SCR系統結構對內流場及溫度分布的影響

嚴英，趙帥

（1.天津職業技術師范大學天津市新能源汽車驅動技術工程中心，天津300222；2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072）

SCR系統結構對內流場及溫度分布的影響

嚴英1，2，趙帥1

（1.天津職業技術師范大學天津市新能源汽車驅動技術工程中心，天津300222；2.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津300072）

針對選擇性催化還原（SCR）系統結構對其內部發動機排氣流速、壓力和溫度分布有重要影響，進而影響催化劑綜合轉換效率和壽命的問題，本文設計3種不同結構的SCR系統，分析不同結構設計對SCR系統排氣內流場、流量分布及溫度分布的影響。研究結果表明：進排氣管同側放置且與催化劑管道平行的結構，有利于流量和溫度均勻分布，發動機背壓提升最小，利于提升催化劑的轉換效率和壽命。

選擇性催化還原（SCR）；流場；溫度分布

為滿足日益嚴格的內燃機排放法規，尾氣后處理是柴油發動機技術發展的必由之路。通過優化缸內燃燒，使顆粒物（particulate matters，PM）排放達到法規要求，再利用選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術降低相應升高的氮氧化合物（nitrogen oxide，NOx）排放是主流技術路線之一［1-4］。研究表明，采用SCR后處理系統具有達到國V階段甚至更嚴格排放標準的潛力。此外，SCR后處理技術對發動機本身改動相對較小，發動機的節油潛力達5%以上［5-7］。

SCR技術利用尿素作為還原性物質，在催化劑作用下，可去除柴油機排氣中絕大部分的NOx，同時不同程度地降低部分碳氫化合物（hydro carbon，HC）和一氧化碳（carbon monoxide，CO）［8］。研究發現，發動機尾氣溫度對NOx的轉化效率影響顯著。溫度低于200℃時，NOx轉化效率隨二氧化氮（nitrogen dioxide，NO2）量的增加而線性增加；溫度為300℃左右時，隨著NO2比例的增加，NOx轉化效率增速較為平緩，在這個溫度下，NO2與氨氣（ammonia，NH3）反應較慢，另外還存在NH3泄漏污染問題；當溫度高于350℃時，NOx轉化效率將不受NO2影響［8-12］。受到SCR系統結構的影響，發動機排氣在催化劑中并不能實現完全溫度的均勻分布，局部高溫將引發催化劑的燒結，局部低溫導致轉化效率降低，進而影響催化劑的轉化效率和壽命。此外，SCR催化劑腔體進、排氣位置及內部結構的不合理設計，將產生高度復雜的內流場，導致混合氣體（發動機尾氣與氣態氨氣）通過催化劑腔體各部分的流量存在較大差別，造成部分區域催化劑率先失效，影響系統的整體轉化效率［3，12-16］。

本文采用三維仿真技術設計了3款SCR催化劑結構，分析不同結構設計對SCR系統內流場、流量分布及催化劑溫度分布的影響。

1　仿真模型及條件

本文采用通用流體力學軟件STAR-CCM+對3款SCR系統結構進行三維流體力學仿真計算，以明確不同SCR系統結構內的流場分布、溫度分布及壓力分布情況。計算中假設缸內氣體流動是三維可壓縮的黏性湍流運動，采用雷諾平均方法（Reynolds average navierstokes，RANS）計算。進口邊界選擇為質量入口，質量流量為1 600 kg/h；出口邊界設置為壓力出口，壓力設置為1個大氣壓；多孔介質部分選擇多孔介質模型；其余邊界條件均為壁面條件；湍流模型選擇標準的k-ε模型。

本文設計的3種SCR系統結構，主要區別在于進、排氣安放位置與催化劑相對走向不同。SCR系統設計方案1的結構如圖1所示。系統的進氣入口在SCR系統側面，直接通入SCR系統上腔，上腔部分的進氣管為多孔管。中腔部分安裝5個催化劑，上腔的發動機排氣將分別經過這些催化劑到達下腔，然后穿過多孔板達到中腔，最后由多孔排氣管離開SCR系統。

