逆流式混合器的設(shè)計及尿素結(jié)晶風(fēng)險評估方法研究

韓 峰，張曉麗，王意寶，胡曉艷，王 霞，石代龍

（1.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機(jī)研究院，濰坊 261205； 2.山東大學(xué)，濟(jì)南 250061）

前言

為滿足重型柴油機(jī)歐VI排放法規(guī)要求，柴油機(jī)生產(chǎn)商面臨著巨大的挑戰(zhàn)。未來北美、歐洲市場的排放法規(guī)會對燃油經(jīng)濟(jì)性有要求，高效SCR技術(shù)將成為重型柴油機(jī)的主流路線［1-3］，高效SCR技術(shù)對后處理總成結(jié)構(gòu)帶來了更高的挑戰(zhàn)：尿素與燃油消耗比例高達(dá)8%～10%，結(jié)晶風(fēng)險高。對于采用尿素SCR技術(shù)的柴油機(jī)，排放性能不僅取決于催化劑的還原效率，同時也取決于尿素溶液霧化效果和熱分解程度及NH3在催化劑中的分布均勻性，良好的混合效果不但可以在相同的尿素噴射量下獲得更高的NOx轉(zhuǎn)化效率，而且有助于減少尿素溶液在管路和混合器上的沉積量［4-6］。對于催化劑規(guī)格確定的后處理系統(tǒng)，尿素溶液的噴霧蒸發(fā)分解及其與尾氣的混合均勻程度已成為歐VI階段后處理轉(zhuǎn)化效率及耐久性的關(guān)鍵問題，如何避免尿素結(jié)晶提高混合均勻性已經(jīng)成為SCR混合器設(shè)計的瓶頸［7］。

傳統(tǒng)的SCR尿素混合器主要有3類結(jié)構(gòu)：多孔管結(jié)構(gòu)、折流板結(jié)構(gòu)和旋流片結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)混合器（從左到右：多孔管、折流片、旋流片）

表1定性對比了不同結(jié)構(gòu)混合器的優(yōu)缺點：折流片結(jié)構(gòu)混合器的混合均勻性好、背壓低但大的尿素噴射量會導(dǎo)致嚴(yán)重的尿素結(jié)晶；旋流片結(jié)構(gòu)混合器在尿素噴射量大的條件結(jié)晶風(fēng)險低，但背壓高導(dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性差；孔管結(jié)構(gòu)混合器加工簡單，但尿素結(jié)晶風(fēng)險高，混合均勻性不好且背壓較高。

表1 不同結(jié)構(gòu)混合器的性能對比

針對上述3類混合器存在的尿素結(jié)晶、背壓高、混合均勻性差問題，提出了一種新型歐VI逆流式SCR混合器設(shè)計方案，圖2為整個后處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。通過將噴嘴和尿素混合結(jié)構(gòu)集成在SCR催化器上，尿素液滴霧化混合空間加大，結(jié)構(gòu)緊湊且整車布置方便。逆流式SCR催化器設(shè)計難點是如何在較短混合長度內(nèi)增強(qiáng)尿素液滴與排氣的混合，加快尿素液滴的霧化和分解，避免低負(fù)荷工況出現(xiàn)尿素結(jié)晶現(xiàn)象，且能降低壓力損失。

圖2 整體結(jié)構(gòu)

運(yùn)用CFD技術(shù)和發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況結(jié)晶試驗分析了不同結(jié)構(gòu)混合器的尿素液滴蒸發(fā)、熱解、碰壁、潤濕壁面過程和SCR載體前端面的速度、氨氣分布均勻性，驗證通過仿真手段預(yù)測尿素結(jié)晶風(fēng)險的精度。提出了基于結(jié)晶能量因子比較不同工況結(jié)晶風(fēng)險的方法，并通過對比不同工況點臺架結(jié)晶驗證結(jié)果與結(jié)晶能量因子法預(yù)測結(jié)晶風(fēng)險，驗證了該方法可行性。用結(jié)晶能量因子法選出結(jié)晶風(fēng)險最高的點進(jìn)行尿素結(jié)晶機(jī)理研究。最后，進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架瞬態(tài)排放性能及尿素結(jié)晶性能驗證。

