滿足國IV標準的噴嘴集成式SCR系統仿真設計與試驗研究

唐蓮花龍順洪鄭貫宇王奉雙張素英

（1.天津億利汽車環保科技有限公司；2.濰柴動力有限公司技術中心）

滿足國IV標準的噴嘴集成式SCR系統仿真設計與試驗研究

唐蓮花1龍順洪1鄭貫宇2王奉雙2張素英2

（1.天津億利汽車環保科技有限公司；2.濰柴動力有限公司技術中心）

為改善分體式SCR系統安裝空間要求高、尿素易結晶、維修成本高等缺點，設計了一種把噴嘴和SCR系統集成的結構；運用CFD方法對4種不同進口結構進行仿真對比，確認最優結構后制作樣件，將新樣件安裝在發動機臺架上進行結晶試驗和排放試驗。結果表明，SCR系統中無結晶并且能達到國IV排放要求，表明該集成式結構可行并且優于分體式結構。

1 前言

柴油機排氣中PM、NOx是兩種主要的排放污染物，且兩者之間有著矛盾的生成關系。目前，機內凈化已經無法滿足需求，而機外凈化已經成為趨勢，其中SCR技術已經成為主要手段之一。SCR技術通過優化噴油和燃燒過程，盡量在機內控制微粒PM的產生，而后在機外處理富氧條件下形成的NOx，即使用車用尿素水溶液（體積分數為32.5%）對NOx進行選擇性催化還原，還能降低部分HC，從而達到既節能又減排的目的，并且尿素溶液容易儲存，常溫下很穩定，沒有刺激性氣味。該項技術是歐洲主流技術路線，歐洲長途載貨汽車和大型客車幾乎全部采用這一技術，在國內正在成為最具有應用前景的柴油機后處理技術。本文將對傳統SCR系統的結構進行優化設計，從而達到提高系統各方面性能的目的。

2 分體式SCR系統現狀

傳統的分體式SCR系統設計中，為使尿素和尾氣達到很好的混合效果，一般將噴嘴安裝在SCR系統進口前300 mm以上，如圖1所示。

從圖1可以看出，尿素從噴嘴噴出后，容易被直接噴射到排氣管管壁上，雖然尿素液滴會隨尾氣蒸發掉大部分，但是依然會有一部分沉積在管壁上，久而久之形成液膜，進而形成結晶，其不但會對管壁造成腐蝕，還會堵塞管道，因此該結構不但在安裝空間要求上有很大的局限性，而且因排氣管腐蝕、堵塞后需要更換而造成運行成本和維護成本的上升。

分體式SCR系統尿素噴射狀態如圖2所示。

由圖2可以看出，液體從噴嘴噴出后直接撞擊在排氣管壁上，此處的結晶風險非常高。

3 集成式SCR系統設計

將噴嘴集成到SCR系統進氣口上是一個創新型的設計，不但可以節省安裝空間、降低運行和維護成本，同時還能降低結晶風險和提高SCR系統的轉化效率。因此，針對該新型的創新理念，并根據車廠提出的安裝要求，設計開發集成式SCR系統，通過CFD仿真計算得出結構內部的流場、噴射、蒸發情況并以此來確定結構，同時通過試驗驗證這種結構是否可以滿足各項技術要求。設計目標如表1所列。

表1 設計目標

3.1 數學模型

采用FLUENT中的歐拉-拉格朗日離散模型，將空氣處理為連續相，液滴處理為離散型，采用標準的湍流模型建立連續相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進行計算。

3.1.1 連續相數學模型[2]

模型中包括連續性方程、動量方程、標準的k-ε湍流模型和能量方程。流體運動通用的控制方程為：

式中，ρ是連續相的密度；Φ是通用變量，可分別代表速度、動量、湍動能k、湍動能耗散率ε和溫度；u是速度矢量；SΦ、ΓΦ分別是廣義源項和廣義擴散系數。

3.1.2 離散相顆粒的控制方程

FLUENT中通過積分拉式坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。對每個單顆粒求解運動控制方程：

式中，vk為顆粒的運動速度；mk為該顆粒的質量；(∑F)k表示該顆粒所受的合力。

3.2 結構設計及CFD仿真計算

3.2.1 模型

圖3為車廠提供的SCR系統進氣口位置。可知，無法安裝很長的進氣管。

為滿足車廠要求，根據尾氣進氣方向，在進氣口段設計一個斜臺，將噴嘴的位置調成合適的角度安裝在斜臺上，并且把進口段設計成雙層套管的形式，進口段結構決定著尿素與氣體混合蒸發的程度，最終影響結晶的狀態。針對該問題，設計4種不同進口結構的SCR噴射系統M1～M4，其中M1為套管底部全部封死；M2為中間封死，旁邊敞開；M3為底部封死但是開孔；M4為中間封死但有鼓包，旁邊敞開。結構如圖4和圖5所示。

