基于CFD的非道路车辆尾气后处理器性能研究

Research on the Performance of Off-Road Vehicle Exhaust Processor Based on CFD

摘要: 本文针对一款非道路柴油机的尾气后处理装置进行了仿真和实验研究。应用计算流体力学软件建立了尿素溶液的喷射、液滴雾化以及蒸发模型，液滴与固体壁面相互作用模型。研究了一种基本型系统的SCR系统对尿素液滴雾化、蒸发和分解及SCR催化剂载体入口NH3分布均匀性、烟气速度均匀性、压力损失、液膜分布的影响。数值计算结果显示，该系统的结构紧凑化设计(短系统)后在烟气速度均匀性、氨气浓度均匀性、系统总压损失方面均满足设计要求；基于对液膜分布与累积量的计算和评价，短系统的抗结晶性能好于长系统，具备相对更高的系统耐久性能。同时，设计了一组稳态发动机台架结晶对比实验，台架试验得出了与仿真相一致的结晶趋势，短方案抗结晶能力强于长方案，另一方面也验证了CFD手段在系统结晶风险预测上的有效性。

Abstract: On this paper, the simulation and experimental research on the exhaust gas after-treatment device of an off-road diesel engine is carried out. The models of injection, droplet authorization and evapo-ration of urea solution and the interaction between droplet and solid wall were established by using computational fluid dynamics software. The effects of SCR system on automation, evaporation and decomposition of urea droplets, distribution uniformity of NH3 at the inlet of SCR catalyst carrier, velocity uniformity of flue gas, pressure loss and liquid film distribution were studied. The numeri-cal results show that the basic design of the system (short system) meets the design requirements in terms of flue gas velocity uniformity, ammonia concentration uniformity and total pressure loss. Based on the calculation and evaluation of liquid film distribution and accumulation, the crystalli-zation resistance of the short system is better than that of the long system, and the system durabil-ity is relatively higher. At the same time, a set of steady-state engine bench crystallization compari-son experiments were designed. The bench tests obtained the crystallization trend consistent with the simulation, and the anti-crystallization ability of the short scheme was stronger than that of the long scheme, which also verified the effectiveness of CFD method in the system crystallization risk prediction.

1. 引言

尿素选择性催化还原(SCR)技术是目前应用最广泛的降低柴油机NO排放的方法之一 [1] [2] 。随着中国非道路第四阶段排放法规的施行，非道路车辆必须加装或升级尾气后处理系统，同时，从成本角度出发，小体积设计是目前SCR系统的发展趋势。通常情况，SCR系统主要以烟气在催化剂载体固定截面的速度分布均匀性，氨气在催化剂载体固定截面的浓度均匀性，系统的总压损失等参数作为性能评价指标 [3] 。

SCR系统中，尿素液滴与尿素混合器的交互过程直接决定了系统的脱硝效率，该过程的仿真是系统三维性能预测中最重要也是最复杂的一环。其中，混合器一方面通过产生涡流和湍流来促进NH₃和尾气的混合，另一方面通过提高尿素液滴蒸发速率和促进液滴二次破碎来改善尿素溶液的分解和雾化效果并壁面结晶 [4] [5] [6] [7] 。目前对道路车辆SCR系统的研究主要集中在混合器对NH₃分布均匀性和压力损失的影响方面 [8] - [12] ，均具有非常高的工程应用价值，但是对非道路车辆的SCR系统研究还非常少见，此外对非道路SCR系统采用液膜仿真来进行结晶性能预测研究则更鲜有报道。

本文对基于同一基本型衍生的两种具有长短差异的SCR系统进行了数值模拟。其中，对结构紧凑化设计后进行了多个工况的系统性能模拟仿真，同时，针对低温特定工况使用液膜预测方法对比了结构紧凑化设计前后的尿素液膜分布、混合器固体温度分布，并评估系统的尿素结晶风险。本研究可作为一种标准的SCR系统三维性能预测流程与方法加以推广应用。

2. 理论基础

2.1. 化学反应动力学模型

尿素液滴在与烟气混合过程中发生的物理化学变化如下：

水分蒸发所致的晶体析出：

$\text{CO}{\left({\text{NH}}_2\right)}_2\cdot 7{\text{H}}_2\text{O}\to \text{CO}{\left({\text{NH}}_2\right)}_2\left(\text{s}\right)+7{\text{H}}_2\text{O}\left(\text{g}\right)$ (1)

尿素热解反应：

$\text{CO}{\left({\text{NH}}_2\right)}_2\to {\text{NH}}_3+{\text{CO}}_2$ (2)

异氰酸水解反应：

$\text{HNCO}+{\text{H}}_2\text{O}\to {\text{NH}}_3+{\text{CO}}_2$ (3)

