SCR系统：模型的应用
6.1引言
在本章节中讲述到，在之前的章节所提出的蒸发和热分解模型得到了开发和验证，在典型SCR系统汽车的排气管上段通常使用这些模型来模拟UWS(尿素水溶液)转变为氨。基于这些模型，本章探讨喷雾和沉积颗粒以及评估混合物的混合质量对SCR系统的影响。蒸发和分解模型在排气管研究上的运用表明可以帮助他们在分析、设计和优化SCR系统上更加方便。
6.2排气测试案例的描述
本章使用IFP-C3D代码（附录E）进行喷射尿素水溶液、蒸发和热分解过程的排气系统基本部分的三维（3D）模拟。模拟SCR系统反应器入口处的氨分布以及固体副产物的形成。为了简单起见，初始气体流量专门由分子氮组成。注入的液体（添蓝）是由尿素溶于水组成的尿素水溶液，其重量百分比为32.5％。本研究中使用的排气管示意图如图80所示。该管的长度为250 mm，直径为50 mm。排气测试箱的网格如图81所示。气室总数约为25000.初始气体压力和温度分别为1 bar和673 K.入口质量流量和温度以及出口静压边界条件是指定的。施加到计算域的初始气体质量流量引起从入口到出口的气体压力的振荡。 这个压力振荡在一段时间后会稳定下来。 由于压力振荡发生在发动机排气管线的不同运行条件下，在本研究中，在计算域内存在一些振荡的同时开始喷射。 表21总结了注入参数和测试用例规格。
图80：模拟排气系统示意图（不按比例）
图81：模拟排气管线的网格。
表21：排气管参数和注射规格
|
排气管参数 |
注射规格 |
||
|
管长（mm） |
250 |
液体 |
UWS(Adblue) |
|
管径（mm） |
50 |
初始液体质量（mg) |
30 |
|
气体温度（K） |
673 |
初始液体温度(K) |
300 |
|
气体压力（bar） |
1 |
SMD(mu;m） |
10 |
|
载气 |
N2 |
注射时间（ms） |
10 |
|
气体流量（kg / s） |
0.1 |
喷雾类型 |
实心圆锥体 |
|
喷雾锥角（°） |
50 |
6.3结果和讨论
6.3.1副产品生产
6.3.1.1喷雾颗粒分布
尿素水溶液向气流中的喷射如图82和图83所示。单个液滴包裹遵循气流的流线。事实上，气体动量使喷雾液滴朝向系统式反应器的流动方向偏离。图82（a）和（b）显示出了添蓝液滴中水和尿素水的分布。这些数字显示了水和尿素水滴从其初始值（dw/dw0和dau/dau0）的偏差，其中d是相关直径，w和au代表水和尿素水，0代表初始值。根据图82（a），液滴中的水通过发散几乎蒸发，因此可以在出口附近看到的液滴包含较少的水（质量分数小于5％）。 Munnannur＆Liu [65]和Yi [228]在他们的数值模拟中也观察到域内出水口存在含水的尿素水溶液液滴。排气管线下游一些颗粒仍含有水的原因可能是由于较低的气体温度和或较短的停留时间，而气体温度与停留时间又与喷射器和系统式反应器之间的距离有关。图82（b）显示了液滴中的无量纲水-尿素直径。根据该图得出，由于分解，尿素水溶液的直径减小。然而，由于分解不完全，仍然有大量的水滴具有高质量分数的尿素水溶液，尤其是靠近SCR系统。
（a）无量纲水滴（dw/dw0），dw0是初始等效水滴直径
（b）无量纲水 - 尿素液滴（du/du0），du0是初始当量水-尿素液滴直径
图82：喷射到排气系统中的UWS喷雾液滴中的水和尿素水分数的分布时间
= 0.01s
可以看出，尿素水溶液颗粒可以到达SCR单块（图80）而没有完全分解。根据图82（b），到达SCR整料的液滴含有约68.8％的尿素水溶液。这意味着在通过排气管道时，少于31.2％的尿素水溶液被分解。原因可能是气体温度低和或停留时间短。在实践中，确保成功蒸发和分解的一种方法是在排气管中增加一个尿素混合器[228,229]。然而，在低温条件下，混合器叶片上可能会形成不希望的沉积物[229]。Birkhold等人[13]，Munnannur＆Liu [65]和Yi [228]已经针对不同的SCR系统对尿素的不完全分解进行了数值研究。然而，在所提到的工作中，尿素的分解假定导致形成气态物质（如氨），而不是如实验观察到的副产物的形成[229]。
