欧VI柴油机SCR混合器数值模拟与优化

许小伟，王 潇，钱 枫，胡 蝶，张广智，许利芝，曲 洋

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430065；2.济南汽车检测中心有限公司，山东 济南，250102；3.中国重汽集团汽车研究总院，山东 济南，250002；4.烟台市环境监控中心，山东 烟台，264003)

选择性催化还原(SCR)技术是当今减少柴油车NOx排放的主流技术，具有NOx转化效率高、抗硫中毒能力强等特点[1-2]，但由于满足欧VI排放标准的柴油机排气温度相对较低，而低温下SCR系统的NOx转化效率不高，因此，如何提高低温下NOx的转化效率是当前SCR技术研究者重点关注的热点问题[3-7]。已有研究表明，在Urea-SCR系统中添加混合器可提高催化剂入口处NH3的均匀性，并降低生成沉积物的风险，从而提升SCR系统的低温性能[8-9]。在SCR系统中，喷嘴和混合器之间的管道为分解区域，混合器与SCR系统之间的管道为混合区域。SCR系统的低温性能(<200 ℃)主要受尿素蒸发及水解时间限制，添加高性能混合器能缩短分解/混合区域的长度，减少尿素消耗，使SCR系统低温性能得到有效提升。Zhan等[10]设计的新型混合器实现了尿素的低温喷射(180℃)，与无混合器系统相比，添加该新型混合器的柴油机在冷态全球统一瞬态试验循环(WHTC)时的NOx排放量明显降低。在Alano等[11]设计的紧凑型混合器中，分解/混合区域长度仅75 mm，远小于大多数商用SCR系统的尿素混合区域长度(350 mm)，使得SCR催化剂更靠近发动机，有助于提高SCR反应温度并增大NOx转化效率。Floyd等[12]研究发现，优化混合器后的SCR系统在更少的尿素喷射量条件下就能获得与其优化之前相同的NOx转化效率。从化学角度来看，优化混合器并没有造成NH3生成量明显增加，其促进SCR系统中NOx转化的关键在于催化剂入口处排气流速和NH3均匀性得到大幅提高。此外，Floyd等的研究还证实，叶片式混合器中叶片角度的增大能提高催化剂入口处NH3的均匀性，同时也会增加混合器的压降，这表明，对于SCR系统混合器而言，其混合效率与压降之间存在权衡关系，高混合效率会加剧混合区域的湍流运动，导致系统背压升高。鉴于目前一些欧VI柴油机SCR系统混合器仍存在NH3均匀性较低、尿素热解不彻底等实际问题，为了充分发挥SCR系统混合器的效能，本文拟以某欧VI柴油机SCR系统混合器为研究对象，建立相应的计算流体动力学(CFD)仿真模型，对SCR系统混合器结构进行优化，确定最佳优化方案，并借助台架试验对优化方案进行验证，以期为实际生产中欧VI柴油机SCR系统混合器的优化设计提供参考。

1 混合器的CFD仿真模拟

1.1 CFD仿真模型的构建

以某欧Ⅵ柴油机SCR系统混合器为研究对象，其在WHTC及全球统一稳态测试循环(WHSC)中的欧Ⅵ排放指标测试结果如表1所示。由表1可知，该混合器的NOx排放量和NH3平均泄漏量较大，且经过计算，其催化剂入口平面处的NH3浓度分布均匀性指数γ[13]平均值仅为0.6，处于较低水平，NOx还原率接近80%，表明该柴油机SCR系统性能并未得到充分发挥。为此，利用AVL-Fire软件采用A、B两种方案对该柴油机SCR系统混合器导流板及穿孔板结构进行CFD优化，通过调整导流板的位置和数量、叶片的角度来优化尿素液滴的分解，借助改变穿孔板结构和孔数量以改善SCR系统入口处NH3的浓度分布均匀性。其中方案A主要措施为：将混合器外侧导流板位置向下移动，缩小穿孔板小孔孔径，移除湍流处的板块；方案B主要措施为：将混合器外侧导流板位置向下移动，并在最外侧增加一块导流板，设计同一孔径小孔，增加穿孔板小孔的数量，移除湍流处的板块。原始混合器模型及方案A、方案B优化模型如图1所示。考虑模型的仿真精度以及仿真计算速度，使用立方体对混合器流体区域进行网格划分，设置立方体边长为3 mm，边界层厚度为3层，边界层增长率为1.1，混合器入口为模型速度入口，混合器出口为模型压力出口，图2所示为原始混合器的有限元网格模型。

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

图2 原始混合器的有限元网格模型

表1 排放指标

在仿真模拟过程中，基于欧拉和拉格朗日模型[14-15]进行多相流模拟；使用DPM及TAB模型分别模拟液滴喷射及液滴二次破碎过程[16]。采用CFD方法模拟尿素蒸发及热解过程[17-20]，在此过程中，尿素中的水分首先蒸发，可藉由修正公式计算出相应蒸发率[21]，然后尿素颗粒热解成气态NH3和HNCO，热分解反应方程式为：

NH3(g)+HNCO(g)

(1)

热解速率V的计算公式为：

(2)

式中，A为反应频率因子，取值为900 kg/(m·s);Ea为反应活化能，取值为55 000 J/mol[22]，T为壁膜温度(K)，D为壁膜厚度。尿素热解过程示意图见图3。