根据阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation)定律：

$k=A\cdot {\text{e}}^{-E/RT}$ (4)

其中，k为指前因子，E为反应活化能kj/mol。尿素热解与水解反应动力学系数如式(1)、(2)、(3)所示。

2.2. 液滴–壁面交互模型

液滴碰壁后的行为受到液滴初始速度、直径、液滴分布、壁面粗糙度和壁面温度的影响。主要有四种碰壁模式 [13] ，如图1所示。

模型上，根据 $T^{*}$ 和K的相互关系判断液滴与壁面的交互状态。 $T^{*}$ 和K可以表示为：

Figure 1. Diagram of droplet interaction with wall surface

图1. 液滴与壁面交互示意图

$T^{*}=\frac{T_W}{T_S}$ (5)

$K=\frac{{\left({\rho }_d{D}_d\right)}^{3/4}{u}_{d,wall}^{5/4}}{{\sigma }^{1/2}{\mu }^{1/4}}$ (6)

其中， $T_W$ 为壁面温度，K； $T_s$ 为液相饱和温度，K； ${\rho }_d$ 为液滴密度，kg/m³； $D_d$ 为液滴直径，m； $u_{d,wall}^{5/4}$ 为垂直于壁面的液滴分数度，m/s； ${\sigma }^{1/2}$ 为液体的表面张力，N/M； $\mu$ 为液相的动力粘度，N∙s/m²。

2.3. 均匀性评价

氨气浓度均匀性指数，如(7)所示，用以衡量氨气在催化剂截面处的浓度分布均匀性 [14] 。

$\gamma =1-\frac{1}{2}\left[{\displaystyle {\sum }_i^{i=n}\frac{A_i}{A_{tot}}\cdot \frac{\left|\left({\phi }_i-{\phi }_{avg}\right)\right|}{{\phi }_{avg}}}\right]$ (7)

式中， $\gamma$ 为均匀性指数(Uniformity Index)； $i$ 为网格编号； $tot$ 为总和； $avg$ 为平均值； $A$ 为网格面积， $\phi$ 为物理量(压力、速度、浓度等)。

该指数最大值为1，最小值为0，其物理意义为，当均匀性指数越接近1，表明氨气在催化剂截面上分布越均匀，1为理想值，代表完全均匀状态。本文均匀性计算目标为大于0.9。

3. 数值仿真计算

3.1. SCR系统结构

图2为SCR系统整体构造图(基本型)，主要包含尿素喷嘴、混合器、催化器(DOC/DPF/SCR/ASC)几个部分。图中，系统采用S型的双桶式布局，烟气分别经过DOC、DPF、混合管、SCR、ASC等关键部件，尿素喷嘴安装在混合管上，混合器放置于喷嘴座的下游空间。

Figure 2. Diagram of SCR

图2. SCR系统图示

本文研究的两种系统差异如图3所示，差异分别为DOC短1英寸，DPF短2英寸，SCR短3.5英寸，混合管短3英寸，无其他差异。

Figure 3. Diagram of system difference

图3. 系统差异图示

3.2. 边界条件

进口采用质量流量入口，出口采用压力出口，系统壳体绝热，边界条件数值如表1所示。

Table 1. Boundary condition

表1. 边界条件

多孔介质模型，阻力系数如表2所示作为输入参数被应用于压力损失计算中。

Table 2. Resistance coefficient of porous media

表2. 多孔介质阻力系数

3.3. 多相流模型

为了正确捕捉喷雾液滴运动轨迹，模拟喷雾形态，对整个喷雾计算域采用离散相DPM模型(Discrete Droplet Method)进行模拟。

DPM离散相动量控制方程如下所示：

$m_d\frac{\text{d}u}{\text{d}t}=F_{idr}+F_{ig}+F_{ip}+F_{ivm}+F_{ib}$ (8)

式中， $m_d$ 为液滴质量，kg； $u$ 为液滴速度，m/s； $F_{idr}$ 为拽力，N； $F_{ig}$ 为重力和浮力，N； $F_{ip}$ 为压力，N； $F_{ivm}$ 为虚拟质量力，N； $F_{ib}$ 为其他外力。

尿素溶液为32.5%浓度，使用高压单流体喷嘴喷射进入尿素混合管，使用非稳态DPM (Discrete Phase Model)离散相模型描述液滴的传热传质过程。

气体与离散相使用2-way coupling模型描述气体与液滴的相互影响，离散相追踪使用Lagrange方法描述液滴位置随时间的变化。喷雾初始特性由实验获得，参数如表3所示。

