选择性催化还原系统防沉积物堵塞喷嘴设计与喷射特性分析

2021-02-05吴建兵廖义德

内燃机工程 2021年1期

杨凯，吴建兵，廖义德

(1.湖北第二师范学院物理与机电工程学院,武汉 430205； 2.湖北第二师范学院物流智能化研究所，武汉 430205； 3.武汉工程大学机电工程学院，武汉 430205)

0 概述

选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)技术凭借NOx转化率高、对柴油品质要求低等特点，被公认为是最有效的柴油车尾气后处理技术[1]。随着机动车尾气排放法规的日益严格及降低柴油机燃油消耗的需求日益突出[2]，SCR系统面临的挑战也更加严峻。

喷嘴是SCR系统的关键部件之一，对SCR系统的性能具有较大的影响。现有的SCR系统在柴油车冷起动、低速及轻载等行驶工况下，在喷嘴内、外部均易形成尿素、缩二脲和氰尿酸等沉积物[3-4]。沉积物很难分解或去除，易导致喷嘴孔口堵塞，使尿素液雾化喷射不均匀，并进一步提高排气管壁、混合器及催化剂表面等处沉积物的生成率[5-6]。当喷嘴内部沉积物堵塞严重时，还会使喷嘴管路背压过高，导致管路及尿素泵等损坏，严重影响SCR系统的工作效率[7]。目前，SCR系统喷嘴多采用孔口固定式结构[8]，国内外学者对SCR系统喷嘴的研究多集中在影响喷嘴沉积物产生因素的仿真与试验[9-11]、喷射特性数值模拟分析[12-13]及喷射控制策略优化等方面[14-15]。

针对SCR系统的需求，本研究中设计了一种孔口开度可随压力调节的喷嘴，对喷嘴的起闭特性与孔口径向截面的流量特性进行了理论分析与数值模拟，探究了各参数对喷嘴喷射特性的影响，并通过试验验证了喷嘴芯的开启压力精度与雾化喷射效果。本研究设计的喷嘴可有效降低喷嘴因沉积物导致的堵塞风险，对SCR系统喷嘴的设计与优化具有一定的参考与指导意义。

1 喷嘴结构与基本特性

1.1 喷嘴的结构

喷嘴主要由喷嘴体、喷嘴芯、弹簧、螺套等组成，其结构原理图如图1所示。图中，δ为螺套与喷嘴体的间隙值。如图1所示，喷嘴芯套嵌在喷嘴体内，其尾端与螺套通过螺纹连接，弹簧安装在喷嘴体与螺套两端面之间。喷嘴芯的前端为锥度角α的圆台形，其锥面与喷嘴体孔口配对研磨，在弹簧力作用下喷嘴芯在非喷射状态可以保持良好的密封效果，有效防止尿素溶液滴漏。

图1 喷嘴结构原理图

1.2 喷嘴的起闭特性

由于喷嘴芯在非喷射状态下关闭，随着尿素泵持续供给尿素液，喷嘴体内压力p不断升高，设喷嘴芯刚开启时喷嘴的开启压力为pk，忽略喷嘴芯的质量和摩擦力，则有：

pkA1=kx0

(1)

(2)

式中，A1为喷嘴芯有效受力面积；k为弹簧刚度系数；x0为弹簧预压缩量；d为喷嘴芯内孔直径。

当喷嘴芯开启后，受流经孔口的尿素液的稳态液动力作用，喷嘴体内的压力p仍会升高，直到喷嘴芯力平衡，由喷嘴芯的静态特性分析有：

pwA1=k(x0+x)

(3)

式中，pw为稳定喷射压力；x为喷嘴芯开度。

将式(2)代入式(3)，可得：

(4)

由式(4)可知，当喷嘴结构尺寸及弹簧的刚度系数k确定后，喷嘴的稳定喷射压力pw主要与弹簧的预压缩量x0及喷嘴芯开度x有关，因此通过调节螺套与喷嘴芯的锁紧量以调节弹簧的预压缩量x0，即可设定喷嘴的稳定喷射压力pw。

同时，由于喷嘴芯开度x随喷嘴体内的压力p升高而增大，通过设定螺套与喷嘴体之间的间隙值δ可以对喷嘴孔口的最大开度xmax进行机械限位，避免因压力p过高导致喷嘴芯开度x过大，而引起尿素雾化喷射不均匀及NH3逃逸等问题。

1.3 喷嘴的流量特性

喷嘴喷射状态下孔口局部放大图如图2所示。尿素液经喷嘴孔口节流后雾化喷射，由水力学中的孔口出流公式，可得孔口流量q：

图2 喷嘴喷射状态下孔口局部放大图

(5)

式中，Cq为流量系数；A2为孔口径向截面面积；Δp为孔口内外压力差；ρ为尿素液密度。

喷嘴孔口径向截面的有效面积A2由式(6)计算。

(6)

式中，d1为喷嘴孔口直径；d2为喷嘴芯有效直径。

由于喷嘴芯前端为锥度角α的圆台形，故喷嘴芯的有效直径d2是关于喷嘴芯开度x的函数，即：

(7)

将式(7)代入到式(6)得：

(8)

(9)

将式(4)、式(9)代入式(5)得：

(10)

