選擇性催化還原系統(tǒng)防沉積物堵塞噴嘴設(shè)計(jì)與噴射特性分析

楊 凱，吳建兵，廖義德

(1.湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院,武漢 430205； 2.湖北第二師范學(xué)院 物流智能化研究所，武漢 430205； 3.武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

0 概述

選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)技術(shù)憑借NOx轉(zhuǎn)化率高、對(duì)柴油品質(zhì)要求低等特點(diǎn)，被公認(rèn)為是最有效的柴油車尾氣后處理技術(shù)[1]。隨著機(jī)動(dòng)車尾氣排放法規(guī)的日益嚴(yán)格及降低柴油機(jī)燃油消耗的需求日益突出[2]，SCR系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)也更加嚴(yán)峻。

噴嘴是SCR系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，對(duì)SCR系統(tǒng)的性能具有較大的影響。現(xiàn)有的SCR系統(tǒng)在柴油車?yán)淦饎?dòng)、低速及輕載等行駛工況下，在噴嘴內(nèi)、外部均易形成尿素、縮二脲和氰尿酸等沉積物[3-4]。沉積物很難分解或去除，易導(dǎo)致噴嘴孔口堵塞，使尿素液霧化噴射不均勻，并進(jìn)一步提高排氣管壁、混合器及催化劑表面等處沉積物的生成率[5-6]。當(dāng)噴嘴內(nèi)部沉積物堵塞嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使噴嘴管路背壓過高，導(dǎo)致管路及尿素泵等損壞，嚴(yán)重影響SCR系統(tǒng)的工作效率[7]。目前，SCR系統(tǒng)噴嘴多采用孔口固定式結(jié)構(gòu)[8]，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)SCR系統(tǒng)噴嘴的研究多集中在影響噴嘴沉積物產(chǎn)生因素的仿真與試驗(yàn)[9-11]、噴射特性數(shù)值模擬分析[12-13]及噴射控制策略優(yōu)化等方面[14-15]。

針對(duì)SCR系統(tǒng)的需求，本研究中設(shè)計(jì)了一種孔口開度可隨壓力調(diào)節(jié)的噴嘴，對(duì)噴嘴的起閉特性與孔口徑向截面的流量特性進(jìn)行了理論分析與數(shù)值模擬，探究了各參數(shù)對(duì)噴嘴噴射特性的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了噴嘴芯的開啟壓力精度與霧化噴射效果。本研究設(shè)計(jì)的噴嘴可有效降低噴嘴因沉積物導(dǎo)致的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)SCR系統(tǒng)噴嘴的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的參考與指導(dǎo)意義。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)與基本特性

1.1 噴嘴的結(jié)構(gòu)

噴嘴主要由噴嘴體、噴嘴芯、彈簧、螺套等組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。圖中，δ為螺套與噴嘴體的間隙值。如圖1所示，噴嘴芯套嵌在噴嘴體內(nèi)，其尾端與螺套通過螺紋連接，彈簧安裝在噴嘴體與螺套兩端面之間。噴嘴芯的前端為錐度角α的圓臺(tái)形，其錐面與噴嘴體孔口配對(duì)研磨，在彈簧力作用下噴嘴芯在非噴射狀態(tài)可以保持良好的密封效果，有效防止尿素溶液滴漏。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 噴嘴的起閉特性

由于噴嘴芯在非噴射狀態(tài)下關(guān)閉，隨著尿素泵持續(xù)供給尿素液，噴嘴體內(nèi)壓力p不斷升高，設(shè)噴嘴芯剛開啟時(shí)噴嘴的開啟壓力為pk，忽略噴嘴芯的質(zhì)量和摩擦力，則有：

pkA1=kx0

(1)

(2)

式中，A1為噴嘴芯有效受力面積；k為彈簧剛度系數(shù)；x0為彈簧預(yù)壓縮量；d為噴嘴芯內(nèi)孔直徑。

當(dāng)噴嘴芯開啟后，受流經(jīng)孔口的尿素液的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力作用，噴嘴體內(nèi)的壓力p仍會(huì)升高，直到噴嘴芯力平衡，由噴嘴芯的靜態(tài)特性分析有：

pwA1=k(x0+x)

(3)

