輕型柴油車SCR催化轉化器流場研究與優化

劉軍 陳智 王明遠

（江蘇大學，鎮江 212013）

輕型柴油車SCR催化轉化器流場研究與優化

劉軍 陳智 王明遠

（江蘇大學，鎮江 212013）

為改善某輕型柴油車SCR催化轉化器的流動特性，對其內部排氣的流動和溫度分布情況進行CFD仿真研究。結果表明，載體入口端的流動分布均勻性和整體壓力損失對隔板穿孔數的靈敏度隨孔數的增加而逐漸減弱，當穿孔面積與進氣管截面積之比大于1.2后，催化器有較好的流動特性。使用徑向變孔密度載體的方法對后催化劑載體進行優化，結果表明，優化后的載體入口端面氣流分布情況改善，內部溫度分布更平穩，提高了催化劑利用率，延長載體使用壽命。

1 前言

輕型柴油車較重型柴油車更適合城市道路及短途運輸等任務，因此得到了廣泛運用。但是，柴油機排放的大量NOx會加劇大氣污染。SCR因其具有高效率、高選擇性、高經濟性及耐硫等優點，成為我國柴油機排放升級的主要技術方向[1]。其工作原理是將濃度為32.5%的尿素水溶液噴射到排氣管中，尿素水溶液在高溫下分解為NH3和CO2，NH3在催化劑的作用下與NOx發生還原反應，生成N2和H2O[2]。

隨著CFD和計算機技術的飛速發展，數值模擬已被廣泛應用于SCR催化轉化器的設計中[3]。本文利用FLUENT軟件對某輕型柴油車SCR催化轉化器進行仿真計算，比較了隔板在不同穿孔數下載體入口端面的流動均勻性和內部壓力損失，并分析了徑向變孔密度載體對催化器內流動特性與溫度分布的影響。

2 研究對象

2.1 催化轉化器幾何模型的建立

研究對象為某輕型柴油機SCR催化轉化器系統，其封裝形式為筒式封裝，結構如圖1所示。催化轉化器進出口排氣管直徑為76 mm，采用分段式方形孔道催化劑載體，兩段載體長度均為100 mm，直徑91 mm，相距20 mm，孔密度為300目。

為使排氣在進入催化劑載體之前能與尿素水溶液混合均勻，將催化轉化器內部的進氣管段設計成穿孔結構，并且利用一塊多孔的隔板對氣流進行二次分配，進一步促進排氣氣流的擾動混合。隔板上的開孔數目會對催化劑入口端面處的氣體流動分布均勻性、催化器內部的壓力損失產生一定的影響。為了確定合理的開孔數目，設計6種不同的隔板進行模擬比較。不同孔數的隔板示意如圖2所示，小孔直徑為11 mm，6塊隔板上小孔的數目分別為27、36、48、57、66和75，小孔總面積分別為進氣管截面面積的0.56、0.75、1.00、1.20、1.38和1.57倍。

圖1 SCR系統催化器結構示意

圖2 不同孔數的隔板示意

2.2 網格劃分

利用FLUENT前置前處理軟件GAMBIT進行網格劃分，催化轉化器系統的計算區域如圖3所示。由于進氣管段和隔板上存在許多穿孔，排氣在該處的流動情況較為復雜，需對其進行加密處理。采用分塊劃分網格的方法，將催化轉化器分為進氣管前段、排氣混合區域（穿孔管和隔板后部）、催化劑區域以及排氣管。其中排氣混合區域采用四面體非結構化網格劃分，其余部分采用六面體結構化網格進行劃分，不同塊之間的面使用交界面進行連接，保證氣流的流通。將催化劑載體設定為多孔介質，隔熱襯墊設置為固體。

圖3 SCR催化轉化器的網格模型示意

2.3 邊界條件

由于催化轉化器內氣體流速較低，可以將其看作不可壓縮氣體進行處理。設置入口條件為速度入口，按照該匹配柴油機ESC測試循環13工況試驗結果取加權后的平均值，入口速度v為21.3 m/s，入口溫度T為620.2 K，水力直徑d為0.076 m，按公式（1）進行計算可得湍流強度I為4%。取壓力作為出口邊界條件，相對壓力為0。壁面采用無滑移邊界，對流換熱系數為20 W/（m2·K），外界溫度為299 K。