图83（a）至（d）显示了使用第5章中提出的动力学模型获得的尿素分解产生的固体副产物。各组分的质量可用相对直径表示。因此，图中给出的值显示副产物的相关直径与相关尿素水溶液的相关直径的比率（di/dau，其中d是相关直径，i代表不同的副产物，au是尿素水溶液）。图83（c）至（f）中所示副产物的分布对于液滴颗粒而言似乎并不重要，特别是在喷射器附近。原因是由于停留时间短，液滴离开出口时而尿素水溶液没有完全分解。但是，由于移动中的SCR系统在一定范围的发动机转速和负载条件内运行，在某些运行条件下，这种不完全分解在实际系统中是可能的。在实际的发动机运行条件下，喷雾中的水 - 尿素颗粒可能不会完全分解成副产物和气态物质，如氨。能够预测副产物形成的IFP-C3D中的动力学模型的存在可以使SCR系统向更精确模拟的前进一步，特别是对于排气管壁上沉积有大量颗粒的情况。
6.3.1.2沉积颗粒分布
根据不同的排气结构和喷射规格，撞击排气壁的液滴可形成液膜和或固体沉积物。图84显示了壁上全部UWS沉积物中的水和尿素液膜质量分数。结果显示，喷射到下游的沉积颗粒中含有67.5％的水和32.5％的尿素水溶液。该结果表明，在这些颗粒冲击墙壁时不会发生水分蒸发。根据图84（a），SCR单块附近的沉积颗粒中水的贡献变得不那么重要（沉积的颗粒在SCR单块附近含有约0.6％的水）。如图84（b）所示，在该区域，超过99％的沉积颗粒由尿素水溶液组成。 有添蓝注射的下游沉积物的形成也在文献[53,65,228,230-232]中通过实验和数值观察到。由于传热和传质通常受到液膜表面积的限制，因此最好减少壁上的颗粒沉积。
（a）尿素颗粒分布
（b）缩二脲粒子分布
（c）氰尿酸（CYA）颗粒分布
（d）氰尿酰胺颗粒分布
图83：计算域中固体副产物（a）尿素，（b）缩二脲，（c）CYA，（d）UWS喷雾颗粒中的无量纲相关直径，时间= 0.01s
尽管有一些数值模型模拟颗粒在墙壁上的沉积，但据我们所知，没有数值研究表明副产物的沉积，大部分工作仅限于模拟水和尿素沉积。图85（a）至（d）显示了这些沉积物的一些其他化学成分。根据这些图，由于反应需要的活化能较低，产生的固体尿素比其他副产品更多。氰尿酸，缩二脲和三聚氰胺是分解过程中产生的其他副产物。需要注意的是，这些副产物形成在沉积颗粒中水的贡献非常低的分散部分区域。特别是当气体温度不够高时，固体物质（尿素及其副产物）的沉积是SCR系统的入口处不完全分解的结果之一。因此，沉积物可能阻塞排气流的流动，造成背压并影响能量系统的运行[233]。由于沉积物变得非常重要，在气体混合中的氨浓度也将受到影响。
除了沉积物和喷雾颗粒分布之外，气态物质的分布可能有助于评估和优化SCR系统设计。下一节将介绍气相的结果。
（a）相对于沉积在墙壁上的总UWS的水液膜质量分数
（b）相对于沉积在壁上的总UWS的水 - 尿素液膜质量分数
图84：水和水 - 尿素液膜和沉积在壁上的颗粒的质量分数。 时间= 0.01秒
(a) 管壁上的尿素颗粒
（b)管壁上的缩二脲颗粒
(c) 管壁上的氰尿酸颗粒
(d) 管壁上的氰尿酰胺颗粒
图85：固体副产物沉积物相对于由水性尿素沉积物颗粒形成的含水尿素在时间
= 0.01s时的质量分数
6.3.2气相分布
为了评估影响氨产生的参数，平均气体温度，水蒸气，氨和异氰酸的分布如图86所示。将出口部分（即系统入口）的轮廓图绘出。图86（a）显示了气体温度如何受蒸发和热分解过程的影响。已知蒸发是吸热现象。此外，尽管第5章中提到的一组反应中有一些放热反应，但总体分解反应是吸热的。因此，在存在颗粒的区域中，气体的温度可能降低。结果表明，气体温度的最大降低约为30 K. Munnannur＆Liu [65]模拟了Kim等人的实验[58]，并获得了30 K的最大气体温度下降。正如Koebel和Strutz [11]指出的那样，由于添蓝注入而产生的冷却效应导致10-20 K范围内的温度下降。
