馮剛，王奉雙，毛偉，白冰，郎俊宇，鄭貫宇

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061；3.天納克(蘇州)排放系統(tǒng)有限公司，江蘇 昆山 215300)

國Ⅴ柴油機SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對尿素結(jié)晶影響研究

馮剛1,2，王奉雙1,2，毛偉3，白冰3，郎俊宇1,2，鄭貫宇1,2

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061；3.天納克(蘇州)排放系統(tǒng)有限公司，江蘇 昆山 215300)

針對某國Ⅴ商用柴油車SCR系統(tǒng)中出現(xiàn)的結(jié)晶問題，綜合應(yīng)用CFD模擬和臺架試驗進(jìn)行分析研究，提出一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)方案，改善了SCR前流場狀態(tài)以及流體的流動均勻性和尿素均勻性，基本消除了排氣系統(tǒng)在實際工況下的結(jié)晶風(fēng)險，提高了全系統(tǒng)的抗結(jié)晶能力，保證了SCR系統(tǒng)的正常運行。通過對模擬結(jié)果和臺架試驗數(shù)據(jù)的比對分析，研究了流場分布以及混合器結(jié)構(gòu)對結(jié)晶形成產(chǎn)生的影響。

柴油機；選擇性催化還原；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；尿素結(jié)晶

由歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)和歐共體(EEC)共同制定的歐Ⅴ排放法規(guī)已于2009年1月實施。參照歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》，并于2017年1月1日起在全國實施。與國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)相比，國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)中NOx和PM的排放限值進(jìn)一步降低，其中，輕型車NOx排放降低25%，重型車NOx排放降低43%，這對車輛后處理系統(tǒng)的開發(fā)提出了更高的要求。

SCR(Selective Catalytic Reduction)，即選擇性催化還原技術(shù)，脫硝效率高，技術(shù)成熟，在輕型車和重型車上都有成功的應(yīng)用范例。但尿素噴射后易產(chǎn)生結(jié)晶，尤其在SCR載體前端，若有尿素結(jié)晶堆積，不僅會增大全系統(tǒng)的背壓，還會使載體孔隙堵塞，大大降低催化劑的轉(zhuǎn)化效率，無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)關(guān)于SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶的研究相對不足，發(fā)動機臺架試驗數(shù)據(jù)比較缺乏。在SCR系統(tǒng)普遍應(yīng)用的背景下，對于結(jié)晶預(yù)防與消除的研究顯得尤為迫切。

本研究針對已有方案發(fā)現(xiàn)的尿素結(jié)晶現(xiàn)象，對其進(jìn)行CFD模擬，并分析了結(jié)晶的可能原因。基于分析結(jié)果，對SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，使得后處理系統(tǒng)的結(jié)晶風(fēng)險基本消除。

1 試驗裝置與分析方法

試驗用SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)動機排出的尾氣由入口處進(jìn)入SCR系統(tǒng)，而后通過旋流管混合器與噴嘴處噴出的尿素液滴接觸混合；混合流體通過混合器后，流經(jīng)擋板，在得到充分混合后進(jìn)入SCR載體，在SCR催化劑作用下進(jìn)行催化還原反應(yīng)，最后由出口處排出。其中，混合器的主要作用體現(xiàn)在以下幾方面：一是可以加強尿素液滴破碎，減少結(jié)晶風(fēng)險；二是使尾氣與尿素均勻混合；三是改變流體的流動狀態(tài)，使混合氣體以旋流狀在系統(tǒng)中流動，加長流體的流程，使得尿素進(jìn)入SCR催化劑前的停留時間加長，提高尿素蒸發(fā)率，此外，旋流可以進(jìn)一步加強尾氣同尿素蒸汽的混合，提高流動均勻性和尿素蒸汽的均勻性。

圖1 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本試驗的整體布置見圖2。發(fā)動機臺架由硬件系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。發(fā)動機ECU接收并整合SCR前溫度傳感器和NOx傳感器等產(chǎn)生的信號，判斷后處理系統(tǒng)工作狀態(tài)，輸出命令給尿素供給單元。尿素供給單元同尿素箱和噴射單元相連，在接收到ECU的輸出命令后，控制噴射單元噴出尿素。試驗用尿素噴嘴選用博世DeNOx 2.2，其具體參數(shù)見表1。圖3示出噴射示意，其中噴霧錐角α=23°，單個噴孔噴射錐角β=14.6°，兩噴孔間噴霧角δ=8.4°。

