柴油機后處理進氣擾流裝置設(shè)計選型分析

0 引言

國六后處理系統(tǒng)包含封裝總成和尿素噴射模塊，其中封裝總成包含DOC催化器總成、DPF催化器總成、混合器總成和SCR催化器總成及ASC催化器總成，DOC催化器指安裝在柴油車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中，通過催化氧化作用降低排氣中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)等污染物排放量，和(或)將排氣污染物中的一氧化氮(NO)轉(zhuǎn)換為二氧化氮(NO

)的裝置。DPF催化器指安裝在柴油車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中，通過載體孔內(nèi)壁(帶微氣孔)具有的過濾特性來降低排氣中顆粒物的捕集器。SCR催化器指安裝在柴油車發(fā)動機排氣系統(tǒng)中，將排氣中的有毒的氮氧化物(NO

)通過選擇性催化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無毒的氮氣(N

)和水(H

O)，以降低NO

排放量的裝置。ASC催化器指裝在 SCR 后端，通過催化氧化作用降低 SCR 后端排氣中泄漏出的氨(NH

)的裝置。

隨著排放法規(guī)不斷升級，這就要求后處理的對尾氣處理能力要不斷提升，目前國六階段的排放要比前期的國五/國四排放要求嚴苛很多，這就對催化劑的性能提出來新的挑戰(zhàn)，催化劑性能的影響參數(shù)很多，其中機械結(jié)構(gòu)這一塊對催化劑的影響主要體現(xiàn)為如何設(shè)置合理的擾流裝置來提升催化劑端面氣流的均勻性，如無擾流裝置或擾流裝置設(shè)置不合理，會導(dǎo)致催化劑端面的氣流不均勻分布，催化劑端面氣流一旦分布不均勻，會造成局部氣流集中，這會使此區(qū)域催化劑不能與尾氣充分接觸進行化學(xué)反應(yīng)，嚴重影響催化劑的整體效率，進而影響整個后處理器系統(tǒng)的性能。

DOC催化器與整車出氣端連接，會造成DOC催化劑端面的流速較大，要在大流速下保證氣流的均勻性就必須在DOC催化劑前端增加合適的擾流裝置，擾流裝置需打散氣流原有走向，特別是對氣流集中區(qū)域進行分散，保證后端DOC催化劑進氣端氣流分布均勻，氣流是否分布均勻直接影響DOC催化劑的效率，直接關(guān)系排放是否超標。

目前對后處理中流體分析行業(yè)最常用的方法就是用計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)進行分析。CFD模擬分析可對后處理結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣流走向進行模擬，對氣流流速分布的均勻性、氣流溫度分布的均勻性、傳感器布置位置合理性及整體結(jié)構(gòu)的排氣背壓進行評估，同時可對帶SCR系統(tǒng)的尿素噴射模型進行模擬分析，可對SCR催化劑端面氨分布的均勻性、混合器區(qū)域的液膜厚度及液膜溫度進行評估，氨分布均勻與否可從側(cè)面來評估SCR催化劑的效率，最大液膜厚度及最低液膜溫度分布區(qū)域可用來評估混合器的結(jié)晶風(fēng)險。前期結(jié)構(gòu)的CFD模擬分析對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)意義很強，可規(guī)避很多結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷對整體性能的影響，有效控制成本的同時可縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。針對不同進氣結(jié)構(gòu)的分析，CFD軟件可有效模擬擾流裝置對氣流的擾動效果，最后可通過催化劑端面的氣流速度分布云圖來判定氣流均勻性是否滿足要求，可從氣流分布的均勻與否來評估催化劑的性能，現(xiàn)在行業(yè)里認可的DOC催化劑端面的氣流均勻性不能低于0.9(在發(fā)動機的額定工況下)。

1 擾流裝置設(shè)計要求

擾流裝置主要對高速氣流進行擾流，打散原有氣流，改善氣流走向，以保證氣流的均勻分布，在國六后處理中DOC催化器進氣結(jié)構(gòu)主要為直通式進氣結(jié)構(gòu)和側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)。針對布置空間較充裕及縱向布置車型，一般會選用直通式進氣結(jié)構(gòu)，針對布置空間受限及橫向布置車型，一般會選用側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)。

1.1 直通式擾流裝置設(shè)計

針對主機系統(tǒng)常見的構(gòu)件安全質(zhì)量問題，在制定主機安裝缺陷排除措施時，應(yīng)從實際問題出發(fā)，重點解決螺栓松動問題?？紤]到主機系統(tǒng)內(nèi)部機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度較大且振動明顯，因此，需要定期檢查螺栓安裝問題，以免出現(xiàn)螺栓位移的問題。另外，在尾軸偏移導(dǎo)致主機被磨損的問題上，要做好尾軸位置控制工作，將其固定在規(guī)定位置上，確保主機系統(tǒng)不受其影響。

