柴油机尾气后处理混合器对NH3分布均匀性影响的研究

闫安

摘要：本文研究混合器对NH3分布均匀性的影响，对提高NOx转化率、降低排放污染物具有指导意义。文章通过CFD软件对SCR后处理系统进行模拟仿真，改变变量波浪型混合器，进行不同排温工况下模拟实验。结果表明：加装波浪型混合器可以有效改善NH3与尾气混合的均匀性;加装波浪型混合器相比不加装混合器的SCR后处理系统NOx转化率可有效提升5%左右。

关键词：柴油机;SCR;混合器;均匀性

0  引言

截至2019年6月，全国汽车保有量达2.5亿辆。随着汽车工业的高速发展，机动车尾气污染已经成为城市大气污染的重要来源，尤其是柴油车尾气污染更为严重。面对日益严峻的环境保护形势，我国于2019年7月1日正式实施国六排放标准，相比国五排放标准增加了THC、NMHC、PN、N2O等污染物，NOx的排放限值较国五降低了66.6%。

目前减少尾气氮氧化物最有效的后处理技术是以32.5%尿素水溶液为还原剂的选择性催化还原（SCR），而SCR前端NH3和NOx混合分布的均匀性对NOx的转化率有重要影响，混合不均造成的部分区域过浓或过稀，混合气过浓会造成NH3泄露，过稀会造成SCR内部转化效率降低。国内外研究证明混合气长时间分布不均还会降低催化剂的使用寿命，造成排气系统局部温度过低产生结晶[1]。

本文提出通过在SCR前端加装混合器的方式提高混合气的均匀性，从而提高NOx转化效率方案，利用CFD软件建立尾气后处理模型，通过数值分析模拟柴油机尾气后处理的工作过程，利用模拟结果进行混合器的结构优化，对混合器的结构设计起到指导意义。

1  选择性催化还原技术（SCR）

选择性催化还原技术（SCR）的工作原理以32.5%的尿素水溶液为还原剂根据柴油机的运行工况通过计量泵向SCR前端喷射尿素水溶液，尿素水溶液经过雾化、蒸发、热解、水解最终生成NH3，进入SCR在催化剂的作用下经过化学反应最终把尾气中NOx污染物反应生成无毒无害的N2和H2O分子，Topsoe等人介绍了电子转移反应的大致历程如图1所示。

1.1 SCR催化器内的主要反应化学式

①4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

②2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O

③4NH3+5O2→4NO+6H2O

④4NH3+4NO+3O2→4N2O+6H2O

①式称为标准SCR反应是柴油机尾气NO还原成N2最主要的反应过程，②式称为快速SCR反应其优先级要优于标准SCR反应，尾气中NO2主要通过此反应进行还原。③、④属于SCR催化器内的副反应，主要发生在高温环境中，严重制约了NOx的转化效率[2]。

2  SCR系统数值模拟

2.1 SCR系统计算模型

利用Solidworks进行SCR系统的结构设计并建模，并导入CFD流体计算软件进行网格划分，图2为所研究的SCR系统网格模型，主要包括尿素热解、NH3与尾气混合、NOx催化反应三部分，其中混合器部分为选装部分[3]。

2.2 NH3均勻性评价指标

本文主要参考Hermam Weltens等人对NH3均匀离散性的评价方法进行研究[4]，在催化器前端的截面上沿径向方向取n个NH3浓度测量点（n取值越大测量结果越精确），利用催化器前端截面NH3浓度的离散程度对NH3与尾气混合的均匀性进行量化。截面浓度的标准差公式为，其中c表示该截面NH3平均浓度，ci截面中径向上第i点的NH3浓度，σ的值越小表明NH3与尾气混合的越均匀。

2.3 仿真实验过程及结果分析

本文通过对混合器的选择进行唯一变量仿真模拟，首先进行不加装混合器的在仿真实验，其变量为排气温度，模拟排气温度为200/280/350/400/450℃下NH3浓度分布的特征;加装波浪状混合器后进行同样的仿真实验，对比观察NH3浓度分布的不同点[5]。选取典型工况下排气温度为350℃下SCR前端截面的NH3浓度分布如图3所示。

由图3可知SCR处理系统在加装混合器后，其SCR前端的NH3浓度分布更加均匀，SCR入口处NH3与尾气混合的越均匀，SCR内部的催化反应效率越高，本文通过五个不同温度下的工况进行数值模拟，分别在加装波浪型混合器与不加装混合器的情况下进行仿真实验，NOx的转化效率如图4所示，实验表明柴油机尾气后处理系统在加装波浪型混合器的情况下其NOx的转化效率可以有效提高5%左右。

3  结论

本文通过CFD软件进行SCR后处理仿真实验，通过改变混合器唯一变量，分析其对NH3与尾气混合的均匀性和NOx转化率的影响，主要结论如下：

①加装波浪型混合器可以有效改善NH3与尾气混合的均匀性;

②加装波浪型混合器相比不加装混合器的SCR后处理系统NOx转化率可有效提升5%左右。

参考文献：

[1]张东剑，马其华，任洪娟，张璐璐.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（04）：299-305.

[2]陈镇，陆国栋，赵彦光，胡静，周小燕，帅石金.柴油机尿素SCR氨分布均匀性的试验与模拟优化[J].车用发动机，2012（01）：41-45.

[3]Ingrit Castellanos.， Olivier Marie. An operando FT-IR study of the NOx SCR over Co-HFER and Fe-HFER using acetylene as a reducing agent[J]. Catalysis Today， 2016.

[4]Weltens， BresslerH， TerreH，etal. Optimization of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction[C].SAE Paper930780，1993.

[5]周健，阎维平，石丽国，孔凡卓.SCR反应器入口段流场均匀性的数值模拟研究[J].热力发电，2009，38（04）：22-25.