選擇性催化還原系統防沉積物堵塞噴嘴設計與噴射特性分析

楊 凱，吳建兵，廖義德

(1.湖北第二師范學院 物理與機電工程學院,武漢 430205； 2.湖北第二師范學院 物流智能化研究所，武漢 430205； 3.武漢工程大學 機電工程學院，武漢 430205)

0 概述

選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)技術憑借NOx轉化率高、對柴油品質要求低等特點，被公認為是最有效的柴油車尾氣后處理技術[1]。隨著機動車尾氣排放法規的日益嚴格及降低柴油機燃油消耗的需求日益突出[2]，SCR系統面臨的挑戰也更加嚴峻。

噴嘴是SCR系統的關鍵部件之一，對SCR系統的性能具有較大的影響。現有的SCR系統在柴油車冷起動、低速及輕載等行駛工況下，在噴嘴內、外部均易形成尿素、縮二脲和氰尿酸等沉積物[3-4]。沉積物很難分解或去除，易導致噴嘴孔口堵塞，使尿素液霧化噴射不均勻，并進一步提高排氣管壁、混合器及催化劑表面等處沉積物的生成率[5-6]。當噴嘴內部沉積物堵塞嚴重時，還會使噴嘴管路背壓過高，導致管路及尿素泵等損壞，嚴重影響SCR系統的工作效率[7]。目前，SCR系統噴嘴多采用孔口固定式結構[8]，國內外學者對SCR系統噴嘴的研究多集中在影響噴嘴沉積物產生因素的仿真與試驗[9-11]、噴射特性數值模擬分析[12-13]及噴射控制策略優化等方面[14-15]。

針對SCR系統的需求，本研究中設計了一種孔口開度可隨壓力調節的噴嘴，對噴嘴的起閉特性與孔口徑向截面的流量特性進行了理論分析與數值模擬，探究了各參數對噴嘴噴射特性的影響，并通過試驗驗證了噴嘴芯的開啟壓力精度與霧化噴射效果。本研究設計的噴嘴可有效降低噴嘴因沉積物導致的堵塞風險，對SCR系統噴嘴的設計與優化具有一定的參考與指導意義。

1 噴嘴結構與基本特性

1.1 噴嘴的結構

噴嘴主要由噴嘴體、噴嘴芯、彈簧、螺套等組成，其結構原理圖如圖1所示。圖中，δ為螺套與噴嘴體的間隙值。如圖1所示，噴嘴芯套嵌在噴嘴體內，其尾端與螺套通過螺紋連接，彈簧安裝在噴嘴體與螺套兩端面之間。噴嘴芯的前端為錐度角α的圓臺形，其錐面與噴嘴體孔口配對研磨，在彈簧力作用下噴嘴芯在非噴射狀態可以保持良好的密封效果，有效防止尿素溶液滴漏。

圖1 噴嘴結構原理圖

1.2 噴嘴的起閉特性

由于噴嘴芯在非噴射狀態下關閉，隨著尿素泵持續供給尿素液，噴嘴體內壓力p不斷升高，設噴嘴芯剛開啟時噴嘴的開啟壓力為pk，忽略噴嘴芯的質量和摩擦力，則有：

pkA1=kx0

(1)

(2)

式中，A1為噴嘴芯有效受力面積；k為彈簧剛度系數；x0為彈簧預壓縮量；d為噴嘴芯內孔直徑。

當噴嘴芯開啟后，受流經孔口的尿素液的穩態液動力作用，噴嘴體內的壓力p仍會升高，直到噴嘴芯力平衡，由噴嘴芯的靜態特性分析有：

pwA1=k(x0+x)

(3)

式中，pw為穩定噴射壓力；x為噴嘴芯開度。

將式(2)代入式(3)，可得：

(4)

由式(4)可知，當噴嘴結構尺寸及彈簧的剛度系數k確定后，噴嘴的穩定噴射壓力pw主要與彈簧的預壓縮量x0及噴嘴芯開度x有關，因此通過調節螺套與噴嘴芯的鎖緊量以調節彈簧的預壓縮量x0，即可設定噴嘴的穩定噴射壓力pw。

同時，由于噴嘴芯開度x隨噴嘴體內的壓力p升高而增大，通過設定螺套與噴嘴體之間的間隙值δ可以對噴嘴孔口的最大開度xmax進行機械限位，避免因壓力p過高導致噴嘴芯開度x過大，而引起尿素霧化噴射不均勻及NH3逃逸等問題。

1.3 噴嘴的流量特性

噴嘴噴射狀態下孔口局部放大圖如圖2所示。尿素液經噴嘴孔口節流后霧化噴射，由水力學中的孔口出流公式，可得孔口流量q：

圖2 噴嘴噴射狀態下孔口局部放大圖

(5)

