柴油機SCR后處理系統的數值模擬研究

陳雅娟，李之華，雷 涵，黃豪中

（1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林537005）

0 引言

目前，選擇性催化還原（SCR）技術是降低尾氣中NOx含量的最有效方法之一[1]。SCR技術通過向排氣管內噴射32.5%的尿素水溶液，尿素水溶液在排氣管中與廢氣混合，經過蒸發、熱解后產生還原劑NH3，NH3在催化劑的作用下與NOx反應，最終將NOx轉化為N2和水[2]。該技術要求SCR入口NH3濃度均勻性和速度均勻性好，因此在排氣后處理系統中應用混合器是必要的，但混合器的應用會產生一定的壓力損失，導致發動機性能惡化，所以要求混合器前后的壓力損失在合理范圍內。

本文利用CFD軟件對某型號四缸柴油機后處理系統的SCR入口均勻性，混合器前后壓降進行了模擬分析，為后續柴油機排氣后處理系統的設計提供優化方向。

1 CFD建模

1.1 幾何模型

本文所采用的某四缸柴油機后處理系統模型如圖1所示。為使柴油機結構緊湊，某四缸柴油機后處理系統采用S型結構，其中包括氧化型催化轉化器（DOC）、柴油機顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。噴嘴被安裝在DPF后，SCR前的拐角處，徑向噴射尿素。混合器主要由旋流片、環形擋板、多孔錐形管和葉片等結構組成。尿素噴霧在旋流片區域和柴油機廢氣充分混合，形成湍流并產生強烈擾動；在環形擋板的阻擋下，流體從多孔錐形管流出，多孔錐管起到導流和降噪的作用；最后流經葉片結構，以提高氣體均勻性。

圖1 某四缸柴油機后處理系統三維模型

1.2 數值模型

本研究整個計算域中，所有的計算值位于計算單元中心，使用Rhie-chow算法。通過有限體積法求解守恒方程，算子分裂法（PISO）求解輸運方程。湍流模型選擇RNG k-ε。采用某型號四缸柴油機實際運行工況，排氣流量為0.211 9 kg/s，排氣溫度為773 K。此后處理系統中安裝有一個尿素噴嘴，3個噴孔，尿素流量為80 mg/s。

1.3 液膜模型

本文采用的Kuhnke film splash model，認為當K值大于飛濺臨界K值時，綜合考慮T*，液滴與壁面相互作用將出現飛濺，反彈，熱破碎，形成液膜四種結果（圖2）。

其中，ρ是噴霧密度，d是噴霧液滴直徑，U是液滴速度，δ是液滴表面張力，μ是液滴粘性。

其中，Twall是壁面溫度，Tboil是液體沸騰溫度。

圖2 Kuhn k e液膜飛濺模型

Kuhnke film splash model中K值較低的UWS液滴撞擊溫度較低的壁面時，在撞擊處將有液膜生成，液膜厚度hα：

其中，Vp是液滴包裹體積，Aα是α面的面積投影矢量。

1.4 蒸發模型

尿素水溶液的蒸汽壓低于純水蒸汽壓，因此水首先從尿素水溶液液滴中蒸發。當尿素水溶液液滴中水的質量分數低于5%時可忽略不計，剩余的尿素結晶將在溫度達到尿素分解的溫度窗口時開始熱分解。本文的尿素水溶液液滴蒸發模型參考了Abramzon[3]等人的文章，采用Frossling drop evaporation with droplet boiling model。該模型假設（1）：液滴球對稱；（2）液滴表面存在一層準穩態氣膜，氣膜中壓降忽略不計。

液滴蒸發速率：

其中，D是液體蒸汽在空氣中的質量擴散系數，Shd是 Sherwood 數，ρg是氣體密度，ρl是液體密度，r0是初始液滴半徑，Bd被定義為：

其中γ*是滴水表面的蒸汽質量分數，γ1是蒸汽質量分數。

蒸發過程中，液滴溫度達到沸騰溫度時，液滴的蒸發速率采用droplet boiling model求解：

其中，Kair是導熱系數，cp，∞是比熱容，ρd是液滴密度，hfg是蒸發熱，Red是液滴雷諾數。與液滴蒸發不同，在液膜蒸發中考慮了四種分別由對流、蒸發、導熱、沸騰引起的熱流量（圖3）。

其中，上標n是前一個時間步，n+1是當前時間步，t是時間，Afilm和 Cp，film分別表示液膜的面積和熱容。對流、汽化、傳導和沸騰引起的熱通量分別用

圖3 液膜蒸發模型

2 結果討論

2.1 均勻性分析

圖4、5分別為整個計算域內每個時刻SCR入口的NH3濃度和速度均勻性指數。NH3濃度均勻性指數0.3 s后基本穩定在0.925～0.97。速度均勻性指數在整個模擬過程基本穩定在0.93～0.95。引起這種現象原因可能是NH3濃度受到排氣系統內局部溫度、UWS液滴分解速率、排氣系統內瞬時流速、排氣管道和混合器結構等多方面因素影響；而速度均勻性指數主要受排氣系統內瞬時流速、排氣管道和混合器結構的影響。

圖4 N H3濃度均勻性指數

圖5 速度均勻性指數

2.2 壓降分析

圖6 展示了0.98 s時混合器上的壓力分布，圖6為整個計算域內混合器前后總壓降及混合器結構中環形擋板、旋流片和錐管（包含葉片）三個區域的壓降。由圖6可以明顯看出環形擋板區域的壓降最大；由圖7的曲線可知，0.2 s后混合器前后總壓降穩定在4.0 kPa～4.25 kPa，環形擋板區域壓降穩定在2 kPa～2.2 kPa，因此，混合器前后的壓降主要由環形擋板導致。

圖6 混合器壓力分布圖

圖7 混合器前后總壓降和各部分壓降

3 結語

本文通過CFD軟件，針對某型號四缸柴油機后處理系統的SCR入口均勻性，混合器前后壓降進行了模擬分析。結果表明，SCR入口NH3濃度均勻性、速度均勻性均大于0.92，并且混合器前后的壓降主要由環形擋板導致。