柴油机后处理进气扰流装置设计选型分析

0 引言

国六后处理系统包含封装总成和尿素喷射模块，其中封装总成包含DOC催化器总成、DPF催化器总成、混合器总成和SCR催化器总成及ASC催化器总成，DOC催化器指安装在柴油车发动机排气系统中，通过催化氧化作用降低排气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)等污染物排放量，和(或)将排气污染物中的一氧化氮(NO)转换为二氧化氮(NO

)的装置。DPF催化器指安装在柴油车发动机排气系统中，通过载体孔内壁(带微气孔)具有的过滤特性来降低排气中颗粒物的捕集器。SCR催化器指安装在柴油车发动机排气系统中，将排气中的有毒的氮氧化物(NO

)通过选择性催化还原反应转化为无毒的氮气(N

)和水(H

O)，以降低NO

排放量的装置。ASC催化器指装在 SCR 后端，通过催化氧化作用降低 SCR 后端排气中泄漏出的氨(NH

)的装置。

随着排放法规不断升级，这就要求后处理的对尾气处理能力要不断提升，目前国六阶段的排放要比前期的国五/国四排放要求严苛很多，这就对催化剂的性能提出来新的挑战，催化剂性能的影响参数很多，其中机械结构这一块对催化剂的影响主要体现为如何设置合理的扰流装置来提升催化剂端面气流的均匀性，如无扰流装置或扰流装置设置不合理，会导致催化剂端面的气流不均匀分布，催化剂端面气流一旦分布不均匀，会造成局部气流集中，这会使此区域催化剂不能与尾气充分接触进行化学反应，严重影响催化剂的整体效率，进而影响整个后处理器系统的性能。

DOC催化器与整车出气端连接，会造成DOC催化剂端面的流速较大，要在大流速下保证气流的均匀性就必须在DOC催化剂前端增加合适的扰流装置，扰流装置需打散气流原有走向，特别是对气流集中区域进行分散，保证后端DOC催化剂进气端气流分布均匀，气流是否分布均匀直接影响DOC催化剂的效率，直接关系排放是否超标。

目前对后处理中流体分析行业最常用的方法就是用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)进行分析。CFD模拟分析可对后处理结构内部气流走向进行模拟，对气流流速分布的均匀性、气流温度分布的均匀性、传感器布置位置合理性及整体结构的排气背压进行评估，同时可对带SCR系统的尿素喷射模型进行模拟分析，可对SCR催化剂端面氨分布的均匀性、混合器区域的液膜厚度及液膜温度进行评估，氨分布均匀与否可从侧面来评估SCR催化剂的效率，最大液膜厚度及最低液膜温度分布区域可用来评估混合器的结晶风险。前期结构的CFD模拟分析对整体结构设计指导意义很强，可规避很多结构设计缺陷对整体性能的影响，有效控制成本的同时可缩短产品开发周期。针对不同进气结构的分析，CFD软件可有效模拟扰流装置对气流的扰动效果，最后可通过催化剂端面的气流速度分布云图来判定气流均匀性是否满足要求，可从气流分布的均匀与否来评估催化剂的性能，现在行业里认可的DOC催化剂端面的气流均匀性不能低于0.9(在发动机的额定工况下)。

1 扰流装置设计要求

扰流装置主要对高速气流进行扰流，打散原有气流，改善气流走向，以保证气流的均匀分布，在国六后处理中DOC催化器进气结构主要为直通式进气结构和侧进式进气结构。针对布置空间较充裕及纵向布置车型，一般会选用直通式进气结构，针对布置空间受限及横向布置车型，一般会选用侧进式进气结构。

1.1 直通式扰流装置设计

针对主机系统常见的构件安全质量问题，在制定主机安装缺陷排除措施时，应从实际问题出发，重点解决螺栓松动问题。考虑到主机系统内部机械设备的运转速度较大且振动明显，因此，需要定期检查螺栓安装问题，以免出现螺栓位移的问题。另外，在尾轴偏移导致主机被磨损的问题上，要做好尾轴位置控制工作，将其固定在规定位置上，确保主机系统不受其影响。

作为一种新兴的产业，中国的物业管理从产生至今，一直将自己摆在“房地产开发商从属部门”的配角地位，鄂州物业管理的地位也不例外，把发展方向定位于一些简单的、具体的服务形式，并没有认识到物业管理企业的服务主要应集中于对公共事务的协调和处理上，从而导致了该行业的被动局面。

1.2 侧进式扰流装置设计

鄂州物业管理可以结合地方实际情况从以下几个方面进行规范：第一严把市场准入关。对物业管理企业要严格准入，强化新建企业开业登记和资格审查、年检、资质复审等工作；第二建立物业管理主体信用档案。对物业公司及其法人、业委会成员建立诚信档案；第三积极开展物业管理考评。根据优秀物业管理示范小区标准，积极开展考评达标活动，让更多的业主购得安心和住得放心；最后加强制度建设。应根据国家和省公布的法律法规来制定与地方配套的、具体的细则及办法，进而推动鄂州市物业管理规范化发展。

2 扰流装置模拟分析

2.1 直通式扰流装置CFD分析

直通式进气结构增加扰流装置后，我们的想法是能够把中间高速气流进行拦截，边缘区域也能够分布一定的气流，进而使整个截面气流分布较均匀。现通过分析软件进行模拟校核，CFD分析云图如图5和图6示意，从截面气流分布云图可以看出四周颜色偏深一点，流线云图显示气流流线已被打散分布至四周，中间区域气流流速明显降低，最大流速也下降，虽然从截面气流分布云图上看去颜色差异较大，边缘区域要比中间区域颜色深，但从数值分布的梯度可以看出差异较小，故模拟分析结果吻合我们的设计预想，且从分析软件中读取的截面流速均匀性系数DOC UI为0.93，大于工程目标0.9的要求，满足设计要求。