圖2 發(fā)動機臺架示意

孔數(shù)3孔半徑/mm0.095噴射速度/m·s-132液滴直徑D32/μm80

圖3 DeNOx 2.2尿素噴射示意

為驗證全系統(tǒng)的抗結(jié)晶能力，進(jìn)行WHTC(World Harmonized Transient Cycle)瞬態(tài)循環(huán)試驗，發(fā)動機的輸入工況為該發(fā)動機實際應(yīng)用車型WHTC循環(huán)測試工況，每個循環(huán)1 800 s，持續(xù)進(jìn)行30 h。待臺架試驗停止并冷卻后，將SCR系統(tǒng)切割，觀察結(jié)晶情況。

2 試驗結(jié)果與模擬分析

2.1 試驗結(jié)果

進(jìn)行30 h瞬態(tài)WHTC循環(huán)測試后，尿素結(jié)晶情況見圖4。SCR系統(tǒng)大部分未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶，明顯的結(jié)晶主要集中在旋流管的后凸出部分，約2 g。高俊華[1]和V. O. Strots[2]等的研究結(jié)果顯示，結(jié)晶的成分主要為尿素和三聚氰酸的混合物，該混合物經(jīng)由一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)生成。同時，在后擋板中心處也觀察到了微量的結(jié)晶(圖4b)。在旋流管后凸出部分結(jié)晶明顯堆積，隨著時間的增加，會對后處理系統(tǒng)正常運行造成影響，須提出改進(jìn)方案。

圖4 WHTC循環(huán)測試結(jié)果

2.2 CFD模擬分析

SCR系統(tǒng)結(jié)晶成因復(fù)雜，為了分析結(jié)晶產(chǎn)生原因，需對SCR系統(tǒng)進(jìn)行CFD模擬。本研究CFD模擬均采用Ansys Fluent軟件，使用ICEMCFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖5)，體網(wǎng)格大小為10 mm，總網(wǎng)格數(shù)為245萬，載體部分采用六面體網(wǎng)格，其他部分采用四面體網(wǎng)格，近壁面邊界層采用棱柱網(wǎng)格。

圖5 ICEM網(wǎng)格

2.2.1CFD計算模型

選取的流動模型均為κ-εRealizable 湍流模型，載體處為多孔介質(zhì)模型，噴霧采用DPM離散相噴霧模型，通過拉格朗日法來求解氣流和和顆粒的運動軌跡，用相間耦合法來描述顆粒和氣流之間的相互影響。預(yù)測尿素結(jié)晶時采用了歐拉液膜模型，尿素與壁面之間的相互作用是一個復(fù)雜的過程，選用了Kuhnke[3]碰壁模型進(jìn)行描述，可以分為4種形式：反彈、破碎、沉積和飛濺(見圖6)。這些形式取決于量綱1變量T*和K：

(1)

(2)

式中：ρ為密度；d為顆粒直徑；U為撞擊速度；σ為液滴表面張力；μ為液滴黏度；Tw為壁面溫度；Tsat為液滴飽和溫度。

圖6 Kuhnke碰壁形式劃分

2.2.2邊界條件

邊界條件的選取來自于該柴油機所應(yīng)用車型的實際采集路譜。低負(fù)荷運行狀態(tài)下，發(fā)動機的排溫較低，此時后處理系統(tǒng)中出現(xiàn)結(jié)晶風(fēng)險增大[4]?？紤]到溫度對SCR系統(tǒng)結(jié)晶的重要影響[5-7]，選取一個排氣溫度較低工況作為低負(fù)荷工況。發(fā)動機在高負(fù)荷運行時排氣溫度較高，結(jié)晶風(fēng)險降低，但高負(fù)荷工況時尾氣流量相對較大，對背壓以及內(nèi)流場有較大影響[8-9]，從采集路譜中同時選取一個車輛高速運行下的標(biāo)定功率工況作為高負(fù)荷工況進(jìn)行對比研究。工況參數(shù)見表2。

表2 各工況具體參數(shù)

2.2.3評價指標(biāo)