圖1　方案1結構圖

方案2的結構如圖2所示。進氣入口在SCR系統的上側，通入SCR系統下腔，通過中腔部分的4個催化劑后進入上腔體，經過多孔隔板再進入中腔，最后由安裝在中腔的多孔排氣管離開SCR系統。

圖2　方案2結構圖

方案3的結構如圖3所示。系統的進氣入口在SCR系統的上側，通入SCR系統下腔，通過中腔部分的2個催化劑后進入上腔體，經由安裝在上腔的排氣管離開SCR系統。

圖3　方案3結構圖

在以上結構圖中分別標出了具有代表性的截面，用于下文分析缸內的流場、溫度場、壓力場和流量分布特征。

2　結果和討論

2.1SCR系統設計方案1

設計方案1截面A的速度矢量圖如圖4所示。由圖4可知，發動機排氣在多孔管的前半部分開始大量涌入上腔，并在上腔的左、右區域分別產生2個渦流區。綜合圖4上側的矢量圖和下側的標量圖，發現左側的渦流區域小于右側的渦流區域，且渦流中心處的氣體流速很低，不利于尾氣在腔體內的均勻分布。

圖4　方案1在截面A的內流場矢量圖（上）及標量圖（下）

截面B上通過5個催化劑的尾氣質量流量分布如圖5所示。結合圖4的速度分布，尾氣的速度分布與各催化劑的質量流量分布對應較好，處于低速區域的催化劑尾氣質量流量也較低。催化劑①的左下側和催化劑③的左上側均處于低速區域，其尾氣質量流量也較低。為定量描述通過各催化劑的累計質量流率，定義了通過各催化劑的質量流率比例，如圖6所示。理想狀態下各催化劑的質量流量比例應為20%。如果排氣不能均勻通過5個催化劑，則會造成個別催化劑率先老化，從而降低催化劑的整體壽命。對于方案1而言，通過各催化劑的質量流量比例均方根誤差達到1%。其中，催化劑③的質量流量最高，有可能率先老化失效。

圖5　方案1在截面B上通過各催化劑的尾氣質量流量分布

圖6　方案1中通過各催化劑的質量流量比例

截面C壓力分布情況如圖7所示。由圖7可以看出，發動機排氣在SCR系統進氣管底部時壓力達到最大。發動機排氣進入SCR系統進氣管后，只能通過進氣管壁面的小圓孔流入上腔，流動阻力較大，因此在進氣管底部形成沖擊壓縮過程，提高了局部壓力。由于催化劑是多孔結構，同樣也會造成壓力的增加，此外下腔至中腔的多孔隔板結構同樣會導致壓差的產生。基于以上3個原因，方案1的SCR系統使發動機排氣背壓提升了約12 kPa，對發動機缸內燃燒產生不利影響。

2.2SCR系統設計方案2

方案2中通過截面C的速度矢量圖如圖8所示。發動機排氣從SCR系統進氣管沖入下腔后速度較高，氣流沿底部和兩側向中心聚攏，在左右兩側形成了明顯的渦流。截面A的速度分布情況如圖9所示。雖然入口處的氣流速度很高，但下腔整體速度相對較小，整體速度分布較為均勻。方案2中通過各催化劑的質量流量比例如圖10所示。從圖10中可以看出，通過各個催化劑的質量流量較為一致，均方根誤差僅為0.16%，有利于提高系統整體工作效率。

圖7　方案1通過截面C的壓力分布

圖8　方案2通過截面C的速度矢量圖

圖9　方案2通過截面A的速度矢量圖

發動機排氣溫度對SCR轉化效率至關重要。通過截面B的催化劑溫度分布如圖11所示。4個催化劑的空間位置與圖2最右側的俯視圖一致。方案2中，通過催化劑的發動機排氣溫度存在較大的不均勻性，催化劑②和④的部分區域溫度達到600K以上，易出現燒結現象，這將導致催化劑加速失效。此外，方案2對于發動機背壓的提升同樣來自于進、排氣管道，多孔介質以及擋板等結構。相比于方案1，其背壓僅提高7 kPa，對發動機性能的影響較小。