1 SCR混合器的優(yōu)化設(shè)計

1.1 雙層管SCR混合器結(jié)構(gòu)原理及存在的問題

雙層管SCR混合器的設(shè)計原理如圖3和圖4所示。將尿素噴嘴安裝座進(jìn)行集成設(shè)計，根據(jù)尿素噴射霧化特性進(jìn)行混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計，混合裝置采用雙層管結(jié)構(gòu)，尿素溶液噴出后落在內(nèi)層多孔管，通過改變內(nèi)外層管的開孔面積和開孔規(guī)則增強(qiáng)氣流對尿素液滴的擾動，提高尿素溶液與尾氣的混合均勻性。但是發(fā)動機(jī)臺架結(jié)晶循環(huán)驗證時在內(nèi)層管底部仍有尿素結(jié)晶生成，如圖5所示，原因是內(nèi)層管底部存在流動死區(qū)，尿素容易在內(nèi)壁沉積，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要優(yōu)化。

圖3 雙層管結(jié)構(gòu)混合器

圖4 尿素混合部件

1.2 逆流式混合器設(shè)計原理

逆流式SCR混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示，將尿素噴嘴安裝座進(jìn)行集成設(shè)計，根據(jù)尿素噴射霧化特性進(jìn)行混合結(jié)構(gòu)的設(shè)計?；旌涎b置采用套管結(jié)構(gòu)，根據(jù)尿素噴射霧化特性和發(fā)動機(jī)排氣特性，使尿素溶液噴射在混合管內(nèi)氣流擾動顯著的區(qū)域，提高尿素溶液與尾氣的混合均勻性。入口位置的斜擋板開孔，既防止了氣流直接吹尿素噴嘴的位置使尿素在上壁面結(jié)晶，防止了噴嘴座區(qū)域出現(xiàn)氣流流動死區(qū)，又有效地降低了壓力損失；底部弧形擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計，引導(dǎo)氣流吹掃噴射在混合管外壁面的尿素液滴，降低尿素結(jié)晶風(fēng)險。

圖5 雙層管SCR混合器結(jié)晶

圖6 逆流式混合器設(shè)計原理

2 雙層管和逆流式混合器CFD仿真分析

2.1 CFD計算物理模型的設(shè)置

采用Starccm＋軟件進(jìn)行計算，體網(wǎng)格選用六面體網(wǎng)格，算例的基礎(chǔ)網(wǎng)格設(shè)定為8 mm，為提高計算過程精度，對混合器邊界和噴霧區(qū)域進(jìn)行加密，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸為1 mm。SCR系統(tǒng)計算采用的是詳細(xì)分解反應(yīng)模型，具體的反應(yīng)步驟見圖7。

表2為噴射系統(tǒng)噴孔直徑、尿素液滴的初始速度、粒徑分布和大小等詳細(xì)信息。表3為發(fā)動機(jī)排量、功率、技術(shù)路線和后處理尺寸信息。

選取兩個具有代表性的工況點進(jìn)行計算，如表4所示。尿素液滴在排氣流量低、溫度低的條件下，蒸發(fā)和熱解效果差，選擇排氣溫度較低的工況點評價尿素液滴的碰壁、蒸發(fā)和NH3分布均勻性。由于壓力損失與排氣流量和溫度成正比關(guān)系，選擇標(biāo)定工況點工況評價壓力損失。

圖7 尿素分解詳細(xì)機(jī)理

表2 尿素噴嘴和噴霧參數(shù)

表3 發(fā)動機(jī)和后處理基本參數(shù)

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 速度及NH3分布均勻性

載體前端面速度均勻性指數(shù)Uv定義為

表4 計算工況點

式中：vi為所選單位區(qū)域內(nèi)氣體的流速；vm為所選單位區(qū)域內(nèi)氣體的平均速度；Ai為單元網(wǎng)格的面積；A為平面的面積。

載體前端面NH3分布均勻指數(shù)定義為

式中：c″i為所選單位區(qū)域的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)；c″m為所選單位區(qū)域的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

氣流分布對尿素碰壁結(jié)晶有很大的影響，圖8為SCR催化消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的流場分布對比圖，可以看出雙層管混合器底部存在流動死區(qū)，氣流不能及時帶走底部的尿素液滴，存在結(jié)晶風(fēng)險。改進(jìn)的逆流式混合器底部擋板為弧形結(jié)構(gòu)，氣流能夠及時將落在底部的尿素液滴吹散，降低混合器底部的結(jié)晶風(fēng)險。

