史留慶+++張翠平

摘 要：針對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進(jìn)行分析，研究溫度對尿素結(jié)晶結(jié)石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索，結(jié)果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞：尿素沉積；結(jié)晶；結(jié)石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內(nèi)企業(yè)，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，國四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國外成熟產(chǎn)品，但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，在車輛運(yùn)行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)限扭，影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā)，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應(yīng)等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的變化而時刻發(fā)生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物，形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導(dǎo)致排氣背壓升高，嚴(yán)重時甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過程中會生成多種中間產(chǎn)物，尿素結(jié)晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至?xí)扇矍璋返龋⒆罱K形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石，尿素結(jié)晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解，尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)（TG-F1IR）進(jìn)行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對比。

尿素加熱分解過程中產(chǎn)生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶，進(jìn)一步會轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此，需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當(dāng)排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成?？梢钥闯?，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結(jié)果見如圖所示。可以看出，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優(yōu)化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語

（1）分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結(jié)果表明，尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據(jù)三聚氰酸的特性，當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度超過360℃工況下運(yùn)行時，可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上，通過對尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統(tǒng)空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務(wù)林，楊建軍，等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運(yùn)城，工程師，工程碩士。endprint

摘 要：針對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進(jìn)行分析，研究溫度對尿素結(jié)晶結(jié)石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索，結(jié)果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞：尿素沉積；結(jié)晶；結(jié)石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內(nèi)企業(yè)，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，國四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國外成熟產(chǎn)品，但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，在車輛運(yùn)行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)限扭，影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā)，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應(yīng)等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的變化而時刻發(fā)生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物，形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導(dǎo)致排氣背壓升高，嚴(yán)重時甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過程中會生成多種中間產(chǎn)物，尿素結(jié)晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至?xí)扇矍璋返龋⒆罱K形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石，尿素結(jié)晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解，尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)（TG-F1IR）進(jìn)行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對比。

尿素加熱分解過程中產(chǎn)生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶，進(jìn)一步會轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此，需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當(dāng)排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成?？梢钥闯?，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結(jié)果見如圖所示?？梢钥闯?，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優(yōu)化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語

（1）分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結(jié)果表明，尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據(jù)三聚氰酸的特性，當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度超過360℃工況下運(yùn)行時，可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上，通過對尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統(tǒng)空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務(wù)林，楊建軍，等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運(yùn)城，工程師，工程碩士。endprint

摘 要：針對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進(jìn)行分析，研究溫度對尿素結(jié)晶結(jié)石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索，結(jié)果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞：尿素沉積；結(jié)晶；結(jié)石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內(nèi)企業(yè)，為確保產(chǎn)品質(zhì)量，國四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國外成熟產(chǎn)品，但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，在車輛運(yùn)行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)動機(jī)限扭，影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā)，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應(yīng)等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況的變化而時刻發(fā)生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物，形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導(dǎo)致排氣背壓升高，嚴(yán)重時甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)過程中會生成多種中間產(chǎn)物，尿素結(jié)晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至?xí)扇矍璋返?，并最終形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石，尿素結(jié)晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解，尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)（TG-F1IR）進(jìn)行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對比。

尿素加熱分解過程中產(chǎn)生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶，進(jìn)一步會轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此，需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當(dāng)排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成。可以看出，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結(jié)果見如圖所示?？梢钥闯?，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優(yōu)化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語

（1）分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結(jié)果表明，尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據(jù)三聚氰酸的特性，當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣溫度超過360℃工況下運(yùn)行時，可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上，通過對尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統(tǒng)空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務(wù)林，楊建軍，等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運(yùn)城，工程師，工程碩士。endprint