作為一種新興的產(chǎn)業(yè)，中國的物業(yè)管理從產(chǎn)生至今，一直將自己擺在“房地產(chǎn)開發(fā)商從屬部門”的配角地位，鄂州物業(yè)管理的地位也不例外，把發(fā)展方向定位于一些簡單的、具體的服務(wù)形式，并沒有認識到物業(yè)管理企業(yè)的服務(wù)主要應(yīng)集中于對公共事務(wù)的協(xié)調(diào)和處理上，從而導(dǎo)致了該行業(yè)的被動局面。

1.2 側(cè)進式擾流裝置設(shè)計

鄂州物業(yè)管理可以結(jié)合地方實際情況從以下幾個方面進行規(guī)范：第一嚴把市場準入關(guān)。對物業(yè)管理企業(yè)要嚴格準入，強化新建企業(yè)開業(yè)登記和資格審查、年檢、資質(zhì)復(fù)審等工作；第二建立物業(yè)管理主體信用檔案。對物業(yè)公司及其法人、業(yè)委會成員建立誠信檔案；第三積極開展物業(yè)管理考評。根據(jù)優(yōu)秀物業(yè)管理示范小區(qū)標準，積極開展考評達標活動，讓更多的業(yè)主購得安心和住得放心；最后加強制度建設(shè)。應(yīng)根據(jù)國家和省公布的法律法規(guī)來制定與地方配套的、具體的細則及辦法，進而推動鄂州市物業(yè)管理規(guī)范化發(fā)展。

2 擾流裝置模擬分析

2.1 直通式擾流裝置CFD分析

直通式進氣結(jié)構(gòu)增加擾流裝置后，我們的想法是能夠把中間高速氣流進行攔截，邊緣區(qū)域也能夠分布一定的氣流，進而使整個截面氣流分布較均勻?，F(xiàn)通過分析軟件進行模擬校核，CFD分析云圖如圖5和圖6示意，從截面氣流分布云圖可以看出四周顏色偏深一點，流線云圖顯示氣流流線已被打散分布至四周，中間區(qū)域氣流流速明顯降低，最大流速也下降，雖然從截面氣流分布云圖上看去顏色差異較大，邊緣區(qū)域要比中間區(qū)域顏色深，但從數(shù)值分布的梯度可以看出差異較小，故模擬分析結(jié)果吻合我們的設(shè)計預(yù)想，且從分析軟件中讀取的截面流速均勻性系數(shù)DOC UI為0.93，大于工程目標0.9的要求，滿足設(shè)計要求。

側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)氣流通過排氣管流入后處理，如果不增加一定的擾流裝置，高速氣流會直接撞擊筒壁，只有少數(shù)氣流會反彈回來，大部分氣流會集中于進氣管對面筒壁邊緣，造成氣流在DOC催化劑端面分布不均勻，催化劑邊緣區(qū)域的集中的尾氣不能得到充分的化學(xué)反應(yīng)，其余區(qū)域催化劑不能得到有效利用，會造成DOC催化劑的效率不足。側(cè)進式擾流裝置設(shè)計要求能把側(cè)進的高速氣流直接打散，改變氣流走向，使氣流盡可能均勻分布于DOC催化劑端面，側(cè)進式擾流裝置推薦使用正對氣流方向布置的多孔板結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)可有效分散氣流，同時對進氣端的背壓影響很小，側(cè)進式擾流裝置推薦結(jié)構(gòu)如圖2示意。從示意圖看出側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)擾流裝置(紅色示意)正對氣流區(qū)域均勻分布圓孔，此區(qū)域在空間允許的情況下要求盡可能覆蓋整個進氣口，主要為打散側(cè)進的高速氣流，擾流裝置其余區(qū)域分布的圓孔主要為給氣流分散導(dǎo)流，從整個結(jié)構(gòu)可以看出此結(jié)構(gòu)擾流裝置主要用于改善氣流，未影響進氣流道，所以對整個后處理的背壓影響較小。