流動均勻性、還原劑均勻性對SCR系統(tǒng)的正常運行有重要的影響[10]。若載體前均勻性較差，會使得流入SCR載體的氣流分布不均，嚴(yán)重制約載體的催化效率，降低載體使用壽命，導(dǎo)致NOx排放不達(dá)標(biāo)和NH3泄漏。一般用均勻性指數(shù)評價其均勻性程度，均勻性指數(shù)的計算公式如下：

式中：r為均勻性指數(shù)；n為選取平面處計算單元數(shù)；wi為局部流速，溫度或尿素濃度；wmean為平均流速，溫度或尿素濃度；Ai為單個網(wǎng)格面積；A為網(wǎng)格總面積。

2.2.4模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的流動均勻性、溫度均勻性和NH3均勻性在不同的工況下基本達(dá)到開發(fā)要求(見表3和圖7)。

表3 SCR系統(tǒng)各處均勻性

圖7 不同工況下均勻性比較

SCR后處理系統(tǒng)的整體壓降在低負(fù)荷工況時為5.72 kPa，而在高負(fù)荷工況下，壓降迅速升高至17.18 kPa，主要集中于入口處至SCR前端，即圖8a中壓降變化最明顯一段。主要原因是旋流管的截面積較小，使得流體流經(jīng)此處時流速增大(圖8b)，而壓降同流速的二次方正相關(guān)。同時，旋流管重新整合流體的流動狀態(tài)為旋流式，使得壓降迅速升高。壓力損失另一部分集中于SCR催化劑載體處，達(dá)到了7.2 kPa。主要原因是催化劑載體的孔結(jié)構(gòu)減小了氣體流通面積，增大了摩擦損失。在能達(dá)到催化轉(zhuǎn)化效率及機械強度要求的前提下，可以通過增大孔隙率來降低壓降[11]。

圖8 高負(fù)荷工況SCR系統(tǒng)壓力、速度分布

從一些文獻(xiàn)上可以看出[6]，尿素結(jié)晶與排氣溫度、排氣速度和尿素噴射速度等息息相關(guān)，溫度和速度越高，尿素?zé)峤獾迷酵耆?，結(jié)晶風(fēng)險越低，所以低負(fù)荷工況對尿素結(jié)晶形成有決定性影響。低負(fù)荷工況下，液膜主要分布在旋流管出口和后擋板處(見圖9)。從圖10速度矢量圖中可以看出，旋流管后凸出部分處于低速漩渦的邊緣。當(dāng)細(xì)小的尿素液滴進(jìn)入該區(qū)域后，會落在凸出部位。漩渦不斷將尿素液滴攜帶至此處，而該區(qū)域氣體流速較低，不足以將

圖9 液膜分布

圖10 低負(fù)荷工況SCR系統(tǒng)流速矢量

壁上液滴直接吹走，長時間堆積后，會在此處形成結(jié)晶。另外，后擋板雖然液膜分布比較廣，但是大部分區(qū)域速度較高，只有中心處有一個低速區(qū)域，當(dāng)尿素液滴打在凸起部位時，易停留在此處。此處為一球面結(jié)構(gòu)，表面比較光滑，液滴不會長久堆積，因此此處的結(jié)晶狀況相對輕微，預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。

3 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了改善SCR系統(tǒng)的結(jié)晶狀況，提高SCR系統(tǒng)抗結(jié)晶能力，尤其是消除在凸出部位產(chǎn)生的大量結(jié)晶，對混合器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)的改變主要集中于混合器處(見圖11)。其一是縮短了凸出部位的長度，并對旋流管和圓形擋板的連接處作了圓角優(yōu)化；其二是在圓擋板周圍增加一圈小孔。

圖11 改進(jìn)后SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由CFD模擬結(jié)果可以看到(圖12)，液膜分布區(qū)域明顯變小，且分布均勻，同時小孔可以改變擋板后的局部流場狀態(tài)(圖13)，尤其是旋流管尾部，部分氣體經(jīng)由小孔流出后，使得原有的低速渦流區(qū)域被破壞掉，優(yōu)化了局部的流場狀態(tài)。同時圓角化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，以及對凸出部位結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，縮小了尿素液滴的附著面積。兩者同時作用，降低了結(jié)晶產(chǎn)生的概率，提高了全系統(tǒng)的抗結(jié)晶能力。

