车用柴油机SCR混合段结构优化设计

方今朝，刘会猛，高超，董昕，张选国，李光义

1.万向通达股份公司 技术中心，湖北 武汉 430056；2.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074

0 引言

国六排放标准对车用柴油机NOx排放限值要求更加严格，降低NOx排放是必须解决的主要问题之一。选择性催化还原(selective catalytic redution，SCR)对发动机燃烧的影响小、结构布置容易、对发动机的动力性和经济性影响小，是目前降低NOx排放的主流技术。重型柴油车NOx排放限值由国五排放标准要求的2 g/(kW·h)大幅降低至国六排放标准要求的0.46 g/(kW·h)，相应地对SCR系统的性能要求也明显提高[1-4]。

性能良好的SCR系统要求NOx转化效率高、排气阻力损失小、结构紧凑、对发动机工况变化的响应速度快，并且应避免产生尿素结晶。为此，SCR混合段设计时应进行结构优化，提高流场速度的均匀性和氨均匀性，避免尿素液沉积，控制尿素结晶，降低排气阻力。后处理系统的很多研究结合尿素液喷雾混合过程，采用模拟仿真和试验方法。Zhang等[5]对NH3-SCR系统三角翼流动混合器的混合特性进行了三维模拟，分析了叶片混合器形状、位置、叶片数量对混合性能的影响，发现叶片混合器安装在尿素喷嘴下游可以快速提高混合均匀性，但尿素喷嘴距离载体较远时叶片混合器安装在尿素喷嘴上游更有利于提高混合均匀性；叶片扭曲产生的旋流在尿素喷嘴距离载体较远时可以改善混合均匀性；混合器叶片数量为3的混合效果比叶片数量为6时提高8%，压力损失减少5.3～13.0 kPa。温苗苗[6]运用三维模拟的方法，分析了不同混合段结构的系统压降和速度场均匀性、氨均匀性，研究发现转向型SCR系统结构压降小且流场均匀性最好；在锥形SCR进口段中加装孔板混合结构会改善流场均匀性，但导致排气压降损失增加1～3 kPa。赵彦光等[7]设计了2种分别带4个叶片和8个叶片的混合器，叶片结构与文献[5]中的不同，不产生旋流运动，试验研究了2种混合器的压降损失和对NOx转化效率的影响，表明8个叶片混合器的压力损失比4个叶片混合器的压力损失小，且混合器可使SCR系统NOx转化效率最高提升10%。

混合段设计中采用不同结构混合器的主要作用是：增强流场的湍流强度，改善混合；使排气气流产生偏转，从而可以在不增加排气管长度的情况下增加尿素液与排气气流的混合时间，以及尿素液的热解、水解时间，提高流场速度的均匀性和氨均匀性；使排气气流产生螺旋运动，在不增加排气管长度的情况下增加混合时间，并利用尿素液和排气的密度差强化混合过程。

近年来，随着排放标准要求的日益提高，柴油机排气后处理必须结合SCR、柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)等多项技术才能满足排放标准要求[8-9]。为了节省安装空间，出现了各种紧凑型、集成式的排气后处理设计方案。Seo[10]在设计重载车用柴油机的DPF和SCR封装装置时，发现将尿素喷嘴设置在连接弯管处时，尿素喷雾容易在弯管处沉积，形成湿壁现象，产生结晶；而将尿素喷嘴设置在DPF后处理装置末端，同时利用带孔隔板，形成气体扰流，可加速尿素喷雾与尾气间的换热，避免形成结晶。Alano等[11]为一台1.6 L的4缸柴油机设计了一款紧凑型螺旋式混合器BlueBox，将混合距离由400 mm缩短至小于75 mm，在维持压降不变的条件下使氨均匀性达0.95以上。Neusser等[12]在大众涡轮增压直接喷射欧VI柴油机开发过程中，采用带SCR涂层的颗粒过滤器，将SCR和颗粒过滤器集成起来，减小了后处理装置体积，与采用独立的SCR装置相比，在冷起动和低负荷下排气温度可提高30 K，不需要在发动机上采取专门措施提高排温。Michelin等[13]为提高混合均匀性和减小后处理装置体积，设计了U型连接的DOC-SCR/DPF后处理装置结构，气流转向角度为180°，计算流体动力学模拟结果表明，在排气质量流量为450 kg/h时，氨均匀性可达0.96，发动机试验台架测试结果表明NOx排放可满足欧VI标准。

不同发动机对SCR的要求一致，但混合段结构需要结合发动机的具体工作参数和空间布置进行设计。本文中针对某车用柴油机SCR系统进行混合段结构优化设计，着重解决尿素沉积结晶和流场均匀性问题，以满足国六排放标准的要求。

