基于CFD的輕型柴油機(jī)SCR系統(tǒng)高效混合器優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐啟力 劉屹 宋志良 儲麗 胡義伍

摘 要：為提高柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的工作性能，本文利用CFD軟件對某型號輕型柴油機(jī)后處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過分析混合器壓降、SCR入口速度均勻性、NH3均勻性等參數(shù)和實(shí)測NOx轉(zhuǎn)化效率，確定優(yōu)化后方案的可行性。結(jié)果表明優(yōu)化后方案在壓降、SCR入口速度均勻性、NH3均勻性和NOx轉(zhuǎn)化效率上實(shí)現(xiàn)全面提升。

關(guān)鍵詞：CFD;輕型柴油機(jī);SCR;高效混合器;壓降;均勻性;NOx轉(zhuǎn)化效率

1 引言

柴油機(jī)尾氣是大氣污染的重要來源之一，其主要成分為顆粒物（PM）和氮氧化物（NOx）。隨著排放法規(guī)向國VI標(biāo)準(zhǔn)過渡，必須要大幅度降低柴油機(jī)氮氧化物的排放，才能滿足日益苛刻的法規(guī)要求。選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是降低尾氣中NOx含量最有效的方法之一[1]。SCR技術(shù)通過向排氣管內(nèi)噴射32.5% 的尿素水溶液，尿素水溶液在排氣管中與尾氣混合，經(jīng)過蒸發(fā)、熱解及水解后產(chǎn)生還原劑NH3，NH3在SCR催化劑的作用下與NOx反應(yīng)，最終將NOx轉(zhuǎn)化成N2和H20。該技術(shù)要求高的SCR入口速度均勻性、NH3均勻性和較低的壓降。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是研究SCR系統(tǒng)性能較為常用的方法。本文利用CFD軟件對某型號輕型四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩款高效混合器進(jìn)行模擬分析，為混合器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

2 幾何模型

本文采用某型號輕型四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)如圖1所示。結(jié)構(gòu)型式采用直筒式，其中含氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、柴油顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）四個(gè)部分。本文為SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩款渦旋式高效混合器，方案A如圖2所示，由進(jìn)氣隔板、出氣隔板、擋板、混合管組成;方案B如圖3所示，對方案A進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，增加3塊液滴破碎翅片、進(jìn)氣隔板扇形角度由原來60°調(diào)整為90°、出氣隔板增加小孔設(shè)計(jì)、混合管開口角度由原來75°調(diào)整為95°。噴嘴位置及混合器尺寸如圖4所示。

3 計(jì)算模型

3.1 邊界條件

進(jìn)口設(shè)為質(zhì)量流量入口，出口設(shè)為壓力出口。壁面熱邊界設(shè)為對流，壁面的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度設(shè)置為45w/（m2·k）和30℃。計(jì)算工況參數(shù)如表1所列。

3.2 噴霧模型

噴霧采用拉格朗日項(xiàng)模型。噴霧成分模型為Multi-Component Liquid模型，能準(zhǔn)確描述多組分溶液液滴的蒸發(fā)情況[2]。模型中定義組分為尿素和水，各質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%和67.5%。液滴二次破碎模型選用Reitz-Diwakar Breakup模型。壁面撞擊模型選用Bai-Gosman Wall Impingement模型。液滴蒸發(fā)模型選用Droplet Evaporation 模型。噴射參數(shù)如表2所列。

3.3 反應(yīng)模型

SCR系統(tǒng)尿素分解主要包括以下三步反應(yīng)[3]：（1）尿素溶液中水分蒸發(fā)析出尿素晶體;（2）尿素?zé)峤馍砂睔夂彤惽杷?（3）異氰酸水解生成氨氣和二氧化碳。三步反應(yīng)如式（1）～（3）所示。

尿素溶液經(jīng)過水分完全蒸發(fā)析出固體尿素晶體之后，析出的固體尿素晶體會經(jīng)歷下一個(gè)蒸發(fā)過程。氣態(tài)尿素在尾氣中是非常不穩(wěn)地的，所以從反應(yīng)機(jī)理上可以簡化為固態(tài)尿素直接蒸發(fā)分解生成氨氣和異氰酸[4]。尿素溶液中水分和尿素具有不同的蒸發(fā)速率[5]。本文中尿素?zé)峤夂彤惽杷崴獾幕瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)采用文獻(xiàn)[3]的試驗(yàn)結(jié)果：