考慮到在局部低溫區(qū)域極易形成尿素結(jié)晶，尿素噴射路徑應(yīng)避免同過冷壁面直接接觸。尿素經(jīng)過經(jīng)過旋流管后變成旋流(圖14a)，尿素蒸發(fā)距離變長，同時延緩了尿素同SCR系統(tǒng)壁面的直接碰撞，降低了產(chǎn)生結(jié)晶的風(fēng)險。但圖14b顯示，尿素流場會因尾氣的流動干擾產(chǎn)生偏離，對均勻性以及預(yù)防結(jié)晶會產(chǎn)生一定負(fù)面影響。

新結(jié)構(gòu)對流動均勻性、尿素均勻性有一定的影響(見表4)，尤其是對低負(fù)荷下尿素均勻性有改善，由之前的0.89提高到了0.92，對于尿素結(jié)晶消除以及SCR催化劑整體催化效率的提高有著積極的影響。

圖12 液膜分布

圖13 優(yōu)化后低負(fù)荷工況流場示意

圖14 低負(fù)荷工況下尿素噴射軌跡示意

工況均勻性指數(shù)流動(載體中間段)溫度(載體中間段)尿素(載體前端)低負(fù)荷0.940.990.92高負(fù)荷0.970.990.90

系統(tǒng)的壓降在高負(fù)荷工況下也從之前的17.18 kPa降為16.04 kPa(見圖15)。開孔結(jié)構(gòu)增大了流體通過的整體截面積，使得壓降有所改善。若進(jìn)一步改善SCR系統(tǒng)的壓降，可以通過增加混合器翅片數(shù)目、化翅片尺寸或者改變小孔直徑來調(diào)整。

圖15 優(yōu)化后高負(fù)荷工況壓力場

4 試驗驗證與分析

在試驗條件不變的情況下，進(jìn)行30 h瞬態(tài)WHTC試驗，結(jié)果見圖16。相比于優(yōu)化前方案，優(yōu)化后SCR系統(tǒng)結(jié)晶量減少到了0.3 g，系統(tǒng)的抗結(jié)晶能力得到了提高，結(jié)晶風(fēng)險基本消除。試驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期，驗證了模擬分析所得出的結(jié)論。

圖16 優(yōu)化SCR系統(tǒng)結(jié)晶試驗結(jié)果

5 結(jié)論

a) SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶成因復(fù)雜，在優(yōu)化結(jié)晶時可以從溫度、流場、液膜分布以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多維度同時考慮，以期制定出最優(yōu)的結(jié)晶優(yōu)化策略；

b) 局部的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以在不改變原有整體系統(tǒng)的情況下，達(dá)到改善流場、提高均勻性、降低壓降、消除結(jié)晶的目的；

c) 充分利用尾氣中能量，避免尿素噴束同過冷壁面的接觸，可有效降低系統(tǒng)結(jié)晶分險。

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InfluenceofSCRSystemStructureonUreaCrystallizationforChinaⅤDieselEngine

FENG Gang1,2,WANG Fengshuang1,2,MAO Wei3,BAI Bing3,LANG Junyu1,2,ZHENG Guanyu1,2

(1.State Key Laboratory of Engine Reliability,Wei Fang 261061,China;2.Weichai Power Emission Solutions Technology Co.,Ltd.,Wei Fang 261061,China;3.Tenneco(Suzhou) Emission System Co.,Ltd.,Kunshan 215300,China)

For the urea crystallization in SCR system of China Ⅴ commercial diesel vehicle, a series of structure optimization schemes were put forward by using the methods of CFD simulation and bench test. The improved structure ameliorated the flow distribution and flow uniformity as well as urea vapor uniformity. Therefore, the crystallization risk of SCR system was eliminated and it could run normally. In addition, the influences of flow distribution and system structure on urea crystallization were studied by comparing simulation results with bench test data.

diesel engine;SCR;structure optimization;urea crystallization

袁曉燕]

2017-04-27；

2017-09-06

馮剛(1964—)，男，工程師，本科，主要研究方向為發(fā)動機排放控制技術(shù)；fengg@weichai.com。

王奉雙(1984—)，男，工程師，碩士，主要研究方向為發(fā)動機排放控制技術(shù)；wangfengs@weichai.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.013

TK421.5

B

1001-2222(2017)06-0065-06