这种冷却现象可以对分解速度有不利影响。图86（b）显示了水蒸气的质量分数并证实了上述现象：在水蒸气浓度较高的地区，由于蒸发获得较低的气体温度。图86（c）和（d）显示了分解过程中产生的氨和异氰酸分布。根据我们的模型，尿素的分解与水的蒸发相竞争，但速度要低得多。由于水从UWS中完全蒸发，尿素分解速率增加。如预期的，图86（c）和（d）显示在存在更多颗粒的排气管线中心处有较高浓度的氨和异氰酸。为了实现SCR系统的高效率，氨和其他物质在进入催化剂时应具有合理均匀的分布。一种改善SCR系统入口处氨的空间分布的方法可以是使用静态混合装置[65,229]。在此研究的条件下，产生少量的异氰酸（与生产氨相比）是由于水的存在。在这种情况下，第5章的反应R11变得主要，这减少了异氰酸的产生。由于颗粒中没有水分（如第5章介绍的杯子模拟），会产生更多的异氰酸。其他气体物质（如CO2和HCN）也在分解过程中产生，但浓度非常低。
- 气体温度 （b）水蒸气质量分数
（c）氨质量分数 （d）HNCO质量分数
图87（a）和（b）显示了模拟得到的水蒸气和氨质量分数的曲线。水蒸气和氨都是由喷雾液滴产生的，因此，预计氨和水蒸气应位于相同的区域（即液滴周围）。但是，根据图87（a）和（b），氨更接近SCR系统。原因在于，由于与水蒸气相比喷雾液滴的动量更高，所以液滴和水蒸气之间发生空间差异，并且液滴比水蒸气更快地到达SCR系统。因此，在靠近SCR系统的这些液滴产生了氨。
因此，在SCR系统件附近观察到更多的氨浓度并且远离水蒸气浓度。
（a）水汽质量分数
（b）氨质量分数
图87：时间= 0.007秒时的等高线图
6.3.3喷射角度对SCR系统结果的影响
发动机排气与催化剂入口之间的短距离使得难以在催化剂进入之前完全分解尿素。尿素的快速分解以及氨和废气的良好混合是影响SCR效率的关键因素。为了实现这一点，已经进行了实验和数值研究[234-236]。Jeong 等人[236]已经进行了数值研究，如喷射角度，喷射位置和喷射器孔数等参数对不同发动机负载下SCR系统入口处氨浓度均匀性的影响。获得更高效的SCR系统以优化喷射角度，喷射位置和喷射器孔的数量。
在本节中，如图88所示中研究了三种不同的喷射角度对分解和氨产生的影响。用于情况2和3的喷射角度在图89中给出。类似的喷射规格，排气管几何形状和排气气体特性与之前的案例研究（此处为情况1）相同。
情况1
情况2
情况3
图88：模拟排气系统示意图（不按比例）
图89：案例2和3的注入角度
6.3.3.1喷雾和沉积颗粒
计算域中的水，尿素和副产物的质量分别在图90和图91中分别针对这三种情况在喷雾和沉积物中绘制。图90（a）显示了喷雾液滴中水的质量由于喷射而增加，然后由于蒸发而降低。水的质量振荡突出显示了计算域中压力振荡引起的蒸发速率变化，如图92所示，并在前面的6.2节中介绍。图90（b）显示了在注射期间以恒定速率增加的添蓝（即尿素水溶液）的第二初始组分的质量。与水相反，注入开始时或多或少开始蒸发（见图90（a）），在注入开始后约5毫秒开始尿素水溶液的分解（图90（b））。事实上，在完全蒸发水之后开始尿素水溶液的分解，在一些液滴中这会在5毫秒内实现。该结果突出显示了添蓝液滴的蒸发和分解过程的顺序行为。
如第5章所假定的，添蓝中尿素的存在会影响水分的蒸发。根据图90（a）和（b），水保持喷雾液滴直到计算结束。系统入口处的这种液态水的存在防止了尿素的完全分解并且可能降低SCR系统的效率。图90（c）和（d）显示了该过程中产生的固体尿素和缩二脲的质量。固体尿素的质量高于缩二脲。然而，由于生成缩二脲所需的能量较低，因此缩二脲的峰值出现在固体尿素的峰值之前。这三种情况的比较还表明，在中央注射的情况1中获得了最高的液态水蒸发速率和最小的尿素含量和副产物产量（见图88）。在这种情况下，液滴在气流方向上的高速度导致计算域内的滞留时间很短。在这么短的操作时间内，较重的分解产物的形成仍然可以忽略不计。
-
水质量
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