式中，為平均速度；ρ為排氣密度；η為排氣動力黏度系數。

3 數學模型

3.1 控制方程

氣體流動特性符合粘性流體N-S方程，氣體流動的多維數值模擬就是對該方程的數值求解。所模擬模型中涉及到的守恒方程有：質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程和湍流模型方程。假設模擬的整個過程為穩態過程，因此認為流動狀態不隨時間變化而發生改變，計算中采用SIMPLE算法和k-ε湍流模型[4]。

3.2 多孔介質模型

由于蜂窩載體孔道尺寸非常小，流經這些孔道的流體典型雷諾數在100～1 000之間[5]，因此可以將載體區域當成充分發展層流進行處理，并將其定義為多孔介質區域。本質上，多孔介質模型就是在動量方程上疊加一個動量源項，源項包括兩部分，即粘性損失項和內部損失項[6]，在FLUENT中表示為：

式中，p為壓力；μ為動力黏度；D和C分別為黏性損失系數矩陣和慣性損失系數矩陣，其中D、C的非對角元素都為零；i為直角坐標系x、y、z的方向。

催化轉化器載體的壓降為[5]：

式中，L為載體長度；dh為載體孔道水力直徑。

由于壓降僅沿載體軸向方向變化，在FLUENT中，Dyy、Dzz和Cyy、Czz分別設置為Dxx和Cxx的1000倍，既可以保證氣體在載體中沿軸向運動，又可以使數值求解的收斂性更好。對比公式（3）和公式（4）可以確定多孔介質內的軸向損失系數：

4 計算結果分析與優化

4.1 隔板開孔數對流動特性的影響

催化轉化器載體入口端的氣體流速分布均勻情況是影響催化轉化器性能的一個重要指標。流速分布均勻則表示排氣混合情況較好，催化劑能夠得到充分利用。若流速分布不均勻，局部流速過大則會導致催化劑載體提前老化，降低NOx轉化效率，更有可能會破壞載體。為了定量反應流動均勻性，采用Weltens等[7]定義的均勻性指數γ來評價載體流動分布特性：

式中，n為截面上所取的單元數；vi、vmean分別為每個單元的軸向速度和所有單元的平均速度；γ值在0～1.0之間變化，越接近于1.0表示流動越均勻，其中1.0表示理想均勻流，0表示氣流集中于一點。

圖4是在6種不同隔板情況下第1塊催化劑載體入口端面排氣流速分布云圖。通過比較可以發現，當穿孔數目較少時，小孔處的流速過快，排氣到達載體表面時速度分布差異性較大，流動均勻性下降。隨著穿孔數目的增加，小孔處的流速逐步下降，載體入口端面各處流速逐步趨于一致。由圖5載體入口端面徑向流速曲線同樣可以看出，隔板小孔數目增多，排氣流速分布總體趨于平穩，流動均勻性增強。

圖4 前載體入口端面氣流速度分布云圖

圖5 前載體入口端面徑向流速分布

不同穿孔數下前、后載體的流動均勻性指數如表1所列。可知，當小孔數為66，即小孔總面積為進氣管截面面積的1.4倍時，流動均勻性指數達到最大值0.945，相對小孔數為27時提高了16.0%。當繼續增加小孔數目時，流動均勻性指數略有下降，原因是過多的穿孔加大了氣流的擾動，使流動均勻性下降。后載體表面的流動均勻性指數相對前載體低，隨穿孔數的增多而緩慢上升。其原因是排氣流經前載體時，由于載體內部的阻力作用，使得氣流到達兩載體之間的間隙時，沿徑向的流速趨于一致，于是第2塊載體前表面上的流動均勻性也不會產生顯著差異。催化轉化器內的壓力損失也隨隔板穿孔數的增多而不斷減小，當孔數達到57時壓降為1.07 kPa，基本滿足催化器工作要求。

