孫樹平 倪俊芳

摘? 要：目前國內(nèi)外單噴嘴單泵尿素噴射系統(tǒng)已在市場上有廣泛的應用，但是單噴嘴單泵的系統(tǒng)不足以滿足大功率柴油發(fā)動機的后處理還原需求。文章對單泵多噴嘴并聯(lián)尿素噴射系統(tǒng)進行了實驗研究。基于SCR對噴射性能的要求，對單泵多噴嘴的各個噴嘴噴霧性能進行測試，結果表明，單泵多噴嘴的各個噴嘴性能一致且能滿足要求。該研究為大功率發(fā)動機的后處理系統(tǒng)提供了一種結構布置簡單并且成本較低的方案。

關鍵詞：多噴嘴并聯(lián);尿素噴射系統(tǒng);噴霧性能

中圖分類號：U664.121 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）22-0054-02

Abstract： At present， the single injector with single pump is wide use in the market， but it cannot use for the large diesel engine after treatment system. The paper carried out an experiment study on a Multi-Injector Parallel with single pump Urea Dosing System. As the injection performance requirements from SCR， tested the all-parallel injector's performance. The test showed that all injectors had the similar spray performance and met the performance requirements. The study providesone kind of simple in structure and low cost solution for large engine after treatment system.

Keywords： Multi-Injector Parallel; Urea Dosing System; spray performance

前言

非道路移動污染源是顆粒物排放的重要來源之一，是造成大氣區(qū)域灰霾污染和光化學煙霧污染的重要原因。對于柴油機尾氣排放后處理，選擇性催化還原（Selective catalytic Reduction， SCR）能有效去除柴油機尾氣中的氮氧化合物（NOx），且有催化劑抗硫性強和技術升級潛力大等特點，成為控制NOx排放的普遍采用的方法[1-2]。大功率的船用和發(fā)電機組用的柴油發(fā)動機，排氣管路的背壓要求較高和布置復雜等特點，使用一個大流量的泵，同時滿足多個噴嘴的噴射需要，并且可以實現(xiàn)噴嘴噴射的單獨控制，可以很大的簡化管路和線路的布置。尿素的噴射精度和噴霧特性直接影響SCR系統(tǒng)的綜合性能，單泵單噴嘴在車機中得到了廣泛研究[3-5]。但對多噴嘴并聯(lián)的尿素噴射系統(tǒng)的研究并未開始。因此，本文主要對多噴嘴并聯(lián)尿素噴射性能進行實驗研究。

1 測試設備和實驗方法

1.1 實驗裝置和方法

1.1.1 噴射精度實驗裝置

噴射系統(tǒng)精度是SCR系統(tǒng)的基本要求，尿素噴射過多會導致氨氣（NH3）泄漏，造成環(huán)境污染，噴射量不足會造成NOx排放超標。實驗采用計量式噴嘴，泵用來提供壓力和流量。

實驗時，在噴嘴的噴射量程內(nèi)由控制器發(fā)出不同的噴射量要求，按照要求噴射一段時間，然后利用高精度電子稱稱量實際噴射量，計算系統(tǒng)的噴射精度A：

式中Q1為理論噴射量，單位為g;Q2為稱量的噴射量，單位為g。

1.1.2 噴霧特性實驗裝置及方法

噴霧特性是影響NOx排放的重要指標，實驗通過測量各個噴嘴的粒徑、速度和角度，來檢驗系統(tǒng)的噴射性能。噴霧粒徑用索特平均直徑（Sauter mean diameter SMD）表示，即

式中， ？駐ni為直徑di被測量的液滴數(shù)量;K為直徑分檔數(shù);n為被測液滴總數(shù)。

2 噴射系統(tǒng)實驗結果分析

2.1 多泵并聯(lián)噴射系統(tǒng)的噴射精度

在單泵單噴嘴噴射精度的基礎上，研究單泵多噴嘴并聯(lián)的噴射精度，研究結果表明單泵多噴嘴并聯(lián)和單泵單噴嘴噴射精度基本一致，在小噴射量下同樣精度較差。小噴射量時，噴嘴的開關響應時間對噴射量的影響比較顯著，造成精度下降。

2.2 噴霧特性分析

2.2.1 噴霧粒徑分析

尿素噴霧通過噴嘴噴射進入排氣管后，水分受高溫蒸發(fā)形成液態(tài)或固態(tài)尿素，后經(jīng)熱解和水解反應生轉換成氣態(tài)，上述反應均為吸熱過程[6-7]。尿素噴霧粒徑的大小對液滴吸熱和分解速率有直接的影響。實驗表明，在單泵多噴嘴的系統(tǒng)中，SMD的數(shù)值沒有明顯的變化，都在要求的標準之內(nèi)（50-70um）。如表2所示。

2.2.2 液滴初始速度和角度分析

尿素噴霧液滴初始速度過大會導致尾排超標、背壓增加甚至排氣管堵塞等情況;液滴速度太小會導致NOx超標和NH3泄露。角度大了會形成結晶。角度小就有NOx就不能被還原。本實驗測量了單泵單噴嘴和單泵多噴嘴的情況下的噴射速率和角度。多噴嘴并聯(lián)系統(tǒng)的噴射速率和角度沒有明顯的變化，都在噴嘴的設計要求內(nèi)，滿足SCR的性能要求。

3 結束語

本文主要對單泵多噴嘴尿素噴射系統(tǒng)的噴射精度、噴霧特性實驗研究。研究結果表明，單泵多噴嘴并聯(lián)系統(tǒng)各個噴嘴的性能沒有明顯的變化且都能滿足SCR對噴射的性能要求。該系統(tǒng)結構簡單，管路和線路布置方便，可以匹配大功率發(fā)動機以及多臺發(fā)動機共用噴射系統(tǒng)的應用。該研究對大功率船機、發(fā)電機組用柴油發(fā)動機節(jié)能具有重要意義。

參考文獻：

[1]賀泓，翁端，資新運.柴油車尾氣排放污染控制技術綜述[J].環(huán)境科學，2007，1（6）：1169-1173.

[2]姜燁，高翔，吳衛(wèi)紅，等.選擇性催化還原脫硝催化劑失活研究綜述[J].中國電機工程學報，2013，33（14）：18-31

[3]Johnson TV. Review of diesel Emissions and control， 2010-01-0301[R]. Detroit， USA： SAE， 2010.

[4]Nagaraj NS， Kapilan N， Sadashiva P S. Modeling of Urea-Water Solution Injection Spray in SCR System[J]. Applied Mechanics & Materials， 2012，232（1）：583-587.

[5]Dahlin S， Nilsson M， Bckstrm D， et al. Multivariate Analysis of the Effect of Biodiesel-Derived Contaminants on V2 O5 WO3/TiO2， SCR Catalysts[J]. Applied Catalysis B Environmental， 2016，183：377-385.

[6]張文娟，帥金石，董紅義，等.尿素SCR-NOx催化器流動、還原劑噴霧及表面化學反應三維數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機學報，2007，25（5）：433-438.

[7]馬哲樹，劉吉財，劉少俊，等.船用柴油機Urea-SCR系統(tǒng)噴霧特性實驗研究[J]江蘇科技大學學報：自然科學版，2015，29（6）：536-539.