圖8 混合器內(nèi)部速度場對比

圖9 SCR載體前端面速度分布對比

圖9 和圖10為兩種方案低負(fù)荷工況載體前端面速度分布及NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布對比。雙層管和逆流式方案的速度分布均勻指數(shù)分別為0.92和0.97，NH3分布均勻指數(shù)分別為0.91和0.96，與雙層管混合器相比，逆流式混合器方案的速度分布均勻指數(shù)提高了5.4%，NH3分布均勻指數(shù)提高了5.5%，載體利用率大幅提高。

圖10 SCR載體前端面NH3分布均勻性對比

2.2.2 壓力損失對比

選定標(biāo)定點工況，對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓力損失的計算，圖11為兩種方案在標(biāo)定工況下的壓力損失對比，其中，雙層管混合器的壓力損失為5.4 kPa，逆流式混合器的壓力損失為6.1 kPa，逆流式混合器的壓力損失上升了13%。原因是逆流式混合器底部的擋板會對排氣形成阻力。雙層管方案和逆流式方案的后處理系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)標(biāo)定點的實測油耗率分別為220和220.2 g·（kW·h）-1，逆流式方案的油耗率上升0.09%，對油耗影響甚微。

圖11 不同混合器壓力損失對比

2.2.3 液膜厚度對比

圖12為兩種方案在低負(fù)荷工況下尿素液滴碰壁后液膜厚度對比，與雙層管結(jié)構(gòu)相比，逆流式結(jié)構(gòu)液膜厚度明顯減小。低負(fù)荷工況下排氣流量小，流速低，排氣對尿素液滴作用力較小，噴射的大部分尿素液滴碰撞到固體壁面上，再通過氣流對壁面液滴的剪切、拖拽作用而將液滴破碎分解［8］。由于雙層管結(jié)構(gòu)尿素落點位置氣流流速慢，再加上尿素混合管底部氣流的旋渦作用，氣流不通暢，導(dǎo)致尿素混合管底部有尿素沉積；逆流式結(jié)構(gòu)將氣流分為兩路，上部氣流吹掃落在尿素混合器內(nèi)壁的尿素液滴，底部的氣流在弧形擋板的作用下引導(dǎo)氣流由底部向上吹掃沉積在尿素混合管外壁及底部的尿素，因此底部的液膜厚度及沉積面積明顯減少。

圖12 液膜厚度對比

3 試驗驗證

3.1 基于結(jié)晶能量因子法的尿素結(jié)晶風(fēng)險分析

3.1.1 結(jié)晶能量因子法的物理意義

對于同結(jié)構(gòu)的SCR混合器、相同的發(fā)動機(jī)匹配不同用途的車型，結(jié)晶特性不同，因此在發(fā)動機(jī)臺架驗證SCR混合器的尿素結(jié)晶時，需要驗證所有可能應(yīng)用到的工況，浪費(fèi)時間和資源。因此需要找到一種能夠評估不同工況的尿素結(jié)晶風(fēng)險高低的方法，減少臺架結(jié)晶驗證試驗數(shù)量，節(jié)省資源，節(jié)約成本。

尿素結(jié)晶的影響因素有4個：排氣流量、排氣溫度、尿素噴射量和尿素混合器結(jié)構(gòu)。當(dāng)混合器結(jié)構(gòu)確定，尿素結(jié)晶的影響因素有3個：排氣流量、排氣溫度和尿素噴射量。為定量比較尿素結(jié)晶風(fēng)險，Schiller和Brandl等人引入了結(jié)晶能量因子（excess energy ratio，EER）的概念，其物理意義是每個工況點對應(yīng)的廢氣能量與尿素水解、蒸發(fā)所需能量的比值［9］。該方法能夠快速地判斷出發(fā)動機(jī)不同工況的結(jié)晶風(fēng)險高低，但由于尿素結(jié)晶影響因素很多且結(jié)晶生成機(jī)理復(fù)雜，并不能精確預(yù)測是否結(jié)晶。

