吳里程， 王謙， 王靜， 趙煒

(1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院內(nèi)燃機教研室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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車用Urea-SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

吳里程1， 王謙1， 王靜2， 趙煒1

(1.江蘇大學(xué)能源與動力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院內(nèi)燃機教研室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為了對柴油機SCR系統(tǒng)噴射區(qū)和催化轉(zhuǎn)化區(qū)進行優(yōu)化，采用AVL Fire軟件對某型號柴油機SCR系統(tǒng)進行了三維建模。分別對比了尿素噴嘴噴孔數(shù)、催化器結(jié)構(gòu)型式及轉(zhuǎn)向型催化器內(nèi)擴散器的幾何參數(shù)對SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響。研究表明，最佳尿素噴孔數(shù)為4～6個，當(dāng)使用轉(zhuǎn)向型催化器并且擴散器處開孔區(qū)域角度在180°～270°之間時能達到最佳的優(yōu)化效果。

柴油機； 選擇性催化還原； 氮氧化物； 數(shù)值模擬； 轉(zhuǎn)向型催化器； 擴散器

隨著環(huán)境問題的日益嚴峻以及公眾環(huán)保意識的不斷加強，汽車尾氣排放特別是柴油機NOx排放逐漸受到了人們的重視。為了控制NOx和PM排放量，各國相應(yīng)制定了嚴格的柴油機排放法規(guī)。研究表明，僅靠機內(nèi)凈化已經(jīng)很難滿足排放要求，必須同時輔以尾氣后處理技術(shù)來控制污染物的排放。尿素選擇性催化還原(Urea-SCR)技術(shù)具有抗硫中毒和節(jié)油方面的優(yōu)勢，被認為是我國車用柴油機實現(xiàn)未來嚴格排放法規(guī)的技術(shù)路線[1]。

鑒于車用柴油機運行工況多變，排氣參數(shù)波動大，且SCR系統(tǒng)布置空間有限，目前車用SCR系統(tǒng)需解決兩個關(guān)鍵問題：一是系統(tǒng)中管路布置和催化器結(jié)構(gòu)尺寸；二是恰當(dāng)?shù)哪蛩貒娚渑c控制策略[2]。本研究運用AVL Fire軟件在分析系統(tǒng)內(nèi)部流場和組分濃度的基礎(chǔ)上，對SCR系統(tǒng)噴射區(qū)和催化還原區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化研究，分別對比了尿素噴嘴噴孔數(shù)、催化器結(jié)構(gòu)型式以及催化器內(nèi)擴散器幾何參數(shù)對SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響，獲得了這些參數(shù)改變時組分分布、NOx轉(zhuǎn)化效率和均勻性指數(shù)變化的規(guī)律，為后續(xù)SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

1 研究對象

1.1 SCR系統(tǒng)幾何模型的建立

本研究模擬對象為某型號柴油機SCR系統(tǒng)，封裝型式為桶式封裝，其結(jié)構(gòu)見圖1。進出口排氣管直徑為100 mm，所用催化劑為V2O5/WO3/TiO2整體式催化劑，內(nèi)部為方形孔道的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，容積為14 L，孔密度為62孔/cm2，壁厚為0.2 mm，載體涂層厚度為0.127 mm。其中催化器為轉(zhuǎn)向型，采用4孔噴嘴，中間徑向噴射，噴嘴的安裝位置到催化器入口的距離為7d，有利于尿素的蒸發(fā)、熱解以及還原劑與尾氣的均勻混合。催化器內(nèi)擴散器四周上均勻分布著直徑為8mm的小孔。

1.2 計算網(wǎng)格及邊界條件

本研究采用的模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以利用Fire軟件中的FAME技術(shù)對其進行自動網(wǎng)格劃分。生成的網(wǎng)格見圖2，為保證計算精度，對擴散器處的小孔進行了網(wǎng)格加密。圖3示出計算模型與工程上實際應(yīng)用模型的比較。

根據(jù)發(fā)動機的性能測試試驗，選取3個典型工況A25，B50，C100的數(shù)據(jù)作為邊界條件的輸入量(見表1)，A，B，C分別代表發(fā)動機低、中、高3個轉(zhuǎn)速，后面的數(shù)字代表負荷百分數(shù)[3]。其中采用質(zhì)量流量作為進口邊界，出口邊界條件設(shè)為靜壓，壓力為0.1MPa。壁面采用無滑移邊界，外界溫度為300K。尿素溶液的噴射為間歇周期噴射，本次模擬選擇的噴射周期為0.8s，0.1s開始噴射，噴射持續(xù)到0.4s。計算模型中的氣體成分主要有7種：NO，NO2，NH3，O2，CO2，HCNO，N2。

