陳智 王明遠(yuǎn)

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

輕型柴油車SCR催化轉(zhuǎn)化器流場研究與優(yōu)化

劉軍 陳智 王明遠(yuǎn)

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212013）

為改善某輕型柴油車SCR催化轉(zhuǎn)化器的流動(dòng)特性，對(duì)其內(nèi)部排氣的流動(dòng)和溫度分布情況進(jìn)行CFD仿真研究。結(jié)果表明，載體入口端的流動(dòng)分布均勻性和整體壓力損失對(duì)隔板穿孔數(shù)的靈敏度隨孔數(shù)的增加而逐漸減弱，當(dāng)穿孔面積與進(jìn)氣管截面積之比大于1.2后，催化器有較好的流動(dòng)特性。使用徑向變孔密度載體的方法對(duì)后催化劑載體進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，優(yōu)化后的載體入口端面氣流分布情況改善，內(nèi)部溫度分布更平穩(wěn)，提高了催化劑利用率，延長載體使用壽命。

1 前言

輕型柴油車較重型柴油車更適合城市道路及短途運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，因此得到了廣泛運(yùn)用。但是，柴油機(jī)排放的大量NOx會(huì)加劇大氣污染。SCR因其具有高效率、高選擇性、高經(jīng)濟(jì)性及耐硫等優(yōu)點(diǎn)，成為我國柴油機(jī)排放升級(jí)的主要技術(shù)方向[1]。其工作原理是將濃度為32.5%的尿素水溶液噴射到排氣管中，尿素水溶液在高溫下分解為NH3和CO2，NH3在催化劑的作用下與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O[2]。

隨著CFD和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬已被廣泛應(yīng)用于SCR催化轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)中[3]。本文利用FLUENT軟件對(duì)某輕型柴油車SCR催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行仿真計(jì)算，比較了隔板在不同穿孔數(shù)下載體入口端面的流動(dòng)均勻性和內(nèi)部壓力損失，并分析了徑向變孔密度載體對(duì)催化器內(nèi)流動(dòng)特性與溫度分布的影響。

2 研究對(duì)象

2.1 催化轉(zhuǎn)化器幾何模型的建立

研究對(duì)象為某輕型柴油機(jī)SCR催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)，其封裝形式為筒式封裝，結(jié)構(gòu)如圖1所示。催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)出口排氣管直徑為76 mm，采用分段式方形孔道催化劑載體，兩段載體長度均為100 mm，直徑91 mm，相距20 mm，孔密度為300目。

為使排氣在進(jìn)入催化劑載體之前能與尿素水溶液混合均勻，將催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的進(jìn)氣管段設(shè)計(jì)成穿孔結(jié)構(gòu)，并且利用一塊多孔的隔板對(duì)氣流進(jìn)行二次分配，進(jìn)一步促進(jìn)排氣氣流的擾動(dòng)混合。隔板上的開孔數(shù)目會(huì)對(duì)催化劑入口端面處的氣體流動(dòng)分布均勻性、催化器內(nèi)部的壓力損失產(chǎn)生一定的影響。為了確定合理的開孔數(shù)目，設(shè)計(jì)6種不同的隔板進(jìn)行模擬比較。不同孔數(shù)的隔板示意如圖2所示，小孔直徑為11 mm，6塊隔板上小孔的數(shù)目分別為27、36、48、57、66和75，小孔總面積分別為進(jìn)氣管截面面積的0.56、0.75、1.00、1.20、1.38和1.57倍。

圖1 SCR系統(tǒng)催化器結(jié)構(gòu)示意

圖2 不同孔數(shù)的隔板示意

2.2 網(wǎng)格劃分

利用FLUENT前置前處理軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分，催化轉(zhuǎn)化器系統(tǒng)的計(jì)算區(qū)域如圖3所示。由于進(jìn)氣管段和隔板上存在許多穿孔，排氣在該處的流動(dòng)情況較為復(fù)雜，需對(duì)其進(jìn)行加密處理。采用分塊劃分網(wǎng)格的方法，將催化轉(zhuǎn)化器分為進(jìn)氣管前段、排氣混合區(qū)域（穿孔管和隔板后部）、催化劑區(qū)域以及排氣管。其中排氣混合區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，不同塊之間的面使用交界面進(jìn)行連接，保證氣流的流通。將催化劑載體設(shè)定為多孔介質(zhì)，隔熱襯墊設(shè)置為固體。