式中：Qexh為廢氣的能量；Qheat為加熱尿素溶液的能量；Qvapor為尿素的蒸發(fā)潛熱。

3.1.2 試驗驗證

選取雙層管結(jié)構(gòu)混合器、3個發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)點進(jìn)行結(jié)晶試驗。每個穩(wěn)態(tài)點持續(xù)運(yùn)行3 h，拆檢查看尿素結(jié)晶。3個工況點的EER如表5所示，通過結(jié)晶能量因子法推測結(jié)晶風(fēng)險從高到低的順序為：工況點1＞工況點3＞工況點2。

3.1.3 試驗結(jié)果分析

表5 不同工況點結(jié)晶能量因子

從圖13結(jié)晶測試結(jié)果可以看出，相同混合器在3個工況點的結(jié)晶情況：工況點1出現(xiàn)了嚴(yán)重結(jié)晶，工況點3出現(xiàn)了輕微尿素結(jié)晶，工況點2無結(jié)晶，與結(jié)晶能量因子法預(yù)測結(jié)果相符，證明了結(jié)晶能量因子法驗證結(jié)晶風(fēng)險是可行的。

圖13 3個穩(wěn)態(tài)點結(jié)晶對比

3.2 穩(wěn)態(tài)點結(jié)晶特性研究

選取結(jié)晶風(fēng)險高的點（1 100 r·min-1，480 N·m，800 kg·h-1，280℃，375 mg·s-1）進(jìn)行恒定尿素噴射速率結(jié)晶特性研究試驗，并在混合器不同位置貼熱電偶，熱電偶的具體位置見圖14（圓點標(biāo)示），并記錄各位置溫度隨著尿素噴射的瞬態(tài)變化過程，目的是找到尿素從完全蒸發(fā)分解到壁面有尿素殘留的臨界狀態(tài)。

圖14 熱電偶位置示意圖

兩種方案的結(jié)晶對比如圖15所示，雙層管混合器在A和B點有大量的尿素結(jié)晶，結(jié)晶量為5 g，逆流式結(jié)構(gòu)無結(jié)晶。逆流式結(jié)構(gòu)的抗結(jié)晶能力優(yōu)于雙層管方案。

圖15 兩種方案穩(wěn)態(tài)點結(jié)晶對比

從圖16溫度測試結(jié)果可以看出，雙層管方案的測溫點A和B在8 000-12 000 s出現(xiàn)溫度驟降，原因是此刻固體壁面的尿素液滴處在完全蒸發(fā)和有液體剩余的過渡狀態(tài)，沸騰形式發(fā)生了改變。圖17表示尿素液滴與固體表面的傳熱速率隨著固體壁面溫度Tw和尿素液滴溫度Tsat之差的變化趨勢。沸騰可分為4個過程，即膜態(tài)沸騰、過渡狀態(tài)、核態(tài)沸騰和靜態(tài)沸騰［9-10］。對于噴尿素過程，8 000 s之前液滴處于膜態(tài)沸騰階段，并不斷接近Leidenfrost點。大概9 000 s左右達(dá)到Leidenfrost點，尿素在固體壁面的沉積導(dǎo)致該點溫度迅速降低，原因是：當(dāng)沸騰處在Leidenfrost點和Nukiyama點之間時，液滴和固體壁面的傳熱速率呈指數(shù)速率增加，尿素結(jié)晶風(fēng)險增加。逆流式混合器方案的C和D點隨著尿素噴射，溫度降低的慢，且沒有階梯狀的溫降，沒有達(dá)到Leidenfrost點，說明尿素完全蒸發(fā)分解，沒有尿素的沉積，與結(jié)晶拆檢結(jié)果相符。

圖16 混合器不同位置溫度對比

3.3 瞬態(tài)循環(huán)排放驗證及結(jié)晶驗證

3.3.1 試驗方法

通過CFD方法結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對雙層管結(jié)構(gòu)和逆流式結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗，對比SCR催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率及NH3泄漏（兩種結(jié)構(gòu)的后處理均不帶ASC催化劑）。試驗柴油機(jī)采用電控高壓共軌燃油系統(tǒng)，廢氣分析儀和NH3分析儀等測量設(shè)備如表6所示。最后，對逆流式結(jié)構(gòu)的后處理系統(tǒng)進(jìn)行30 h發(fā)動機(jī)臺架尿素結(jié)晶循環(huán)驗證。