表1 典型工況的邊界條件

2 數(shù)值計算模型

系統(tǒng)內(nèi)部流體流動采用質(zhì)量和動量守恒方程進行描述，湍流運動過程用雷諾方程來分析，尿素在排氣管中的擴散情況用湍流擴散模型來分析[4]。從尿素噴射處到SCR催化器出口，涉及很多物理化學(xué)過程，主要包括尿素溶液的霧化、尿素液滴蒸發(fā)和熱解、尿素溶液撞壁及液膜模型和表面催化化學(xué)反應(yīng)。

2.1 噴霧模型

本研究尿素溶液的噴霧模擬采用離散液滴模型(DDM)，即忽略液相初次霧化過程，認為尿素溶液離開噴嘴就成為離散的液滴，并結(jié)合拉格朗日方法和歐拉方法來求解液滴運動軌跡。液滴的二次破碎過程采用Huh-Gosman破碎模型[5]。

2.2 尿素溶液蒸發(fā)模型

尿素水溶液噴霧到排氣管后，因為水的沸點比尿素低，所以尿素液滴中水先蒸發(fā)，直到形成熔融或固態(tài)的尿素。這一過程可以簡化為以下兩步反應(yīng)[6]：

(1)

(2)

根據(jù)Arrhenius定理，反應(yīng)(2)的反應(yīng)速率表達式如下：

(3)

2.3 載體多孔介質(zhì)模型

催化劑載體通道尺寸很小，數(shù)量非常龐大，直接模擬載體所有通道內(nèi)的三維流動較為困難，需要對載體內(nèi)部的流動進行簡化。將整體式陶瓷蜂窩催化劑載體簡化為多孔介質(zhì)、單一方向，即流體流經(jīng)載體時只有沿軸向方向的速度和壓力損失。壓力損失按Forchheimer模型[5]進行計算。

(4)

該源項包括兩個損失項：黏性損失及慣性損失。αi為黏性損失系數(shù)(i代表X，Y，Z方向)；μ為動力學(xué)黏度；wi為當(dāng)?shù)厮俣确至?；ζ為慣性損失系數(shù)；ρ為流體密度。

2.4 催化劑表面化學(xué)反應(yīng)模型

在催化器內(nèi)部，異氰酸進入催化器發(fā)生的反應(yīng)主要是在催化劑涂層表面。當(dāng)條件合適時，NH3將選擇性地與尾氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水，降低NOx排放。在催化劑表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)較多，本文中主要考慮了以下5個反應(yīng)：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

反應(yīng)式(5)表示尿素?zé)岱纸猱a(chǎn)物異氰酸在催化劑表面與水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)生成氨氣和二氧化碳。反應(yīng)式(6)至式(8)表示NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng)。由于在發(fā)動機排氣中NO為主要氮氧化物(含量約為90%)，因此反應(yīng)式(6)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)。研究表明NO2的存在可以提高反應(yīng)速率，當(dāng)V(NO2)/V(NOx)≈50%時反應(yīng)速率最快，因此反應(yīng)式(7)被稱作快速SCR反應(yīng)。當(dāng)V(NO2)/V(NOx)比例繼續(xù)增大時，反應(yīng)式(8)所示的緩慢SCR反應(yīng)占主導(dǎo)作用，NOx轉(zhuǎn)化效率降低[7]。反應(yīng)式(9)為氨氣氧化反應(yīng)，以防止氨泄漏。

3 結(jié)果與分析

3.1 尿素噴射參數(shù)優(yōu)化

還原劑的分布均勻性與尿素噴霧液滴的分布直接相關(guān)，噴嘴噴孔數(shù)的增多有利于擴大液滴的分布范圍，使還原劑在排氣管中與尾氣更好地混合[8]。所以本研究在B50工況的基礎(chǔ)上，比較了不同噴孔數(shù)(分別為1，2，3，4，5，6，7，8共8種情況)對SCR系統(tǒng)的影響。噴孔直徑保持0.5 mm不變，單個噴孔噴嘴的尿素噴射方向沿著軸線方向，與排氣流方向相同，其余幾種噴射均為徑向噴射，與排氣流方向垂直。

圖4示出了不同噴孔數(shù)下尿素液滴和還原劑分布情況。從圖中可以看出，單孔軸向噴嘴的液滴沿排氣方向運動，尿素噴射貫穿距偏大，尿素液滴分布主要集中在排氣管中心區(qū)域，到達擴散器底部時，一部分液滴隨著排氣反彈到擴散器上方，然后混合氣通過擴散孔流出進行二次分配，所以還原劑分布呈兩邊多中間少的趨勢，致使催化劑出口會有一部分NO未被還原。隨著噴孔數(shù)的增多，尿素液滴分散范圍擴大，NH3的分布均勻性有所改善。

