对重型柴油机SCR系统进行布置优化

xiaozhiqiang

图1  SCR系统网格和边界条件位置图

在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。

计算物理模型及边界条件

整个SCR系统的网格特点和边界条件位置如图1所示。其中管路采用六面体和O-grid网格，SCR载体内部采用四面体网格，SCR系统中的载体和插孔管利用多孔介质来模拟。
尿素水溶液喷雾模拟是一个复杂的过程，其中包括液滴的雾化、破碎、蒸发、液滴与气体能量动量交换、粒子撞壁过程及液膜形成等。一般采用DDM方法来描述离散液滴分布，它不考虑全部液滴，而只处理其中若干具有代表性的样本。每个样本都代表一定数量的、大小和状态都完全相同的液滴。用拉格朗日方法跟踪这些液滴样本的运动，即求解描述其运动轨迹和传热传质过程的一组微分方程。Reitz/Diwakar的破碎模型用来模拟破碎过程。尿素水溶液的特性按照SAE上提供的物理特性来设置。本次计算没有考虑尿素水溶液的水解、热解等化学反应特性，以水蒸气的分布来代替NH3的分布。

计算结果分析

SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。在国Ⅳ柴油机的开发过程中，相当多的工作是对混和管进行优化设计。本文主要利用CFD工具对两个喷射位置不同喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。图2中的红色线条代表喷射方向与水平方向一致，蓝色线条代表喷射方向向下偏离水平方向5°，绿色线条代表喷射方向向下偏离水平方向10°。

图2  在某一位置不同的喷射方向

优化后粒子轨迹

计算表明在低负荷时，粒子轨迹受排气流的影响较小，粒子沿着喷射方向运动，与壁面碰撞的粒子数量少。但是在大负荷下，粒子受排气流的影响较大，粒子被吹向管道的一侧，容易在壁面形成液膜。由于喷射的粒子大小不一，体积较小的粒子最容易被吹偏。
结晶主要出现在小负荷的情况下，此时排气流量速度低，对粒子的运动轨迹影响小。如果安装角度偏差，粒子就会与管道壁面碰撞，出现结晶现象。而对于大负荷，虽然气流对粒子轨迹影响大，尤其是对小直径的粒子，但是由于排气温度高，粒子溶液蒸发，就是碰撞到管道壁面，也会很快蒸发，而不会结晶。高温管道壁面对粒子起到加速蒸发的作用。但是如果粒子沉积后降低了壁面温度，则壁面对粒子起到冷却的作用，更容易发生沉积结晶现象。

载体入口的速度及压力分布

催化载体入口的速度分布是否均匀直接影响催化剂的催化转化效率。流速不均匀会在载体中心区域产生过高的气流速度和温度，加剧催化剂的劣化速度，缩短其使用寿命。另外，流速分布不均匀还会导致载体径向温度梯度过大，产生较大的热应力梯度，产生热疲劳破坏。通常利用速度均匀性系数来评价入口的速度是否均匀。速度均匀系数越大，入口的速度越均匀；系数越小，速度分布越不均匀。通常需要速度均匀系数在0.8以上。

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关于重型柴油机SCR系统布置优化方案：

一、概述

针对重型柴油机选择性催化还原（SCR）系统布置进行优化，旨在提高系统效率、降低排放并优化整体性能。

二、优化措施

1. 空间布局优化：通过精确的三维建模与仿真分析，优化SCR系统与其他关键部件的空间布局，确保气流均匀、减少排气阻力。
2. 管道设计改进：对排气管道进行优化设计，以减少气流扰动，提高SCR系统反应效率。
3. 安装位置调整：根据柴油机工作特性，合理调整SCR系统安装位置，以优化系统工作温度范围。

三、预期效果

通过布局优化，预计可提高SCR系统效率，降低油耗及排放，增强整车性能。我们将严格按照工程标准执行，确保优化方案的可行性与可靠性。