Table 3. Spray parameter setting

表3. 喷雾参数设置

3.4. 仿真计算结果

本次仿真各项评价指标阈值为：烟气速度均匀性(>0.9)，氨气浓度均匀性(>0.9)，系统总压损失(<25 kPa)，烟气流动轨迹(流动无回流，无死区)。

3.4.1. 结构紧凑化设计对速度均匀性影响

速度均匀性体现的是在载体特定截面(载体入口下游处5 mm)处烟气的速度分布。本文研究的DOC/SCR前均布置了多孔结构以提升均匀性分布(表4)。

Table 4. Resistance coefficient of porous media

表4. 多孔介质阻力系数

结果显示，烟气速度越低，速度均匀性越高，所有工况下均匀性数值均大于0.9，满足设计指标。

3.4.2. 结构紧凑化设计对氨气浓度均匀性影响

为了促进尿素液滴的蒸发、提升烟气和氨气的混合程度，一般在尿素喷嘴下游都设置有尿素混合器，在下游形成强湍流区域提升烟气与氨气的混合度，如图4所示。

在尿素混合器的作用下，所有工况的氨气浓度均匀性均大于0.95满足系统的性能指标(表5)。

Table 5. Resistance coefficient of porous media

表5. 多孔介质阻力系数

Figure 4. The trajectories of urea droplets

图4. 尿素液滴运动轨迹

3.4.3. 结构紧凑化设计对系统总压损失影响

国六阶段的道路用车和第四阶段的非道路用车，系统总压损失一般被要求小于25 kPa。本设计在满负荷条件下(d工况)，从系统入口到系统出口，总压损失为14.2 kPa，满足设计指标，如图5所示。

Figure 5. System total pressure distribution under d working condition

图5. d工况系统总压分布

3.4.4. 结构紧凑化设计对结晶的影响

如图6所示，短系统的尿素液膜覆盖面积和峰值液膜量均小于长系统。受到当地气流分布的影响，长系统的尿素液滴提前与混合管接触，混合管的温度较低，直接发生了液滴铺展，造成了较高的结晶析出风险。

Figure 6. Comparison of liquid film distribution on inner wall of urea mixing tube

图6. 尿素混合管内壁液膜分布对比

如图6所示，短系统的混合器液膜累积更多。相比混合管较低的温度，混合器沉浸在热气中，表面温度远高于管壁侧，所以长系统和短系统在混合器处的结晶风险差异不大。

结合混合管和混合器的液膜分布与累积云图如图7所示，短系统的尿素液滴大部分被混合器所接收，混合管所累积的尿素液膜也少于长系统，所以短系统的抗结晶性能高于长系统。

Figure 7. Comparison of liquid film distribution on the surface of urea mixer

图7. 尿素混合器表面液膜分布对比

4. 试验验证

4.1. 台架与实验工况设置

本文使用一台V5009-TIE5直列4缸柴油发动机进行稳态结晶实验验证(表6)。

Table 6. Main parameters of diesel engine

表6. 柴油机主要参数

稳态试验台结构由发动机台架和后处理器组成，其中，后处理器包含DOC/DPF/SCR/ASC。后处理器上布置了温度、压力传感器，尿素喷射系统采用非气助电磁阀式高压尿素喷嘴(图8)。

Figure 8. Experimental bench setup

图8. 实验台架设置

由于本实验主要作为区分两种不同长度系统的手段，故实验工况仅选取容易发生尿素结晶的低温工况(300℃以下)，实验工况如表7所示。

Table 7. Main parameters of diesel engine

表7. 柴油机主要参数

4.2. 实验结果分析(图9)

Figure 9. Experimental results of stable crystallization

图9. 稳定结晶实验结果

短方案的结晶量在各个工况下都少于长方案，与仿真结果保持相同趋势。工况1排温最低，且尿素喷射量相对较低，此时短方案与长方案结晶重量差异不大。随着排温、烟气流量和喷射量的提升，如工况3，短方案的尿素结晶量明显低于长方案。

从系统结晶耐久的角度考虑，系统还需要进一步优化发动机燃烧与尿素喷射策略，通过降低NOX原始排放，优化喷射峰值等方式降低系统结晶总量，保证系统的长久使用。

5. 结论

本论文使用计算流体力学方法和稳态实验方法针对某型非道路SCR后处理系统进行了内部流动、尿素液滴运动、结晶风险等分析评价。结果表明：

1) 该系统的基本型设计(短系统)在烟气速度均匀性、氨气浓度均匀性、系统总压损失方面均满足设计要求；

2) 基于对液膜分布与累积量的计算和评价，短系统的抗结晶性能好于长系统，具备相对更高的系统耐久性能；

3) 对于三种低温结晶工况，稳态台架实验结果显示出与仿真一致的结晶规律，验证了仿真计算的有效性，同时也直接证明了短方案在抗结晶性能上的优势。