車(chē)用柴油機(jī)SCR混合段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

方今朝，劉會(huì)猛，高超，董昕，張選國(guó)，李光義

1.萬(wàn)向通達(dá)股份公司 技術(shù)中心，湖北 武漢 430056；2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引言

國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)用柴油機(jī)NOx排放限值要求更加嚴(yán)格，降低NOx排放是必須解決的主要問(wèn)題之一。選擇性催化還原(selective catalytic redution，SCR)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的影響小、結(jié)構(gòu)布置容易、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響小，是目前降低NOx排放的主流技術(shù)。重型柴油車(chē)NOx排放限值由國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)要求的2 g/(kW·h)大幅降低至國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求的0.46 g/(kW·h)，相應(yīng)地對(duì)SCR系統(tǒng)的性能要求也明顯提高[1-4]。

性能良好的SCR系統(tǒng)要求NOx轉(zhuǎn)化效率高、排氣阻力損失小、結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化的響應(yīng)速度快，并且應(yīng)避免產(chǎn)生尿素結(jié)晶。為此，SCR混合段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高流場(chǎng)速度的均勻性和氨均勻性，避免尿素液沉積，控制尿素結(jié)晶，降低排氣阻力。后處理系統(tǒng)的很多研究結(jié)合尿素液噴霧混合過(guò)程，采用模擬仿真和試驗(yàn)方法。Zhang等[5]對(duì)NH3-SCR系統(tǒng)三角翼流動(dòng)混合器的混合特性進(jìn)行了三維模擬，分析了葉片混合器形狀、位置、葉片數(shù)量對(duì)混合性能的影響，發(fā)現(xiàn)葉片混合器安裝在尿素噴嘴下游可以快速提高混合均勻性，但尿素噴嘴距離載體較遠(yuǎn)時(shí)葉片混合器安裝在尿素噴嘴上游更有利于提高混合均勻性；葉片扭曲產(chǎn)生的旋流在尿素噴嘴距離載體較遠(yuǎn)時(shí)可以改善混合均勻性；混合器葉片數(shù)量為3的混合效果比葉片數(shù)量為6時(shí)提高8%，壓力損失減少5.3～13.0 kPa。溫苗苗[6]運(yùn)用三維模擬的方法，分析了不同混合段結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)壓降和速度場(chǎng)均勻性、氨均勻性，研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向型SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)壓降小且流場(chǎng)均勻性最好；在錐形SCR進(jìn)口段中加裝孔板混合結(jié)構(gòu)會(huì)改善流場(chǎng)均勻性，但導(dǎo)致排氣壓降損失增加1～3 kPa。趙彥光等[7]設(shè)計(jì)了2種分別帶4個(gè)葉片和8個(gè)葉片的混合器，葉片結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[5]中的不同，不產(chǎn)生旋流運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)研究了2種混合器的壓降損失和對(duì)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，表明8個(gè)葉片混合器的壓力損失比4個(gè)葉片混合器的壓力損失小，且混合器可使SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率最高提升10%。

混合段設(shè)計(jì)中采用不同結(jié)構(gòu)混合器的主要作用是：增強(qiáng)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度，改善混合；使排氣氣流產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而可以在不增加排氣管長(zhǎng)度的情況下增加尿素液與排氣氣流的混合時(shí)間，以及尿素液的熱解、水解時(shí)間，提高流場(chǎng)速度的均勻性和氨均勻性；使排氣氣流產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，在不增加排氣管長(zhǎng)度的情況下增加混合時(shí)間，并利用尿素液和排氣的密度差強(qiáng)化混合過(guò)程。