圖3 SCR催化轉(zhuǎn)化器的網(wǎng)格模型示意

2.3 邊界條件

由于催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體流速較低，可以將其看作不可壓縮氣體進(jìn)行處理。設(shè)置入口條件為速度入口，按照該匹配柴油機(jī)ESC測試循環(huán)13工況試驗(yàn)結(jié)果取加權(quán)后的平均值，入口速度v為21.3 m/s，入口溫度T為620.2 K，水力直徑d為0.076 m，按公式（1）進(jìn)行計(jì)算可得湍流強(qiáng)度I為4%。取壓力作為出口邊界條件，相對(duì)壓力為0。壁面采用無滑移邊界，對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/（m2·K），外界溫度為299 K。

式中，為平均速度；ρ為排氣密度；η為排氣動(dòng)力黏度系數(shù)。

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 控制方程

氣體流動(dòng)特性符合粘性流體N-S方程，氣體流動(dòng)的多維數(shù)值模擬就是對(duì)該方程的數(shù)值求解。所模擬模型中涉及到的守恒方程有：質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和湍流模型方程。假設(shè)模擬的整個(gè)過程為穩(wěn)態(tài)過程，因此認(rèn)為流動(dòng)狀態(tài)不隨時(shí)間變化而發(fā)生改變，計(jì)算中采用SIMPLE算法和k-ε湍流模型[4]。

3.2 多孔介質(zhì)模型

由于蜂窩載體孔道尺寸非常小，流經(jīng)這些孔道的流體典型雷諾數(shù)在100～1 000之間[5]，因此可以將載體區(qū)域當(dāng)成充分發(fā)展層流進(jìn)行處理，并將其定義為多孔介質(zhì)區(qū)域。本質(zhì)上，多孔介質(zhì)模型就是在動(dòng)量方程上疊加一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)，源項(xiàng)包括兩部分，即粘性損失項(xiàng)和內(nèi)部損失項(xiàng)[6]，在FLUENT中表示為：

式中，p為壓力；μ為動(dòng)力黏度；D和C分別為黏性損失系數(shù)矩陣和慣性損失系數(shù)矩陣，其中D、C的非對(duì)角元素都為零；i為直角坐標(biāo)系x、y、z的方向。

催化轉(zhuǎn)化器載體的壓降為[5]：

式中，L為載體長度；dh為載體孔道水力直徑。

由于壓降僅沿載體軸向方向變化，在FLUENT中，Dyy、Dzz和Cyy、Czz分別設(shè)置為Dxx和Cxx的1000倍，既可以保證氣體在載體中沿軸向運(yùn)動(dòng)，又可以使數(shù)值求解的收斂性更好。對(duì)比公式（3）和公式（4）可以確定多孔介質(zhì)內(nèi)的軸向損失系數(shù)：

4 計(jì)算結(jié)果分析與優(yōu)化

4.1 隔板開孔數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響

催化轉(zhuǎn)化器載體入口端的氣體流速分布均勻情況是影響催化轉(zhuǎn)化器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。流速分布均勻則表示排氣混合情況較好，催化劑能夠得到充分利用。若流速分布不均勻，局部流速過大則會(huì)導(dǎo)致催化劑載體提前老化，降低NOx轉(zhuǎn)化效率，更有可能會(huì)破壞載體。為了定量反應(yīng)流動(dòng)均勻性，采用Weltens等[7]定義的均勻性指數(shù)γ來評(píng)價(jià)載體流動(dòng)分布特性：

式中，n為截面上所取的單元數(shù)；vi、vmean分別為每個(gè)單元的軸向速度和所有單元的平均速度；γ值在0～1.0之間變化，越接近于1.0表示流動(dòng)越均勻，其中1.0表示理想均勻流，0表示氣流集中于一點(diǎn)。