式中，pw為穩(wěn)定噴射壓力；x為噴嘴芯開度。

將式(2)代入式(3)，可得：

(4)

由式(4)可知，當(dāng)噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸及彈簧的剛度系數(shù)k確定后，噴嘴的穩(wěn)定噴射壓力pw主要與彈簧的預(yù)壓縮量x0及噴嘴芯開度x有關(guān)，因此通過調(diào)節(jié)螺套與噴嘴芯的鎖緊量以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量x0，即可設(shè)定噴嘴的穩(wěn)定噴射壓力pw。

同時(shí)，由于噴嘴芯開度x隨噴嘴體內(nèi)的壓力p升高而增大，通過設(shè)定螺套與噴嘴體之間的間隙值δ可以對(duì)噴嘴孔口的最大開度xmax進(jìn)行機(jī)械限位，避免因壓力p過高導(dǎo)致噴嘴芯開度x過大，而引起尿素霧化噴射不均勻及NH3逃逸等問題。

1.3 噴嘴的流量特性

噴嘴噴射狀態(tài)下孔口局部放大圖如圖2所示。尿素液經(jīng)噴嘴孔口節(jié)流后霧化噴射，由水力學(xué)中的孔口出流公式，可得孔口流量q：

圖2 噴嘴噴射狀態(tài)下孔口局部放大圖

(5)

式中，Cq為流量系數(shù)；A2為孔口徑向截面面積；Δp為孔口內(nèi)外壓力差；ρ為尿素液密度。

噴嘴孔口徑向截面的有效面積A2由式(6)計(jì)算。

(6)

式中，d1為噴嘴孔口直徑；d2為噴嘴芯有效直徑。

由于噴嘴芯前端為錐度角α的圓臺(tái)形，故噴嘴芯的有效直徑d2是關(guān)于噴嘴芯開度x的函數(shù)，即：

(7)

將式(7)代入到式(6)得：

(8)

(9)

將式(4)、式(9)代入式(5)得：

(10)

由式(9)、式(10)可知，噴嘴孔口徑向截面面積A2及截面質(zhì)量流量q均隨噴嘴芯開度x及錐度角α的增大而增大。

由以上分析可知，當(dāng)噴嘴因沉積物造成堵塞時(shí)，噴嘴芯開度x隨噴嘴體內(nèi)壓力p升高而增大，且噴嘴孔口徑向截面面積A2及截面質(zhì)量流量q也隨之增大，有效提高了噴嘴內(nèi)部沉積物的排出率。當(dāng)沉積物排出后，噴嘴芯開度x、孔口徑向截面面積A2及截面質(zhì)量流量q均隨噴嘴體內(nèi)壓力p的降低而減小，避免了NH3逃逸。同時(shí)，當(dāng)噴嘴芯起閉及其開度x隨壓力p變化時(shí)，孔口外部的沉積物在噴嘴芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)與撞擊作用下也更容易脫落，有效降低孔口外部沉積物的凝結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。綜上，與現(xiàn)有的SCR系統(tǒng)噴嘴相比，本研究中研制的噴嘴具有良好的防沉積物堵塞特性。

2 基于Fluent的噴嘴數(shù)值模擬分析

為了進(jìn)一步了解噴嘴的噴射特性，探究不同噴嘴芯開度x及錐度角α對(duì)孔口徑向截面面積、截面速度分布及截面流量特性的影響，通過流體仿真軟件Fluent對(duì)噴嘴的噴射特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，為噴嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與后續(xù)試驗(yàn)研究提供了理論指導(dǎo)。

2.1 仿真模型建立與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸在ANSYS workbench中建立了等比例三維模型。由于噴嘴在非噴射狀態(tài)下噴嘴芯關(guān)閉，因此在建模時(shí)先根據(jù)噴射工況將噴嘴芯繪制為開啟狀態(tài)，即設(shè)定噴嘴芯開度x和錐度角α初始值分別為0.6 mm與40°。

將前處理后的模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行模型與參數(shù)設(shè)置。由于噴嘴的噴射模型類似于低壓射流模型，因此模型采用SIMPLEC算法結(jié)合湍流模型k-ε下的RNG模型，該模型具有較高的分析精度。設(shè)定進(jìn)口邊界條件為壓力入口，壓力為 0.5 MPa；設(shè)定出口邊界條件為壓力出口，壓力為常壓。