表1 不同穿孔數下前、后載體的流動均勻性指數

式中，N1為均勻性指數上升或壓力損失下降百分數；N2為隔板穿孔數增長百分數。

S數值越大，表示流動特征參數隨孔數的變化越明顯，當值為負時，孔數的增多對流動特性的改善產生抑制作用。

由于后載體入口端的流動均勻性指數變化不明顯，因此只對前載體和內部壓降做靈敏度分析，結果如圖6所示。可知，在隔板穿孔數達到48之前，前載體入口端均勻性指數對穿孔數目的變化較敏感，增加開孔數對改善流場分布有明顯作用。隨后曲線變平緩，表明繼續增加孔數將不會對流動均勻性造成明顯影響。同理，當隔板穿孔數在57之前，孔數的增加對減小催化器壓力損失的作用較為明顯。結合表1可以得出，當隔板穿孔數為57，即小孔總面積至少達到進氣管截面積的1.2倍后，可以基本滿足催化轉化器內的流動均勻性和壓力損失要求。

圖7為隔板穿孔數為66時催化轉化器內部的速度

為了定量反映催化轉化器內各流動參數隨隔板穿孔數目的變化特征，引入靈敏度的概念：跡線圖。可知，在進氣管穿孔管區域產生了明顯渦流，可促進尿素分解成NH3并與排氣混合均勻。在催化劑載體入口前，區域流線較為均勻，氣流平穩，有利于排氣與催化劑充分接觸，完成催化還原反應。

圖6 前載體入口端流動均勻性和壓力損失對隔板穿孔數的靈敏度

圖7 催化轉化器氣流速度軌跡

4.2 后催化劑載體優化

從催化轉化器內部流動特性的分析可以看出，通過增加隔板穿孔數，雖然前載體的流動均勻性得到改善，但是后載體氣體分布均勻性相對前載體要差且隨穿孔數變化不明顯。隔板小孔數為66時催化轉化器載體區域的壓力分布如圖8所示。由于后載體離催化轉化器出口更近，所以載體中間部分的壓降相對于邊緣區域下降的更快，從而導致載體中間區域氣體的流速相對于邊緣區域也快一些，結果使得第2塊催化劑載體入口端面的流速分布不均勻，均勻性指數下降。這種流動不均勻性可能會導致載體中心區域由于高速氣流的作用而產生局部高溫，進而導致中心區域催化劑過早老化，而邊緣部分的催化劑卻得不到充分利用。

圖8 催化劑載體內部壓力分布云圖

采用蘇慶運等人[8]的方法，將不同孔密度的載體進行徑向組合，使中心區域載體孔密度高于邊緣區域。使用改進后的載體再次在隔板穿孔數為66的條件下模擬，催化劑載體內部速度分布云圖如圖9所示。可以看出，由于載體中心區域與邊緣區域的孔密度不同，中心部分的流動阻力高于邊緣，使得中部氣流速度減小，更多的氣體流向阻力較小的邊緣區域，進而促進了氣流的均勻分布。載體優化前、后流動均勻性指數對比如表2所列。可知，第2塊催化劑載體采用變孔密度后，其表面的流動均勻性指數提高至0.937，并且對前催化劑載體的流動分布和催化轉化器的總壓降沒有產生明顯影響。

圖9 催化劑載體內部速度分布云圖

表2 載體優化前、后流動均勻性指數對比

4.3 催化劑載體溫度分布

催化劑載體內的溫度也是影響廢氣轉換效率的一個重要因素，溫度過高會造成催化劑載體燒結，破壞涂層，而溫度過低無法達到還原反應發生的條件，降低NOx轉化率。車用柴油機SCR最佳的反應溫度為573～673 K。圖10所示為催化轉化器內部和外表面的溫度分布云圖。由外部溫度云圖可以看出，載體外圍的襯墊表面溫度較催化轉化器其它部分低，起到了較好的隔熱作用，降低了催化劑載體內的熱量損失，保證了還原反應必要的溫度條件。由內部溫度云圖可知，排氣在進氣管區域的溫度基本保持不變，當進入催化器內部后，由于氣體與壁面的接觸面積增大以及穿孔作用，對流換熱加強，導致排氣溫度逐漸下降，但是在催化劑載體部分，由于襯墊的保溫作用，溫度始終維持在573 K以上，保證了催化還原反應發生。

