柴油机SCR 喷雾及排气管路CFD 计算.PDF

STAR 2015  中国用户大会论文集 柴油机 SCR 喷雾及排气管路 CFD 计算 钟博，杨海涛，夏兴兰，朱明健 （中国一汽无锡油泵油嘴研究所，无锡 214063） (Tel:0510 Email:zbo@) 摘要 ：本文基于耦合喷嘴流动方法建立了 SCR 喷雾计算模型，在该基础上建立了 SCR 排气管路 CFD 计算模型，对 SCR 工作过程液滴碰壁及管路壁面液膜形成进行分析。研究了排气管结构及喷嘴布置对壁面液膜的影响规律，表明 在允许的条件下尽量增大喷嘴伸出高度，可有效减少壁面液膜的形成；喷射角度的增大可减少排气管壁面和喷嘴安 装法兰区域的液膜；喷嘴座锥度的增大有利于喷嘴座内液膜的减小，但排气管壁面液膜有所增大。 关键词：SCR 喷雾，液膜分布，管路优化 0 前言 随着发动机排放法规的日趋严格和对污染问题的重视，缸内燃烧产生的 NOx 排放的降低越来越 受到重视。尿素选择催化还原 （ Urea-SCR ）技术是降低柴油机 NOx 排放最有效的后处理技术之一， 采用 SCR 技术可实现降低柴油机排放的同时保证较好的燃油经济性。 SCR 喷嘴通常安装在排气管的弯管段或直管段，但是无论何种安装位置都应该避免喷雾液滴的 碰壁现象，因为喷雾液滴碰壁后在管壁上形成的液膜液膜挥发，会导致壁面温度的降低而形成结晶 物，从而影响 SCR 系统 NOx 转化效率和使用寿命。当前结晶分析中，由于结晶出现周期较长，采 用试验研究的方法成本较高效率低；目前国内外 CFD 计算成为应用较广泛的研究手段[1,2]，通过对 排气管流动与 SCR 喷雾、蒸发及碰壁过程的计算，可对 SCR 系统结晶风险进行预测，并进而为 SCR 系统布置和结构优化提供指导。 本文采用耦合喷嘴流动与喷雾的方法替代传统的喷雾计算方法，并基于耦合喷雾计算方法建立 了 SCR 系统排气管路的 CFD 计算模型，计算中以 32.5%尿素水溶液为介质。文中首先借助喷嘴流 量测试和马尔文试验对喷雾计算模型进行标定；然后分析了排气管液膜形成过程和出现液膜的区域， 并通过改变喷嘴伸出高度、喷射角度和喷嘴座锥度，研究了排气管喷嘴座内液膜分布的变化规律， 为优化喷嘴布置降低排气管路的结晶风险提供参考。 1 喷雾模型 1.1 喷嘴流动计算 本文计算对象为无空气辅助式喷嘴，分别在喷射压力为 5bar、7bar、9bar 下开展了喷嘴的内部 流动计算。图 1 所示为喷嘴流动计算所得不同喷射压力下喷嘴平均速度计算结果与试验结果的比较， 由图可知，喷射压力为 5bar 时两者相对偏差最大为 4.4% ，在喷射压力 7bar 下相对偏差最小为 2.5% 。 由于计算所用几何模型与真实油嘴在结构上存在一定的偏差，且介质物性易受受环境影响而发生变 化，因此导致以上偏差的出现。但比较不同喷射压力下平均速度的计算表明偏差均在 5% 以内，且 随喷射压力变化，平均速度变化趋势与试验一致，因此可认为计算模型准确可靠，流动计算结果可 用于后续的喷雾计算。 STAR 2015  中国用户大会论文集  30 试验结果 25 计算结果 s / m 20 度 速 15 均 10 平 5 0