紧凑型SCR系统结构设计及仿真研究

吴 迪，倪计民

（同济大学 汽车学院，上海 201804）

与EGR系统相比，SCR技术因其燃油经济性好，且具有良好的耐硫性，已成为中国的重型柴油车在国Ⅳ阶段主要采取的技术路线［1］。在桶式封装的SCR系统中，出于混合距离的需要，还原剂喷嘴与载体之间要留出足够的混合距离［2］。喷嘴与载体封装的集成度低，不利于节省车身布置空间，还会带来产品配套时需针对具体车型的排气管路匹配设计喷嘴的形式及其布置位置和角度的麻烦。针对以上问题，SCR系统结构设计中出现了众多以“紧凑”为特点的解决方案［3］。这些方案提高了SCR系统喷嘴和载体封装的集成度，有利于模块化设计。

本文研究了桶式封装SCR系统的结构特点和设计趋势，并针对近来出现的一种紧凑型桶式SCR系统封装结构进行研究，以保证系统具有良好的空气动力学性能和有效限制背压增量为目的，利用流体力学计算（CFD）软件Fluent对载体封装包内的螺旋叶片混合器前后流场的流动特性进行模拟计算及结构改进设计，为催化转化器结构布置和设计提供了预测性的意见。

1 SCR系统封装结构设计方案

1.1 现有SCR系统结构形式

如图1所示，现有的桶式SCR系统封装的两端分别为一个锥形扩口和一个锥形收口，其上、下游分别连接着排气管及排气尾管。喷嘴布置在锥形扩口上游的排气管上。混合器通常呈中心对称的叶片状，其常被布置在喷嘴下游，锥形扩口之前的排气管中。混合器的作用是通过对气流的扰动促进还原剂与废气的混合。研究表明，不设混合器时，混合距离L需达到5~8倍排气管管径才能在载体入口端面获得理想的还原剂分布均匀度［4］。而设置混合器时，还原剂流经200mm处轴截面上的分布均匀度相当于未装混合器时流经500mm处轴截面的分布均匀度［5］。使用混合器会给排气系统带来一定的背压增量，而通过对管道结构和混合器的优化，可以把背压控制在可以接受的范围内。

1.2 新的紧凑型SCR系统结构形式

桶式封装的紧凑型SCR系统希望喷嘴与载体的布置距离更近，甚至将喷嘴直接布置在载体封装之上。这样做有两点好处：①省去SCR系统与具体车型匹配时要根据不同排气管路走向来选择喷嘴形式和布置位置的麻烦；②由于喷嘴与载体距离的缩短，载体可更接近排气门，SCR反应气的温度相对得到提升，促进了反应进行。

图2是一种桶式封装SCR系统的紧凑型设计思路。由于载体封装包的直径一般为排气管道直径的4～5倍，因此在载体入口前端的封装包内利用同样长度的轴向距离能获得相比排气管道更大的设计空间。在这种更大的设计空间中进行得当的设计，有可能更好的提升还原剂和废气在同等轴距下的混合均匀程度，从而使喷嘴能够布置得更接近载体。

在这种紧凑型结构设计思路下，Eduardo Alano等人在上述的设计空间中引入了一种螺旋叶片结构［6］，将设计空间由直通型通道隔成了螺旋型通道，如图3所示。这种螺旋结构能对还原剂及废气的混合产生极好的促进作用。使用这种结构时，喷嘴布置在3号位置时依然能够在载体端面获得可以接受的还原剂浓度分布均匀度。

与桶式封装SCR系统典型结构对比，可以发现，螺旋叶片结构的本质是一种混合器，相比排气管中的混合器，它对气流扰动的程度更大。不同的是，排气管中的混合器一般为中心对称的几何结构，气流流经混合器前后，在排气管的轴截面上都呈现出中心对称状分布。但是，因为螺旋叶片出口位置是偏向壁面一侧的，所以气流经过这种混合器后，在载体入口端面上很可能分布不均。因此，对于这类紧凑型SCR系统封装结构设计，有必要对气流在载体入口端面上的分布均匀度做结构调整和优化。