3.2.2 網格生成

載體部分為規則實體，故采用六面體網格，其余部分的結構較復雜，故采用四面體網格，整體網格數量為170萬。網格模型如圖6所示。

3.2.3 邊界條件設置

a.流體相：氣體為連續相。

b.顆粒相：采用壓力旋流霧化模型，以水代替尿素水溶液[3]，選擇離散相和連續相耦合計算，動態曳力模型考慮顆粒的破碎與合并，破碎模型選擇泰勒比模型，液滴為球形[4]。

c.進口邊界條件如表2所列。

表2 進口邊界條件

d.出口邊界條件：SCR出口定義為壓力出口。

e.壁面邊界條件：連續相采用無滑移固體壁面邊界條件，計算時為標準壁面函數法；顆粒相在壁面處不滿足無滑移條件，與壁面的碰撞類型為escape類型。

3.2.4 仿真結果及分析

模型的2種截面如圖7所示。

a.壓力分布

截面的壓力分布如圖8所示。

由圖8可以看出，4種模型的壓力分布趨勢基本一致，進口雙層套管的壓降很大，占總系統壓降的一半，這是由于其是雙層多孔管的結構形式，氣流反復經過面積擴張和縮放造成的，在車廠提供的最大排氣流量的工況下，系統總壓降仍能滿足≤15 kPa的設計要求。

b.速度分布

截面的速度分布如圖9所示。

從圖9可以看出，4種模型的速度分布趨勢基本一致，氣流在經過雙層套管時速度值有很大的梯度，腔體內的速度梯度不大，因此腔內的流場相對均勻。由于液滴粒子要隨尾氣進行擴散，因此腔內的流場最好是均勻的。

c.均勻度分布

對于SCR系統，要保證氣流速度和反應物濃度的絕對均勻是不可能的，一般將不均勻度控制在可以接受的范圍內。要研究各種因素對于均勻性的影響，必須對均勻性給出合理的評判準則。均勻度越大，表示分布越均勻，均勻度等于1表示分布完全均勻。

載體中間截面上速度分布及流動均勻指數γflow的關系為：

式中，vi為某個截面各單元網格上的氣體速度值；vˉ為某個截面上氣體速度的平均值；n為截面上的網格總數。

載體中間截面速度分布均勻度如圖10所示。

從圖10可以看出，M1的分布較好，M3與M4差別不大，M2較差。

載體入口截面上蒸氣質量分數分布及蒸氣均勻分布指數γvapor的關系為：

式中，mi為某個截面上各單元網格上的蒸氣質量；mˉ為某個截面上蒸氣質量的平均值。

載體入口蒸氣分布均勻度如圖11所示。

從圖11可以看出，M1與M3分布較好，M2與M4分布較差。

速度分布和蒸氣質量分布均勻度直接共同決定著SCR系統的NOx轉化效率。綜合來看，M2和M4的轉化率會較差。

d.粒子噴射軌跡

通過觀察粒子的運動軌跡，可以判斷液滴蒸發、結晶的情況[5]。液滴粒子軌跡如圖12所示。

從圖12可以看出，雙層套管的結構有助于增加液滴粒子的運動路徑，從而能增強液滴粒子蒸發效果，且由于噴嘴合適的安裝位置和角度，使得液體噴出時撞擊不到套管的管壁上，從而減少結晶的風險，并且液滴粒子在達到載體前端時基本上蒸發完畢。CFD結果如表3所列。

從以上各項仿真結果來看，在雙層套管的底部開孔有助于蒸氣分布均勻度，背壓也有所降低，但是把底部全部打開，就會使得液滴粒子的運動軌跡縮短，不利于分布均勻性，而且會直接打在包住載體的內筒體上，因此在能滿足設計目標的基礎上，選擇M1進行樣件制作。

Simulation Design and Experimental Study of a Nozzle Integrated Box SCR System for China IV Standard Compliance

Tang Lianhua1,Long Shunhong1,Zheng Guanyu2,Wang Fengshuang2,Zhang Suying2
（1.Tianjin Yili Automotive Emission Control Co.,Ltd;2.WeiChai Power Co.,Ltd R&D Center）

For optimizing the disadvantages of high demand of installation space,easy to deposit,high maintenance cost of traditional split SCR system,this paper presents a structure of integrated nozzle with SCR system,and applies CFD simulation to compare four different structures of inlets and then confirms the optimal model.After sample is made,it is installed on the engine bed for urea deposit and emission test.Test results show that this SCR system has no urea deposits and complies with China IV emission requirements,indicating this integrated structure is proved to be feasible and superior to the traditional split one.

SCR system,Integrated type,China IV emission standard

SCR系統 集成式 國IV排放標準

U464.22

A

1000-3703（2015）10-0007-04