圖4是在6種不同隔板情況下第1塊催化劑載體入口端面排氣流速分布云圖。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿孔數(shù)目較少時(shí)，小孔處的流速過快，排氣到達(dá)載體表面時(shí)速度分布差異性較大，流動(dòng)均勻性下降。隨著穿孔數(shù)目的增加，小孔處的流速逐步下降，載體入口端面各處流速逐步趨于一致。由圖5載體入口端面徑向流速曲線同樣可以看出，隔板小孔數(shù)目增多，排氣流速分布總體趨于平穩(wěn)，流動(dòng)均勻性增強(qiáng)。

圖4 前載體入口端面氣流速度分布云圖

圖5 前載體入口端面徑向流速分布

不同穿孔數(shù)下前、后載體的流動(dòng)均勻性指數(shù)如表1所列?？芍?，當(dāng)小孔數(shù)為66，即小孔總面積為進(jìn)氣管截面面積的1.4倍時(shí)，流動(dòng)均勻性指數(shù)達(dá)到最大值0.945，相對(duì)小孔數(shù)為27時(shí)提高了16.0%。當(dāng)繼續(xù)增加小孔數(shù)目時(shí)，流動(dòng)均勻性指數(shù)略有下降，原因是過多的穿孔加大了氣流的擾動(dòng)，使流動(dòng)均勻性下降。后載體表面的流動(dòng)均勻性指數(shù)相對(duì)前載體低，隨穿孔數(shù)的增多而緩慢上升。其原因是排氣流經(jīng)前載體時(shí)，由于載體內(nèi)部的阻力作用，使得氣流到達(dá)兩載體之間的間隙時(shí)，沿徑向的流速趨于一致，于是第2塊載體前表面上的流動(dòng)均勻性也不會(huì)產(chǎn)生顯著差異。催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力損失也隨隔板穿孔數(shù)的增多而不斷減小，當(dāng)孔數(shù)達(dá)到57時(shí)壓降為1.07 kPa，基本滿足催化器工作要求。

表1 不同穿孔數(shù)下前、后載體的流動(dòng)均勻性指數(shù)

式中，N1為均勻性指數(shù)上升或壓力損失下降百分?jǐn)?shù)；N2為隔板穿孔數(shù)增長百分?jǐn)?shù)。

S數(shù)值越大，表示流動(dòng)特征參數(shù)隨孔數(shù)的變化越明顯，當(dāng)值為負(fù)時(shí)，孔數(shù)的增多對(duì)流動(dòng)特性的改善產(chǎn)生抑制作用。

由于后載體入口端的流動(dòng)均勻性指數(shù)變化不明顯，因此只對(duì)前載體和內(nèi)部壓降做靈敏度分析，結(jié)果如圖6所示?？芍?，在隔板穿孔數(shù)達(dá)到48之前，前載體入口端均勻性指數(shù)對(duì)穿孔數(shù)目的變化較敏感，增加開孔數(shù)對(duì)改善流場分布有明顯作用。隨后曲線變平緩，表明繼續(xù)增加孔數(shù)將不會(huì)對(duì)流動(dòng)均勻性造成明顯影響。同理，當(dāng)隔板穿孔數(shù)在57之前，孔數(shù)的增加對(duì)減小催化器壓力損失的作用較為明顯。結(jié)合表1可以得出，當(dāng)隔板穿孔數(shù)為57，即小孔總面積至少達(dá)到進(jìn)氣管截面積的1.2倍后，可以基本滿足催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的流動(dòng)均勻性和壓力損失要求。

圖7為隔板穿孔數(shù)為66時(shí)催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的速度

為了定量反映催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)各流動(dòng)參數(shù)隨隔板穿孔數(shù)目的變化特征，引入靈敏度的概念：跡線圖?？芍谶M(jìn)氣管穿孔管區(qū)域產(chǎn)生了明顯渦流，可促進(jìn)尿素分解成NH3并與排氣混合均勻。在催化劑載體入口前，區(qū)域流線較為均勻，氣流平穩(wěn)，有利于排氣與催化劑充分接觸，完成催化還原反應(yīng)。

