CN112084725B - 一种柴油内燃机scr混合器性能的评价办法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柴油内燃机SCR混合器性能的评价办法。包括获取相关参数，建立尾气流体域模型并导入计算流体力学CFD仿真计算工具，计算获得各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场的涡度、流速、压力、温度分布场，进一步计算获得热气流场螺旋度H的分布，通过对特定工况条件下混合器内热气流的流动螺旋度H和流动动态压力Pd的分布情况，对柴油内燃机SCR混合器的结构构造做出性能评定。本发明通过分析特定工况条件下SCR混合器内热气流的流动螺旋度和流动动态压力的分布情况，对SCR混合器的结构构造做出性能评定，不仅能够简单、快捷、有效地指导SCR混合器的设计开发，亦能够大大提高SCR混合器的设计质量，缩短设计开发周期，降低生产制造成本。

Description

一种柴油内燃机SCR混合器性能的评价办法
技术领域
本发明涉及柴油内燃机尾气后处理的SCR混合器设计开发技术，具体涉及一种柴油内燃机尾气后处理的SCR混合器性能评价办法。
背景技术
为减少国内柴油内燃机尾气的氮氧化物NOX排放，在柴油机内燃机的排气后处理系统中普遍采用了选择性催化还原SCR技术，以满足目前柴油内燃机尾气排放实施并满足国VI排放标准中规定的要求。选择性催化还原SCR系统的工作过程是将尿素水溶液通过尿素喷射泵和喷嘴喷入柴油内燃机的排气管中，尿素水溶液在排气管中下加速雾化并热解分解成为氨气，与柴油内燃机排出的热尾气混合后进入SCR催化转化器；氨气与柴油内燃机热尾气中的氮氧化物NOX在催化器内催化剂的作用下发生化学反应，生成氮气N2，从而消除或降低柴油内燃机热尾气中氮氧化物NOX的含量，达到与满足国VI排放法规标准中规定的排放要求。
SCR混合器的作用是需要在较小有限的空间中，通过SCR混合器的静态结构构造，实现充分利用柴油内燃机的热尾气热气流对尿素喷嘴喷射的尿素水溶液液滴进行传送、破碎、雾化，从而完成了尿素水溶液的充分雾化并热解生成氨气，并实现氨气与热尾气的均匀充分参混。现有SCR混合器工作过程中都存在尿素水溶液热解后生成的氨气与柴油内燃机排出的热尾气混合不均，导致氨气转化率低同时在排气筒壁面与SCR催化器入口端面上形成大量的尿素结晶，引起SCR催化器堵塞等若干问题。
现有柴油内燃机尾气后处理的SCR混合器混合效能评判指标采用热解生成的氨气NH3在SCR催化器前端面上的分布均匀性、热尾气内NOx的转化率、SCR混合器的压力损失对SCR混合器混合效能进行评价，对于SCR混合器内与SCR催化器前端面的尿素结晶这一重要问题尚没有技术指标用来进行评判。至今尚没有一种有效的针对柴油内燃机尾气后处理装置内的SCR混合器性能进行评价的指标和评价办法，无法在SCR混合器设计开发的初期对SCR混合器结构设计构造质量进行评价。
发明内容
本发明根据现有柴油内燃机尾气后处理SCR混合器设计开发技术的需要公开了一种柴油内燃机尾气后处理SCR混合器的性能评价办法。本发明目的是提供一种能够快捷、有效地指导混合器的设计开发，提高混合器的设计开发质量与性能的评价办法。
本发明实现的技术方案如下：
本发明给出的柴油内燃机尾气后处理SCR混合器的性能评价办法的特征在于：采用计算流体力学CFD计算工具通过计算获得柴油内燃机的尾气热气流在SCR混合器混合腔室内形成具有显著螺旋性流动特征的三维热气流场的流动螺旋度H和流动动态压力Pd(动压)，来表征与衡量SCR混合器内三维热气流场的螺旋性流动特征，并以此作为评判SCR混合器性能的技术指标，具体的实现步骤如下：
Step 1、获取柴油内燃机尾气排放的相关参数，包括各个工况点的排气量和排气温度；
Step 2、根据SCR混合器的3D数模建立尾气流体域模型并导入计算流体力学CFD仿真计算工具；