近年來(lái)，隨著排放標(biāo)準(zhǔn)要求的日益提高，柴油機(jī)排氣后處理必須結(jié)合SCR、柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)等多項(xiàng)技術(shù)才能滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)要求[8-9]。為了節(jié)省安裝空間，出現(xiàn)了各種緊湊型、集成式的排氣后處理設(shè)計(jì)方案。Seo[10]在設(shè)計(jì)重載車(chē)用柴油機(jī)的DPF和SCR封裝裝置時(shí)，發(fā)現(xiàn)將尿素噴嘴設(shè)置在連接彎管處時(shí)，尿素噴霧容易在彎管處沉積，形成濕壁現(xiàn)象，產(chǎn)生結(jié)晶；而將尿素噴嘴設(shè)置在DPF后處理裝置末端，同時(shí)利用帶孔隔板，形成氣體擾流，可加速尿素噴霧與尾氣間的換熱，避免形成結(jié)晶。Alano等[11]為一臺(tái)1.6 L的4缸柴油機(jī)設(shè)計(jì)了一款緊湊型螺旋式混合器BlueBox，將混合距離由400 mm縮短至小于75 mm，在維持壓降不變的條件下使氨均勻性達(dá)0.95以上。Neusser等[12]在大眾渦輪增壓直接噴射歐VI柴油機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用帶SCR涂層的顆粒過(guò)濾器，將SCR和顆粒過(guò)濾器集成起來(lái)，減小了后處理裝置體積，與采用獨(dú)立的SCR裝置相比，在冷起動(dòng)和低負(fù)荷下排氣溫度可提高30 K，不需要在發(fā)動(dòng)機(jī)上采取專(zhuān)門(mén)措施提高排溫。Michelin等[13]為提高混合均勻性和減小后處理裝置體積，設(shè)計(jì)了U型連接的DOC-SCR/DPF后處理裝置結(jié)構(gòu)，氣流轉(zhuǎn)向角度為180°，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明，在排氣質(zhì)量流量為450 kg/h時(shí)，氨均勻性可達(dá)0.96，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明NOx排放可滿(mǎn)足歐VI標(biāo)準(zhǔn)。

不同發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)SCR的要求一致，但混合段結(jié)構(gòu)需要結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的具體工作參數(shù)和空間布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文中針對(duì)某車(chē)用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)進(jìn)行混合段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，著重解決尿素沉積結(jié)晶和流場(chǎng)均勻性問(wèn)題，以滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 結(jié)構(gòu)方案

車(chē)用柴油機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。為滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求，使用DOC-DPF-SCR等多種后處理技術(shù)組合方案，采用筒式結(jié)構(gòu)封裝，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

圖1 排氣后處理總體結(jié)構(gòu)

為保證NOx轉(zhuǎn)化效率高，必須保證SCR催化反應(yīng)段入口氣體速度均勻性和氨體積均勻性(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氨均勻性)符合要求。速度均勻性影響催化反應(yīng)段的NOx催化轉(zhuǎn)化性能，氨均勻性能直接決定NOx轉(zhuǎn)化效率。氨氮摩爾比(以下簡(jiǎn)稱(chēng)氨氮比)基本不影響速度均勻性，但對(duì)氨均勻性影響明顯。氨氮比越大，尿素液噴霧越難以混合均勻，水解、熱解氨均勻性越低[14]。在一定的氨氮比下，排氣流量和排氣溫度是影響尿素結(jié)晶以及氨均勻性的主要因素。為滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求，需提高氨氮比，由此帶來(lái)結(jié)晶和氨均勻性問(wèn)題，相比國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)階段更難以解決。采取以下分級(jí)的辦法解決結(jié)晶和氨均勻性：1)噴霧混合腔進(jìn)行初步混合，盡量避免結(jié)晶；2)為提高均勻性，可增加混流板。具體包括在混合段僅布置混合腔和在混合腔后再布置混流板2種方案?；炝靼褰Y(jié)構(gòu)有2種，如圖2所示，其中混流板1為扇葉結(jié)構(gòu)，混流板2為網(wǎng)孔板結(jié)構(gòu)。

a)混流板1 b)混流板2

2 仿真分析

為分析流場(chǎng)均勻性，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)混合段進(jìn)行了三維流場(chǎng)模擬分析，計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格采用局部加密方式：特征線段至少設(shè)置4個(gè)節(jié)點(diǎn)，連結(jié)面限定節(jié)點(diǎn)最大距離為0.2 mm；節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 084 331，網(wǎng)格單元數(shù)為5 123 242。

圖3 模擬分析網(wǎng)絡(luò)

混合均勻性因數(shù)[15]

基于以上定義，當(dāng)氨混合均勻、截面中任意方向的氨質(zhì)量濃度梯度均為0或截面處氣體的流速均一致時(shí)，均勻性因數(shù)最大，為1；當(dāng)參數(shù)N集中于一點(diǎn)時(shí)均勻性因數(shù)最小，為0。

計(jì)算工況的排氣質(zhì)量流量、SCR入口排氣溫度和尿素液噴射質(zhì)量流量等參數(shù)如表2所示，不同工況時(shí)基于體積的EGR混合器內(nèi)氣體速度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖4～6所示。

表2 計(jì)算工況主要參數(shù)

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

由圖4～6和式(1)可知：1)工況1下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體的速度均勻性為0.945，混流板1為0.965，混流板2為0.991；2)工況2下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體的速度均勻性為0.925，混流板1為0.955，混流板2為0.988；3)工況3下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體的速度均勻性為0.951，混流板1為0.972，混流板2為0.993；4)3種工況下沒(méi)有混流板時(shí)，EGR混合器內(nèi)氣體流速均勻性較差，帶混流板2的流速均勻性最好。