由式(9)、式(10)可知，喷嘴孔口径向截面面积A2及截面质量流量q均随喷嘴芯开度x及锥度角α的增大而增大。

由以上分析可知，当喷嘴因沉积物造成堵塞时，喷嘴芯开度x随喷嘴体内压力p升高而增大，且喷嘴孔口径向截面面积A2及截面质量流量q也随之增大，有效提高了喷嘴内部沉积物的排出率。当沉积物排出后，喷嘴芯开度x、孔口径向截面面积A2及截面质量流量q均随喷嘴体内压力p的降低而减小，避免了NH3逃逸。同时，当喷嘴芯起闭及其开度x随压力p变化时，孔口外部的沉积物在喷嘴芯往复运动与撞击作用下也更容易脱落，有效降低孔口外部沉积物的凝结风险。综上，与现有的SCR系统喷嘴相比，本研究中研制的喷嘴具有良好的防沉积物堵塞特性。

2 基于Fluent的喷嘴数值模拟分析

为了进一步了解喷嘴的喷射特性，探究不同喷嘴芯开度x及锥度角α对孔口径向截面面积、截面速度分布及截面流量特性的影响，通过流体仿真软件Fluent对喷嘴的喷射特性进行了数值模拟，为喷嘴的结构优化与后续试验研究提供了理论指导。

2.1 仿真模型建立与参数设置

根据喷嘴的结构尺寸在ANSYS workbench中建立了等比例三维模型。由于喷嘴在非喷射状态下喷嘴芯关闭，因此在建模时先根据喷射工况将喷嘴芯绘制为开启状态，即设定喷嘴芯开度x和锥度角α初始值分别为0.6 mm与40°。

将前处理后的模型导入Fluent中进行模型与参数设置。由于喷嘴的喷射模型类似于低压射流模型，因此模型采用SIMPLEC算法结合湍流模型k-ε下的RNG模型，该模型具有较高的分析精度。设定进口边界条件为压力入口，压力为 0.5 MPa；设定出口边界条件为压力出口，压力为常压。

2.2 喷嘴的喷射特性

由于喷嘴的三维仿真模型沿孔口轴线对称，因此，在采用CFD-Post对仿真结果进行后处理分析时，为便于观察喷嘴内部流场，建立了喷嘴轴向截面，该截面的速度矢量云图与速度云图如图3、图4所示。

图3 喷嘴轴向截面速度矢量云图

图4 喷嘴轴向截面速度云图

如图3速度矢量云图所示，尿素液由孔口射流后在局部范围内仍受侧向流束的影响呈加速状态。根据流体的连续性理论，单位时间内流入单位空间的流体体积与流出的流体体积相等，故当液流经由孔口射流后加速并达到最大速度时，喷射面积收缩至最小。因此尿素液的速度云图如图4所示，呈先收缩后逐步向前扩散喷射形态。同时，随着尿素液持续向前喷射，受空气阻力影响，液流速度逐渐衰减，而喷射面积则不断扩大。

2.3 喷嘴芯开度x及锥度角α对喷射特性的影响

为验证理论分析结果，设定6组喷嘴芯开度x及锥度角α，如表1所示，探究在不同喷射工况下孔口径向截面面积、截面速度分布及截面的流量特性。

表1 喷嘴芯开度x与锥度角α分组表

由于在不同喷射工况下喷嘴孔口轴向截面的速度云图与速度矢量云图均无显著差别，为便于观察，得到了不同喷嘴芯开度x与锥度角α时喷嘴孔口径向截面的速度云图如图5所示。

图5 不同喷嘴芯开度x与锥度角α时喷嘴孔口径向截面速度云图

如图5所示，在不同喷射工况下，喷嘴孔口径向截面积A2有较大区别，孔口径向截面积A2随第1组～第4组喷嘴芯开度x的增大而增大，也随着第5组、第3组、第6组喷嘴芯锥度角α的增大而增大，与理论分析结果一致。

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由于尿素液流与孔口内壁及喷嘴芯外壁碰撞造成能量损失，使孔口径向截面内、外两侧液流的速度在整个截面内最小，而截面中间液流受孔口节流作用而加速，故此处速度最大。由于喷嘴孔口径向截面速度沿轴线对称分布，为进一步探究截面上各点的速度分布，取喷嘴孔口径向截面圆心点(0，0，0)到孔口径向截面内壁点(1.5，0，0)的线段l，得到各点在不同喷射工况下的速度分布与对比曲线如图6、图7所示。

图6 不同喷嘴芯开度x时线段l上各点速度分布与对比曲线

图7 不同锥度角α时线段l上各点速度分布与对比曲线

如图6、图7所示，各曲线在孔口径向截面内壁点(1.5，0，0)处的速度均为零，随着与孔口径向截面圆心点距离减小，液流速度迅速增大至最大值然后逐渐降低，并在喷嘴芯外壁处速度降低为零。

由图6、图7还可以看出，各曲线距喷嘴孔口径向截面圆心点(0，0，0)的距离分别随第1组～第4组喷嘴芯开度x及第5组、第3组、第6组喷嘴芯锥度角α的增大而逐渐减小，距孔口径向截面圆心点的距离越小，则表明孔口径向截面面积A2越大，这与图5孔口径向截面速度云图结果一致。

不同喷嘴芯开度x与锥度角α时喷嘴孔口径向截面的质量流量对比曲线如图8、图9所示。

图8 不同开度x时喷嘴孔口径向截面质量流量对比曲线

图9 不同锥度角α时喷嘴孔口径向截面质量流量对比曲线

由于在迭代200步时，喷嘴在各喷射工况下的质量流量曲线均已趋于稳定，因此仅截取迭代步数200时的质量流量曲线。如图8、图9所示，由于尿素液由进口向孔口方向流动，故当尿素液流过孔口径向截面时，截面上的质量流量q先迅速升高，后随着喷射的稳定逐渐趋于平稳。同时，质量流量q分别随喷嘴芯开度x及锥度角α的增大逐渐增大，这是由于不同喷射工况下曲线上各点的速度分布基本一致，而孔口径向截面面积A2增大，故质量流量q也增大。