胡帥，高延新，孫飛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車用SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶影響因素分析及試驗(yàn)研究

胡帥，高延新，孫飛

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

選擇性催化還原技術(shù)(SCR)是一種先進(jìn)的車用氮氧化物（NOx）排放控制技術(shù)。針對(duì)尿素結(jié)晶現(xiàn)象，對(duì)結(jié)晶成因分析發(fā)現(xiàn)，混合管路設(shè)計(jì)、尿素霧化性能、尿素噴射量對(duì)結(jié)晶有重要影響。文章對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的SCR系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)考核，結(jié)晶改善明顯。

選擇性催化還原；混合管路；霧化性能；噴射量；結(jié)晶試驗(yàn)

引言

隨著國(guó)家排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排放開發(fā)難度越來越大。SCR技術(shù)是目前商用車滿足國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ及未來國(guó)Ⅵ排放開發(fā)的主要技術(shù)。逐步加嚴(yán)的排放法規(guī)對(duì)SCR系統(tǒng)提出了極高的要求，其中如何避免尿素結(jié)晶一直是研究的重點(diǎn)。理論上尿素水溶液噴入排氣管中，經(jīng)過蒸發(fā)、熱解生成NH3（氨氣）和 HNCO（異氰酸），HNCO在催化劑表面發(fā)生水解反應(yīng)生成NH3和CO2。但實(shí)際上，HNCO在低于300℃時(shí)，很難完全轉(zhuǎn)化成NH3，那么HNCO就有可能發(fā)生一系列的副反應(yīng)，生成三聚氰酸（(HNCO)3）等沉積物，這就是尿素結(jié)晶的主要成分。

本文以某型輕型商用車SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尿素霧化性能、尿素噴射量，研究這些因素對(duì)尿素結(jié)晶的影響。通過對(duì)比驗(yàn)證這些措施效果，對(duì)解決SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶有一定的指導(dǎo)作用。

1 結(jié)晶成因

從噴嘴噴入排氣管內(nèi)的尿素水溶液，首先吸收廢氣中熱量蒸發(fā)脫水，尿素水溶液由液態(tài)脫水成固態(tài)分子（1）。其次在高溫廢氣中，尿素吸熱發(fā)生熱解反應(yīng)，生成HNCO和NH3（2）。最后HNCO在催化劑的作用下發(fā)生水解化學(xué)反應(yīng)，生成 NH3和 CO2(3)。

但是在尿素?zé)峤狻⑺獠怀浞值臅r(shí)候，也可能產(chǎn)生中間產(chǎn)物，如在 150℃~200℃區(qū)間尿素和異氰酸反應(yīng)生成縮二脲（4）。在 200℃~280℃縮二脲和異氰酸反應(yīng)生成三聚氰酸和氨氣（5），或者異氰酸也可以直接快速縮合成三聚氰酸（6），縮二脲和三聚氰酸在低溫下很難分解，其中三聚氰酸就是尿素結(jié)晶的主要成分。

尿素噴出后先發(fā)生水解，在排氣溫度較低的情況下，尿素?zé)峤馑馑俣容^慢，這樣部分尿素在沒有水解的情況下直接噴到混合器上，容易形成液膜，液膜蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致混合器溫度進(jìn)一步降低，逐漸出現(xiàn)尿素結(jié)晶。結(jié)晶的存在使尿素噴在其表面，便有可能發(fā)生（4）~（6）的化學(xué)反應(yīng)生成縮二脲和三聚氰酸。縮二脲在排溫高于 200℃時(shí)會(huì)發(fā)生分解，而三聚氰酸在排溫高于 350℃時(shí)才會(huì)分解，而輕型商用車排溫很難達(dá)到 350℃以上，由此可以確定，混合器上的結(jié)晶是由縮二脲和異氰酸反應(yīng)生成難以分解的異氰酸或者是異氰酸在高溫下直接聚合為三聚氰酸。

2 影響因素分析

2.1 混合管路

混合管路的角度設(shè)計(jì)是影響尿素結(jié)晶的重要因素。目前存在兩種不同的混合管路設(shè)計(jì)方式，一種是傾斜噴射，即噴霧方向與混合器成一定錐角；另一種是垂直噴射，即噴霧方向與混合混合器垂直。

傾斜噴射靠近上部的噴束和混合器接觸面積小，混合器上部單位面積內(nèi)的尿素量多，容易形成結(jié)晶；垂直噴射每一束噴霧在混合器上的接觸面積相同，單位面積內(nèi)的尿素量相對(duì)較少，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)小。傾斜噴射靠近上部的噴霧貫穿距離較靠下位置短，上面噴束與混合器接觸間隔短，容易形成結(jié)晶；垂直噴射的每一束噴霧到混合器的貫穿距相同，且與混合器接觸間隔長(zhǎng)，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)小。本文利用 AVL-Fire軟件對(duì) SCR系統(tǒng)進(jìn)行NH3均勻性分析，傾斜噴射和垂直噴射分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 傾斜噴射

圖2 垂直噴射

2.2 尿素霧化性能

噴霧粒徑的分布對(duì)結(jié)晶有很大的影響，特別是大粒徑的數(shù)量，決定水解和熱解的時(shí)間，決定是否會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶。其中對(duì)噴霧粒徑影響較大的兩個(gè)因素是噴孔數(shù)目和噴射壓力。

噴孔數(shù)目增加時(shí)，噴射量不變的前提下氨氣總的濃度不變，但是液滴的分布更加分散，那么還原劑氨氣在尾氣中的分布也更為均勻，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較小。噴射壓力增大時(shí)，噴射量不變的前提下噴射速度變快，液滴的粒徑會(huì)變小，下面分別對(duì)比3孔5bar、6孔5bar、3孔9bar、6孔9bar四種不同噴孔數(shù)目和噴射壓力下的噴霧粒徑分布，對(duì)比結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 最大粒徑分布