圖6 前載體入口端流動(dòng)均勻性和壓力損失對(duì)隔板穿孔數(shù)的靈敏度

圖7 催化轉(zhuǎn)化器氣流速度軌跡

4.2 后催化劑載體優(yōu)化

從催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流動(dòng)特性的分析可以看出，通過增加隔板穿孔數(shù)，雖然前載體的流動(dòng)均勻性得到改善，但是后載體氣體分布均勻性相對(duì)前載體要差且隨穿孔數(shù)變化不明顯。隔板小孔數(shù)為66時(shí)催化轉(zhuǎn)化器載體區(qū)域的壓力分布如圖8所示。由于后載體離催化轉(zhuǎn)化器出口更近，所以載體中間部分的壓降相對(duì)于邊緣區(qū)域下降的更快，從而導(dǎo)致載體中間區(qū)域氣體的流速相對(duì)于邊緣區(qū)域也快一些，結(jié)果使得第2塊催化劑載體入口端面的流速分布不均勻，均勻性指數(shù)下降。這種流動(dòng)不均勻性可能會(huì)導(dǎo)致載體中心區(qū)域由于高速氣流的作用而產(chǎn)生局部高溫，進(jìn)而導(dǎo)致中心區(qū)域催化劑過早老化，而邊緣部分的催化劑卻得不到充分利用。

圖8 催化劑載體內(nèi)部壓力分布云圖

采用蘇慶運(yùn)等人[8]的方法，將不同孔密度的載體進(jìn)行徑向組合，使中心區(qū)域載體孔密度高于邊緣區(qū)域。使用改進(jìn)后的載體再次在隔板穿孔數(shù)為66的條件下模擬，催化劑載體內(nèi)部速度分布云圖如圖9所示?？梢钥闯?，由于載體中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的孔密度不同，中心部分的流動(dòng)阻力高于邊緣，使得中部氣流速度減小，更多的氣體流向阻力較小的邊緣區(qū)域，進(jìn)而促進(jìn)了氣流的均勻分布。載體優(yōu)化前、后流動(dòng)均勻性指數(shù)對(duì)比如表2所列?？芍?，第2塊催化劑載體采用變孔密度后，其表面的流動(dòng)均勻性指數(shù)提高至0.937，并且對(duì)前催化劑載體的流動(dòng)分布和催化轉(zhuǎn)化器的總壓降沒有產(chǎn)生明顯影響。

圖9 催化劑載體內(nèi)部速度分布云圖

表2 載體優(yōu)化前、后流動(dòng)均勻性指數(shù)對(duì)比

4.3 催化劑載體溫度分布

催化劑載體內(nèi)的溫度也是影響廢氣轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要因素，溫度過高會(huì)造成催化劑載體燒結(jié)，破壞涂層，而溫度過低無法達(dá)到還原反應(yīng)發(fā)生的條件，降低NOx轉(zhuǎn)化率。車用柴油機(jī)SCR最佳的反應(yīng)溫度為573～673 K。圖10所示為催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部和外表面的溫度分布云圖。由外部溫度云圖可以看出，載體外圍的襯墊表面溫度較催化轉(zhuǎn)化器其它部分低，起到了較好的隔熱作用，降低了催化劑載體內(nèi)的熱量損失，保證了還原反應(yīng)必要的溫度條件。由內(nèi)部溫度云圖可知，排氣在進(jìn)氣管區(qū)域的溫度基本保持不變，當(dāng)進(jìn)入催化器內(nèi)部后，由于氣體與壁面的接觸面積增大以及穿孔作用，對(duì)流換熱加強(qiáng)，導(dǎo)致排氣溫度逐漸下降，但是在催化劑載體部分，由于襯墊的保溫作用，溫度始終維持在573 K以上，保證了催化還原反應(yīng)發(fā)生。

