某柴油機SCR系統CFD仿真分析

侯普輝

摘 要：排放法規的日趨嚴格，柴油機尾氣后處理器SCR作為處理NOX排放物的一種有效手段，吸引了越來越多的目光的關注。柴油機尾氣后處理器SCR內部的氣體流動狀況及尿素噴射效果與其使用效率以及柴油機的動力性和經濟性都有很大的影響。文章通過建立三維SCR流動和噴霧計算模型，計算得出SCR內部壓力、流場分布以及尿素噴射霧化分布情況。通過本次仿真，找到內部影響SCR工作效率的關鍵設計因素，從而更好的優化產品設計，滿足性能及一致性的要求。結果表明：柴油機尾氣后處理器SCR內部孔道的分布對于性能有一定的影響，需要通過生產進行控制從而滿足尾氣后處理的效率及產品一致性要求。

關鍵詞：柴油機;SCR;仿真

中圖分類號：U664.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-113-04

Absrtact： With the increasingly strict emission regulations， diesel exhaust processor SCR， as an effective mean to deal with NOX emissions， has attracted more and more attention. The gas flow condition and urea injection effect inside the diesel exhaust processor SCR have great influence on its efficiency and the dynamic and economic of diesel engine.By establishing a three-dimensional SCR flow and spray calculation model， the internal pressure， flow field distribution and urea spray atomization distribution are calculated. Through this simulation， we can find the key design factors that affect SCR's efficiency， so as to better optimize product design and meet the requirements of performance and consistency. The results show that the distribution of the internal hole of the diesel exhaust processor SCR has some effect on performance， and it needs to be controlled by production to meet the efficiency and product consistency requirements of exhaust gas after treatment.

Keyword： Diesel Engine; SCR; Simulation

緒論

隨著排放法規的日趨嚴格，柴油機尾氣后處理SCR作為有效處理柴油機NOX的技術手段，吸引了越來越多目光的關注。

針對某發動機，為了滿足國五排放的要求，采用了燃燒優化+SCR路線：先通過機內燃燒改善降低微粒排放，再用SCR來降低NOx排放。該路線對SCR的轉化效率提出了很高的要求，在歐洲采用較多，能夠滿足歐Ⅳ和歐V排放標準。

本論文通過建立CFD仿真模型并進行不同穿孔對比分析，優化SCR系統的設計參數，提高產品性能與效率。

1 項目背景及目的

1.1 選擇性催化還原（SCR）簡介

選擇性催化還原技術（SCR）是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項處理工藝，即在催化劑的作用下，噴入還原劑氨或尿素，把尾氣中的NOx還原成N2和H2O。從而達到既節能、又減排的目的，該項技術是歐洲主流技術路線，歐洲長途載貨車和大型客車幾乎全部采用這一技術。SCR中發生的化學反應如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

NOX還原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O

在SCR系統中發生的復雜的物理和化學反應包括：尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發、尿素的水解和熱解氣相化學反應以及NOX在催化劑表面與NH3發生的催化表面化學反應。

1.2 項目背景

針對某型號柴油發動機，為滿足國五排放法規的要求，初步設計出如下圖1所示的筒式SCR后處理器。

采用某品牌的空氣輔助式尿素噴射系統，同時采用兩塊載體串聯封裝的方法來反應降低NOx排放。

樣件試制階段，通過將排氣后處理器（EGP）切割并對比觀察內部結構，發現EGP內部穿孔的分布呈現不同的狀態，如下圖所示，這里將不同的兩種分布形式定義為a型式和b型式。

造成穿孔型式不用的原因是因為原料鐵皮在沖孔是模具方向沒有進行控制，從而導致孔的排布產生差異。

為了驗證產品性能，同時也為了對比分析不同穿孔排布對整個后處理系統的影響，本論文中分別建立了SCR系統的內部流動及尿素噴射模型，通過對不同穿孔的排布型式進行對比分析，研究出最優化的穿孔型式設計，從而保證產品性能及一致性要求。

2 分析模型建立

2.1 控制方程

2.1.1 質量守恒方程

流體力學中，任何流體的運動都必須遵循質量守恒定律，質量守恒定律可以描述為在單位時間里，某一微元體的質量增加量與同一時段內流進該微元體內的凈質量相同，由此可以得出連續方程這一運動學方程，質量守恒方程的表達式如下：

2.1.2 動量守恒方程

動量守恒定律對流體運動規律的數學表述用動量方程表示，由牛頓第二定律推導得出，動量守恒定律可描述為：微元體內流體動量關于時間的變化率等同于外界環境作用在該微元體上所有力的總和，依據此定律，可導出x、y和z三個方向上的動量守恒方程：

