喷射参数对柴油机SCR内部NH3均匀性影响分析

张东剑，马其华，2，任洪娟，张璐璐

（1.上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620；

2.东华大学 高性能纤维及制品教育部重点实验室（B类），上海 201620）

喷射参数对柴油机SCR内部NH3均匀性影响分析

张东剑1，马其华1，2，任洪娟1，张璐璐1

（1.上海工程技术大学 汽车工程学院，上海 201620；

2.东华大学 高性能纤维及制品教育部重点实验室（B类），上海 201620）

研究尿素喷射参数对选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）系统催化箱载体内部NH3分布均匀性的影响。选择典型发动机工况的排气流量、尾气体成分比例、排气温度、压力等物理信息作为边界条件，应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对SCR系统进行全尺寸模拟，并提出了NH3均匀性系数γ来评价六串孔催化箱入口截面NH3的均匀性程度。研究分析了5个尿素喷射位置、4种喷射角度对入口截面NH3均匀性的影响。结果表明，在90°弯管喷射位置、45°喷射角度，六串孔催化箱入口截面的NH3均匀性最好。

柴油机；选择性催化还原；喷射参数；NH3均匀性

近年来，我国机动车排放问题越来越严重。根据当前环境保护的形势要求，国六标准会进一步严控氮氧化物（NOx）的排放限值，总体目标是在国五标准的基础上加严30%［1］。仅靠发动机机内净化技术很难满足日益严格的排放法规要求，因此通过辅助尾气后处理技术来控制污染物的排放是目前减排的必然选择。采用SCR是目前降低柴油机NOx排放最有效的技术之一，也是最符合我国国情，被广大汽车厂商采用的后处理技术之一［2］。

由于发动机工况多变，排气流量和排放物浓度波动很大，往往会造成催化剂载体老化不均匀和转化效率低等问题，因此必须优化SCR系统的结构，提高气流流动均匀性，充分利用催化剂载体［3-4］。BHATTACHARJEE等［5］应用CFD技术分析速度场、温度场以及浓度场对NOx转化效率的影响，并直观地观察出SCR系统内流体流动的具体过程，其研究结果表明，进入载体的NH3均匀性越好，NOx的转化效率也就越高。BIRKHOLD等［6］研究不同尿素喷嘴的数目和位置对催化特性的影响，其研究结果表明，不同尿素喷嘴的数目和位置影响载体内部的流动状况，进而影响NOx的转化效率。国内SCR技术研究起步较晚，王静等［7-8］研究不同排气温度、尿素喷射压力和尿素喷射温度对 SCR 系统催化剂入口的还原剂均匀性、催化剂内部化学反应速率的影响。王谦等［9］的研究表明，加装混合器和导流装置对载体前端面速度和NH3的均匀性有很大改善作用。

目前的研究对NH3的分布不均匀性对SCR性能的影响有足够的认识，但针对不同结构和布置的SCR系统，其NH3的分布特性以及如何改善NH3分布均匀性等方面的研究工作仍十分缺乏，且国内由于受到软件限制大多研究都集中在催化载体单通道模拟［10］，未从整体考虑SCR系统NH3的均匀性分布。利用发动机台架试验选取三种SCR系统典型工况的排气流量、各气体成分比例以及温度、压力等物理信息作为边界条件，采用CFD耦合化学反应动力学的方法对SCR系统进行全尺寸模拟，研究各个尿素喷射参数（位置、角度）对催化载体前端NH3的分布均匀性影响，获得最佳喷射位置与喷射角度，为高效SCR系统的优化设计提供指导。

1 SCR系统CFD建模

1.1 几何模型

图1为SCR系统的二维尺寸，所用的催化剂为并联六串口形式，排气管分为A、B、C三段，其中每段分界的突扩角为90°和115°。考虑到模型的不对称性，催化剂前NH3浓度分布不均匀，会出现局部氨不足或过量的情况，从而导致NOx转化率下降或NH3泄露。因此，为了保证模拟的准确性，对SCR系统进行全尺寸模拟。采用Hypermesh软件四面体网格划分技术对几何模型进行面网格划分，用 CFD 软件进行模拟计算。

图1 SCR系统二维示意图

1.2 计算模型

从尿素喷射到SCR催化器入口，涉及很多物理化学过程，其中主要包括尿素溶液的雾化、尿素液滴蒸发和热解等过程［11-12］。

1.2.1 喷雾模型

本文中尿素溶液的喷雾模拟采用离散液滴模型（Discrete Droplet Model，DDM），即忽略液相初次雾化过程，认为尿素溶液离开喷嘴就成为离散的液滴并结合拉格朗日方法和欧拉方法来求解液滴运动轨迹，液滴的二次破碎过程采用Huh-Gosman破碎模型［13］。其尿素喷射的边界条件为：喷嘴为单喷孔，直径为0.78 mm，液滴喷射速度为25 m/s，单次喷射1.217 g。