式中，Cq為流量系數；A2為孔口徑向截面面積；Δp為孔口內外壓力差；ρ為尿素液密度。

噴嘴孔口徑向截面的有效面積A2由式(6)計算。

(6)

式中，d1為噴嘴孔口直徑；d2為噴嘴芯有效直徑。

由于噴嘴芯前端為錐度角α的圓臺形，故噴嘴芯的有效直徑d2是關于噴嘴芯開度x的函數，即：

(7)

將式(7)代入到式(6)得：

(8)

(9)

將式(4)、式(9)代入式(5)得：

(10)

由式(9)、式(10)可知，噴嘴孔口徑向截面面積A2及截面質量流量q均隨噴嘴芯開度x及錐度角α的增大而增大。

由以上分析可知，當噴嘴因沉積物造成堵塞時，噴嘴芯開度x隨噴嘴體內壓力p升高而增大，且噴嘴孔口徑向截面面積A2及截面質量流量q也隨之增大，有效提高了噴嘴內部沉積物的排出率。當沉積物排出后，噴嘴芯開度x、孔口徑向截面面積A2及截面質量流量q均隨噴嘴體內壓力p的降低而減小，避免了NH3逃逸。同時，當噴嘴芯起閉及其開度x隨壓力p變化時，孔口外部的沉積物在噴嘴芯往復運動與撞擊作用下也更容易脫落，有效降低孔口外部沉積物的凝結風險。綜上，與現有的SCR系統噴嘴相比，本研究中研制的噴嘴具有良好的防沉積物堵塞特性。

2 基于Fluent的噴嘴數值模擬分析

為了進一步了解噴嘴的噴射特性，探究不同噴嘴芯開度x及錐度角α對孔口徑向截面面積、截面速度分布及截面流量特性的影響，通過流體仿真軟件Fluent對噴嘴的噴射特性進行了數值模擬，為噴嘴的結構優化與后續試驗研究提供了理論指導。

2.1 仿真模型建立與參數設置

根據噴嘴的結構尺寸在ANSYS workbench中建立了等比例三維模型。由于噴嘴在非噴射狀態下噴嘴芯關閉，因此在建模時先根據噴射工況將噴嘴芯繪制為開啟狀態，即設定噴嘴芯開度x和錐度角α初始值分別為0.6 mm與40°。

將前處理后的模型導入Fluent中進行模型與參數設置。由于噴嘴的噴射模型類似于低壓射流模型，因此模型采用SIMPLEC算法結合湍流模型k-ε下的RNG模型，該模型具有較高的分析精度。設定進口邊界條件為壓力入口，壓力為 0.5 MPa；設定出口邊界條件為壓力出口，壓力為常壓。

2.2 噴嘴的噴射特性

由于噴嘴的三維仿真模型沿孔口軸線對稱，因此，在采用CFD-Post對仿真結果進行后處理分析時，為便于觀察噴嘴內部流場，建立了噴嘴軸向截面，該截面的速度矢量云圖與速度云圖如圖3、圖4所示。

圖3 噴嘴軸向截面速度矢量云圖

圖4 噴嘴軸向截面速度云圖

如圖3速度矢量云圖所示，尿素液由孔口射流后在局部范圍內仍受側向流束的影響呈加速狀態。根據流體的連續性理論，單位時間內流入單位空間的流體體積與流出的流體體積相等，故當液流經由孔口射流后加速并達到最大速度時，噴射面積收縮至最小。因此尿素液的速度云圖如圖4所示，呈先收縮后逐步向前擴散噴射形態。同時，隨著尿素液持續向前噴射，受空氣阻力影響，液流速度逐漸衰減，而噴射面積則不斷擴大。

2.3 噴嘴芯開度x及錐度角α對噴射特性的影響

為驗證理論分析結果，設定6組噴嘴芯開度x及錐度角α，如表1所示，探究在不同噴射工況下孔口徑向截面面積、截面速度分布及截面的流量特性。

表1 噴嘴芯開度x與錐度角α分組表

由于在不同噴射工況下噴嘴孔口軸向截面的速度云圖與速度矢量云圖均無顯著差別，為便于觀察，得到了不同噴嘴芯開度x與錐度角α時噴嘴孔口徑向截面的速度云圖如圖5所示。

圖5 不同噴嘴芯開度x與錐度角α時噴嘴孔口徑向截面速度云圖

如圖5所示，在不同噴射工況下，噴嘴孔口徑向截面積A2有較大區別，孔口徑向截面積A2隨第1組～第4組噴嘴芯開度x的增大而增大，也隨著第5組、第3組、第6組噴嘴芯錐度角α的增大而增大，與理論分析結果一致。