從圖5 NOx轉(zhuǎn)化效率中也可以看出，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著噴孔數(shù)的增加呈增長趨勢，當(dāng)噴孔數(shù)達到5時，NOx轉(zhuǎn)化效率達到最高，繼續(xù)增加噴孔數(shù)，NOx轉(zhuǎn)化效率不再提高，反而呈下降趨勢。這是由于隨著噴孔數(shù)的增多，在噴射流量一定的情況下，單個噴孔流出的質(zhì)量流量會變少，相應(yīng)地噴射速度變小，液滴分布范圍隨之減小，所以液滴霧化效果以及與排氣的混合均勻性略有下降。而對于徑向噴嘴，隨著噴孔數(shù)的增加，相應(yīng)地噴孔加工面也增多，加工難度和成本隨之提高，所以綜合考慮NOx的轉(zhuǎn)化效率和噴嘴的加工工藝，噴孔數(shù)為4～6個比較合適。在以下模擬中使用的噴嘴噴孔數(shù)為4個。

3.2 催化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

催化器結(jié)構(gòu)型式對SCR系統(tǒng)的速度和壓力分布影響很大,所以本研究比較了3種不同排氣結(jié)構(gòu)型式對SCR系統(tǒng)的影響，分別是轉(zhuǎn)向型催化器、圓錐型催化器和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器[9]。這3種催化器結(jié)構(gòu)的管徑、催化劑長度及參數(shù)、噴嘴到催化劑的距離以及噴嘴參數(shù)都相同，計算網(wǎng)格見圖6。

樅陽縣電商扶貧主體企業(yè)潛山和沐電子商務(wù)有限公司樅陽運營中心總經(jīng)理李小多介紹，公司正在謀劃注冊統(tǒng)一的商標(biāo)，積極尋求規(guī)模化、專業(yè)化生產(chǎn)路徑，打造屬于樅陽縣的特色品牌，讓電商扶貧走得更遠。

圖7示出了B50工況下不同催化器結(jié)構(gòu)SCR系統(tǒng)的湍動能分布。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向型催化器的湍動能較高，能夠促進尿素液滴的蒸發(fā)熱解以及異氰酸的水解，所以生成的HCNO量比較多，進而產(chǎn)生的還原劑能夠與NOx充分發(fā)生反應(yīng)，催化器出口的NOx消耗完全。而圓錐型催化器的湍動能較低，比較容易發(fā)生壁面分離，在催化器壁面處會引起流體回流，形成了漩渦。加裝導(dǎo)流裝置后，湍動能變高，促進了尿素液滴的熱解，同時排氣流經(jīng)導(dǎo)流裝置后會形成沿軸線旋轉(zhuǎn)的旋流，可以促進還原劑的混合，進而減少了催化器出口未被還原的NOx量。但是加裝導(dǎo)流裝置后湍動能過高，發(fā)生了質(zhì)變，會使還原劑的均勻性不夠 。所以轉(zhuǎn)向型催化器的還原劑均勻性要優(yōu)于圓錐型和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器。

催化劑入口速度與還原劑分布直接影響催化器的轉(zhuǎn)化效率。還原劑分布不均會使得還原劑局部過量或不足，從而導(dǎo)致SCR轉(zhuǎn)化效率降低和氨氣的泄漏[9]，長時間氨氣分布不均勻會加速催化劑老化，從而影響催化劑的整體性能[10]。

均勻性指數(shù)γ定義為[11]

(10)

圖8和圖9分別示出了3種催化器結(jié)構(gòu)的NH3均勻性指數(shù)和NOx轉(zhuǎn)化效率。從圖8中可以看出，從0.1 s開始噴射尿素，0.4 s停止噴射，圓錐型催化器NH3均勻性一直較差，均勻性指數(shù)在0.60～0.74之間，所以NOx轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)地較低，只有60%。而加裝導(dǎo)流裝置后，催化劑入口處還原劑的均勻性略有提高，能夠達到0.86左右，NOx轉(zhuǎn)化效率可達到71.7%，比圓錐型催化器的提高了11.7%左右。相對于圓錐型和帶導(dǎo)流裝置的圓錐型催化器，轉(zhuǎn)向型催化器的NH3均勻性指數(shù)可到達0.9，NOx轉(zhuǎn)化效率也隨之提高到80%左右。