1.2.2 尿素水解、热解模型

喷嘴将尿素以液滴形式喷入排气管后，因排气温度较高导致液滴的雾化与扩散［14-15］，如式（1）所示，尿素随之热分解为等摩尔的NH3和异氰酸（HCNO），见式（2）。HCNO在气相时非常稳定，因此尿素溶液从喷入排气管到催化反应之前发生的化学反应过程可以概括为：

对于均相反应式（2），其反应速率homr 可以用典型的幂律方程来表示：

2 确定边界条件

为获得柴油机各工况的排放信息，进行了相关的发动机台架试验，柴油机基本参数见表1。试验中采用AVL-ATA404电力测功机测取柴油机的功率、转矩和转速，AVL-i60&AVL-PEU测量NOx、CO、THC和O2等气体的浓度，以及各种传感器测量各个工况温度、压力、流速等物理信息。根据GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》的要求进行试验。

表1 发动机基本参数

选取了试验用柴油机的3种不同工况排气参数作为入口边界条件，见表2。

表2 各工况边界条件

3 喷射参数对NH3分布均匀性的影响分析

NH3在催化剂载体入口处的均匀性程度对NOx的转化效率有很大影响，NH3分布不均匀会使还原剂局部过量或不足，从而导致SCR系统转化效率降低和NH3的泄漏［16］，长时间NH3的不均匀会导致催化剂老化不均匀，从而影响催化剂的整体性能［17］。本文引入变异系数（C.V）概念来衡量NH3在催化剂载体入口截面浓度分数的离散程度，提出NH3均匀性系数γ来评价NH3在催化剂载体入口截面的浓度分布均匀程度，其公式为：

式中：n为截面取点总数；ci为第i个取点NH3的浓度；为整个截面的平均浓度。NH3均匀性系数γ越接近1，就表明该截面NH3的分布越均匀。取SCR载体入口截面上102个不同位置的NH3浓度来计算NH3在催化剂载体入口截面的浓度分布均匀程度，取点分布如图2所示。

图2 催化反应箱六串孔入口截面NH3浓度选取点示意图

3.1 尿素喷射位置对NH3均匀性的影响

利用尿素喷雾模型和水解、热解模型，研究柴油机在不同工况下，喷射位置对SCR系统载体入口截面NH3分布均匀性的影响。图3为六串孔催化箱NH3分布测取截面上，不同工况下各个喷射位置对NH3均匀性的影响图。由图3可知，同一工况下，随着喷射位置的后移，NH3的分布呈现先均匀后分散的趋势。A1喷射点相对于A2喷射点氨的均匀性较差，是由于在A1喷射点喷射时，尿素溶液随着气流运动会直接打在排气管A段90°弯管处，并会在90°弯管处形成一个涡流，使尿素开始喷射时一部分粘在管壁上，并随气流沿管壁往后运动，且有可能形成尿素结晶，增大排气背压，降低柴油机的燃油经济性。B1、B2、C1喷射点相对于A2喷射点氨的均匀性逐渐变差，是由于喷射位置的后移使尿素粒子没有充分的时间完成水解、热解，使排气管末端（C2处）仍有尿素粒子出现，造成NH3的分布不均匀。从横向看，同一喷射点，随着转速的增加，NH3的浓度变小且氨的均匀性有所降低，这是由于高转速下其它气体物质的成分比例（CO、CO2、NOx等）变高，降低了NH3的浓度分数，同时高转速下气流活动剧烈，排气对尿素液滴的拖曳作用比较强，尿素液滴比较集中，所以NH3均匀性比较差。

图3 SCR系统NH3的浓度分布

图4 不同喷射位置条件下NH3均匀性系数对比

图4 定量地分析了六串孔催化箱NH3分布测取截面上，不同喷射位置下，NH3均匀性系数随工况的变化情况。由图可知，1 000 r/min下，不同的尿素喷射位置对NH3的均匀性分布有较大影响，A2（90°弯管）喷射点喷射时NH3均匀性系数比A1（A段直管处）喷射点NH3均匀性系数提高2.17%，比B1（B段起始处）喷射点NH3均匀性系数提高6.82%，且随着喷射位置后移，NH3均匀性系数逐渐降低。不同工况下，NH3均匀性系数变化也比较明显，2 100 r/min下A1、A2、B1、B2、C1喷射点的NH3均匀性系数相比于1 000 r/min时分别降低7.5%、6.9%、6.3%、6.4%、8.4%。由上述数据可以看出，喷射位置越往后，高转速工况下的NH3均匀性程度越低，这是由于高转速下排气速度较快加上喷射位置接近催化反应箱，造成尿素粒子没有充分的时间完成水解、热解造成的。综合不同喷射位置NH3均匀性系数的大小，可知A2（90°弯管）喷射点喷射尿素最佳。