2 催化转化器的CFD建模

重型柴油车车体空间和排量都相对较大，更多情况下会采用箱式封装。相比之下，中小型柴油车的车体空间较小，常采用桶式封装SCR系统，并对系统的紧凑性要求更高。本文以一款匹配3.3 L排量柴油机的SCR系统为CFD仿真计算及研究的对象。该系统载体半径100mm，长232mm，衬垫厚6mm，进口锥角 30°，出口锥角 60°。

2.1 结构优化设计方案

以提升载体入口端面处气流分布均匀程度和限制螺旋叶片混合器带来的系统背压为目标，设计了三种具体形式的螺旋叶片结构。如图4所示，方案a为原型叶片；方案b为在螺旋叶片出、入口处拓了半径30 mm半圆孔，目的是加宽螺旋流道出入口流通截面积，减小气阻；方案c为在螺旋叶片入口及出口处打了一系列直径12mm的小圆孔，使从小孔进入螺旋流道的气流跟从入口进入螺旋流道的气体发生相互扰动，促进混合，同时也可以减小气阻。

2.2 网格划分

在CFD计算中，网格单元的类型对计算精度和计算效率有重要影响。六面体单元具有变形特性好、计算精度高、收敛速度相对较快的特点，在数值模拟计算中具有其他网格类型无法比拟的优势，但六面体网格的划分比较复杂，不适用螺旋流道等难以分块的结构。

本次计算采用四面体网格及六面体网格混合划分的方式。首先使用CATIA绘图软件对整个SCR催化转化器进行造型，提取表面后单独保存生成model文件，再将此文件导入ICEM网格划分软件中进行处理。处理时将SCR系统分成三部分：第1部分为排气管与进口锥；第2部分为螺旋叶片混合器；第3部分为载体、衬垫、出口锥和排气尾管。其中，对第2部分采用八叉树算法进行四面体网格划分，并使用ICEM的面网格相关设置工具对螺旋叶片表面做了细化处理。对1、3部分做了六面体网格划分。这三部分网格通过人工耦合的方法合并组成了这次计算的完整网格。其中1、2部分和2、3部分的接合面将在Fluent里设置成interface交接面，以确保网格流体区域的流通。图5是网格拼接之后中轴面的截面图。

2.3 边界和初始条件

入口边界设置为mass-flow-inlet，流体介质设为N2，并假设进入SCR系统入口的气体是均匀分布的，且仅沿轴线方向流动。由于此次研究的SCR系统匹配的是一台3.3 L柴油机，而从这台柴油机的外特性试验数据中得到该机从1000 r/min到3200 r/min的排气流量及排气温度变化范围分别是111 kg/h到569 kg/h和340℃到550℃，故将本次仿真的入口质量流量范围限定为100 kg/h到600 kg/h，流体温度范围限定为300℃到600℃。

出口边界设置为pressure-outlet，假设出口绝对压力为大气压，表压即为0 Pa。

壁面热边界设置为混合类型，热传导系数、自由流温度、外部发射率以及外部辐射温度设置为7 w/m·k、298 k、0.3、298 k。

2.4 数学模型

SCR系统内气体流动分为自由流动区和反应区（蜂窝载体）两部分，反应区又分为气相流动区（蜂窝孔）和固相区（载体壁），计算中将反应区作为多孔介质进行模拟。本次仿真侧重考察结构对流场的影响，而化学反应对流场影响较小，故在反应区只考虑蜂窝结构对流体的阻滞作用，而不涉及化学反应。

气体流动的多维数值模拟一般应用质量、动量、能量守恒方程，组分平衡方程，理想气体状态方程及湍流流动模型。计算为稳态过程，认为流动不随时间变化，计算中采用SIMPLE算法和Realize k-ε湍流模型。

3 计算结果对比分析

3.1 流道结构对流场的影响

图6 是a型螺旋叶片混合器在入口质量流量为300 kg/h、温度为300℃的边界条件下的流场视图。可以看出，螺旋流道延长了气流到载体入口端面的途经距离，并且螺旋流道内产生了明显的涡流，这将促进废气与还原剂的混合。另外，气流在流出螺旋流道时产生贴壁面的螺旋流动，载体入口端面与螺旋流道出口之间应留出一定的轴向距离使气流在载体入口端面上尽可能均匀分布。

