柴油机Urea_SCR混合器的设计选型分析

宋志良

摘要：基于我国对柴油机尾气第六阶段排放标准的限值和终端顾客的用车要求，提出对Urea  SCR混合器的理论开发目标，通过对逐个开发目标的展开分析与讨论识别出混合器选型设计的关键特性，进而从Urea  SCR混合器的结构设计、材质定义、功能要求（包括压降、流速均匀性、氨分布均匀性、抗结晶能力等）等方面进行初始设计选型，在计算机模拟仿真与分析的辅助下，不断优化设计结构并最终得出最佳设计理论方案。

Abstract： Based on the emission standard of China VI and the requirement of customers， the theoretical development target of urea SCR mixer was proposed. Through the analysis and discussion of each development target， the key characteristics of mixer selection design were identified. Then， the initial design selection was carried out by structural design， material definition and functional requirements （including pressure drop， flow uniformity， ammonia distribution uniformity， and anti-crystallization ability， etc.） of Urea-SCR mixer. Under the assistance of computer simulation and analysis， the design structure was continuously optimized， and the best design theoretical scheme was finally obtained.

關键词：柴油机;氮氧化物;Urea_SCR;混合器;选型

Key words： diesel engine;NOx;Urea  SCR;mixer;selection

0  引言

常见的柴油发动机尾气中的主要排放污染物是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），其中氮氧化物占汽车排放总量的69.2%以上，是机动车氮氧化物排放的主要“贡献者”。

为了有效抑制大气环境的继续恶化，我国政府制定了严格的柴油机尾气排放限值要求。2001年，国家标准局正式颁布了GB17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》，这就是大名鼎鼎的“国一”。2003年环保总局又发布国家第二阶段机动车排放标准的公告，到了2007年，国三阶段柴油机开始了电喷时代——高压共轨的大门。在技术上来看，此时的柴油发动机设计技术并没有多大改变，通过优化内部燃烧或高压共轨就能达到法规排放限值，由此可见之前的柴油机排放是十分恶劣的。国四直到2014年才开启，也是从那一刻起，柴油机的后处理时代来了，技术路线主要有EGR+DOC+POC、EGR+DPF或SCR等等。2017年，全面执行国五！与国四相比后处理系统采用SCR技术路线就更加普遍了，其中原因就是动力性和经济性。2018年6月22日生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》并要求于2021年7月1日全面执行。（表1）

从排放标准内容对比看，第六阶段排放标准对氮氧化物排放限值较国五阶段加严了80%左右，而发动机尾气中的氮氧化物的净化主要依靠后处理系统的选择性催化还原催化器（Selective Catalytic Reduction，简写SCR），其工作原理在于：根据柴油发动机实时运行工况，SCR系统控制器通过精准计算并驱动执行器将适量的尿素水溶液（浓度32.5%）喷射到排气管中，在发动机尾气温度作用下，尿素水溶液快速水解为氨气（NH3），在Urea_SCR混合器作用下与排气尾气充分混合均匀，基于SCR催化剂将尾气中的氮氧化物还原成氮气（N2）排出，具体化学反应公式如下：

由工作原理可知，在柴油机后处理系统正常工作的前提下，Urea_SCR混合器的选型直接决定着SCR催化剂还原反应的转化效率。本文主要就是基于国六阶段对柴油机尾气排放的限值，提出对Urea_SCR混合器（Mixer）选型分析并基于计算机模拟仿真验证和优化分析的一般方法。

1  Urea_SCR混合器开发目标

国六阶段的柴油机后处理系统中的催化器主要由催化氧化器（DOC）、颗粒捕捉器（DPF）、选择性催化还原器（SCR）和消氨催化器（ASC）组成，其中消氨催化器（ASC）常集成在SCR催化器中， Urea_SCR混合器（Mixer）作为SCR系统中重要组成部分，布置其前端，如图1所示。

国家第六阶段排放法规明确规定了柴油机尾气中氮氧化物的排放限值为0.4g/kWh（WHSC循环）和0.46g/kWh（WHTC循环），同时规定了氨（NH3）泄漏量不得超过10ppm，另外结合实际应用、整车用户使用需求和经济性指标，Urea_SCR混合器开发还需要关注针对尿素的抗结晶性能、材质耐尿素腐蚀性能和产品压降。为确保上述性能，归纳出具体的混合器开发指标如表2所示。

为了达到混合器的上述功能指标，实现柴油机尾气中的氮氧化物净化需求和车辆实际使用需要，设计出一款关键特性均能达标的Urea_SCR混合器（Mixer）就尤为重要。

2  结构设计与材质选型

Urea_SCR混合器根据在尾气后处理系统中的布置边界和系统集成要求，可分为常规混合器和高效混合器，常规混合器主要应用于整车布置空间较为宽裕，可利用排气管作为SCR部分混合腔提高混合均匀性的后处理系统中，常见于国四、国五阶段SCR后处理系统中;而高效混合器多应用于整车布置空间较为紧凑，仅能依靠混合器自身的结构优势或空间较狭小的排气管作为混合腔实现发动机尾气与尿素水解后的氨气混合均匀，常应用于国六阶段SCR后处理系统中，如图2所示。