圖4 80%體積粒徑分布

最大粒徑分布：

6孔9bar（290um）＞3孔9bar=6孔5bar（350-360um）＞3孔5bar（520um）

80%體積粒徑分布：

6孔9bar（140um）＞3孔9bar（185um）＞6孔5bar（196um）＞3孔5bar（260um）

結(jié)果表明：噴孔數(shù)目越多，噴射壓力越大，噴霧粒徑越小，尿素霧化性能越好。

2.3 噴射量

尿素噴射量對(duì)結(jié)晶有很大的影響，在保證排放結(jié)果不變的情況下，相同工況點(diǎn)尿素噴設(shè)量越大，需要熱解和水解的熱量越多，相應(yīng)的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)也就越大。

3 試驗(yàn)裝置及內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)裝置

尿素結(jié)晶試驗(yàn)總體布置如圖5所示，試驗(yàn)臺(tái)架主要包括一臺(tái)國(guó)五柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、SCR后處理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給及油耗測(cè)量系統(tǒng)、測(cè)功機(jī)及控制系統(tǒng)、排放測(cè)試系統(tǒng)等。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。

圖5 尿素結(jié)晶試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

表1 柴油機(jī)主要參數(shù)

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)理論分析對(duì)尿素結(jié)晶有影響的因素進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別針對(duì)混合管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尿素霧化性能、尿素噴射量三個(gè)因素單獨(dú)驗(yàn)證。每個(gè)因素在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上固定一個(gè)工況點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行20小時(shí)，然后停機(jī)檢查個(gè)因素對(duì)結(jié)晶變化情況的影響。

表2 試驗(yàn)內(nèi)容

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 混合管路設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)晶的影響

通過優(yōu)化混合管路的角度，加大混合器處的流場(chǎng)及氣流強(qiáng)度，使每一束噴霧在混合器上的接觸面積相同，尿素和混合器的均勻的碰撞和氣流沖擊，使得尿素快速的蒸發(fā)，降低殘留的混合器上的尿素質(zhì)量。

表3 混合管路優(yōu)化前后對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：將混合管路中尿素傾斜噴射改為垂直噴射，噴霧與混合器的碰撞和霧化更加均勻，故結(jié)晶的量降低。

4.2 霧化性能對(duì)結(jié)晶的影響

通過調(diào)整尿素噴射系統(tǒng)中尿素噴嘴的噴孔數(shù)目和噴射壓力來調(diào)整噴霧直徑，考察了不同噴霧直徑對(duì)尿素結(jié)晶的影響，分別對(duì)比3孔5bar、6孔5bar、3孔9bar、6孔9bar四種結(jié)晶情況。

表4 霧化性能優(yōu)化前后對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：尿素平均噴霧直徑對(duì)結(jié)晶影響顯著。當(dāng)尿素平均噴霧直徑降低16%，相同的試驗(yàn)工況相同的試驗(yàn)時(shí)間尿素結(jié)晶的量降低80%。尿素平均噴霧直徑降低、噴霧分布均勻、最大噴霧直徑降低使得相同時(shí)間內(nèi)混合器上的尿素水溶液的蒸發(fā)速度加快，相同時(shí)間內(nèi)殘留在混合器上的尿素水溶液降低，故結(jié)晶的量降低。

4.3 噴射量對(duì)結(jié)晶的影響

調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000rpm、扭矩180Nm，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫260℃、排氣流量280kg/h。通過標(biāo)定軟件INCA調(diào)整尿素噴射量，考察噴射量對(duì)尿素結(jié)晶的影響，該工況尿素噴射量由167mg/s降低到120mg/s。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 噴射量?jī)?yōu)化前后對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：尿素噴射量對(duì)結(jié)晶影響顯著。當(dāng)尿素噴射量降低28%，相同的試驗(yàn)工況相同的試驗(yàn)時(shí)間尿素結(jié)晶的量降低70%。尿素噴射量降低相同時(shí)間內(nèi)噴射到混合器上的尿素水溶液的質(zhì)量降低，尿素水溶液蒸發(fā)的速度相同，相同時(shí)間內(nèi)殘留在混合器上的尿素水溶液降低，故結(jié)晶的量降低

5 結(jié)論

（1）改善混合管路的角度設(shè)計(jì)同時(shí)改善尿素結(jié)晶，在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注；

（2）噴霧粒徑越小越不容易結(jié)晶，在噴射系統(tǒng)選型時(shí)選擇噴霧粒徑小的噴射系統(tǒng)；

（3）尿素噴射量越小越不容易結(jié)晶，排放標(biāo)定階段在滿足排放的條件下盡量降低尿素噴射量。

[1] 楚向鋒.柴油機(jī) SCR后處理中尿素沉積物的機(jī)理研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué),2013.

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Analysis and Experimental Study on Influencing Factors of Urea Crystallization in Vehicle SCR System

Hu Shuai, Gao Yanxin, Sun Fei
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Selective catalytic reduction(SCR) technology is an advanced emission control technology for vehicle nitrogen oxides.In view of the urea crystallization phenomenon, the analysis of crystallization cause shows that the mixing pipeline design、urea atomization performance and urea injection amount have important influence on the crystallization.To optimize the design of the SCR system, the urea crystallization risk assessment of platform, the crystallization improved significantly.

selective catalytic reduction（SCR）; mixing pipeline; atomization performance; the amount of injection;crystallization test

U467

A

1671-7988 (2017)21-134-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.045

CLC NO.: U467

A

1671-7988 (2017)21-134-03

胡帥，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。