3.3.2 瞬態(tài)循環(huán)排放驗證

為保證對比試驗的有效性，對兩種方案所用的發(fā)動機(jī)原機(jī)狀態(tài)一致性進(jìn)行了對比，如圖18所示。兩種方案熱態(tài)WHTC循環(huán)的原機(jī)NOx排放體積濃度、尿素噴射量及SCR上游溫度基本一致，兩種方案的試驗邊界條件相同。

兩種方案的熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx尾排濃度和NH3泄漏體積濃度對比如圖19所示，尿素溶液起噴溫度設(shè)置為200℃，在相同的尿素噴射量條件下，逆流式結(jié)構(gòu)的NOx排放和NH3泄漏量均明顯下降：尤其在循環(huán)的前600 s，發(fā)動機(jī)負(fù)荷低、排氣溫度低，逆流式結(jié)構(gòu)混合器有效的促進(jìn)尿素霧化分解和混合，SCR載體前端面的混合均勻性提高，載體的利用率大幅度提高，NOx轉(zhuǎn)化效率提高；隨著負(fù)荷的增加，排氣溫度處于催化劑高轉(zhuǎn)化效率區(qū)間，結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)化效率的影響減弱，兩種方案NOx排放結(jié)果趨于一致。

表7為兩種方案熱態(tài)WHTC循環(huán)排放結(jié)果，兩種方案均不帶ASC。NOx轉(zhuǎn)化效率分別為95.9%和97.7%，與雙層管結(jié)構(gòu)相比，逆流式結(jié)構(gòu)的NOx轉(zhuǎn)化效率提高了1.88%，且氨泄漏均值和峰值均低于雙層管結(jié)構(gòu)。

表7 循環(huán)排放結(jié)果對比

圖18 兩種方案試驗條件對比

3.3.3 瞬態(tài)循環(huán)尿素結(jié)晶驗證

發(fā)動機(jī)臺架尿素結(jié)晶驗證試驗在臺架上進(jìn)行了30 h WHTC市區(qū)循環(huán)。試驗完成后進(jìn)行拆檢，結(jié)果表明沒有尿素結(jié)晶生成，如圖20所示。與雙層管結(jié)構(gòu)相比，有效避免了尿素結(jié)晶風(fēng)險，與CFD仿真計算的液膜厚度及壁面溫度推測的結(jié)果相符。通過逆流式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，引導(dǎo)氣流吹掃噴射在混合管內(nèi)外壁面的尿素液滴，降低了尿素結(jié)晶風(fēng)險，尾氣和尿素溶液混合更加均勻。

4 結(jié)論

本文中設(shè)計了一種新型逆流式SCR尿素混合器，能夠預(yù)防低排溫、高尿素噴射量條件下混合器的尿素結(jié)晶問題，提高發(fā)動機(jī)可靠性，降低NOx排放。

圖19 兩種方案排放結(jié)果對比

圖20 逆流式結(jié)構(gòu)尿素結(jié)晶驗證

（1）CFD計算仿真結(jié)果表明，逆流式結(jié)構(gòu)混合器有助于尿素溶液的蒸發(fā)和熱解，降低結(jié)晶風(fēng)險。該結(jié)構(gòu)有利于提高尿素液滴與氣流的混合均勻性，提高NOx轉(zhuǎn)化效率，降低氨泄漏。

（2）結(jié)晶能量因子法預(yù)測的結(jié)晶風(fēng)險與臺架試際驗證結(jié)果完全相符，結(jié)晶能量因子法能夠預(yù)測不同工況的尿素結(jié)晶風(fēng)險，減少臺架結(jié)晶驗證試驗數(shù)量，節(jié)省資源，節(jié)約成本。

（3）發(fā)動機(jī)臺架尿素結(jié)晶驗證試驗結(jié)果表明，逆流式結(jié)構(gòu)設(shè)計引導(dǎo)氣流由底部向上吹掃沉積在尿素混合管低部的尿素，混合管底部的液膜厚度及沉積面積明顯減少，有效避免了尿素在混合管上部的沉積。該結(jié)構(gòu)促進(jìn)了尿素液滴的破碎和分解，提高WHTC排放循環(huán)的NOx轉(zhuǎn)化效率，降低了氨泄漏，與CFD仿真結(jié)果吻合。