欧VI柴油机SCR混合器数值模拟与优化

许小伟，王 潇，钱 枫，胡 蝶，张广智，许利芝，曲 洋

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北 武汉，430065；2.济南汽车检测中心有限公司，山东 济南，250102；3.中国重汽集团汽车研究总院，山东 济南，250002；4.烟台市环境监控中心，山东 烟台，264003)

选择性催化还原(SCR)技术是当今减少柴油车NOx排放的主流技术，具有NOx转化效率高、抗硫中毒能力强等特点[1-2]，但由于满足欧VI排放标准的柴油机排气温度相对较低，而低温下SCR系统的NOx转化效率不高，因此，如何提高低温下NOx的转化效率是当前SCR技术研究者重点关注的热点问题[3-7]。已有研究表明，在Urea-SCR系统中添加混合器可提高催化剂入口处NH3的均匀性，并降低生成沉积物的风险，从而提升SCR系统的低温性能[8-9]。在SCR系统中，喷嘴和混合器之间的管道为分解区域，混合器与SCR系统之间的管道为混合区域。SCR系统的低温性能(<200 ℃)主要受尿素蒸发及水解时间限制，添加高性能混合器能缩短分解/混合区域的长度，减少尿素消耗，使SCR系统低温性能得到有效提升。Zhan等[10]设计的新型混合器实现了尿素的低温喷射(180℃)，与无混合器系统相比，添加该新型混合器的柴油机在冷态全球统一瞬态试验循环(WHTC)时的NOx排放量明显降低。在Alano等[11]设计的紧凑型混合器中，分解/混合区域长度仅75 mm，远小于大多数商用SCR系统的尿素混合区域长度(350 mm)，使得SCR催化剂更靠近发动机，有助于提高SCR反应温度并增大NOx转化效率。Floyd等[12]研究发现，优化混合器后的SCR系统在更少的尿素喷射量条件下就能获得与其优化之前相同的NOx转化效率。从化学角度来看，优化混合器并没有造成NH3生成量明显增加，其促进SCR系统中NOx转化的关键在于催化剂入口处排气流速和NH3均匀性得到大幅提高。此外，Floyd等的研究还证实，叶片式混合器中叶片角度的增大能提高催化剂入口处NH3的均匀性，同时也会增加混合器的压降，这表明，对于SCR系统混合器而言，其混合效率与压降之间存在权衡关系，高混合效率会加剧混合区域的湍流运动，导致系统背压升高。鉴于目前一些欧VI柴油机SCR系统混合器仍存在NH3均匀性较低、尿素热解不彻底等实际问题，为了充分发挥SCR系统混合器的效能，本文拟以某欧VI柴油机SCR系统混合器为研究对象，建立相应的计算流体动力学(CFD)仿真模型，对SCR系统混合器结构进行优化，确定最佳优化方案，并借助台架试验对优化方案进行验证，以期为实际生产中欧VI柴油机SCR系统混合器的优化设计提供参考。

1 混合器的CFD仿真模拟

1.1 CFD仿真模型的构建

以某欧Ⅵ柴油机SCR系统混合器为研究对象，其在WHTC及全球统一稳态测试循环(WHSC)中的欧Ⅵ排放指标测试结果如表1所示。由表1可知，该混合器的NOx排放量和NH3平均泄漏量较大，且经过计算，其催化剂入口平面处的NH3浓度分布均匀性指数γ[13]平均值仅为0.6，处于较低水平，NOx还原率接近80%，表明该柴油机SCR系统性能并未得到充分发挥。为此，利用AVL-Fire软件采用A、B两种方案对该柴油机SCR系统混合器导流板及穿孔板结构进行CFD优化，通过调整导流板的位置和数量、叶片的角度来优化尿素液滴的分解，借助改变穿孔板结构和孔数量以改善SCR系统入口处NH3的浓度分布均匀性。……