2.2 噴嘴的噴射特性

由于噴嘴的三維仿真模型沿孔口軸線對(duì)稱，因此，在采用CFD-Post對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行后處理分析時(shí)，為便于觀察噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)，建立了噴嘴軸向截面，該截面的速度矢量云圖與速度云圖如圖3、圖4所示。

圖3 噴嘴軸向截面速度矢量云圖

圖4 噴嘴軸向截面速度云圖

如圖3速度矢量云圖所示，尿素液由孔口射流后在局部范圍內(nèi)仍受側(cè)向流束的影響呈加速狀態(tài)。根據(jù)流體的連續(xù)性理論，單位時(shí)間內(nèi)流入單位空間的流體體積與流出的流體體積相等，故當(dāng)液流經(jīng)由孔口射流后加速并達(dá)到最大速度時(shí)，噴射面積收縮至最小。因此尿素液的速度云圖如圖4所示，呈先收縮后逐步向前擴(kuò)散噴射形態(tài)。同時(shí)，隨著尿素液持續(xù)向前噴射，受空氣阻力影響，液流速度逐漸衰減，而噴射面積則不斷擴(kuò)大。

2.3 噴嘴芯開度x及錐度角α對(duì)噴射特性的影響

為驗(yàn)證理論分析結(jié)果，設(shè)定6組噴嘴芯開度x及錐度角α，如表1所示，探究在不同噴射工況下孔口徑向截面面積、截面速度分布及截面的流量特性。

表1 噴嘴芯開度x與錐度角α分組表

由于在不同噴射工況下噴嘴孔口軸向截面的速度云圖與速度矢量云圖均無顯著差別，為便于觀察，得到了不同噴嘴芯開度x與錐度角α?xí)r噴嘴孔口徑向截面的速度云圖如圖5所示。

圖5 不同噴嘴芯開度x與錐度角α?xí)r噴嘴孔口徑向截面速度云圖

如圖5所示，在不同噴射工況下，噴嘴孔口徑向截面積A2有較大區(qū)別，孔口徑向截面積A2隨第1組～第4組噴嘴芯開度x的增大而增大，也隨著第5組、第3組、第6組噴嘴芯錐度角α的增大而增大，與理論分析結(jié)果一致。

我的錄取通知書，是校長交給我的，同時(shí)交給我的，還有一年前父親送給他的酒和茶葉。校長捶我一拳，說：“你小子記住了，你能有今天，不是因?yàn)槲医o了你機(jī)會(huì)，而是你父親，拖著殘疾的右腿，拼命跑出來的——我從來沒有見過一個(gè)父親，有那樣讓人嘆服的速度……”

由于尿素液流與孔口內(nèi)壁及噴嘴芯外壁碰撞造成能量損失，使孔口徑向截面內(nèi)、外兩側(cè)液流的速度在整個(gè)截面內(nèi)最小，而截面中間液流受孔口節(jié)流作用而加速，故此處速度最大。由于噴嘴孔口徑向截面速度沿軸線對(duì)稱分布，為進(jìn)一步探究截面上各點(diǎn)的速度分布，取噴嘴孔口徑向截面圓心點(diǎn)(0，0，0)到孔口徑向截面內(nèi)壁點(diǎn)(1.5，0，0)的線段l，得到各點(diǎn)在不同噴射工況下的速度分布與對(duì)比曲線如圖6、圖7所示。

圖6 不同噴嘴芯開度x時(shí)線段l上各點(diǎn)速度分布與對(duì)比曲線

圖7 不同錐度角α?xí)r線段l上各點(diǎn)速度分布與對(duì)比曲線

如圖6、圖7所示，各曲線在孔口徑向截面內(nèi)壁點(diǎn)(1.5，0，0)處的速度均為零，隨著與孔口徑向截面圓心點(diǎn)距離減小，液流速度迅速增大至最大值然后逐漸降低，并在噴嘴芯外壁處速度降低為零。

由圖6、圖7還可以看出，各曲線距噴嘴孔口徑向截面圓心點(diǎn)(0，0，0)的距離分別隨第1組～第4組噴嘴芯開度x及第5組、第3組、第6組噴嘴芯錐度角α的增大而逐漸減小，距孔口徑向截面圓心點(diǎn)的距離越小，則表明孔口徑向截面面積A2越大，這與圖5孔口徑向截面速度云圖結(jié)果一致。

