柴油机SCR系统尿素喷射的CFD分析

柴油机SCR系统尿素喷射的CFD分析

王毓琨

（潍柴动力股份有限公司技术中心，山东省潍坊市民生东街26号）摘要：采用FIRE软件对柴油机SCR系统尿素喷射过程进行了三维数值模拟，简单介绍了数值仿真过程，对尿素喷射设角度进行了分析和优化，并对尿素喷射设位置的选择进行了研究。

关键词：SCR；CFD

主要软件：A VL FIRE

1. 前言

全球环境的不断恶化，使各国对汽车废气排放法规日益严格，目前我国已经实施国III 排放法规，随着时间的推移，国IV排放法规的实施也将提上日程，这样极大推进了柴油机SCR系统的研发，本文将简单介绍一下CFD方法在SCR系统的设计开发中的应用。

2. 计算模型

图1为某国IV柴油机SCR系统示意图，SCR系统包括增压器至催化转化器之间的整个排气管路和SCR催化转化器，本文中计算模型只选取增压器至催化转化器之间的整个排气管路；在排气管上有两个尿素喷射位置可以选择，设为位置1、位置2。CFD的计算目的是：观察喷雾雾化情况，选择合适的喷射位置，优化喷射角度。

图1 国4柴油机SCR系统示意图

网格划分采用FAME技术，自动生成Fame Advanced Hybrid网格，网格的质量、大小直接影响计算的正确性和收敛性，因此采用3D Objects的Ogl_Line对尿素喷射区域进行了网格细化，如图2所示，并对网格依赖性进行了研究，选择最合适的网格尺寸。

位置1计算模型如下图3所示：

位置2计算模型如下图4所示：

图4 位置2 计算模型

3. 边界条件

计算分析选取A25、B50、C100三个典型工况进行计算。部分边界条件设置见表1。

表1

对于尿素喷射的仿真，边界条件如：液滴喷射速度，喷雾锥角，液滴直径数量百分比分

布等，均按零部件供应商提供数据进行设置。

4. 计算分析

尿素溶液喷入排气管的废气中，对于其入射角度的选择非常关键，入射角度定义下图5所示，箭头为尿素喷雾锥角的中心线（Spray axis ）。

图5 入射角度定义

排气管中，废气温度很高，尿素溶液喷入废气中，直径小的液滴会很快气化，直径大的液滴则需要一段时间才能气化，排气管中，废气气流速度很高，直径小的液滴很容易受废气气流速度影响而改变运动轨迹，直径大的液滴受影响程度小一些。

当入射角度过大时如图6所示，直径较大的液滴受废气气流速度小影响，容易撞到对面弯管上；管壁温度相对较低，部分液滴在管壁上吸热气化使管壁温度进步降低，容易形成结晶如图6左下角，蓝色圈内为形成结晶的位置，两个蓝色圈是同一个位置，不同之处是一个是仿真结果一个是实物。图6的右边为排气管中尿素喷射位置处实物照片，其中的铁杆表示尿素喷雾锥角的中心线（Spray axis ），在实际工作中不存在铁杆。

图6 入射角度过大导致的结晶

工况点

出口压力

bar

温度 ℃ 喷射持续

时间ms A25 1.02 257 36 B50

1.07 338 113 C100

1.18

544

153

结晶的形成还与柴油机的运行工况有关，在低温、低负荷时，由于气流速度较低，对液滴的运动轨迹影响不太大；使得直径较大的液滴撞到对面弯管上；而在高温、高负荷时，由于气流速度较高，对液滴的运动轨迹影响较大，将液滴吹向弯管外侧下游管壁附近，也容易生产结晶物，因此合理的选择入射角度非常关键。图7为相同工况下，不同入射角度喷雾仿真结果对比，其中右边图的入射角度较小，左边图入射角度较大。

图7 不同不同入射角度入射角度入射角度喷雾仿真结果对比喷雾仿真结果对比

通过CFD 计算分析可以得到的比较合理的入射角度，其在不同工况下的喷雾仿真结果如

下图8所示。

图8 合理选择入射角度

对于尿素喷射位置1、2的选择主要看液滴的雾化情况，雾化情况好对后面在蜂窝结构中

的化学反应将会非常有利，CFD计算仿真结果显示，两个位置SCR系统都能较好的实现雾化，两个位置都可选择。

5. 结语

（1）通过FIRE的计算仿真，能比较迅速的确定合理的喷雾入射角度，并且与试验结果具有较好的一致性。

（2）作为CFD三维仿真工具，FIRE软件使用方便、可靠，是很好的柴油机设计开发的辅助工具，能更快的找到最优方案，节约开发成本和开发时间。

参考文献

[1] A VL, "AVL FIRE8.5 Theory", 2006