柴油機SCR系統車用尿素噴霧特性仿真與試驗研究

劉磊,鄧成林

(1.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084； 2.后勤科學與技術研究所，北京 100071)

選擇性催化還原(SCR)系統是滿足柴油機國Ⅳ及以上排放標準的主要技術路線之一。柴油機排放的NOx在SCR催化劑的作用下被還原劑氨(NH3)凈化，SCR系統主要采用車用尿素溶液作為還原劑。基于車用尿素溶液的SCR技術在實際使用中存在低溫活性差以及尿素排氣管結晶等問題，為了可以有效解決尾氣后處理系統中排氣管結晶的問題，目前采用的方法是通過加入壓縮空氣噴射改善尿素水溶液的噴射霧化效果，從而在一定程度上減少排氣管的結晶現象。對于空氣輔助式尿素噴射系統，尿素水溶液和空氣在泵內進行混合，然后通過噴嘴霧化并噴入排氣管內，由泵來計量尿素量。相比非空氣輔助式尿素噴射系統，可以實現更好的噴射霧化效果和還原反應質量，并降低對噴嘴的結構要求。本研究即針對空氣輔助尿素噴射方式，開展還原劑供給系統的霧化性能研究。

車用尿素溶液噴射進入排氣管的速率、直徑和排氣流速等參數直接影響NH3的生成速率和在催化器內部的均勻性[1-2]。本研究采用模型分析和試驗研究相結合的方法系統研究了車用尿素溶液噴霧時噴孔個數、噴孔直徑等結構參數和輔助空氣壓力、排氣流速等工況參數對噴霧特性的影響規律。

1 模型建立和仿真計算

壓縮空氣輔助的車用尿素溶液噴射霧化過程是氣液二相非定常流動問題，本研究采用計算流體動力學(CFD)軟件Fluent建立還原劑噴霧特性三維模型，對噴霧過程進行研究。

1.1 計算域及網格的劃分

選取噴嘴及部分排氣管為計算域，計算的網格與實際尺寸完全相同，噴嘴直徑為2 mm，周向布置4個直徑0.5 mm的噴孔。排氣管直徑為100 mm，截取長度為200 mm。

使用Fluent的前處理軟件Gambit建立噴嘴及其射流場的三維模型并進行網格劃分。采用TGrid體結構化網格劃分方式，網格單元類型為Tet/Hybrid，網格數量為50萬。由于排氣尾管的幾何結構較為規整，所以在網格劃分時優先采用了三角形結構化網格，便于模型計算和結果收斂；噴嘴部分由于在尺寸上與排氣管相比差距較大，因此采用尺寸函數對噴嘴部分進行了細化[6]，重點解決噴嘴部位結構的圓滑過渡，噴孔圓周截面上網格的節點數為40個，具有較高的計算精度和實用性。圖1示出了建立的三維網格模型和噴嘴網格。

圖1 排氣管噴霧模型和細化的噴嘴網格

1.2 噴霧模型及邊界條件設置

噴霧模型建立過程分可為兩個部分，第一部分為忽略液滴存在的初始定常流動求解，第二部分為創建霧滴噴射后的非定常噴霧計算。

1) 定常流動模型控制方程的離散方式采用有限容積法作為數值解析的離散化方程構建方法。離散方程的求解采用SIMPLE法(壓力速度的半隱式耦合算法)求得壓力和速度的修正，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

噴霧模型對還原劑噴射流量、輔助空氣壓力、霧化噴嘴結構參數、排氣流量和排氣溫度5個參數非常敏感。由于篇幅所限，只列出前3個參數的仿真結果。實際模型計算中，排氣溫度和排氣流量選定了其中一個常用工況數據。

定常流動計算中模型邊界條件主要包括排氣速度入口、輔助空氣壓力入口和排氣壓力出口邊界條件。排氣流動邊界條件數值采用某國產重型柴油機穩態測試循環ESC的4個工況點，經過換算，排氣管流速分別為2.83 m/s，13.13 m/s，31.46 m/s和51.02 m/s，且假設排氣入口速度分布均勻，輔助空氣入口壓力分別為50 kPa，100 kPa，150 kPa和200 kPa。排氣出口壓力采用壓差傳感器測量上述排氣流速下催化器兩端壓差作為出口壓力。

2) 非定常過程使用離散相模型(DPM)模擬噴霧過程，模擬過程中考慮了液滴的碰撞和破裂，液滴的破裂采用波動破碎(wave)模型，并考慮液滴的變形；DPM噴霧的邊界條件與定常流動模型的邊界條件一致，主要針對4個典型工況條件進行計算。噴射源模擬過程采用空氣輔助霧化噴嘴模型(air-blast-atomizer)進行模擬，顆粒類型為液滴(droplet)，模擬過程采用隨機游走模型，假定流體的脈動速度是關于時間的分段常量函數，在流體特征生存時間間隔內，速度脈動為常量。

