鐘秋月，高延新，張超

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柴油機SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶試驗研究

鐘秋月，高延新，張超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴格，SCR(選擇性催化還原)后處理系統(tǒng)是重型柴油機滿足國四、國五排放法規(guī)的主要技術(shù)方案。文章針對某款柴油機的結(jié)晶問題進行試驗分析，結(jié)果表明尿素噴射量、尿素噴霧平均直徑（SMD）及混合器結(jié)構(gòu)對結(jié)晶有很大的影響。

SCR；尿素結(jié)晶；混合器

1 引言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇，柴油機排放得到越來越多的關(guān)注。SCR (選擇性催化還原)是針對柴油車氮氧化物污染物的主流技術(shù)，同時該項技術(shù)也是歐洲主流技術(shù)路線，歐洲重型車幾乎全部采用這一技術(shù)路線。

SCR系統(tǒng)的基本工作原理是：尾氣從渦輪增壓器出來后進入排氣混合管，在混合管上安裝有尿素噴嘴，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發(fā)生熱解和水解反應(yīng)產(chǎn)生NH3, NH3在催化劑的催化作用下還原NOx產(chǎn)生N2和H2O。

SCR化學(xué)反應(yīng)如下：

（1）尿素反應(yīng)：

（2）NH3與NOx反應(yīng)：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

結(jié)晶的主要原因是在尿素反應(yīng)過程中產(chǎn)生了(HNCO)3（三聚氰酸），具體反應(yīng)如下：

200-280℃；在這個溫度區(qū)間生產(chǎn)三聚氰酸，具體反應(yīng)如下：

本文針對某柴油機結(jié)晶問題，對影響尿素結(jié)晶的各因素如尿素噴射量、尿素噴霧平均直徑、混合器結(jié)構(gòu)進行研究。

2 試驗研究

2.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為JAC裝有SCR后處理系統(tǒng)的柴油機試驗臺架，其中試驗所用發(fā)動機為JAC某款柴油機， SCR系統(tǒng)主要包括SCR催化轉(zhuǎn)化器、尿素泵、噴射控制器(DCU)、噴嘴、尿素箱、尿素管路、尿素液位溫度傳感器、排溫傳感器、氮氧傳感器等組成，具體見圖1。

圖1 發(fā)動機試驗系統(tǒng)示意圖

2.2 試驗方法

（1）通過發(fā)動機排溫、尿素噴射量等因素分析，找出發(fā)動機容易結(jié)晶的工況點；

（2）固定此工況點，穩(wěn)態(tài)運行20h；

（3）停機檢查結(jié)晶情況；

（4）分析結(jié)果。

2.3 試驗方案

利用解耦原理對單個因素進行對比試驗：

表1 試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 尿素噴射量對結(jié)晶的影響

在發(fā)動機工況：轉(zhuǎn)速為2000rpm，扭矩為153Nm，發(fā)動機排溫為270℃，排氣流量為300kg/h的條件下，將尿素噴射量由143mg/s降低到90mg/s。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同噴射量對結(jié)晶的影響

由圖2可知，噴射量為90g/s時結(jié)晶情況明顯減輕。原因為尿素噴射量過大時，尿素水溶液不能及時發(fā)生反應(yīng)變成NH3，而是殘留在混合器上，形成結(jié)晶。

3.2 噴霧平均直徑對結(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)量來調(diào)整噴霧的平均直徑。將噴嘴由原來的三孔調(diào)整為六孔，噴射系統(tǒng)噴霧平均直徑由120um降低到100um。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 尿素噴霧分布圖

通過不同噴射系統(tǒng)的粒徑分布的曲線可知，孔數(shù)增加后，粒徑分布更加集中，也就是說粒徑更加均勻，其中最大粒徑由530um降低為360um。

圖4 平均噴霧直徑對結(jié)晶的影響

由圖4可知，當(dāng)尿素平均噴霧直徑由120um降低到100um時，結(jié)晶情況明顯改善。這是由于尿素平均噴霧直徑的減小會增加尿素的蒸發(fā)速度，那么殘留在混合器上的尿素就很少，因而可以減少結(jié)晶量。

3.3 混合器對結(jié)晶的影響

如圖5所示，將混合器結(jié)構(gòu)由葉片式改為渦輪式。

圖5 混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6 混合器對結(jié)晶的影響

由圖6可知混合器結(jié)構(gòu)對結(jié)晶影響顯著。混合器結(jié)構(gòu)由葉片式結(jié)構(gòu)提升到渦輪式結(jié)構(gòu)，相同的試驗工況相同的試驗時間尿素結(jié)晶的量降低70%。這是由于渦輪式混合器可以加大混合器處的流場及氣流強度，加快尿素和混合器的碰撞和氣流沖擊，使得尿素快速的蒸發(fā)，降低殘留的混合器上的質(zhì)量。

4 結(jié)論

通過以上對比得出以下幾個結(jié)論：

（1）尿素噴射量越小越不容易結(jié)晶，在排放標定階段在滿足排放的條件下盡量減少尿素噴射量；

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

（3）渦輪式混合器改善氣流同時改善尿素結(jié)晶，在混合器的設(shè)計上要重點關(guān)注。

[1] 桑心成.SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶結(jié)石研究[J].時代農(nóng)機,2016,43（9）: 31-33.

[2] 陳鎮(zhèn)等.柴油機尿素SCR氨分布均勻性的試驗與模擬優(yōu)化[J].車用發(fā)動機,2012,198（1）:41-45.

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

The experimental study on urea crystallization of diesel engine

Zhong Qiuyue, Gao Yanxin, Zhang Chao

( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

With the increasingly stringent emission regulation, the SCR aftertreatment system is the main technology for the heavy duty diesel engine to meet the CN Ⅳ and CN Ⅴ regulation. In the paper, the factors of urea crystallization were studied. The results showed that the urea injection, average diameter of spraying and mixer had greatly influence on crys -tallization.

SCR; urea crystallization; mixer

A

1671-7988(2018)22-119-03

TK42

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1671-7988(2018)22-119-03

TK42

鐘秋月，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.042