一种带有多孔隔板设计的SCR混合器研究

王 杰，张 强

(佛吉亚排气控制技术开发(上海)有限公司，上海 201107)

0 引言

随着国内排放法规[1]越来越严格，SCR(Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原器)已经成为汽车、工程机械、船舶等柴油机动力系统的标配关键零部件之一[2]。而SCR混合器对排气及喷射尿素的混合均匀性至关重要[3]，它不但影响SCR的反应效率及氮氧化物排放的多少，而且对尿素结晶问题的改善也相当关键[4]，是国内外行业研究的关键点之一[5]。

本文介绍了一种SCR混合器的优化设计方法。首先对SCR混合器增加多孔隔板，并对孔板位置和尺寸进行设计；然后对优化设计与原设计的CFD(Computational Fluid Dynamics, 计算流体动力学)流场进行对比分析;最后通过实验验证说明优化设计方法的可行性。

1 优化方法介绍

1.1 氨气分布均匀性的定义

为应对日益严苛的排放法规要求，主流的后处理系统方案采用DOC(Diesel Oxidation Catalyst, 氧化型催化器)+DPF(Diesel Particulate Filter, 柴油颗粒捕集器)+SCR的结构，尿素热解水解产生的氨气在催化剂的作用下同废气中的氮氧化物(NOx)进行化学反应，生成无害物氮气(N2)和水(H2O)，化学反应如下:

CO(NH2O)2+热量→HCNO+NH3.

HCNO+H2O→NH3+CO2.

NOx+NH3→H2O+N2.

为满足国六排放法规中严苛的降氮氧化物的要求，需要有很高的氮氧化物转化效率。在进入SCR载体前氨气与废气混合均匀性指数称为氨分布均匀性指数，氨分布均匀性指数(Uniformity Index,本文简称UI)的计算公式如下：

(1)

目前柴油发动机后处理要求的氨分布均匀性指数不低于0.95。催化剂涂层已均匀地涂抹在载体的表面，若想达到较高的氮氧化物转化效率，需要到达选择性催化还原载体面的氨气、氮氧化物废气混合气体具有很高的均匀性分布指数。若氨气均匀性指数较低，会造成局部的氨气过剩以及氨气量不足，会降低催化剂对氮氧化物的转化能力，同时氨气过剩的区域可能会造成较大的氨气泄漏，污染空气。

氨分布均匀性指数目标为选择性催化还原器(SCR)前端氨分布均匀性指数(NH3UI)≥0.95。

1.2 实验方法及样件

原设计采用隔板上半部分圆弧面左右开孔的结构，左、右孔位相对于中心线对称，同时靠近底部开有多个孔位。优化设计关闭了部分右上圆弧面上的开孔，并且增加了左下圆弧面上孔的数量，同时调整了开孔的面积，如图1所示。

图1 多孔板的优化方案

实验中采用13 mm内径不锈钢采样管，在SCR后端选取100个点，通过专用位移设备移动传感器测头，每个点保持5 min，当发动机出气流量和温度、气体分析仪测量的氨气数据保持稳定后记录数据，然后移动到下一个点，直到所有的点位全部测量完成。气体分析仪移动探头测量法示意图如图2所示。

图2 气体分析仪移动探头测量法示意图

1.3 优化分析方法

分析模型主要包含进气端锥、DOC、DPF、混合器、SCR、出气端锥，如图3所示，发动机排放的废气从DOC前端进入,从SCR后端流出，氨气喷射位置放置于DPF与SCR之间。

图3 系统分析模型

为验证完整的排放性能，需要评估至少包含高、中、低流量区间，发动机工况点(Engine Operation Point，本文简称EOP)选择如表1所示。

表1 发动机工况点选择

2 计算结果分析

2.1 原设计方案仿真结果

原设计方案SCR截面氨分布均匀性数值如表2所示，高、中、低流量工况点氨分布均匀性指数均不能满足≥0.95的目标要求，低流量工况点氨分布均匀性指标低于目标值8%。

表2 原方案SCR截面氨分布均匀性数值

原方案选择催化还原截面氨气分布如图4所示。从图4可以看出：右上部分氨气量集中，左下角处氨气量分布较少。

图4 原方案选择催化还原截面氨气分布

原方案中孔板采用了上部开孔对称结构，根据分析结果显示，氨气的分布均匀性指数较差，若要达到均匀性目标值，选取的截面中各个位置的氨气量要接近平均值，在同一截面氨气的量要尽量均匀。

2.2 设计优化

相应地调整对应的孔板开孔位置以及开孔面积，关闭氨气集中区域对应的部分孔位，同时增加氨气较少部分气流。优化多孔板设计后，其他结构边界保持不变，重新进行氨分布均匀性指数分析，优化后选择性催化还原截面氨气分布如图5所示。

图5 优化方案选择性催化还原(SCR)截面氨气分布

相比于优化前的分析结果，结构优化后选择性催化还原剂载体右上角的氨气量明显减少，左下角部分氨气量提升，并且大部分截面的氨气量分布接近中值，氨分布均匀性指数明显改善。优化方案SCR截面氨分布均匀性数值如表3所示，高流量、中等流量、低流量点的氨气分布均匀性指数均得到改善，氨分布均匀性指数高于0.95。

表3 优化方案SCR截面氨分布均匀性数值

3 实验验证

为进一步验证CFD分析数据的准确性，进行氨分布均匀性实验，实验采用发动机台架，使用与仿真分析相同的工况点，通过气体分析仪测量选择性催化还原剂载体后端的氨气浓度分布，通过氨分布均匀性指数计算公式(1)进行计算。原始设计方案的分析结果与实验结果最大偏差为2.3%，优化设计方案的分析结果与实验结果偏差约为1%，如表4所示。

表4 氨分布均匀性指数实验与仿真分析结果对比

4 结论

本文通过对SCR混合器进行改型，增加混合器多孔隔板，并对隔板上孔的位置大小及形状进行了优化，改善了氨气与发动机废气混合效果及SCR的反应效率，其基本结论如下：

(1) 本研究中仿真分析与实验结果中氨分布均匀性指数最大偏差为2.3%，偏差值较小，说明CFD分析结论是可信的。

(2) 通过孔板的开孔位置、数量、形状等特征的调节，可以快速有效地提高氨气均匀性分布指数。其中左下角开孔面积增大、右上角孔位减少可以有效提高氨分布均匀性指数。

(3) 高流量、中等流量、低流量点的氨气分布均匀性指数均得到大幅度的改善，且都能满足目标设定的要求,因此新设计能够满足实际应用需求。