从工作原理来看，常规混合器相对简单，其主要是让排气管中的发动机尾气在经过混合器时产生沿着轴线旋转涡流，然后排放尾气在涡流的作用下与尿素水解的氨气在混合腔中充分混合均匀通过SCR催化剂，在一定的排气温度下实现尾气中氮氧化物的还原反应成为氨气排出;而高效混合器就较为复杂，不仅要实现排气管中发动机尾气产生涡流，而且要改变气流方向，如：由单一的轴向直线运动转化为轴向旋转，再由轴向旋转转化为轴向直线运动，实现尾气与尿素水解的氨气的高效混合，同时为防止尿素结晶，高效混合器一般带有尿素破碎设计。目前，常规混合器和高效混合器常见的结构形式主要有以下几种，如图3所示。

在混合器的材质选型上，目前思路较为统一，主要是因为混合器的应用环境。在后处理系统中，混合器作为直接接触尿素水溶液的部件，不得不考虑其耐尿素腐蚀性，同时混合器一般结构较为复杂，对成型性要求较高，尤其是国六阶段的混合器，再结合产品成本的考虑，所以目前常选用的材质主要有：304不锈钢、441不锈钢、436或436L不锈钢、904不锈钢等，具体的材质参数对比如表3所示。

Urea_SCR混合器的结构设计形式多式多样，材质定义也是各有不同，不同的后处理厂家会根据所选用的尿素喷射系统产品特性、应用场景以及顾客的特定需求开发不同的结构和定义材质以实现最佳匹配。

3  CFD分析与优化

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是研究Urea_SCR混合器性能最为常用的方法。本文将针对某型四缸国六柴油机（排量：2.8L）后处理的一款高效混合器（见图4，代号为A，材质：441不锈钢）进行模拟分析，分别从混合器的压降、流场均匀性、氨分布均匀性、抗尿素结晶能力等方面评估混合器的性能并实现最优化设计。

基于三维模型运用ANSYS FLUENT软件，结合该型柴油机工况信息和后处理系统的基本配置参数作为分析边界和计算域对Urea-SCR混合器性能进行模拟分析，如表4所示。

3.1 混合器压降分析

发动机排气系统压降直接决定着其动力性和燃油经济性。当排气背压过大时，将会导致排气阻力增加，排气速率下降，最终会导致发动机燃烧效率降低，燃油经济性变差，同时发动机的动力性能将会下降，高效混合器作为催化器重要组成部分，其结构较为复杂，一般压降占比高，所以其压降分析是后处理压降控制的重要环节。

根据发动机的额定点废气流量和排温参数，对该A型Urea  SCR混合器及所配套的后处理催化器进行CFD压降分析，如图5所示。在额定点工况下混合器的压降为7.11kPa，后处理器压降为26.23kPa，满足定义的30kPa工程目标要求。

3.2 流场均匀性分析

流场均匀性分析是模拟分析进入催化剂的尾气截面速度是否均匀，只有均匀性达到一定要求后，才能确保尾气与催化剂充分接触，提升催化剂对尾气中的有毒有害气体的净化效率。选取发动机的额定点废气流量和排温参数下对该A型Urea  SCR混合器及所配套的后处理催化器进行CFD流场均匀性分析，如图6所示。设置有高效混合器的SCR在额定点工况下进气端面的流场均匀性能够达到97%，满足表3定义的工程目标要求。

3.3 氨分布均匀性分析

在SCR系统的控制下要想排气尾气中的氮氧化物得到充分净化，不仅需要排气流程均匀，而且还要确保排气尾气与水解后的氨气充分混合均匀，所以Urea  SCR混合器作用下的氨分布是一个重要的考核指标。

在额定工况点和低温工况点下，基于废气流量和排温参数对该A型Urea-SCR混合器及所配套的后处理催化器进行CFD氨均匀性分析，如图7所示。设置有高效混合器的SCR在额定点工况下进气端面的流场均匀性能够达到96.9%，在低温工况下进气端面的流场均匀性能够达到98.7%，满足表3定义的工程目标要求。

3.4 抗结晶能力分析

柴油机SCR系统所用的尿素水溶液浓度为32.5%，纯正的尿素是白色固体，所以当溶液中水在高温蒸发以后，尿素必然会产生结晶。为了防止SCR尿素喷射系统喷入到排气管的尿素水溶液产生结晶，需要想办法以最快的速度实现尿素水溶液水解为氨气，这样就要求喷入到排气管中的尿素水溶液雾化效果好同时尿素粒径越小越好，这样便于水解反应的快速发生。对于Urea  SCR混合器来说，作为直接接触尿素水溶液的重要部件，抗结晶能力是一个重要的考核指标。

为了验证Urea-SCR混合器抗结晶能力，一般选取发动机额定工况和低温工况对混合器进行CFD分析，主要考核混合器表面的尿素液膜厚度，一般设置指标为液膜厚度≤1*10-5m。对于该A型高效混合器及所配套的后处理催化器进行CFD抗结晶性能分析，如图8所示，可见在额定点工况下混合器表面液膜厚度为9.3*10-6m，在低温工况下混合器表面液膜厚度为2.6*10-14m，均能满足工程指标要求。

4  结论

本文通过结合法规与整车使用要求识别混合器的开发指标与关键特性，继而提出一套混合器设计选型的方法，为今后柴油机后处理系统中Urea  SCR混合器的开发设计指明一条切实有效的工作方向。

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