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由于尿素液流與孔口內壁及噴嘴芯外壁碰撞造成能量損失，使孔口徑向截面內、外兩側液流的速度在整個截面內最小，而截面中間液流受孔口節流作用而加速，故此處速度最大。由于噴嘴孔口徑向截面速度沿軸線對稱分布，為進一步探究截面上各點的速度分布，取噴嘴孔口徑向截面圓心點(0，0，0)到孔口徑向截面內壁點(1.5，0，0)的線段l，得到各點在不同噴射工況下的速度分布與對比曲線如圖6、圖7所示。

圖6 不同噴嘴芯開度x時線段l上各點速度分布與對比曲線

圖7 不同錐度角α時線段l上各點速度分布與對比曲線

如圖6、圖7所示，各曲線在孔口徑向截面內壁點(1.5，0，0)處的速度均為零，隨著與孔口徑向截面圓心點距離減小，液流速度迅速增大至最大值然后逐漸降低，并在噴嘴芯外壁處速度降低為零。

由圖6、圖7還可以看出，各曲線距噴嘴孔口徑向截面圓心點(0，0，0)的距離分別隨第1組～第4組噴嘴芯開度x及第5組、第3組、第6組噴嘴芯錐度角α的增大而逐漸減小，距孔口徑向截面圓心點的距離越小，則表明孔口徑向截面面積A2越大，這與圖5孔口徑向截面速度云圖結果一致。

不同噴嘴芯開度x與錐度角α時噴嘴孔口徑向截面的質量流量對比曲線如圖8、圖9所示。

圖8 不同開度x時噴嘴孔口徑向截面質量流量對比曲線

圖9 不同錐度角α時噴嘴孔口徑向截面質量流量對比曲線

由于在迭代200步時，噴嘴在各噴射工況下的質量流量曲線均已趨于穩定，因此僅截取迭代步數200時的質量流量曲線。如圖8、圖9所示，由于尿素液由進口向孔口方向流動，故當尿素液流過孔口徑向截面時，截面上的質量流量q先迅速升高，后隨著噴射的穩定逐漸趨于平穩。同時，質量流量q分別隨噴嘴芯開度x及錐度角α的增大逐漸增大，這是由于不同噴射工況下曲線上各點的速度分布基本一致，而孔口徑向截面面積A2增大，故質量流量q也增大。

3 試驗研究

為驗證噴嘴的噴射特性，搭建了噴嘴試驗系統。受噴嘴結構與噴嘴芯的開度值影響，在進行噴射試驗時難以對噴嘴芯的開度x進行有效檢測，但由于噴嘴芯開度x主要與噴嘴體內的壓力p有關，因此試驗通過檢測噴嘴在不同穩定噴射壓力pw時的壓力開啟精度來驗證噴嘴芯的啟閉特性。

試驗時，通過改變螺套與噴嘴芯的鎖緊量調節彈簧的預壓縮量x0，將噴嘴穩定噴射壓力pw分別設定為0.4 MPa、0.5 MPa及0.6 MPa，并采用隔膜計量泵以2 L/h的流量向噴嘴供給尿素液[16]，通過數顯壓力表檢測噴嘴穩定噴射時的壓力，并觀察尿素液的霧化噴射情況，噴嘴試驗如圖10所示。

圖10 噴嘴試驗圖

噴嘴開啟壓力精度ε為：

(11)

式中，pt為測試壓力。由式(11)得到在不同穩定噴射壓力pw時噴嘴芯的開啟壓力精度散點如圖11所示。

圖11 噴嘴芯開啟壓力精度散點圖

如圖11所示，在各穩定噴射壓力pw下噴嘴芯均可以穩定開啟，且開啟壓力精度為±5%。試驗結果表明，噴嘴芯具有良好的起閉特性。同時，噴嘴具有良好的噴射效果，霧滴分布均勻，霧化效果良好。

4 結論

(1) 調節新設計的噴嘴的螺套與噴嘴芯的鎖緊量可以設定噴嘴的穩定噴射壓力，同時通過調節螺套與噴嘴體之間的間隙值可以對噴嘴芯最大開度進行機械限位，避免因壓力過高導致噴嘴芯開度過大而引起尿素霧化噴射不均勻及NH3逃逸等問題。

(2) 噴嘴芯開度隨壓力升高而增大，且噴嘴孔口徑向截面面積及截面質量流量也隨之增大，有效提高了噴嘴內部沉積物的排出效率，并降低了孔口外部的沉積物凝結風險。

(3) 該噴嘴芯具有良好的啟閉特性，在各穩定噴射壓力下噴嘴芯均可以穩定開啟，開啟壓力精度為 ±5%。噴嘴具有良好的噴射效果，霧滴分布均勻，霧化效果良好。