Step 3、利用CFD仿真计算工具计算获得各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场的涡度、流速、压力、温度分布场；
Step 4、依据Step 3得到的各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场CFD仿真计算结果(流场涡度、流速、压力、温度分布)，进一步计算获得热气流场螺旋度H的分布，通过对特定工况条件下混合器内热气流的流动螺旋度H和流动动态压力Pd的分布情况，对柴油内燃机SCR混合器的结构构造做出性能评定。
Step 5、柴油内燃机SCR混合器的混合效能评判。
本发明提出了SCR混合器内热气流场的流动螺旋度H和流动动态压力(动压)Pd，本发明技术方案中所述的热气流螺旋度H定义为热气流速度矢
Figure BDA0002673043820000031
和涡度矢点积的体积分，用来衡量热气流在进入混合器内时的强弱及沿入流方向的涡度分量，以反映热气流旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度；热气流螺旋度H不仅能够反映了热气流场的动力特征和热力特征，亦给出了整个热气流场的三维分布流动状况，通过热气流螺旋度H的三维分布(层次、范围、厚度)能够全面了解尾气混合器内热气流场的流速、压力、温度场状况。本发明技术方案中所述的热气流动态压力定义Pd为单位体积热气流运动所具有的动能，也是一种物理力，其表现是使得管内气流改变速度，具有方向性，其方向就是气流运动的方向。热气流动态压力Pd是热气流在流动过程中受阻时，由于动能转变为压力能而引起的超过流体静压力部分的压力，反映了热气流场的压力分布状况以及气流的运动现状、发展趋势。
为了定量地描述SCR混合器混合腔室内热气流的螺旋性流动特征，本发明给出的热气流场螺旋度H(Helicity)定义为热气流的流速
Figure BDA0002673043820000041
和涡度点积的体积分，计算表达式如下：
Figure BDA0002673043820000042
式中的
Figure BDA0002673043820000043
是热气流的三维流速矢量，
Figure BDA0002673043820000044
是热流场的涡度。
在SCR混合器全局Z坐标系中的SCR混合器内热气流场螺旋度H计算表达式为：
Figure BDA0002673043820000045
上式中u，v，w和ξ、η、
Figure BDA0002673043820000049
分别为热气流的三维速度矢量
Figure BDA0002673043820000046
和热气流的涡度矢量在(x,y,z)坐标系中的
Figure BDA0002673043820000047
三个方向上的分量。H1，H2，H3分别是螺旋度H在
Figure BDA0002673043820000048
三个方向上的分量。
由于在SCR混合器混合腔室内热气流场的沿旋转轴方向运动的流速变化不大，
Figure BDA0002673043820000051
和
Figure BDA0002673043820000052
相对于
Figure BDA0002673043820000053
和
Figure BDA0002673043820000054
来说很小，可以忽略不计，对上式进行简化处理可得：
Figure BDA0002673043820000055
式中的螺旋度H单位为m/s2。
热气流场螺旋度H是一个描述与反映SCR混合器结构内热气流场的三维流动特征和热气流场动力学的一个物理量，螺旋度H大小反映了热气流的旋转与沿着旋转方向运动的强弱程度，同时考虑了热气流的旋转、扭曲的特性。螺旋度H包括垂直螺旋度H3和水平螺旋度H12，同时考虑水平和垂直方向的输送作用。垂直螺旋度H3就是螺旋度H在垂直方向上的分量，即垂直涡度与垂直速度的积，水平螺旋度H12是螺旋度在水平方向上的分量，即水平风速和水平涡度的乘积。