侧进式进气结构气流通过排气管流入后处理，如果不增加一定的扰流装置，高速气流会直接撞击筒壁，只有少数气流会反弹回来，大部分气流会集中于进气管对面筒壁边缘，造成气流在DOC催化剂端面分布不均匀，催化剂边缘区域的集中的尾气不能得到充分的化学反应，其余区域催化剂不能得到有效利用，会造成DOC催化剂的效率不足。侧进式扰流装置设计要求能把侧进的高速气流直接打散，改变气流走向，使气流尽可能均匀分布于DOC催化剂端面，侧进式扰流装置推荐使用正对气流方向布置的多孔板结构，此类结构可有效分散气流，同时对进气端的背压影响很小，侧进式扰流装置推荐结构如图2示意。从示意图看出侧进式进气结构扰流装置(红色示意)正对气流区域均匀分布圆孔，此区域在空间允许的情况下要求尽可能覆盖整个进气口，主要为打散侧进的高速气流，扰流装置其余区域分布的圆孔主要为给气流分散导流，从整个结构可以看出此结构扰流装置主要用于改善气流，未影响进气流道，所以对整个后处理的背压影响较小。

直通式进气结构气流集中区域为进气口的中心区域，如果不增加一定的扰流装置，发动机的尾气通过排气管进入后处理后，气流会集中分布于DOC催化剂中心区域，造成DOC催化剂边缘的气流分布较少，催化剂中间集中区域的尾气不能得到充分的化学反应，其余区域催化剂不能得到有效利用，直接影响DOC催化剂的效率。直通式结构扰流装置设计要求能对中间区域气流进行截流，可在中心位置设计小孔用于拦截中间区域的高速气流，周围区域设置大孔进行导流，同时扰流装置对直通式进气结构排气背压影响较大，如果开孔率不足，会增加系统的排气背压，排气背压上升会导致发动机燃油消耗率上升，发动机经济性能恶化，所以我们在对扰流装置进行开孔布置时，至少需保证总开孔面积要≥进气管截面积的1.5倍。直通式扰流装置推荐结构如图1示意。从示意图中可以看出直通式进气结构扰流装置(红色示意)中间区域均匀分布原孔，此区域原孔用于拦截中间区域的高速气流，扰流装置圆周区域均匀分布矩形孔，此区域矩形孔用于给气流进行导流，以使DOC催化剂边缘区域有气流分布，整个催化剂端面气流均匀。直通式扰流装置直接形成了进气气流的流道，故此结构对整个后处理的背压影响较大，所以在保证结构强度的前提下圆孔与矩形孔的开孔面积要尽可能加大，为减小对整体背压的影响，至少需保证矩形孔和圆孔的总开孔面积要≥进气管截面积的1.5倍。

直通式进气结构无扰流装置时，我们前期分析的结果是气流会集中于中间区域，且区域大小接近进气管径大小。现通过分析软件进行模拟校核，CFD分析云图如图3和图4示意，主要考核DOC催化剂端面气流的分布情况，从截面气流分布云图可以看出中间区域颜色较深，流线云图显示中间区域分布也较多，即此区域气流比较集中，也与我们前期的分析相吻合，且从分析软件中读取的截面流速均匀性系数DOC UI为0.85，小于工程目标0.9的要求，不满足设计要求。

2.2 侧进式扰流装置CFD分析

侧进式进气结构无扰流装置时，我们前期的分析结果是气流会集中于正对进气管的边缘区域，其余区域气流分布较少。现通过分析软件进行模拟校核，CFD分析云图如图7和图8示意，从截面气流分布云图可明显看出正对进气管的边缘区域颜色分布较深，同时此区域的气流流线分析也较多，故此区域的气流分布较集中，与我们前期的分析吻合，且从分析软件中读取的截面流速均匀性系数DOC UI为0.84，小于工程目标0.9的要求，不满足设计要求。

侧进式进气结构增加扰流装置后，CFD分析云图如图9和图10示意，我们的想法是能够拦截侧进的直冲高速气流，让整个气流能够被打散，均匀分布到催化剂端面。现通过分析软件进行模拟校核，从截面气流分布云图可以看出各区域云图颜色比较均匀，气流流线也被明显打散分布到整个截面，即说明整体的气流分布比较均匀，故模拟分析结果吻合我们的设计预想，且从分析软件中读取的截面流速均匀性系数DOC UI为0.95，大于工程目标0.9的要求，满足设计要求。

1.1.2地理区位作为贵阳市东北城市组团，乌当区的区位交通条件优越，其东临南明区、南融云岩区、西接观山湖和白云区、北连开阳县，与贵阳航空港经济区、贵阳综合保税区联袂成带，与贵阳龙洞堡国际机场和贵阳火车北站毗邻，贵阳火车东站坐落境内，高速公路、高速铁路与城市干道纵横交错，“快旅慢游”现代交通体系基本形成，是广大贵阳市民首选的农旅体验生态区。

3 结论

本文通过对多种进气扰流装置的设计分析，通过分析软件对增加扰流装置与不带扰流装置的对比分析，进而提出针对不同进气结构中扰流装置设计优化的建议，为后续后处理设计开发中如何提升DOC催化剂的效率提供一个好的方向。

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