通過比較3種型式的SCR系統(tǒng)可知，轉(zhuǎn)向型催化器在湍動能分布、還原劑均勻性和NOx轉(zhuǎn)化效率等方面都要優(yōu)于其他兩種。

3.3 擴散器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擴散器主要起導(dǎo)流作用，能夠引導(dǎo)氣體快速地通過擴散孔進入催化器內(nèi)部，同時起到促進尿素液滴破碎的作用。合理地設(shè)計擴散器不僅可以使氣體快速地到達催化器，還可以使還原劑均勻地分布到催化劑表面，從而提高催化劑的利用率。而擴散器處的開孔區(qū)域是擴散器細孔面占整個擴散器外圍的角度，它對載體內(nèi)部氣流分布具有一定的影響，所以對擴散器處開孔區(qū)域角的影響進行了模擬分析。

如圖10所示，當(dāng)區(qū)域角大于90°時，由于擴散孔處的徑向流通面積增大，導(dǎo)致從擴散孔處流出的氣體速度減弱，催化器前腔內(nèi)氣體發(fā)生負壓卷吸作用的能力也會相應(yīng)減小，進而使流動分離現(xiàn)象減弱，提升了載體內(nèi)部還原劑的對稱性。而當(dāng)區(qū)域角上升至360°時，由于氣體通過擴散孔流出，沒有形成有效的二次分配，而是一部分氣體直接到達載體前端面，造成載體前端面氣體分布不均勻，進而導(dǎo)致載體內(nèi)部還原劑的不對稱性增加，影響NOx轉(zhuǎn)化效率。

通過圖11可以發(fā)現(xiàn)，還原劑隨著區(qū)域角的增加而變得更加均勻，均勻性指數(shù)由0.933 6增加到0.947，但當(dāng)區(qū)域角大于270°時，還原劑均勻性開始下降，進而影響NOx轉(zhuǎn)化效率。 圖12示出3種典型工況(A25，B50，C100)下NOx轉(zhuǎn)化效率隨區(qū)域角的變化。從區(qū)域角為90°開始，NOx轉(zhuǎn)化效率呈先增加后下降的趨勢，區(qū)域角在180°～270°時3種工況下的NOx轉(zhuǎn)化效率都達到最大值，分別為92%，81%，68%。繼續(xù)增大開口區(qū)域角，NOx轉(zhuǎn)化效率開始下降，到區(qū)域角為360°時，3種工況下轉(zhuǎn)化效率分別降為90%,78%,67%。所以，擴散器處開孔區(qū)域角最好在180°～270°之間。

4 結(jié)論

a) 尿素噴嘴噴孔數(shù)會影響液滴形態(tài)和空間分布，通過綜合比較催化器的性能和噴嘴的加工工藝，發(fā)現(xiàn)噴孔數(shù)為4～6個最為合適；

b) 通過比較3種不同結(jié)構(gòu)型式的催化器發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向型催化器在湍動能分布、還原劑均勻性和NOx轉(zhuǎn)化效率方面都要優(yōu)于其他兩種催化器，而且在圓錐型催化器的基礎(chǔ)上加裝導(dǎo)流裝置，可以提高系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率；

c) 對轉(zhuǎn)向型催化器內(nèi)的擴散器進行優(yōu)化，比較了不同開孔區(qū)域角度的催化器，發(fā)現(xiàn)區(qū)域角存在一個最佳的范圍，可以使載體內(nèi)部氣流分布均勻，同時提高NOx轉(zhuǎn)化效率。

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[編輯: 李建新]

Optimization of Structural Parameters for Vehicle Urea-SCR System

WU Licheng1, WANG Qian1, WANG Jing2, ZHAO Wei1

(1. School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China；2. Internal Combustion Engine Research Institute， Zhenjiang Watercraft College， Zhenjiang 212003， China)

In order to optimize the injection and catalytic conversion area of SCR system, 3D simulation of SCR system for a diesel engine was conducted with AVL Fire software and the influences of nozzle hole number, catalyst structure and geometry parameters of diffuser for steering-type catalyst on conversion efficiency were analyzed and compared. The results showed that the optimal nozzle hole number was 4-6. The SCR system using steering-type catalytic converter with 180°-270° angle at the drilling area of diffuser could achieve the best optimization effects.

diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); nitrogen oxides; numerical simulation; steering-type catalytic converter; diffuser

2015-07-07;

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金重點項目(51276084)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ11_0560)

吳里程(1991—)，男，碩士，主要研究方向為柴油機NOx的排放控制;wulicheng@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.012

TK 421.5

B

1001-2222(2015)06-0059-06