水平螺旋度H12和垂直度螺旋度H3两者即相互区别又相互联系，而且相互影响，并不是孤立存在的，表现出不同的作用。垂直度螺旋度H3反映了热气流涡旋场的持续状况和系统发展的参数，水平螺旋度H12有助于垂直螺旋度的增长。
SCR混合器内热气流场的流动动态压力Pd是在指柴油内燃机排放出的热尾气进入SCR混合器内流动时，由热气流的流动与流体的动量所形成的压力，热气流因具有流动速度而具有的能量无损失地转化为压力时的压力升，即由热气流流速而产生的压力；只要SCR混合器内有热气流的流动，就具有移动的动压，其值永远是正。
热气流动压Pd的定义是热气流单位体积热气流流动所具有的动能，具有方向性，其方向是热气流的流动方向且恒为正。当热气流的流速为V(m/s),热气流单位体积质量为ρ(kg/m3),则热气流的动压Pd(Pa)：
Pd＝ρ·V2/2
在特定工况点状态下，柴油发动机的排气量和排气温度一定情形下，当内燃机的热尾气进入SCR混合器时，通过SCR混合器的结构设计与构成能够调整与控制SCR混合器内部的热气流流速和流向，在SCR混合器内部形成一个复杂的具有显著的螺旋性流动特征的三维热气流场，热气流流动螺旋度H和流动动态压力Pd(动压)在本发明中定义后用来表征和衡量SCR混合器内三维热气流场的螺旋性流动特征。
在具体应用时和实际场合情况下，在SCR混合器的结构构成、特定排气量、排气温度状况明确一定的情形下，采用计算流体力学CFD工具(AVL Fire、Open Foam.....)可以计算得到SCR混合器内部热气三维坐标系中任一点、面的流动螺旋度H和动压Pd值，以及热气流流动螺旋度H和流动动压Pd的分布状况，采用SCR混合器混合腔出气口后热气流流动上30mm处垂直方向上横断面的热气流螺旋度H和动压Pd两个技术指标来评判SCR混合器内内燃机热尾气与热解后生成的氨气NH3混合均匀性以及在SCR混合器壁面上与SCR催化器前端面的尿素结晶出现几率，并依据热气流的螺旋度H和流动动压Pd的大小，以定性方式与定量的方式对尾SCR混合器的混合性能进行判定。
SCR混合器的混合效能技术指标评判标准如下：
热气流螺旋度判定：
H≥H0＝650m/s2，判定为热气流螺旋度：强；
H≥H0＝360m/s2，视为热气流螺旋度：中；
H≥H0＝230m/s2，视为热气流螺旋度：弱。
热气流动压判定：
Pd≥850(Pa)，判定为流动动压：强；
Pd≥430(Pa)，判定为流动动压：中；
Pd≥260(Pa)，判定为流动动压：弱。
通过分析计算SCR混合器的静态结构与构造，即可得到特定工况下柴油内燃机尾气排放量与排气温度的条件下SCR混合器内热气流的的螺旋度H和流动动态压力Pd(动压)大小与分布情况，从而对SCR混合器的结构构造设计做出性能评判，快捷、有效地指导SCR混合器的设计开发，提高SCR混合器的设计质量，缩短开发周期、降低生产成本。
附图说明
图1是本发明给出的柴油内燃机SCR混合器性能的评价流程图；
图2是本发明SCR混合器实施例的结构构成示意图；
图3是图2中SCR混合器的热气流流向的示意图；
图4是图2中SCR混合器结构构成和热气流流向示意图；
图5是图2中SCR混合器混合腔6横截面的热气流螺旋流速场示意图；
图6是图2中SCR混合器混合腔出气口后30mm处横断面上热流体的螺旋度分布场；
图7是图2中SCR混合器混合腔出气口后30mm处横断面上热流体的动态压力分布场；
附图标记说明：1-SCR混合器壳体，2-尿素喷嘴座，3-进气端面板，4-进气腔，5-进气口，6-混合腔，7-均流盘，8-SCR催化器，9-出气端面板，10-出气口，11-导流板，12-膨胀混合腔，13-轴向档流板，14-径向档流板，15-均流叶片，16-壁板。
具体实施方式