式中：p為作用于流體微元體上的壓強;τxx、τxy、τxz是因分子黏性作用而產生的作用在微元體表面上的黏性應力τ的分量;Fx、Fy、Fz為微元體上的體力，x、y、z軸依據笛卡爾直角坐標系建立，同時確定z軸的正方向豎直向上，與重力方向相反。

2.2 計算模型及算法

2.2.1 流動模型

氣流在SCR內的流動采用湍流計算模型，我們稱湍流又為紊流，當流體中的雷諾數超過臨界值時，就會呈現出流動特性隨機變化的無序的混亂狀態。本文采取的是當前工程中應用廣泛的標準k-ε雙方程模型，k表示湍動能，ε表示湍動能耗散率，計算公式如下。

2.2.2 噴霧計算模型

FLUENT中通過定義顆粒的初始位置、速度、尺寸以及溫度來使用該模型。根據對物理屬性的定義而確定顆粒初始條件，用來初始化軌道和傳熱傳質計算。

拉格朗日離散相模型遵循歐拉-拉格朗日方法，流體為連續相，而離散相是計算流場中粒子的運動得到。顆粒的平衡方程（x方向）為：

式中：u為流體相速度;up為顆粒速度;為顆粒的單位質量曳力;gx為x方向重力加速度;ρp為顆粒密度;ρ1為流體密度;Fx為x方向的其他作用力;Re為相對雷諾數（顆粒雷諾數）;CD為曳力系數;μ為流體動力黏度;dp為顆粒直徑;對于球形顆粒，在一定的雷諾數范圍內，上式中的a1、a2、a3為常數。

2.3 CFD模型及邊界條件

2.3.1 CFD模型

本文采用Fluent軟件對柴油機后處理器進行計算與分析，運用Ansys劃分計算網格，并控制網格質量滿足計算要求。

運用離散相模型模擬尿素噴射過程中微粒的運動與分布，讓尿素顆粒以一定的粒徑分布和質量流量條件從網格入口處進入，跟蹤尿素顆粒的運動軌跡。

2.3.2 邊界條件

對于流動分析，選取壓降較大的ESC工況點C100進行計算。

尿素噴射仿真則在ESC循環的B50工況點下進行。

采用質量流量進口邊界條件和壓力出口邊界條件，由于柴油機后處理器尾端和大氣相通，因此設置其壓力出口邊界條件為0。

SCR內部載體按照多孔介質模型進行計算，通過擬合實驗數據測得載體的粘性和慣性阻力系數如表3所示：

3 計算結果分析

3.1 流動結果分析

整個排氣后處理器系統的壓降如表所示，總壓降為12.35Kpa滿足設計的要求（<15Kpa）。

通過對比壓降的記過可以看出，穿孔分布形式的變化對整個排氣系統的壓降沒有影響。系統壓降最大的過程在載體出口到整個后處理器系統的出口，達到了4.08Kpa，說明此部分存在設計優化空間，可以進一步的降低壓降，從而提高柴油機的燃油經濟性。

3.2 尿素水溶液霧化結果分析

下圖是尿素噴射過程中尿素分解率的變化曲線，可以看出針對不同的穿孔分布類型，尿素分解率發生較為明顯的變化，說明穿孔的分布設計對SCR系統中尿素的分解效率有較大的影響。

通過對比可以看出，a型式穿孔設計對于的尿素分解率更高，達到了93.2%，與b型式相比尿素分解率提高了大約4%，更高的尿素分解效率更有利于尿素對尾氣中NOx的去除。因此需要確認采用a型式進行生產，從而保證更好的轉化效率。

3.3 載體端面尿素分布結果分析

研究表明載體端面上尿素噴射的分布均勻性對SCR整體的轉化效率有明顯的影響，因此在此引入均勻性系數（Uniformity Index-UI）。

Vi代表NH3的濃度，A是網格面積，i代表網格編號，Vavg則是NH3的平均濃度，Atot代表所有網格表面積。

UI是一個介于0-1之間的數值，接近于1則表示均勻性越高，反之則均勻性越差，此產品開發設計要求需要保證UI>0.9。

下圖是載體端面尿素顆粒的分布云圖，通過計算均勻性

系數可以發現a型穿孔對應的均勻性系數較高，達到0.939。

針對b型穿孔設計，UI計算值為0.898，沒能滿足設計要求（>0.9）。

4 結論

本論文中分別建立了SCR系統的內部流動及尿素噴射模型，通過對不同穿孔的排布型式進行對比分析，研究結果表明：

（1）某柴油機SCR系統壓降及流場分布滿足系統設計要求。

（2）a、b兩種不同類型穿孔對SCR內部壓力及流場沒有影響。

（3）a、b兩種類型穿孔對尿素水溶液噴射分解效率影響有明顯差異，a型穿孔分布優于b型的穿孔設計，尿素分解率提高約4%。

（4）a型設計能使載體端面達到更均勻的NH3分布，UI可以達到0.939，滿足產品設計開發需求。