圖11為第2塊催化劑載體改進(jìn)前、后內(nèi)部橫截面處的徑向溫度分布曲線。兩種催化劑載體都能滿足催化還原反應(yīng)發(fā)生的溫度條件，但是設(shè)置了徑向變孔密度的載體由于各處的氣流分布更均勻，不會(huì)出現(xiàn)因中心區(qū)域流速高而產(chǎn)生局部高溫的情況，因此與普通催化劑載體相比，其內(nèi)部溫度分布更加平穩(wěn)均勻，提高了催化劑利用率，延長了載體的使用壽命。

圖10 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)、外部溫度分布云圖

圖11 改進(jìn)前、后第2塊載體徑向溫度曲線

5 結(jié)束語

本文利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)，從流場的角度對(duì)某輕型柴油機(jī)SCR催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了分析，比較了不同隔板穿孔數(shù)下催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的流速分布和壓力損失，并針對(duì)后載體氣流分布較差的情況提出了采用徑向變孔密度載體的解決方案，得出以下結(jié)論：

a.前載體入口端流動(dòng)分布均勻性指數(shù)和催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部壓力損失在面積比低于1.2時(shí)對(duì)隔板穿孔數(shù)的靈敏度較高，增加穿孔數(shù)可明顯改善催化器的流動(dòng)特性。當(dāng)超過該比值后，孔數(shù)的增加不再產(chǎn)生顯著影響。

b.利用徑向變孔密度載體的方法，可以明顯改善第2塊載體內(nèi)的氣流分布，且?guī)缀醪挥绊懘呋鲀?nèi)的壓力損失。

c.經(jīng)過優(yōu)化后的催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的溫度場分布滿足催化還原反應(yīng)的發(fā)生條件，而且后載體內(nèi)的溫度分布更加均勻，提高了催化劑載體的利用率和使用壽命。

1 中國行業(yè)研究網(wǎng).SCR將是未來國內(nèi)柴油機(jī)排放升級(jí)主要技術(shù)方向.2013-11-06[2016-3-20].http://www.chi?nairn.com/print/3217874.html.

2 焦運(yùn)景，紀(jì)麗偉，紀(jì)曉靜.選擇性催化還原（Urea-SCR）技術(shù)研究進(jìn)展.小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2015，44（3）：75～78.

3 陳海江.MAN 6S50MC-C型柴油機(jī)SCR催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化:[學(xué)位論文].大連：大連海事大學(xué)，2013.

4 白丹丹.Urea-SCR催化器系統(tǒng)的仿真與研究:[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué)，2012.

5 Ekstrom F,Andersson B.Pressure drop of monolithic cata?lytic converters experiments and modeling.SAE Interna?tional，2002：1010～1021.

6 ANSYS Inc.ANSYS Fluent Theory Guide(Release 15.0).USA：ANSYS Inc，2013.

7 Weltens H，Bressler H，Terres F，et al.Optimisation of cat?alytic converter gas flow distribution by CFD prediction.SAE International，1993：131～151.

8 蘇慶運(yùn)，王偉，王建昕，等.徑向變孔密度載體對(duì)汽車催化轉(zhuǎn)化器反應(yīng)流的影響.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2013，31（5）：436～441.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年8月10日。

Research and Optimization of SCR Catalytic Converter Flow Field for Light Duty Diesel Vehicle

Liu Jun,Chen Zhi,Wang Mingyuan
（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

To improve the flow characteristics of SCR catalytic converter for a light diesel vehicle,a CFD simulation research on the air flow and temperature distribution in the converter was performed.It was found from the simulation that the sensitivity of flow distribution uniformity at the inlet of the carrier and pressure loss to the number of holes on the perforated plate decrease with the increase of the number of holes.The catalytic converter had better flow characteristics when the area ratio of the hole and the inlet pipe section area was greater than 1.2.The airflow distribution in the back catalyst carrier was optimized with the catalyst carrier of variable radial hole density.The results show that the airflow distribution at the inlets of the back substrate was obviously improved and the internal temperature distribution was more stable.It improved the catalyst utilization rate and prolongs the service life of carriers.

Light duty diesel vehicle,SCR catalytic converter,Sensitivity

輕型柴油車 SCR催化轉(zhuǎn)化器 靈敏度

U464.134

A

1000-3703（2017）04-0045-05