圖10　方案2中通過各催化劑的質量流量比例

圖11　方案2中通過截面B的催化劑溫度分布圖

2.3SCR系統設計方案3

方案3通過截面C的速度矢量如圖12所示。方案3的下腔速度主要分布在進氣管軸向，在兩側形成了明顯的滾流。截面A上的氣體速度分布如圖13所示。在水平方向的氣體速度較小且分布較為均勻，只是在進口處的水平分速度較大。方案3中通過各催化劑的質量流量比例如圖14所示。這2個催化劑的流量分布相對均勻，基本各占50%。

截面B的溫度分布云圖如圖15所示。經過催化劑的溫度分布不均勻，靠近左上角的廢氣進口側溫度普遍偏高，而在靠近右下角的排氣管側的溫度較低。這種溫度分布與整個流動相關。從圖13可以看出，左上角的流動速度較大，使高溫廢氣通過較為順暢，而右下角的速度矢量較小，流動較為緩慢，因而造成熱量散失。從圖15可以看出，催化劑溫度的最大值達到645 K，而最低溫為560 K，溫差顯著高于方案2，不利于提升催化效率，并易造成催化劑局部燒結。

圖12　方案3通過截面C的速度矢量圖

圖13　方案3通過截面A的速度矢量圖

圖14　方案3中通過各催化劑的質量流量比例

圖15　方案3中通過截面B的催化劑溫度分布

對于方案3，SCR系統對排氣背壓的增加接近于方案2，提高7.8 kPa，同樣對發動機性能的影響較小。

3　結論

本文分析了進排氣管安放位置及相對催化劑腔體方向等結構參數對SCR系統內部流場、壓力場及溫度場的影響，重點研究了通過催化劑的流量均勻特征和溫度分布狀態，主要結論如下。

（1）進氣管與催化劑垂直放置時（方案1）會導致SCR系統上腔體中形成大小不同的滾流，且滾流中心流速較低，造成通過各個催化劑的流量不均勻性較大，質量流量比例均方根誤差達到1%，降低催化劑的壽命。

（2）進、排氣管同側放置且與催化劑管道平行的結構設計（方案2）有利于各催化劑前的氣體速度均勻分布，流量不均勻性僅為0.16%，且溫度分布較為均勻，利于綜合提升催化劑的壽命。

（3）進、排氣管上下安放且與催化劑平行的設計方案（方案3）有利于降低其流量不均勻性，但不利于溫度均勻分布。局部高溫易造成催化劑部分區域率先燒結，降低催化劑壽命和轉換效果。

（4）SCR系統的進、排氣管道，多孔介質及擋板結構均會增加發動機的排氣背壓。相對而言，方案2對發動機背壓的影響較小，增加量僅為7 kPa，對發動機功率的影響最小。

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Study of the effect of SCR system design on the flow and temperature distribution

YAN Ying1，2，ZHAO Shuai1
（1.Tianjin Engineering Center of New Energy Vehicle，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.State Key Laboratory of Engine，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

As to the distribution of the influence of selective catalytic reduction（SCR）system structure on the internal exhaust velocity，pressure and temperature distribution，thereby affecting the efficiency and lifetime of the catalyst conversion，the SCR systems of three kinds of different structure are designed in this paper，and the influence of different structure design on the SCR system exhaust flow field，flow field and temperature distribution are analyzed.The results show that the structure of the air inlet and exhaust pipe with the same side of the air exhaust pipe is beneficial to the uniform distribution of flow and temperature，and the minimum pressure of the engine can be promoted，which is beneficial to improving the conversion efficiency and life of the catalyst.

selective catalytic reduction（SCR）；flow field；temperature distribution

U464.17

A

2095－0926（2016）02－0005－05

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目（51206118）.

嚴英（1984—），男，講師，博士后，研究方向為整車能量管理、新能源汽車整車控制技術和發動機高級控制技術研究.