式中，k1為尿素?zé)峤饣瘜W(xué)反應(yīng)速率常數(shù);k2為異氰酸水解化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù);R為摩爾氣體常量;T為熱力學(xué)溫度。

4 混合器性能分析

兩款混合器匹配的后處理系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，對混合器壓降、SCR入口速度均勻性和氨均勻性進(jìn)行評價(jià)。最后結(jié)合臺架試驗(yàn)從NOx轉(zhuǎn)化效率角度對混合器性能進(jìn)行評估。

4.1 壓降

后處理系統(tǒng)壓降指后處理進(jìn)口與出口之間壓力差，是評價(jià)后處理對發(fā)動機(jī)功率損失影響的關(guān)鍵指標(biāo)。一般后處理壓降在30～35kPa?；旌掀鲏航悼刂圃?～7kPa。方案A和方案B壓降如表3所列。

通過對混合器進(jìn)氣隔板和混合器管開口的擴(kuò)大，壓降明顯降低，使系統(tǒng)總壓降控制在合理范圍。針對渦旋式混合器，如果過于強(qiáng)調(diào)低的壓降，將開口繼續(xù)擴(kuò)大使混合距離縮短，造成尿素混合不充分，進(jìn)而導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化效率低。

4.2 速度均勻性

速度均勻性決定氣流在催化劑內(nèi)停留時(shí)間，從而影響催化劑轉(zhuǎn)化效率和溫度分布。催化劑內(nèi)氣流分布均勻，可加快其溫升速率，降低催化劑局部過熱而產(chǎn)生的溫度梯度，從而提高催化劑轉(zhuǎn)化效率和使用壽命[6]。

額定工況下方案A和方案B SCR入口速度均勻性如圖5所示。詳細(xì)速度數(shù)據(jù)見表4所列。

方案A，氣流從混合管流出后，一直以渦流狀流到SCR入口前，造成中心流體速度慢，邊緣流速快。如圖6所示。方案B在其基礎(chǔ)上，對出氣隔板上增加開孔設(shè)計(jì)，可以較大幅度減緩渦旋強(qiáng)度。

4.3 氨分布均勻性

SCR入口NH3均勻性對NOx轉(zhuǎn)化效率有重要影響[7]。SCR入口某一區(qū)域NH3 濃度偏低會造成NOx轉(zhuǎn)化效率下降，NH3濃度偏高化學(xué)反應(yīng)過于劇烈，會加速催化劑老化，且導(dǎo)致氨泄露。因此對NH3均勻性有很高要求。

混合器方案A和方案B的NH3均勻性CFD結(jié)果如圖7所示。

方案A與方案B相對比，NH3分布均勻性較差，且濃度偏低。從混合器結(jié)構(gòu)上分析，出氣隔板增加開孔設(shè)計(jì)對速度均勻性和尿素混合均有改善;同時(shí)增加翅片設(shè)計(jì)，有助于噴霧二次破碎，使噴霧粒徑更小。小粒徑尿素液滴會在混合器中快速蒸發(fā)分解，提高NH3濃度。

4.4 臺架性能評估

為了滿足國VI法規(guī)要求，試驗(yàn)表明在新鮮態(tài)SCR催化劑的轉(zhuǎn)化效率需要達(dá)到表5所列要求。

選擇3.0L發(fā)動機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。通過調(diào)整發(fā)動機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速來調(diào)整發(fā)動機(jī)的運(yùn)行工況，在4萬空速下，對應(yīng)不同溫度點(diǎn)測試NOx轉(zhuǎn)化效率。方案A臺架實(shí)測NOx轉(zhuǎn)化效率如表6所列。方案B臺架實(shí)測NOx轉(zhuǎn)化效率如表7所列。轉(zhuǎn)化效率對比如圖9所示。

方案B相比方案A，各溫度點(diǎn)的轉(zhuǎn)化效率有較大提高，與3.2、3.3中CFD分析結(jié)果相對應(yīng)。

5 結(jié)論

CFD分析和臺架試驗(yàn)結(jié)果表明：本文研究的混合器方案A存在壓降大、速度和NH3分布均勻性較低，同時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率偏低，無法滿足轉(zhuǎn)化效率要求。方案B對比方案A各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)有較大改善，且滿足轉(zhuǎn)化效率要求。對混合器方案A的設(shè)計(jì)優(yōu)化是可行的。

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