空氣輔助和無空氣輔助SCR系統尿素噴霧特性的對比試驗研究

華 倫，趙彥光，胡 靜，唐 韜，帥石金

(清華大學，汽車安全與節能國家重點試驗室，北京 100084)

前言

面對日益嚴重的排放污染問題和嚴格的汽車尾氣排放法規，僅改善柴油機的混合氣形成和燃燒顯然不夠，因此對缸內生成的NOx采用機外后處理措施越來越受到人們的重視。選擇催化還原(SCR)技術是目前降低柴油機NOx排放最有效的后處理技術之一，它可使柴油機在滿足嚴格排放法規的同時，仍具有較好的燃油經濟性。其中以尿素水溶液(Adblue)為還原劑的SCR技術最有應用前景。

在尿素SCR系統中會發生復雜的物理和化學變化，包括尿素水溶液噴霧霧化和蒸發;尿素的熱解和異氰酸的水解;NOx在催化劑表面與氨氣發生的表面催化反應等。其中尿素水溶液的噴霧特性直接影響尿素的分解及其與排氣的混合，從而影響NOx的轉化效率。目前對SCR尿素噴霧特性的研究主要集中在數值模擬。文獻［1］～文獻［3］中應用CFD軟件對尿素水溶液在排氣管道內的噴霧特性、碰壁現象、氨分布和混合氣進行了數值模擬。文獻［4］中對尿素SCR的噴霧和流動的數學模型進行了詳細闡述，并根據數值模擬結果提出了優化方案。文獻［5］中對SCR尿素噴霧CFD模擬的數學模型進行了詳細分析。文獻［6］～文獻［8］中對尿素噴霧特性和SCR系統進行了數值模擬研究。但針對尿素噴霧特性的試驗研究較少，主要有文獻［9］～文獻［11］中的研究，以及文獻［12］中對尿素噴霧液滴的蒸發過程進行的可視化試驗研究。

本文中應用高速攝影技術，針對有空氣輔助和無空氣輔助兩種SCR噴射系統進行尿素噴霧特性的可視化研究，分析了不同噴射速率下的噴霧形態，總結出噴霧貫穿距和錐角隨噴射速率的變化趨勢，為SCR系統優化提供依據。應用定容燃燒彈對不同環境溫度下的空氣輔助噴射系統尿素噴霧形態進行可視化研究，分析這種系統在實際應用中尿素噴霧發生碰壁現象的可能性。應用粒子動態分析儀(PDA)對兩種噴射系統的噴霧液滴粒徑進行測試，比較兩種噴射系統的噴霧特性。本文中的研究為改善尿素噴霧特性，減少沉積物生成和提高NOx轉化效率提供依據。

1 試驗

1.1 試驗裝置

本文中采用的尿素噴射系統有兩種。一種是有空氣輔助的噴射系統，其原理是控制計量泵柱塞往復運動的頻率，在柱塞往復運動一次供給還原劑量不變的情況下，還原劑供給量與柱塞運動的頻率成正比。另一種為基于脈寬控制的尿素噴射系統，即無空氣輔助噴射系統，其原理是控制電磁閥噴嘴開啟的時間，在噴孔前后壓差固定不變的情況下，還原劑噴射速率和開啟時間成正比。兩種噴射系統的噴嘴示意圖分別如圖1和圖2所示。空氣輔助噴射系統的噴嘴有4個噴孔，噴射方向垂直管壁，無空氣輔助噴射系統的噴嘴有3個噴孔，沿排氣方向噴射。

試驗中高速攝像機采用CMOS高速攝像機，針對噴霧發展過程的拍攝速率為2000幀/s，針對噴霧完全發展后的拍攝速率為500幀/s。

所開發的高溫高壓定容燃燒彈系統主要用于模擬發動機缸內高溫高壓條件。本文中將它應用于SCR系統的尿素噴霧特性研究。容彈內置電加熱絲，由外置的工控機控制，容彈內壁裝有絕緣保溫材料，可實現安全和快速的內部加溫。圖3為一組容彈系統從冷機狀態開始加熱的升溫曲線。

