文档介绍：紧凑型SCR系统结构设计及仿真研究
摘要:研究了SCR系统结构设计的发展趋势,在一款紧凑型SCR系统结构设计基础上进行结构改进,并采用计算流体力学(CFD)软件Fluent对螺旋叶片混合器进行流场分析,引用均匀性评价指数Gamma评价了不含混合器、含混合器及混合器结构改进后的载体轴截面上的气流分布均匀性,发现螺旋叶片混合器改变了气流速度在载体截面上的分布特点――轴线至壁面流速逐渐升高,另外在螺旋叶片出入口适当开孔可以降低由混合器引起的排气背压增量,并且对气流在载体截面上的分布均匀性起到促进作用。
关键词:柴油机;SCR;混合器;CFD
中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1005-2550(2013)02-0031-05
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
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200 mm处轴截面上的分布均匀度相当于未装混合器时流经500 mm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。
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。 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100 mm,长232 mm,衬垫厚6 mm,进口锥角30
°,出口锥角60°。
结构优化设计方案