圖11為第2塊催化劑載體改進前、后內部橫截面處的徑向溫度分布曲線。兩種催化劑載體都能滿足催化還原反應發生的溫度條件，但是設置了徑向變孔密度的載體由于各處的氣流分布更均勻，不會出現因中心區域流速高而產生局部高溫的情況，因此與普通催化劑載體相比，其內部溫度分布更加平穩均勻，提高了催化劑利用率，延長了載體的使用壽命。

圖10 催化轉化器內、外部溫度分布云圖

圖11 改進前、后第2塊載體徑向溫度曲線

5 結束語

本文利用CFD數值仿真技術，從流場的角度對某輕型柴油機SCR催化轉化器進行了分析，比較了不同隔板穿孔數下催化轉化器內的流速分布和壓力損失，并針對后載體氣流分布較差的情況提出了采用徑向變孔密度載體的解決方案，得出以下結論：

a.前載體入口端流動分布均勻性指數和催化轉化器內部壓力損失在面積比低于1.2時對隔板穿孔數的靈敏度較高，增加穿孔數可明顯改善催化器的流動特性。當超過該比值后，孔數的增加不再產生顯著影響。

b.利用徑向變孔密度載體的方法，可以明顯改善第2塊載體內的氣流分布，且幾乎不影響催化器內的壓力損失。

c.經過優化后的催化轉化器內部的溫度場分布滿足催化還原反應的發生條件，而且后載體內的溫度分布更加均勻，提高了催化劑載體的利用率和使用壽命。

1 中國行業研究網.SCR將是未來國內柴油機排放升級主要技術方向.2013-11-06[2016-3-20].http://www.chi?nairn.com/print/3217874.html.

2 焦運景，紀麗偉，紀曉靜.選擇性催化還原（Urea-SCR）技術研究進展.小型內燃機與車輛技術，2015，44（3）：75～78.

3 陳海江.MAN 6S50MC-C型柴油機SCR催化反應器結構尺寸設計與性能優化:[學位論文].大連：大連海事大學，2013.

4 白丹丹.Urea-SCR催化器系統的仿真與研究:[學位論文].大連：大連理工大學，2012.

5 Ekstrom F,Andersson B.Pressure drop of monolithic cata?lytic converters experiments and modeling.SAE Interna?tional，2002：1010～1021.

6 ANSYS Inc.ANSYS Fluent Theory Guide(Release 15.0).USA：ANSYS Inc，2013.

7 Weltens H，Bressler H，Terres F，et al.Optimisation of cat?alytic converter gas flow distribution by CFD prediction.SAE International，1993：131～151.

8 蘇慶運，王偉，王建昕，等.徑向變孔密度載體對汽車催化轉化器反應流的影響.內燃機學報，2013，31（5）：436～441.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年8月10日。

Research and Optimization of SCR Catalytic Converter Flow Field for Light Duty Diesel Vehicle

Liu Jun,Chen Zhi,Wang Mingyuan
（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

To improve the flow characteristics of SCR catalytic converter for a light diesel vehicle,a CFD simulation research on the air flow and temperature distribution in the converter was performed.It was found from the simulation that the sensitivity of flow distribution uniformity at the inlet of the carrier and pressure loss to the number of holes on the perforated plate decrease with the increase of the number of holes.The catalytic converter had better flow characteristics when the area ratio of the hole and the inlet pipe section area was greater than 1.2.The airflow distribution in the back catalyst carrier was optimized with the catalyst carrier of variable radial hole density.The results show that the airflow distribution at the inlets of the back substrate was obviously improved and the internal temperature distribution was more stable.It improved the catalyst utilization rate and prolongs the service life of carriers.

Light duty diesel vehicle,SCR catalytic converter,Sensitivity

輕型柴油車 SCR催化轉化器 靈敏度

U464.134

A

1000-3703（2017）04-0045-05