桶式封装SCR系统的流场的特点通常是中轴线附近流速高，周围近壁面处流速低，因此会出现载体中心利用率高于周围的情况。从平均载体内径向方向上流速，进而提高载体利用率的角度考虑，应提高排气在载体入口端面处的速度轴向分量的均布程度。故引入速度分布均匀程度评价指数Gamma来评价气流在载体入口端面的分布均匀程度［7］，其定义如下：

式中：vi为某一点的当地流动速度；vmean是截面平均流动速度，计算式如下：

由于载体入口端面处气流径向速度分量很大，而载体内部截面上的气流速度以轴向分量为主，为简化计算，以载体中截面上的气流速度为分析对象。对不同入口气流温度和不同入口质量流量条件下载体中截面的速度分布均匀程度分析计算发现，温度对载体中截面上气流速度分布均匀程度无明显影响。而随着入口质量流量的增加，载体中截面上气流速度分布均匀程度逐渐降低。

如图7所示，方案a的γ指数降低速度最快，在入口质量流量低于200 kg/h时，还能保持在0.88以上，而在入口质量流量大于400 kg/h时，γ值降低到0.80以下。方案b的γ值降低的趋势与方案a保持一致，只在各个工况点上有略微的提高。改进后的方案c其γ值的降低趋势明显趋缓，总体保持在0.86以上，载体中截面上气流速度分布均匀程度较其它两种方案更优。

图8为载体中截面的速度云图，从中可以看出，由于螺旋流道的出口位置和其自身的结构特点，载体中截面上的速度分布情况由不含混合器时的中心高周围低变成含混合器时的中心低周围高。方案a和方案b在中轴线附近速度过低，不利气流的均匀分布，而方案c改善了这种情况，提高了载体中截面上的速度分布均匀程度。

3.2 压力比较

仿真计算中考察了SCR入口边界inlet处的表压值随不同方案和不同工况的变化情况。发现在整个计算工况内由于螺旋叶片混合器而引起的背压增量最高达到3.7 kPa（方案a），而在对方案a做出改进后，方案b和方案c则能明显降低背压增量。其中方案c在流道出入口分别开辟总面积占管道截面积5.7%的小孔后，压力增加量最高只有2.1 kPa，相比方案b下降了43%。

3.3 还原剂分布均匀度

Eduardo Alano等人的研究表明在方案a中将喷嘴布置在3号位置时，采用公式（1），将速度替换成还原剂浓度后得出的还原剂分布均匀度值可达到0.95以上［6］。而经过计算，方案b和方案c的还原剂分布均匀度值在各工况下也能保持在0.85以上，其中方案c的值在各点均高于方案b。

4 结论

（1）利用CFD技术对SCR系统内部流动性能的数值模拟，可以获得大量流场信息，为催化器的结构优化设计提供充分的理论指导，另一方面也大大降低了实际试验的工作量。

（2）混合器的螺旋结构改变了载体截面上的气流速度分布特点，气流速度由不含混合器时的中间高周围低变成含混合器时的中间低周围高。

（3）对螺旋叶片做适当的开孔处理既可以有效降低气阻，限制背压增量，又可以在保证载体截面上还原剂分布均匀程度的同时优化气流的分布均匀程度。

［1］帅石金，唐韬，赵彦光，等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望 ［J］.汽车安全与节能学报，2012，（3）：200-217.

［2］ Timothy V.Johnson.Review of Diesel Emissions and Control［R］.SAE Paper，2010-01-0301.

［3］尹和俭.紧凑式SCR净化消声装置设计与仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2010.

［4］帅石金，张文娟，董红义，等.柴油机尿素SCR催化器优化设计［J］.车用发动机，2007，（1）：44-47.

［5］陈镇，赵彦光，陆国栋，等.柴油机尿素SCR混合器的设计与数值模拟研究［J］.小型内燃机与摩托车，2011，（1）：57-60.

［6］ Eduardo Alano， Emmanuel Jean， Yohann Perrot， et al.Compact SCR for Passenger Cars ［R］.SAE Paper，2011-01-1318.

［7］ GuanyuZheng，Guenter Palmer，Gabriel Salanta，etal.Mixer Development for Urea SCR Applications ［R］.SAE Paper，2009-01-2879.