基于體積算法(參與均勻性積分計(jì)算的單元是有限元單元格賦值乘以有限元單元格體積)的氨的摩爾分?jǐn)?shù)仿真計(jì)算結(jié)果如圖7～9所示。

由圖7～9及式(1)可知：1)工況1下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體中氨均勻性為0.952，混流板1為0.970，混流板2為0.985；2)工況2下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體的氨均勻性為0.934，混流板1為0.965，混流板2為0.987；3)工況3下，無(wú)混流板的EGR混合器內(nèi)氣體的氨均勻性為0.964，混流板1為0.982，混流板2為0.990；4)3種工況下均以帶混流板2的EGR混合器內(nèi)氣體的氨均勻性最好，均不低于0.985。

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)無(wú)混流板 b)混流板1 c)混流板2

3 試驗(yàn)考核

3.1 抗結(jié)晶試驗(yàn)

為考核混合段的實(shí)際效果，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)?？菇Y(jié)晶試驗(yàn)工況如表3所示，主要測(cè)試設(shè)備及型號(hào)如表4所示。

表3 抗結(jié)晶試驗(yàn)工況

表4 主要試驗(yàn)設(shè)備及其型號(hào)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)匹配要求，按照表3中工況，對(duì)裝配3種混合器的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行抗結(jié)晶試驗(yàn)。運(yùn)行18 h后，測(cè)量3種結(jié)構(gòu)混合器的尿素結(jié)晶均不超過(guò)1.0 g。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)要求運(yùn)行18 h后，后處理器總質(zhì)量增加小于2 g，符合匹配要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：不帶混流板時(shí)后處理器排氣阻力為22 kPa；2種帶混流板的后處理器排氣阻力基本相同，均為24 kPa；與帶混流板相比，不帶混流板時(shí)后處理器的排氣阻力小2 kPa。

3.2 均勻性試驗(yàn)

進(jìn)行均勻性考核尤其是氨均勻性考核時(shí)，直接測(cè)量催化反應(yīng)段入口的均勻性費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)。由于一定的排氣成分、溫度、流量下，氨氮比相同時(shí)，均勻性與NOx轉(zhuǎn)化效率正相關(guān)，轉(zhuǎn)化效率越高，均勻性越好。因此，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上直接測(cè)量NOx的轉(zhuǎn)化效率，用轉(zhuǎn)化效率評(píng)估均勻性。均勻性試驗(yàn)包括3種工況：排氣溫度均為350 ℃，空速分別為20 000、40 000、60 000 h-1?？账贋?0 000 h-1時(shí)3種混合段結(jié)構(gòu)下的NOx轉(zhuǎn)化效率測(cè)量結(jié)果如圖10所示，帶混流板2時(shí)3種空速下的NOx轉(zhuǎn)化效率如圖11所示。

圖10 空速為60 000 h-1時(shí)3種結(jié)構(gòu)的NOx轉(zhuǎn)化效率 圖11 3種空速下混流板2的NOx轉(zhuǎn)化效率

由圖10可知：NOx轉(zhuǎn)化效率隨氨氮比的增加而增大，氨氮比較小時(shí)，不同工況下的轉(zhuǎn)化效率差別不大，在氨氮比為1時(shí)，3種混合段結(jié)構(gòu)中，無(wú)混流板的NOx轉(zhuǎn)化效率最低，帶混流板2的轉(zhuǎn)化效率最高，表明帶混流板2的混合段均勻性最好，測(cè)試結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果相吻合；隨著氨氮比增大，NOx的轉(zhuǎn)化效率上升，氨氮比達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，不能保證100%的NOx轉(zhuǎn)化率；氨氮比大于1.0可以提高NOx轉(zhuǎn)化效率。由圖11可知：采用混流板2后，氨氮當(dāng)量比為1.2時(shí)，不同空速下NOx轉(zhuǎn)化效率基本相同，均高于99%。

4 結(jié)論

1)不同氨氮比下，NOx的轉(zhuǎn)化效率與SCR混合段的流場(chǎng)均勻性有比較好的一致性，轉(zhuǎn)化效率越高，均勻性越好。

2)氨氮比達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比時(shí)不能保證NOx轉(zhuǎn)化效率為100%，氨氮當(dāng)量比必須超過(guò)化學(xué)當(dāng)量比，才能進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化效率。

3)SCR混合段增加混流板可顯著提高均勻性，其中網(wǎng)孔板結(jié)構(gòu)的混流板的NOx轉(zhuǎn)化效率優(yōu)于扇葉結(jié)構(gòu)混流板。