下面结合附图1-图7以及具体的实施例对本发明进一步的详细描述说明，其中具体的实施方式是只是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明的技术精神与实质，凡是与本发明相同或类似技术均没有超出本发明申请保护的范围。
图1是本发明给出的柴油内燃机SCR混合器性能的评价流程图。本发明给出的柴油内燃机尾气后处理SCR混合器的性能评价办法的特征在于采用计算流体力学CFD计算工具，通过计算特定工况下柴油内燃机尾气排放量与排气温度的条件下SCR混合器内热气流的的螺旋度H和流动动态压力Pd(动压)大小与分布情况，来表征与衡量SCR混合器内三维热气流场的螺旋性流动特征，并以此作为评判SCR混合器性能的技术指标。
具体的实现步骤如下：
Step 1、获取柴油内燃机尾气排放的相关参数，包括各个工况点的排气量和排气温度；
Step 2、根据SCR混合器的3D数模建立尾气流体域模型并导入计算流体力学CFD仿真分析工具；
Step 3、利用CFD仿真计算工具(AVL Fire/OpenFoam...)计算获得各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场的涡度、流速、压力、温度分布场；
Step 4、依据Step 3得到的各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场CFD仿真计算结果(流场涡度、流速、压力、温度分布)，进一步计算获得热气流场螺旋度H的分布，通过对特定工况条件下混合器内热气流的流动螺旋度H和流动动态压力Pd的分布情况，对柴油内燃机SCR混合器的结构构造做出性能评定；
Step 5、柴油内燃机SCR混合器的混合效能评判标准：
SCR混合器混合腔室的热气流螺旋度判定：
H≥H0＝650m/s2，判定结果:热气流场的螺旋度强烈；
H≥H0＝360m/s2，判定结果：热气流场的螺旋度一般；
H≥H0＝230m/s2，判定结果：热气流场的螺旋度弱；
热气流场的动压判定：
Pd≥850(Pa)，判定结果:热气流场的流动动压强烈；
Pd≥430(Pa)，判定结果:热气流场的流动动压一般；
Pd≥260(Pa)，判定结果：热气流场的流动动压弱。
Step 4中CFD仿真计算得到的特定工况条件下CR混合器混合腔室内热气流的流动螺旋度H是气流速度矢
Figure BDA0002673043820000104
和涡度矢点积的体积分，表示热气流在进入SCR混合器混合腔室内内流速的强弱及沿入流方向的涡度分量，反映热气流旋转以及沿旋转轴方向运动的强弱，通过以下计算公式获得：
Figure BDA0002673043820000101
其中，H是热气流场的螺旋度，单位是m/s2；公式中u、v、w分别为热气流场的三维速度矢量
Figure BDA0002673043820000102
在(x,y,z)坐标系中的
Figure BDA0002673043820000103
三个方向上的分量。SCR混合器混合腔室内热气流的流动动态压力Pd是由热气流的流动与流体的动量所形成的压力；通过计算公式获得：Pd＝ρ·V2/2；式中Pd是热气流的流动动态压力，单位是Pa；V是热气流的流速，单位是m/s,；ρ是热气流单位体积的质量，单位是kg/m3。
图2是本发明SCR混合器实施例的结构构成示意图，图中未显示SCR混合器壳体1。SCR混合器包括混合器进气端面板3、进气腔4、进气口5、出气端面板9、出气口10、混合腔6。混合室6是一个由圆柱形筒形壳体1、进气腔4、进气口5、进气端面板3、出气端面板9、引流板11等构件构成，引流板11内侧壁面形成的具有收敛性流动特征的流道腔室，与混合器进气端面板3上的进气口5和出气端面板9的排气口10相连。柴油内燃机排出的热尾气气流从进气端面板3上的进气腔4通过进气口5进入混合腔6内部，在混合腔6内高速旋转与尿素喷嘴喷入的尿素水溶液进行参混，然后从混合器出气端面板9的排气口10高速喷射进入混合器后部的膨胀混合腔12，进行充分的混合与热解，最后穿过扰流板7上的扰流叶片15进入SCR催化器8，对柴油机排放热尾气中的氮氧化物作选择性催化还原化学反应，消除热尾气中的氮氧化物，达到与满足国VI排放标准的要求。如图所示，为了增强混合效果，在排气口10膨胀混合腔12侧设置轴向档流板13和径向档流板14。