不同噴嘴芯開度x與錐度角α?xí)r噴嘴孔口徑向截面的質(zhì)量流量對(duì)比曲線如圖8、圖9所示。

圖8 不同開度x時(shí)噴嘴孔口徑向截面質(zhì)量流量對(duì)比曲線

圖9 不同錐度角α?xí)r噴嘴孔口徑向截面質(zhì)量流量對(duì)比曲線

由于在迭代200步時(shí)，噴嘴在各噴射工況下的質(zhì)量流量曲線均已趨于穩(wěn)定，因此僅截取迭代步數(shù)200時(shí)的質(zhì)量流量曲線。如圖8、圖9所示，由于尿素液由進(jìn)口向孔口方向流動(dòng)，故當(dāng)尿素液流過孔口徑向截面時(shí)，截面上的質(zhì)量流量q先迅速升高，后隨著噴射的穩(wěn)定逐漸趨于平穩(wěn)。同時(shí)，質(zhì)量流量q分別隨噴嘴芯開度x及錐度角α的增大逐漸增大，這是由于不同噴射工況下曲線上各點(diǎn)的速度分布基本一致，而孔口徑向截面面積A2增大，故質(zhì)量流量q也增大。

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證噴嘴的噴射特性，搭建了噴嘴試驗(yàn)系統(tǒng)。受噴嘴結(jié)構(gòu)與噴嘴芯的開度值影響，在進(jìn)行噴射試驗(yàn)時(shí)難以對(duì)噴嘴芯的開度x進(jìn)行有效檢測(cè)，但由于噴嘴芯開度x主要與噴嘴體內(nèi)的壓力p有關(guān)，因此試驗(yàn)通過檢測(cè)噴嘴在不同穩(wěn)定噴射壓力pw時(shí)的壓力開啟精度來驗(yàn)證噴嘴芯的啟閉特性。

試驗(yàn)時(shí)，通過改變螺套與噴嘴芯的鎖緊量調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量x0，將噴嘴穩(wěn)定噴射壓力pw分別設(shè)定為0.4 MPa、0.5 MPa及0.6 MPa，并采用隔膜計(jì)量泵以2 L/h的流量向噴嘴供給尿素液[16]，通過數(shù)顯壓力表檢測(cè)噴嘴穩(wěn)定噴射時(shí)的壓力，并觀察尿素液的霧化噴射情況，噴嘴試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 噴嘴試驗(yàn)圖

噴嘴開啟壓力精度ε為：

(11)

式中，pt為測(cè)試壓力。由式(11)得到在不同穩(wěn)定噴射壓力pw時(shí)噴嘴芯的開啟壓力精度散點(diǎn)如圖11所示。

圖11 噴嘴芯開啟壓力精度散點(diǎn)圖

如圖11所示，在各穩(wěn)定噴射壓力pw下噴嘴芯均可以穩(wěn)定開啟，且開啟壓力精度為±5%。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴嘴芯具有良好的起閉特性。同時(shí)，噴嘴具有良好的噴射效果，霧滴分布均勻，霧化效果良好。

4 結(jié)論

(1) 調(diào)節(jié)新設(shè)計(jì)的噴嘴的螺套與噴嘴芯的鎖緊量可以設(shè)定噴嘴的穩(wěn)定噴射壓力，同時(shí)通過調(diào)節(jié)螺套與噴嘴體之間的間隙值可以對(duì)噴嘴芯最大開度進(jìn)行機(jī)械限位，避免因壓力過高導(dǎo)致噴嘴芯開度過大而引起尿素霧化噴射不均勻及NH3逃逸等問題。

(2) 噴嘴芯開度隨壓力升高而增大，且噴嘴孔口徑向截面面積及截面質(zhì)量流量也隨之增大，有效提高了噴嘴內(nèi)部沉積物的排出效率，并降低了孔口外部的沉積物凝結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 該噴嘴芯具有良好的啟閉特性，在各穩(wěn)定噴射壓力下噴嘴芯均可以穩(wěn)定開啟，開啟壓力精度為 ±5%。噴嘴具有良好的噴射效果，霧滴分布均勻，霧化效果良好。