李伯林，李峰，張國(guó)強(qiáng)

(1.濟(jì)南市工業(yè)學(xué)校 智能汽車(chē)制造部，山東 濟(jì)南 250400；2.齊魯工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250400；3.山東齊魯汽車(chē)制造有限公司，山東 濟(jì)南 250400)

0 引言

柴油機(jī)具有很高的輸出轉(zhuǎn)矩、良好的環(huán)境適應(yīng)性及優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性能等優(yōu)勢(shì)，目前已被大量應(yīng)用于汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中，但是柴油機(jī)存在尾氣中的氮氧化物NOx排放含量較高以及顆粒物PM濃度較高的問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)的生活環(huán)境造成了較大的污染[1-4]。選擇性催化還原技術(shù)作為一項(xiàng)能夠降低NOx排放含量的技術(shù)，獲得了眾多研究人員的關(guān)注，并開(kāi)始在汽車(chē)與船舶等行業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用[5-6]。現(xiàn)階段，對(duì)選擇性催化還原技術(shù)進(jìn)行研究的重點(diǎn)領(lǐng)域包括催化劑性能研究、還原劑的制備、催化效果的理論模擬與實(shí)驗(yàn)分析等[7-8]。當(dāng)前，我國(guó)選擇性催化還原市場(chǎng)基本以外國(guó)選擇性催化還原供應(yīng)商為主。其中，按照國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的重卡、工程車(chē)等基本都選擇安裝博世選擇性催化還原尿素噴射系統(tǒng)。對(duì)于機(jī)械車(chē)行業(yè)，選擇性催化還原系統(tǒng)則主要為格蘭富尿素噴射系統(tǒng)[9-11]。

為了提高汽車(chē)燃油的排放效率，本文設(shè)計(jì)了車(chē)尾氣排放選擇性催化還原系統(tǒng)。通過(guò)有限元方法數(shù)值計(jì)算了尿素液滴分布，并研究了噴射角度和偏置角度對(duì)NOx轉(zhuǎn)化率的影響。

1 車(chē)尾氣排放選擇性催化還原系統(tǒng)組成

選擇性催化還原系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖1所示。首先，該系統(tǒng)的電控單元對(duì)柴油機(jī)的噴油信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、催化器與排氣溫度信號(hào)分別進(jìn)行收集，之后將上述所得信號(hào)和尿素噴射的脈譜圖匹配分析獲得對(duì)應(yīng)狀態(tài)下應(yīng)該噴射的尿素溶液體積。連通壓縮空氣管路，在排氣溫度與轉(zhuǎn)速到達(dá)預(yù)定條件時(shí)，通過(guò)控制單元將壓縮空氣與尿素溶液經(jīng)噴嘴一起噴射至排氣管中，與排放尾氣進(jìn)行混合，并通過(guò)選擇性催化還原催化設(shè)備實(shí)現(xiàn)尾氣的還原催化過(guò)程，達(dá)到尾氣凈化目的。

圖1 選擇性催化還原系統(tǒng)運(yùn)行流程

在選擇性催化還原系統(tǒng)中，尿素水溶液經(jīng)過(guò)尿素噴嘴噴入排氣管內(nèi)后，將先完成汽化、水解、熱分解等過(guò)程，最后生成相應(yīng)的還原劑進(jìn)入催化設(shè)備中參與催化還原反應(yīng)，該過(guò)程包含多個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)機(jī)理[12-13]。可以將其分為3類(lèi)基本反應(yīng)過(guò)程，包含NOx催化還原、NH3生成反應(yīng)與其他副反應(yīng)過(guò)程。

2 車(chē)尾氣排放選擇性催化還原系統(tǒng)模型建立

選擇某一桶式車(chē)尾氣排放選擇性催化還原催化器實(shí)施建模分析[14]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該排氣管的外徑為100 mm，催化反應(yīng)器外徑250 mm、長(zhǎng)度280 mm，并在其內(nèi)部充滿蜂窩狀陶瓷介質(zhì)。排氣管壁厚0.1 mm，孔密度達(dá)到62孔/cm2，催化劑涂層厚0.01 mm。

圖2 選擇性催化還原器模型結(jié)構(gòu)

通過(guò)UG軟件設(shè)計(jì)所需的三維模型，之后將其導(dǎo)入AVL Fire軟件對(duì)其實(shí)施六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分處理。圖3是最后形成的網(wǎng)格分析模型，根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的不同把催化器分為3個(gè)不同部分進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。其中，異氰酸水解段(H)的作用是催化異氰酸發(fā)生水解反應(yīng)并轉(zhuǎn)化為NH3產(chǎn)物；選擇性催化還原反應(yīng)段(S)的作用是催化NOx發(fā)生還原反應(yīng)；氧化段(O)的作用是對(duì)尚未徹底完成反應(yīng)的NH3進(jìn)行氧化，避免發(fā)生泄漏。設(shè)定上述3個(gè)反應(yīng)段的長(zhǎng)度比為1∶2∶1。

圖3 選擇性催化還原器網(wǎng)格模型

對(duì)于出口的計(jì)算按照靜壓邊界條件進(jìn)行，入口處則按照質(zhì)量入口邊界條件進(jìn)行。在模擬計(jì)算時(shí)將NH3/NOx比例設(shè)定為1∶1。同時(shí)，將尿素水溶液的噴射時(shí)間區(qū)間設(shè)定在0.1～0.4 s之間，模擬時(shí)長(zhǎng)總共為0.8 s。所建立模型的工況邊界條件如表1所示。