1.3 結果分析

穩態計算和瞬態計算的速度相差很小，未加離散液滴前噴孔平均速度為204.77 m/s，加入離散相后噴孔平均速度為199.45 m/s。這是由于相對于壓縮空氣來說還原劑的量很小，加入離散液滴后整體速度略有下降，但影響很小。圖2a示出穩態計算軸向速度，圖2b示出加入離散液滴后的瞬態速度。

圖2 速度圖

圖3示出還原劑濃度分布及液滴顆粒軌跡隨時間的變化趨勢。從圖中可以看出，還原劑濃度分布與顆粒的運動軌跡相一致。

圖3 噴霧顆粒及濃度分布隨時間變化

1.4 試驗平臺的搭建

設計了冷態試驗平臺，主要用來分析工況參數變化對還原劑噴霧特性的影響。該冷態試驗平臺由供氣系統、供液系統、噴射系統和測量系統四部分組成(見圖4)。

圖4 還原劑噴霧特性試驗系統

1.5 結果分析及模型驗證

1.5.1霧化粒徑模擬結果及試驗驗證

霧化粒徑按照容積-表面平均直徑(索特平均直徑，Sauter Mean Diameter，SMD)方法來仿真計算，由SMD的定義可以知道，它最能反映出真實的霧滴群的蒸發條件。由于還原劑噴霧粒徑試驗中沒有加入排氣的影響因素，所以對粒徑的模擬結果驗證同樣設置排氣流量為0，輔助空氣壓力為50 kPa，還原劑噴射量為1 000 g/h。

粒徑隨著噴霧時間的延長會發生變化，分析了0～20 ms時間內還原劑噴霧模擬過程，并對噴霧直徑(SMD)進行統計，其變化值如圖5所示。從圖中可以看出，0～16 ms粒徑呈線性降低趨勢，16～20 ms粒徑基本穩定。

20 ms時刻的噴霧粒徑模擬結果見圖6，索特平均直徑為31.5 μm；相同工況下采用噴霧試驗系統進行測試，索特平均直徑測試結果為34.7 μm，結果對比具有一致性。

圖5 噴霧粒徑隨時間的變化趨勢

圖6 20 ms時刻噴霧粒徑

1.5.2噴霧形態模擬結果及試驗驗證

在還原劑噴射量同為1 000 g/h的情況下，輔助空氣壓力分別為50 kPa，100 kPa和150 kPa，在3種條件下對噴霧形態進行仿真計算，并進行試驗驗證，結果見圖7。試驗結果與模擬結果具有較好的一致性，噴霧錐角隨輔助空氣壓力的增大而略有增大。

圖7 噴霧形態可視化試驗結果與模擬結果對比

1.5.3貫穿距離模擬結果及試驗驗證

對仿真模型噴射霧化過程中貫穿距離的變化進行仿真，加入排氣流量，碰壁點采用壁面上還原劑含量最大的位置點，在仿真與試驗中均采用軸向距離來表示貫穿距離，模擬與試驗結果見表2。

表2 碰壁點軸向距離試驗值與模擬值對比

圖8、圖9分別示出工況1、工況2排氣管壁面還原劑濃度沿軸向變化模擬結果，排氣管壁面還原劑濃度最大點的位置確定為還原劑噴霧碰壁點。從對比結果看出模擬值與試驗值差距在10%以內，模型具有可行性。

圖8 工況1排氣管還原劑濃度軸向分布

圖9 工況2排氣管還原劑濃度軸向分布

經過以上試驗驗證可以得出，噴霧模型在霧化粒徑、噴霧形態和貫穿距等方面與試驗值比較接近，模型標定比較準確，可以保證壓縮空氣輔助噴射還原劑供給系統的霧化過程計算的精度。

2 噴霧特性的仿真優化

利用噴嘴霧化模型進一步分析研究噴孔數目、噴孔直徑等結構參數對噴嘴霧化性能的影響，為噴嘴的結構優化提供理論依據。

2.1 噴嘴結構對噴霧的影響研究

噴嘴結構優化中工況參數如下：輔助空氣壓力為50 kPa，還原劑噴射量為1 000 g/h，排氣流速為13 m/s(發動機低速工況)。以噴嘴的噴霧均勻性為主要評判指標，由于4孔噴嘴與其他孔數的噴嘴在霧化性能上相比具備更好的噴霧特性[3-4]，所以重點以4孔噴嘴作為研究對象。