3.2 尿素喷射角度对氨分布的影响

在A2（90°弯管）喷射位置的基础上改变喷嘴角度，如图1所示，分别取0°、15°、30°和45°，结合图4中1 000 r/min转速下NH3均匀性系数最大，且1 500 r/min转速下NH3均匀性系数相比于1 000 r/min转速时下降明显并与2 100 r/min转速下NH3均匀性系数相差不大的情况，选取1 000 r/min转速点模拟不同喷射角度对NH3均匀性的影响。

如图5所示，4种喷嘴角度的尿素粒子在管壁上均有不同的碰撞。0°和 15°喷射角时，大部分粒子顺着管壁往后运动，使热、水解后的NH3集中在某一区域，到达六串孔催化箱入口截面的NH3均匀性变低。45°喷射角时，尿素粒子分布最均匀，几乎布满整个排气管，最终六串孔催化箱入口截面的NH3均匀性也最高。图6则是具体表现出4种不同喷射角度下催化箱入口各串孔NH3浓度的分配情况。一方面可以看出，各串孔之间的NH3浓度分配存在较大差异，0°喷射角时，各串孔的NH3浓度分配比差异性最大，其中串孔1的NH3浓度分配比为15.13%，串孔6的NH3浓度分配比为19.15%。随着喷射角度的增大，各串孔的NH3浓度分配比的差异性逐渐变小，45°喷射角时，各串孔NH3浓度分配比的最大值与最小值之差仅为2.1%。另一方面可以看出，无论何种喷射角度，串孔4和串孔6都是NH3浓度较为集中的区域，所占的浓度分配比也最高。

图5 不同喷射角度时的尿素粒子分布

图6 四种不同喷射角度下各串孔NH3浓度分配比

图7 不同喷射角度的NH3均匀性系数对比

图7 为1 000 r/min转速下，NH3均匀性系数随喷射角度变化的比较。由图7可知，45°喷射角由于各串孔的NH3浓度分配均匀，使六串孔催化箱入口截面的均匀性较好，45°喷射角相对于0°喷射角，NH3均匀性系数提高2.2%。由此可见，在A2（90°弯管）喷射位置选择45°喷射角最为适宜。

4 结论

本文通过CFD方法对SCR系统内部流动性能进行全尺寸的数值模拟，选择发动机典型工况排气参数作为边界条件，分析尿素喷射位置及喷射角度对NH3分布均匀性的影响，主要结论如下：

（1）不同的尿素喷射位置对NH3的均匀性分布有较大影响，喷射位置越往后，高转速工况下的NH3均匀性程度越低。综合不同喷射位置NH3均匀性系数的大小，A2（90°弯管）喷射点喷射尿素最佳。

（2）不同喷射角度的尿素粒子在管壁上均有不同的碰撞，45°喷射角喷射尿素时粒子在管壁上分布更为均匀，到达六串孔催化箱入口截面的NH3也更均匀。

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作者介绍

责任作者：张东剑（1991-），男，江苏徐州人。硕士研究生，主要研究方向为内燃机排放性能仿真与优化。

Tel：13311707478

E-mail：d.j.zhang@qq.com

Influence Analysis of Injection Parameters on NH3Uniformity in Diesel Engine SCR

ZHANG Dongjian1，MA Qihua1，2，REN Hongjuan1，ZHANG Lulu1
（ 1. School of Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China；2. Key Laboratory of High Performance Fibers & Products of Ministry of Education（Category B），Donghua University，Shanghai 201620，China）

The paper studied the effects of urea injection parameters on the uniformity of NH3distribution in the catalyst carrier of selective catalytic reduction（SCR） system. Based on the engine bench test, the physical parameters such as the exhaust gas flow rate, the ratio of gas components, the temperature, pressure etc. under typical engine working conditions were selected as boundary conditions to simulate the overall SCR system by using the computational fluid dynamics（CFD） method. The NH3uniformity coefficient was used to evaluate the degree of uniformity on the entrance cross section of the catalytic box and the effects of 5 urea injection positions and 4 injection angles on the inlet NH3uniformity were studied. The results show that the best NH3uniformity is achieved with the injection at the position of the 90 degree elbow and at a 45 degree angle.

diesel engine；selective catalytic reduction；injection parameters；NH3uniformity

TK422

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.04.08

马其华（1980-），男，宁夏中卫人。副教授，硕士生导师，主要研究方向为汽车性能仿真与优化。

2017-03-22 改稿日期：2017-04-17

高性能纤维及制品教育部重点实验室开放课题基金（E2-6203-16-09-（2016）NO.2）

参考文献引用格式：

张东剑，马其华，任洪娟，等. 喷射参数对柴油机SCR内部NH3均匀性影响分析［J］.汽车工程学报，2017，7（4）：299-305.

ZHANG Dongjian，MA Qihua，REN Hongjuan，et al. In fl uence Analysis of Injection Parameters on NH3Uniformity in Diesel Engine SCR［J］.Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7（4）：299-305.（in Chinese）

Tel：18017286996

E-mail：mqh0386@163.com