直通式進氣結(jié)構(gòu)氣流集中區(qū)域為進氣口的中心區(qū)域，如果不增加一定的擾流裝置，發(fā)動機的尾氣通過排氣管進入后處理后，氣流會集中分布于DOC催化劑中心區(qū)域，造成DOC催化劑邊緣的氣流分布較少，催化劑中間集中區(qū)域的尾氣不能得到充分的化學(xué)反應(yīng)，其余區(qū)域催化劑不能得到有效利用，直接影響DOC催化劑的效率。直通式結(jié)構(gòu)擾流裝置設(shè)計要求能對中間區(qū)域氣流進行截流，可在中心位置設(shè)計小孔用于攔截中間區(qū)域的高速氣流，周圍區(qū)域設(shè)置大孔進行導(dǎo)流，同時擾流裝置對直通式進氣結(jié)構(gòu)排氣背壓影響較大，如果開孔率不足，會增加系統(tǒng)的排氣背壓，排氣背壓上升會導(dǎo)致發(fā)動機燃油消耗率上升，發(fā)動機經(jīng)濟性能惡化，所以我們在對擾流裝置進行開孔布置時，至少需保證總開孔面積要≥進氣管截面積的1.5倍。直通式擾流裝置推薦結(jié)構(gòu)如圖1示意。從示意圖中可以看出直通式進氣結(jié)構(gòu)擾流裝置(紅色示意)中間區(qū)域均勻分布原孔，此區(qū)域原孔用于攔截中間區(qū)域的高速氣流，擾流裝置圓周區(qū)域均勻分布矩形孔，此區(qū)域矩形孔用于給氣流進行導(dǎo)流，以使DOC催化劑邊緣區(qū)域有氣流分布，整個催化劑端面氣流均勻。直通式擾流裝置直接形成了進氣氣流的流道，故此結(jié)構(gòu)對整個后處理的背壓影響較大，所以在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下圓孔與矩形孔的開孔面積要盡可能加大，為減小對整體背壓的影響，至少需保證矩形孔和圓孔的總開孔面積要≥進氣管截面積的1.5倍。

直通式進氣結(jié)構(gòu)無擾流裝置時，我們前期分析的結(jié)果是氣流會集中于中間區(qū)域，且區(qū)域大小接近進氣管徑大小?，F(xiàn)通過分析軟件進行模擬校核，CFD分析云圖如圖3和圖4示意，主要考核DOC催化劑端面氣流的分布情況，從截面氣流分布云圖可以看出中間區(qū)域顏色較深，流線云圖顯示中間區(qū)域分布也較多，即此區(qū)域氣流比較集中，也與我們前期的分析相吻合，且從分析軟件中讀取的截面流速均勻性系數(shù)DOC UI為0.85，小于工程目標0.9的要求，不滿足設(shè)計要求。

2.2 側(cè)進式擾流裝置CFD分析

側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)無擾流裝置時，我們前期的分析結(jié)果是氣流會集中于正對進氣管的邊緣區(qū)域，其余區(qū)域氣流分布較少?，F(xiàn)通過分析軟件進行模擬校核，CFD分析云圖如圖7和圖8示意，從截面氣流分布云圖可明顯看出正對進氣管的邊緣區(qū)域顏色分布較深，同時此區(qū)域的氣流流線分析也較多，故此區(qū)域的氣流分布較集中，與我們前期的分析吻合，且從分析軟件中讀取的截面流速均勻性系數(shù)DOC UI為0.84，小于工程目標0.9的要求，不滿足設(shè)計要求。

側(cè)進式進氣結(jié)構(gòu)增加擾流裝置后，CFD分析云圖如圖9和圖10示意，我們的想法是能夠攔截側(cè)進的直沖高速氣流，讓整個氣流能夠被打散，均勻分布到催化劑端面?，F(xiàn)通過分析軟件進行模擬校核，從截面氣流分布云圖可以看出各區(qū)域云圖顏色比較均勻，氣流流線也被明顯打散分布到整個截面，即說明整體的氣流分布比較均勻，故模擬分析結(jié)果吻合我們的設(shè)計預(yù)想，且從分析軟件中讀取的截面流速均勻性系數(shù)DOC UI為0.95，大于工程目標0.9的要求，滿足設(shè)計要求。

1.1.2地理區(qū)位作為貴陽市東北城市組團，烏當區(qū)的區(qū)位交通條件優(yōu)越，其東臨南明區(qū)、南融云巖區(qū)、西接觀山湖和白云區(qū)、北連開陽縣，與貴陽航空港經(jīng)濟區(qū)、貴陽綜合保稅區(qū)聯(lián)袂成帶，與貴陽龍洞堡國際機場和貴陽火車北站毗鄰，貴陽火車東站坐落境內(nèi)，高速公路、高速鐵路與城市干道縱橫交錯，“快旅慢游”現(xiàn)代交通體系基本形成，是廣大貴陽市民首選的農(nóng)旅體驗生態(tài)區(qū)。

3 結(jié)論

本文通過對多種進氣擾流裝置的設(shè)計分析，通過分析軟件對增加擾流裝置與不帶擾流裝置的對比分析，進而提出針對不同進氣結(jié)構(gòu)中擾流裝置設(shè)計優(yōu)化的建議，為后續(xù)后處理設(shè)計開發(fā)中如何提升DOC催化劑的效率提供一個好的方向。

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