壓縮空氣輔助噴射系統結構見圖10。圖中標明了排氣氣流與噴嘴尿素噴射方向，噴嘴居中安裝在一段直排氣管上，與排氣管徑向垂直。

圖10 壓縮空氣輔助噴射系統結構

2.2 噴孔直徑對霧化性能的影響

對噴孔直徑分別為0.4 mm，0.5 mm，0.8 mm及1.0 mm的4孔噴嘴進行模擬分析，噴霧持續50 ms。圖11示出噴霧粒徑隨噴孔直徑的變化趨勢。圖12示出噴孔處霧化液滴的平均速度及出口壓力隨噴孔直徑的變化趨勢。

圖11 粒徑隨噴孔直徑變化

如圖11所示，霧化粒徑隨著噴孔直徑的增大而增大，但并不是完全的線性變化，這是因為隨著噴孔直徑的增大噴孔處平均流速增大，平均壓力減小(見圖12)。粒徑變化曲線顯示，噴孔直徑為0.4 mm時的曲線斜率比噴孔直徑1.0 mm時小。圖13至圖16示出不同噴孔直徑時，出口截面及軸向還原劑分布。

圖14 噴孔直徑為0.5 mm噴嘴還原劑分布云圖

圖15 噴孔直徑為0.8 mm噴嘴還原劑分布云圖

圖16 噴孔直徑為1.0 mm噴嘴還原劑分布云圖

從圖13至圖16中可以看出，隨著噴孔直徑的增大，還原劑有向排氣管壁分布的趨勢。噴孔直徑為0.4 mm的噴嘴還原劑較多分布于排氣管中心，這是因為此時液滴的徑向速度小，液滴的粒徑小、慣性小，易受排氣的影響。噴孔直徑為1.0 mm的噴嘴噴霧液滴速度大、粒徑大、慣性大，還原劑主要分布在離排氣管壁較近的地方。

從圖17可以看出，軸向距離為30 mm，50 mm時，直徑1.0 mm，0.8 mm噴嘴噴霧均勻性系數比噴孔直徑0.4 mm，0.5 mm噴嘴大。但隨著軸向距離的增加，直徑為0.5 mm噴嘴噴霧均勻性系數超過了0.8 mm和1.0 mm噴嘴。噴孔直徑為0.5 mm的噴嘴出口截面均勻性系數最大，達到0.71，噴孔直徑為0.4 mm的噴嘴出口截面均勻性系數最小，數值為0.68。

圖17 均勻性系數隨噴孔直徑的變化曲線

3 噴霧特性優化的試驗研究

根據噴嘴霧化性能的仿真計算結果，最終選定孔數為4孔、孔徑為0.5 mm的噴嘴，在不同排氣流速、不同輔助空氣壓力下進行試驗研究，采用ESC，ETC測試循環[5]對還原劑噴霧裝置的性能進行檢驗。

3.1 試驗平臺

搭建由柴油機臺架測試系統、尿素供給系統、SCR控制系統和尾氣測量設備組成的試驗平臺；采用某國產重型柴油機，直列6缸、水冷，排量9.726 L，最大功率276 kW，最高轉速2 200 r/min。原機排放達到了國家機動車排放標準第三階段的排放限值。試驗中采用了孔數為4孔、孔徑為0.5 mm的噴嘴結構，分別配合50 kPa，100 kPa，150 kPa和200 kPa輔助空氣入口壓力等參數組合，與整體式的蜂窩陶瓷SCR催化器共同組成SCR系統。

3.2 試驗結果

通過表3數據可以看出，加載輔助空氣噴射的SCR系統后，該型柴油機NOx排放和NH3泄漏指標均滿足了國Ⅴ階段法規要求，表明噴嘴的結構參數優化以及噴射霧化效果較好，可以滿足重型柴油機SCR噴射系統的需求，進一步驗證了壓縮空氣輔助噴射還原劑供給系統霧化特性仿真優化方法的可行性。

表3 ETC，ESC試驗結果

4 結論

a) 針對空氣輔助噴射系統搭建了相應的霧化特性仿真模型，根據噴霧特性冷態試驗平臺的試驗結果驗證了仿真模型的可用性，并利用仿真模型對霧化粒徑、噴霧貫穿距和噴霧形態進行了分析；

b) 對影響還原劑霧化性能的噴嘴孔數及直徑進行了CFD仿真計算研究，對比了排氣管出口截面還原劑均勻性系數，結果顯示，4孔、噴孔直徑為0.5 mm噴嘴能獲得較好的噴霧指標，改善了空氣輔助下尿素溶液噴射的霧化效果；

c) 采用優化后的噴嘴結構及參數組合構建了輔助空氣噴射SCR系統，通過ESC，ETC試驗對還原劑霧化性能進行驗證，試驗驗證了仿真優化方法的可行性，為下一步在整車匹配上實現良好的空氣輔助尿素噴射提供了參考依據。