图3是图2中SCR混合器的热气流流向的示意图。柴油机内燃机排出的热尾气从进气腔4经过进气口5进入混合器混合腔6内之后，沿着SCR混合器壳体1的内壁的导流板11进行高速旋转流动，与尿素喷嘴座2喷射进入的尿素雾化水溶液参混，并在混合腔6内高速旋转流动后，从混合器出气端面板9上的排气口10高速喷射进入混合器后端的膨胀混合腔12。
图4是图2中SCR混合器的结构构成和热气流流向的示意图。SCR混合器组件包括混合器进气端面板3、进气腔4、进气口5、出气端面板9、出气口10、壁板16。混合腔6是一个由筒形钢壳体1、进气腔4、进气口5、进气端面板3、出气端面板9、引流板11等构件内侧壁面形成的具有收敛性流动特征的流道腔室，见图5所示，混合腔6与混合器进气端面板3上的进气口5和出气端面板9的排气口10相连。柴油内燃机排出的热尾气从进气端面板3上的进气腔4通过进气口5进入混合腔6内部，在混合腔6内高速旋转与尿素喷嘴喷入的尿素水溶液进行参混，然后从混合器出气端面板9的排气口10高速喷射进入混合器后部的膨胀混合腔12，进行充分的混合与热解，然后穿过扰流板7进入SCR催化器8内进行选择性催化还原化学反应，消除热尾气中的氮氧化物，达到与满足国VI排放标准的要求。
图5是图2中SCR混合器横截面的气流螺旋流速场示意图。柴油内燃机排出的热尾气从进气端面板上的进气腔4经进气口5进入混合腔6内部之后，热尾气气流在混合腔6内沿着壳体1的内壁面进行高速旋转流动时与尿素喷嘴2喷入的经雾化的尿素水溶液参混过程中产生一个龙卷风的涡旋效应，实现氨气的充分热解以及内燃机热尾气与热解氨气的均匀充分混合，然后从混合器出气端面板的排气口10高速喷出进入SCR混合器后端的膨胀混合腔12。
图6是图2中SCR混合器混合腔出气口后30mm处横断面上热流体的螺旋度分布场。本发明通过定义并使用SCR混合器腔室内的热气流场螺旋度H来描述柴油内燃机热尾气与热解氨气在SCR混合器内高速旋转流动生成的龙卷风涡旋过程效应；本发明中的热气流螺旋度H定义为热气流的气流速度
Figure BDA0002673043820000121
矢和涡度矢点积的体积分，计算式：
Figure BDA0002673043820000122
式中
Figure BDA0002673043820000123
是热气流的三维流速矢量，
Figure BDA0002673043820000124
是热流场的涡度。采用热气流螺旋度H来衡量热气流在进入SCR混合器内的强弱及沿入流方向的涡度分量，以反映热气流旋转与沿旋转轴方向运动的强弱程度。热气流螺旋度H不仅能够反映热气流场的动力特征和热力特征，也能够给出整个热气流场的三维分布流动状况；通过热气流螺旋度H的三维分布(层次、范围、厚度)全面获知SCR混合器混合腔室内热气流场的流速、压力、温度场状况。实验现场台架试验表明，当SCR催化器8前端面入口的热气流螺旋度大于H≥H0＝360m/s2情形下，SCR混合器的结构构造就能够很好达成破碎与雾化尿素水溶液，实现氨气与热尾气的均匀充分参混，并保证高的氨气转化率，杜绝SCR混合器内部壁面与SCR催化器前入口端面尿素结晶堵塞等问题出现。