1 结构方案

车用柴油机的主要参数如表1所示。为满足国六排放标准要求，使用DOC-DPF-SCR等多种后处理技术组合方案，采用筒式结构封装，总体结构如图1所示。

表1 柴油机主要参数

图1 排气后处理总体结构

为保证NOx转化效率高，必须保证SCR催化反应段入口气体速度均匀性和氨体积均匀性(以下简称氨均匀性)符合要求。速度均匀性影响催化反应段的NOx催化转化性能，氨均匀性能直接决定NOx转化效率。氨氮摩尔比(以下简称氨氮比)基本不影响速度均匀性，但对氨均匀性影响明显。氨氮比越大，尿素液喷雾越难以混合均匀，水解、热解氨均匀性越低[14]。在一定的氨氮比下，排气流量和排气温度是影响尿素结晶以及氨均匀性的主要因素。为满足国六排放标准限值要求，需提高氨氮比，由此带来结晶和氨均匀性问题，相比国五排放标准阶段更难以解决。采取以下分级的办法解决结晶和氨均匀性：1)喷雾混合腔进行初步混合，尽量避免结晶；2)为提高均匀性，可增加混流板。具体包括在混合段仅布置混合腔和在混合腔后再布置混流板2种方案。混流板结构有2种，如图2所示，其中混流板1为扇叶结构，混流板2为网孔板结构。

a)混流板1 b)混流板2

2 仿真分析

为分析流场均匀性，应用Fluent软件对混合段进行了三维流场模拟分析，计算网格如图3所示，网格采用局部加密方式：特征线段至少设置4个节点，连结面限定节点最大距离为0.2 mm；节点数为1 084 331，网格单元数为5 123 242。

图3 模拟分析网络

混合均匀性因数[15]

基于以上定义，当氨混合均匀、截面中任意方向的氨质量浓度梯度均为0或截面处气体的流速均一致时，均匀性因数最大，为1；当参数N集中于一点时均匀性因数最小，为0。

计算工况的排气质量流量、SCR入口排气温度和尿素液喷射质量流量等参数如表2所示，不同工况时基于体积的EGR混合器内气体速度场仿真计算结果如图4～6所示。

表2 计算工况主要参数

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

由图4～6和式(1)可知：1)工况1下，无混流板的EGR混合器内气体的速度均匀性为0.945，混流板1为0.965，混流板2为0.991；2)工况2下，无混流板的EGR混合器内气体的速度均匀性为0.925，混流板1为0.955，混流板2为0.988；3)工况3下，无混流板的EGR混合器内气体的速度均匀性为0.951，混流板1为0.972，混流板2为0.993；4)3种工况下没有混流板时，EGR混合器内气体流速均匀性较差，带混流板2的流速均匀性最好。

基于体积算法(参与均匀性积分计算的单元是有限元单元格赋值乘以有限元单元格体积)的氨的摩尔分数仿真计算结果如图7～9所示。

由图7～9及式(1)可知：1)工况1下，无混流板的EGR混合器内气体中氨均匀性为0.952，混流板1为0.970，混流板2为0.985；2)工况2下，无混流板的EGR混合器内气体的氨均匀性为0.934，混流板1为0.965，混流板2为0.987；3)工况3下，无混流板的EGR混合器内气体的氨均匀性为0.964，混流板1为0.982，混流板2为0.990；4)3种工况下均以带混流板2的EGR混合器内气体的氨均匀性最好，均不低于0.985。

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

a)无混流板 b)混流板1 c)混流板2

3 试验考核

3.1 抗结晶试验

为考核混合段的实际效果，进行发动机台架试验。抗结晶试验工况如表3所示，主要测试设备及型号如表4所示。

表3 抗结晶试验工况

表4 主要试验设备及其型号

根据发动机后处理系统匹配要求，按照表3中工况，对装配3种混合器的发动机进行抗结晶试验。运行18 h后，测量3种结构混合器的尿素结晶均不超过1.0 g。发动机生产企业要求运行18 h后，后处理器总质量增加小于2 g，符合匹配要求。

发动机台架试验结果表明：不带混流板时后处理器排气阻力为22 kPa；2种带混流板的后处理器排气阻力基本相同，均为24 kPa；与带混流板相比，不带混流板时后处理器的排气阻力小2 kPa。

3.2 均匀性试验

进行均匀性考核尤其是氨均匀性考核时，直接测量催化反应段入口的均匀性费用高、时间长。由于一定的排气成分、温度、流量下，氨氮比相同时，均匀性与NOx转化效率正相关，转化效率越高，均匀性越好。因此，可以在发动机台架上直接测量NOx的转化效率，用转化效率评估均匀性。均匀性试验包括3种工况：排气温度均为350 ℃，空速分别为20 000、40 000、60 000 h-1。空速为60 000 h-1时3种混合段结构下的NOx转化效率测量结果如图10所示，带混流板2时3种空速下的NOx转化效率如图11所示。

图10 空速为60 000 h-1时3种结构的NOx转化效率 图11 3种空速下混流板2的NOx转化效率

由图10可知：NOx转化效率随氨氮比的增加而增大，氨氮比较小时，不同工况下的转化效率差别不大，在氨氮比为1时，3种混合段结构中，无混流板的NOx转化效率最低，带混流板2的转化效率最高，表明带混流板2的混合段均匀性最好，测试结果与模拟计算结果相吻合；随着氨氮比增大，NOx的转化效率上升，氨氮比达到化学当量比时，不能保证100%的NOx转化率；氨氮比大于1.0可以提高NOx转化效率。由图11可知：采用混流板2后，氨氮当量比为1.2时，不同空速下NOx转化效率基本相同，均高于99%。

4 结论

1)不同氨氮比下，NOx的转化效率与SCR混合段的流场均匀性有比较好的一致性，转化效率越高，均匀性越好。

2)氨氮比达到化学当量比时不能保证NOx转化效率为100%，氨氮当量比必须超过化学当量比，才能进一步提高转化效率。

3)SCR混合段增加混流板可显著提高均匀性，其中网孔板结构的混流板的NOx转化效率优于扇叶结构混流板。