图3 尿素热解

在对SCR系统混合器进行仿真模拟时，设置3种不同的发动机工况，具体工况的模拟计算参数如表2所示。

表2 模拟计算的参数

1.2 CFD仿真结果及分析

1.2.1 混合器压力损失分析

经CFD仿真模拟，在工况1下，原始混合器压力损失为6.68 kPa，而经过方案A、方案B优化的混合器压力损失则分别降至3.92、3.95 kPa，相应降幅达到41.32%、40.87%，这是因穿孔板气流末端板块移除后穿孔板对排气形成的阻力减小所致。相比原始混合器，经方案A或方案B优化后的混合器压力损失显著降低，有助于发动机整机性能的提升。

1.2.2 混合器流场分析

图4、图5所示分别为工况1下SCR系统混合器的内部及SCR载体入口处流场的仿真模拟结果。由图4及图5可见，经方案A和方案B优化的混合器内部流速明显低于原始混合器相应值，且三者SCR载体入口处流场呈现出不同的分布，原始混合器、经方案A和方案B优化的混合器流速均匀性指数依次为0.94、0.96、0.97。上述仿真结果表明，通过方案A或方案B优化SCR系统混合器结构时，导流板位置的调整、外侧导流板数量的增加使得尿素液滴流速减缓，穿孔板板块的移除以及小孔结构的优化在一定程度上改善了SCR载体入口处的流速分布。相比方案A，经方案B优化的混合器内部流速更低，SCR载体入口处流速分布更均匀。

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

1.2.3 NH3分布分析

在工况1下，SCR载体入口处的NH3分布如图6所示。由图6可知，经方案A或方案B优化后，SCR载体入口截面处的NH3分布状况均较优化前有较大改善，经方案A和方案B优化的混合器、原始混合器相应的NH3分布均匀性指数分别为0.70、0.92、0.58，其中仍以方案B的优化效果为最佳。这是因为调整导流板位置减缓尿素液滴流速有助于尿素充分热解，而穿孔板上小孔数量的增加及湍流处板块的移除则导致SCR载体入口处的NH3分布更加均匀。

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

1.2.4 混合器壁温及壁面液膜厚度分析

图7和图8所示分别为原始混合器、经方案A或方案B优化后的混合器壁温及壁面液膜厚度模拟结果。由图7和图8可知，在3种不同的混合器中，经方案B优化后的混合器壁温较高且壁面液膜厚度相对较小。这是因为经该方案优化后，混合器导流板能更有效地调节流场，减缓液滴流动速度，减少液滴与壁面的碰撞，促进尿素液滴分解，避免了沉积物的形成。

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

(a)原始混合器 (b)方案A (c)方案B

1.2.5 不同工况下的仿真结果分析

在3种工况下，对SCR系统混合器进行CFD仿真分析，混合器流速分布及SCR载体入口处的NH3分布模拟结果如表3所示。由表3可见，相比原始混合器，经方案A或方案B优化后的混合器流速分布变化不大，但SCR载体入口处的NH3在所有工况点的分布均匀性指数都较前者相应值明显增大，其中以方案B的优化效果为最佳。

表3 不同工况点的仿真结果

2 台架试验

搭建柴油机加装氧化催化器(DOC)、颗粒过滤器(DPF)及SCR后处理系统的试验台架(参数见表4)，对原始混合器及方案B优化混合器进行欧VI排放试验。经测试，在WHSC及冷态WHTC条件下混合器的累积排放结果见表5，其中在冷态WHTC期间混合器NOx和NH3排放变化情况如图9所示。结合表5及图9可见，与原始混合器相比，经方案B优化后，柴油机SCR系统混合器的NOx排放量和NH3平均泄漏量明显降低，其中NOx排放量的平均降幅接近18%，表明NOx转化率进一步提升，同时NH3平均泄漏量也处于较低水平，排放达到欧VI标准。

表4 柴油机台架参数

表5 欧VI排放认证结果

(a)NOx浓度 (b)NH3浓度

在低温、低空速稳态条件下对SCR系统混合器进行低温稳态试验，发动机在工况点3运转2 h时的沉积物观察结果如图10所示。由图10可见，当测试进行2 h时，原始混合器中出现明显沉积物，经称重约2.2 g，而方案B优化混合器几乎没有沉积物出现，这是因为后者通过导流板调节了内部流场流速方向，减缓尿素液滴流动速度促使尿素充分雾化热解，尿素液滴与管壁的碰撞较少从而导致沉积难以出现。该试验结果表明，使用优化后的混合器，在SCR系统维护期间，无需清除尿素沉积物。

(a)原始混合器

3 结语

本文针对欧VI柴油机因排气温度相对较低而导致SCR系统NOx转化效率不高的实际问题，以某欧VI柴油机SCR系统混合器为研究对象，借助CFD方法对混合器进行仿真模拟，同时优化了混合器中的导流板、穿孔板等结构，并利用台架试验对SCR系统混合器进行了欧VI排放测试。通过在一定工况下的仿真模拟发现，混合器经优化后，其压力损失和内部流速明显降低，虽流速分布变化不大但SCR载体入口处的NH3分布更加均匀，尤其经最佳方案优化后，混合器壁温相对较高且壁面液膜相对较薄，NH3分布均匀性指数显著提升。欧VI排放测试结果也证实，混合器经最佳方案优化后，SCR的NOx转化效率明显提高，在冷态WHTC以及WHSC工况下，相应的NOx排放量和NH3平均泄漏量分别为0.191 g/(kW·h)、0.8 ppm以及0.175 g/(kW·h)、0.1 ppm，满足欧VI排放标准，并且在低温低空速运转时，混合器中未出现明显沉积物，这有利于提高SCR系统的耐久性以及尿素的经济性。