图7是图2中SCR混合器混合腔出气口后30mm处横断面上热流体的动态压力分布场。柴油内燃机排出的热尾气从进气端面板上的进气腔4经进气口5进入混合腔6内部之后，热尾气气流在混合腔6内沿着壳体1的内壁面进行高速旋转流动时与尿素喷嘴喷入的经雾化的尿素水溶液参混过程中龙卷风的涡旋效应，实现氨气的充分热解以及内燃机热尾气与热解氨气的均匀充分混合。本发明所定义的热气流流动动态压力Pd，是单位体积热气流运动所具有的动能，也是一种物理力，其表现是使得管内气流改变速度，具有方向性，其方向就是气流运动的方向；具体而言，本发明所述的热气流流动动态压力Pd是热气流在流动过程中受阻时由动能转变为压力能而引起的超过流体静压力部分的压力，反映热气流场的压力分布状况，以及及热气流的运动现状、发展趋势。对于特定具体的SCR混合器结构构成而言，能够通过计算流体力学CFD计算得到特定工况条件下(排气量、排气温度)SCR混合器内热气流的流动螺旋度H和流动动态压力Pd的分布情况，从而对SCR混合器的结构构造做出性能评定。经过实际测试与验证发现，当SCR催化器8前端面入口的热流体动态压力大于500(Pa)情况下，柴油内燃机的热尾气与尿素水溶液热解生成的氨气两者即可实现充分均匀的参混，实现高的氨气转化率，在SCR混合器内部亦没有的尿素结晶问题出现。

Claims (2)

1.一种柴油内燃机SCR混合器性能的评价办法，其特征在于包括以下方法：
Step 1、获取柴油内燃机尾气排放的相关参数，包括各个工况点的排气量和排气温度；
Step 2、根据SCR混合器的3D数模建立尾气流体域模型并导入计算流体力学CFD仿真分析工具；
Step 3、利用CFD仿真计算工具计算获得各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场的涡度、流速、压力、温度分布场；
Step 4、依据Step 3得到的各个工况点下SCR混合器混合腔室内热气流场CFD仿真计算结果，CFD仿真计算结果包括流场涡度、流速、压力、温度分布，进一步计算获得热气流场螺旋度H的分布，通过对特定工况条件下混合器内热气流的流动螺旋度和流动动态压力的分布情况，对柴油内燃机SCR混合器的结构构造做出性能评定；
其中，CFD仿真计算得到的特定工况条件下SCR混合器混合腔室内热气流的流动螺旋度H是气流速度矢
Figure FDA0003616329160000011
和涡度矢点积的体积分，表示热气流在进入SCR混合器混合腔室内内流速的强弱及沿入流方向的涡度分量，反映热气流旋转以及沿旋转轴方向运动的强弱，通过以下计算公式获得：
Figure FDA0003616329160000012
其中，H是热气流场的螺旋度，单位是m/s2；公式中u、v、w分别为热气流场的三维速度矢量
Figure FDA0003616329160000013
在(x,y,z)坐标系中的
Figure FDA0003616329160000014
三个方向上的分量；
其中，CFD仿真计算得到的特定工况条件下SCR混合器混合腔室内热气流的流动动态压力是由热气流的流动与流体的动量所形成的压力；通过计算公式获得：Pd＝ρ·V2/2；公式中Pd是热气流的流动动态压力，单位是Pa；V是热气流的流速，单位是m/s；ρ是热气流单位体积的质量，单位是kg/m3；
Step 5、柴油内燃机SCR混合器的混合效能评判标准如下：
SCR混合器混合腔室的热气流螺旋度判定：H≥H0＝650m/s2，判定结果：热气流场的螺旋度强烈；H≥H0＝360m/s2，判定结果：热气流场的螺旋度一般；H≥H0＝230m/s2，判定结果：热气流场的螺旋度弱；
热气流场的动压判定：Pd≥850Pa，判定结果：热气流场的流动动压强烈；Pd≥430Pa，判定结果：热气流场的流动动压一般；Pd≥260Pa，判定结果：热气流场的流动动压弱。
2.根据权利要求1所述的柴油内燃机SCR混合器性能的评价办法，其特征在于：柴油内燃机的尾气热气流在SCR混合器混合腔室内形成一个复杂具有显著螺旋性流动特征的三维热气流场，热气流场的流动螺旋度H和流动动态压力Pd用来表征与衡量尾气混合器内三维热气流场的螺旋性流动特征，并以此作为评判SCR混合器性能的指标。
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