表1 工況邊界條件設(shè)置

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 尿素液滴分布

尿素水溶液在噴射后以及和尾氣的混合過(guò)程需要經(jīng)歷眾多的復(fù)雜反應(yīng)階段，并且隨著溶液液滴的尺寸大小不同，所經(jīng)歷的變化過(guò)程也存在明顯區(qū)別，其中小液滴溶液將快速汽化消失，大尺寸液滴則在徹底蒸發(fā)分解前遇到管壁時(shí)發(fā)生沉積，并不斷積累形成液膜結(jié)構(gòu)。同時(shí)，當(dāng)液滴與管壁接觸后，隨著管壁自身的熱散失以及液滴的汽化吸熱作用導(dǎo)致壁面溫度快速降低，并在達(dá)到一定溫度時(shí)發(fā)生液滴沉積現(xiàn)象，從而引起管道內(nèi)壁的腐蝕甚至堵塞問(wèn)題，最終降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能[15]?？梢岳媚蛩貒娮斓慕嵌扰c位置變化以及安裝選擇性催化還原混合器等方法來(lái)促進(jìn)NOx轉(zhuǎn)化率的提升，并減少尿素液滴與管壁相撞的概率。

圖4為尿素液滴及催化轉(zhuǎn)換器前端NOx濃度分布。排氣過(guò)程對(duì)尿素液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響不大，尿素液滴基本都是保持原先的運(yùn)動(dòng)軌跡，極少液滴會(huì)和管壁碰撞。NH3大部分都分布于催化器的下部區(qū)域。氨氣在催化器入口部位的分布狀態(tài)對(duì)于NOx轉(zhuǎn)化率存在明顯作用。當(dāng)氨氣分布的均勻性較差時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域出現(xiàn)還原劑不夠的問(wèn)題，從而降低了NOx轉(zhuǎn)化率，同時(shí)還有部分區(qū)域因?yàn)榘睔饬窟^(guò)多導(dǎo)致泄漏問(wèn)題發(fā)生。本文的噴嘴結(jié)構(gòu)是4孔噴嘴，因此不會(huì)對(duì)尿素液滴狀態(tài)造成太大的影響，其分布狀態(tài)基本為四角分布形態(tài)，因?yàn)槭芘艢馔献У挠绊?，下部區(qū)域的氨氣濃度明顯高于上部區(qū)域以及左右兩側(cè)區(qū)域。

圖4 系統(tǒng)內(nèi)部NOx濃度分布

3.2 尿素噴孔噴射角度參數(shù)優(yōu)化

本文對(duì)噴嘴的4個(gè)噴射角度進(jìn)行了研究，即角度分別為0°、20°、40°和60°。圖5給出了不同噴射角度的NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律。由圖5可知，無(wú)論在何種噴射角度下，NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間均表現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。0°噴射角度下的NOx轉(zhuǎn)化率整體約為30%。隨著噴射角度由0°逐漸增加至20°時(shí)，排氣管內(nèi)的液滴均勻性獲得了顯著提升，NOx轉(zhuǎn)化率也由原先的30%增加至48%。當(dāng)噴射角進(jìn)一步增加至40°及60°時(shí)，因?yàn)閲娮焖诘膱A管彎曲部位空間較為狹窄，因此下部與兩側(cè)噴孔處噴出的尿素存在明顯的撞壁現(xiàn)象，并且此時(shí)還原劑基本存在于內(nèi)壁附近區(qū)域。在上述不同噴射角度下的排氣管內(nèi)液滴分布狀態(tài)也基本相同。

圖5 不同噴射角度的NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律

3.3 噴嘴偏置角度參數(shù)優(yōu)化

本文對(duì)噴嘴的3個(gè)噴射偏置角度進(jìn)行了研究，即角度分別為0°、10°和20°。圖6給出了不同偏置角度的NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律。由圖6可知，無(wú)論在何種偏置角度下，NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間均表現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。隨著偏置角從0°逐漸增加至10°時(shí)，排氣管下部區(qū)域的尿素液滴撞壁量不斷下降，而排氣管內(nèi)的液滴量開(kāi)始增加。隨著夾角的進(jìn)一步增大達(dá)到20°時(shí)，液滴在排氣管下部的撞壁程度進(jìn)一步降低，此時(shí)液滴開(kāi)始往排氣管上部轉(zhuǎn)移，部分噴霧和對(duì)側(cè)管壁相撞，根據(jù)圖中所示，在偏置角等于20°時(shí)，噴射液滴主要富集于排氣管上部，整體均勻性發(fā)生降低。

圖6 不同偏置角度的NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間的變化規(guī)律

4 結(jié)語(yǔ)

1)尿素液滴在排氣過(guò)程基本是保持原先的運(yùn)動(dòng)軌跡，極少液滴會(huì)和管壁碰撞。NH3大部分分布于催化器的下部區(qū)域。

2)NOx轉(zhuǎn)化率隨噴射時(shí)間均表現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)再降低的變化規(guī)律。隨著噴射角度的增加，NOx轉(zhuǎn)化率增大；偏置角度10°時(shí)能獲得較好的NOx轉(zhuǎn)化率。