國六柴油機雙旋流SCR混合器試驗研究

張曉麗，王霞，榮超，石代龍，安邦，王東升，楊永春

(濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院，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，最終導致發(fā)動機燃油經(jīng)濟性降低；另外，尿素結(jié)晶還會影響SCR催化劑使用壽命[7-10]。

針對目前國Ⅵ柴油機SCR后處理系統(tǒng)中存在的尿素結(jié)晶問題，以某重型國Ⅵ柴油機箱式后處理SCR混合器為研究對象，設計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。最后進行測試NOx轉(zhuǎn)化效率的單點轉(zhuǎn)化效率試驗、測試NOx排放的WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗以及用于驗證結(jié)晶情況的10 h發(fā)動機臺架尿素結(jié)晶驗證試驗。

1 SCR混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

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SCR混合器為單旋流混合器(因為該混合器只有一級旋流片，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。廢氣進入混合器，一部分進入條形孔管，一部分進入旋流片，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。由于廢氣進入混合器時一部分進入條形孔管，一部分進入旋流片，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)化設計

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)(該混合器有兩級旋流片，因此稱雙旋流混合器)(見圖3)。該混合器由一級旋流片、擋流板、錐形多孔管和二級旋流片組成，其中一級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

廢氣進入混合器全部吹向一級旋流片，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，使尿素液滴在有限的混合時間里充分蒸發(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旋流片后通過擋流板上的開孔流出，在小葉片的導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)晶風險，還促進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對比分析

2.1 CFD模型設置

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)格目標尺寸為8 mm，最小尺寸為0.5 mm。為保證載體部分計算精度，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)晶風險預測的CFD計算，結(jié)合WHSC試驗循環(huán)(圖4)選擇廢氣溫度較低、負荷較低的工況(見表1)。

圖4 WHSC試驗循環(huán)

表1 計算工況條件

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計算選擇標定工況。

2.2 網(wǎng)格獨立性及模型有效性驗證

2.2.1網(wǎng)格獨立性驗證

圖5示出最小網(wǎng)格分別為1 mm和2 mm時載體前端面NH3的質(zhì)量流量對比。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)格尺寸大小對結(jié)果的影響，證明了網(wǎng)格的無關(guān)性，從而增強了結(jié)果的可信性。

圖5 SCR載體前端面NH3質(zhì)量流量隨時間的變化

2.2.2模型有效性驗證

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

圖6 混合器壁面液膜(仿真)與結(jié)晶(試驗)分布對比

2.3 模擬結(jié)果及分析

2.3.1液膜厚度

在低負荷工況下，單旋流混合器和雙旋流混合器壁面液膜厚度對比情況見圖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。這是因為廢氣進入單旋流混合器時，一部分進入條形孔管，一部分進入旋流片，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，使尿素液滴在有限的混合時間里充分蒸發(fā)熱解，同時，從一級旋流片流出后通過擋流板開孔流出的氣體，在小葉片的導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，進而降低了混合器壁面液膜的厚度，從而減小了結(jié)晶風險。

圖7 液膜厚度對比

圖8 速度流線

2.3.2分布均勻性

在低排溫、低負荷工況下，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)量分數(shù)對比見圖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)尿素熱解率分別為81%和90%，與封裝單旋流混合器相比，封裝雙旋流混合器尿素熱解效率提高了11.1%，尿素溶液的蒸發(fā)熱解效果大幅度增強。

圖9 SCR載體前端面 N2H4CO質(zhì)量分數(shù)分布對比

低排溫、低負荷工況下SCR載體前端面NH3質(zhì)量分數(shù)分布對比見圖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Amax，最小值Amin及平均值Aave,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)量分數(shù)分布對比

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)在低負荷工況下SCR載體前端面的速度分布對比情況見圖11。單旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面的流動均勻指數(shù)為0.90，雙旋流結(jié)構(gòu)為0.89，雙旋流結(jié)構(gòu)SCR載體前端面流動均勻指數(shù)相對于單旋流結(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)在標定工況下的壓力分布對比情況，兩種結(jié)構(gòu)在標定工況下的系統(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，是因為雙旋流混合器中錐形多孔管出口增加了多孔擋板，對氣流形成阻力，產(chǎn)生壓力損失。

圖12 兩種結(jié)構(gòu)壓力分布對比

3 試驗驗證

3.1 單點轉(zhuǎn)化效率試驗

選取結(jié)晶風險較大的穩(wěn)態(tài)工況點(轉(zhuǎn)速1 599 r/min，扭矩510 N·m)進行NOx單點轉(zhuǎn)化效率試驗。試驗臺架后處理系統(tǒng)管路布置見圖13。

圖13 試驗臺架后處理系統(tǒng)管路布置示意

試驗所用的測試設備、儀器、儀表已校驗合格，并且在有效期內(nèi)，包括Horiba 7500DEGR氣體排放設備和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。

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

圖14示出NOx單點轉(zhuǎn)化效率試驗中測得的兩種結(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時的NOx轉(zhuǎn)化率相對于單旋流結(jié)構(gòu)均有所提高，尤其在氨氮比為0.9時提高幅度最大，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)化效率對比

3.2 瞬態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗

對封裝兩種結(jié)構(gòu)的后處理系統(tǒng)進行WHTC循環(huán)排放試驗，對比分析兩種混合器對NOx排放的影響。

試驗采用某重型柴油機，廢氣測試所用設備為MEXA-7100DEGR廢氣分析儀，測功機為AVL INDYS56。

對兩種結(jié)構(gòu)的WHTC循環(huán)排放試驗結(jié)果進行對比，如何保證對比結(jié)果有效是本試驗的關(guān)鍵。首先必須保證試驗所用發(fā)動機完全相同，其次要保證發(fā)動機的原機狀態(tài)相同，即保證原機的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)排放試驗的原機NOx排放體積分數(shù)、尿素噴射量以及SCR上游排氣溫度的對比情況。從圖中可見，兩結(jié)構(gòu)對應的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)動機原機狀態(tài)一致，說明本試驗接下來的排放結(jié)果對比是有效的。

圖15 兩種結(jié)構(gòu)原機狀態(tài)對比

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)下柴油機尾氣中NOx排放對比情況。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旋流片可以有效促進尿素噴束的蒸發(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排放試驗結(jié)果對比

3.3 發(fā)動機臺架尿素結(jié)晶驗證試驗

為驗證雙旋流混合器結(jié)晶性能，在發(fā)動機臺架上對封裝單旋流混合器和雙旋流混合器的后處理系統(tǒng)進行同等條件下的結(jié)晶驗證試驗，試驗循環(huán)采用WHTC前1 200 s+600 s怠速循環(huán)。循環(huán)進行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。試驗結(jié)果驗證了雙旋流混合器可以促進尿素蒸發(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)晶驗證

4 結(jié)論

a) CFD計算結(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)晶風險；

b) NOx單點轉(zhuǎn)化效率測試試驗結(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)動機臺架尿素結(jié)晶驗證試驗結(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尿素液滴與尾氣混合，充分促進液滴的蒸發(fā)和分解，從而有效避免尿素結(jié)晶。