在PDA試驗中，噴霧液滴穿過測量體，產生多普勒觸發信號。光探測接收鏡頭接收到與液滴速度呈線性關系的多普勒信號。信號處理單元通過處理不同光接收鏡頭傳來的多普勒信號，根據其相位差換算得到液滴粒徑。最后由PDA專用軟件SIZEWare處理得到液滴在空間位置的平均粒徑和索特平均直徑等。

1.2 試驗內容

在常溫常壓下，應用高速攝像機分別對兩種噴射系統的尿素噴霧發展過程進行拍攝，并改變尿素噴射速率、觀察噴霧貫穿距和錐角，得到噴霧形態隨噴射速率變化的規律。其中尿素噴射速率的變化范圍可以覆蓋發動機在一般工況下降低NOx排放所需的尿素噴射速率。空氣輔助噴射系統的噴射速率分別為0.17、0.33、0.5和0.67g/s。無空氣輔助噴射系統的噴射速率為0.2～1.6g/s，間隔0.2g/s。在進行可視化試驗時分別考慮了兩種情況，即發展過程的噴霧形態和完全發展后的噴霧形態。

在對空氣輔助噴射系統進行定容燃燒彈內的可變環境溫度噴霧特性試驗時，在其頂部安裝噴嘴，將定容燃燒彈內的溫度分別加溫至250和350℃，分別以0.17、0.33和0.5g/s的噴射速率進行噴射，觀察不同溫度條件下的尿素噴霧特性。圖4為試驗示意圖和所拍攝到的尿素噴霧形態。受定容燃燒彈的容積和溫控條件限制，針對無空氣輔助噴射系統的在可變溫度條件下的噴霧特性研究未能進行。

對兩種噴射系統進行PDA試驗時，測點在噴霧軸線上距噴孔50mm處的位置。對空氣輔助噴射系統，在一定空氣輔助壓力(0.6MPa)下，測量不同尿素噴射速率在測點處的噴霧液滴粒徑。尿素噴射速率分別為0.17、0.33、0.5和0.67g/s。對無空氣輔助噴射系統，測量尿素噴射速率為0.6g/s時測點處的噴霧液滴粒徑，并與空氣輔助噴射系統尿素噴霧液滴粒徑進行對比。

2 結果與分析

圖5為空氣輔助噴射系統的尿素溶液噴霧的發展過程，即不同時刻的噴霧形態，空氣輔助壓力為0.6MPa，噴射速率為0.33g/s。圖6為不同噴射速率下的貫穿距隨時間變化的趨勢?？傮w來說，常溫常壓下噴射速率對貫穿距影響不大，但隨時間的變化，噴射速率較大時，噴霧貫穿距較長。圖7和表1示出噴霧錐角隨噴射速率而變化的趨勢。隨著噴射速率的提高，噴霧錐角變小。

表1 空氣輔助噴射系統不同噴射速率下的噴霧錐角

圖8為環境溫度分別為常溫、250和350℃時空氣輔助噴射系統的尿素噴霧形態。由圖可見:溫度對貫穿距有很大的影響，即隨著溫度的上升，噴霧貫穿距明顯減小;當溫度達到350℃時，貫穿距為2～3cm，說明碰壁現象發生的可能性很小。圖9為環境溫度250℃，噴射速率分別為0.17、0.33和0.5g/s時，高速攝像機拍攝到的空氣輔助噴射系統的尿素噴霧形態。由圖可見:當溫度較高(如250℃)時噴射速率對噴霧貫穿距也有較大的影響，隨著噴射速率的增大，貫穿距明顯變大，碰壁現象發生的可能性明顯變大。

圖10為無空氣輔助噴射系統的尿素噴霧發展過程中的噴霧形態。從圖中可明顯看到3束噴霧，且噴霧形態不隨噴射速率的改變而改變。這主要是由于不同噴射速率下尿素噴射壓差均為0.9MPa，只是電磁閥開啟時間不同。圖11為在不同噴射速率下噴霧充分發展后的形態。噴射速率對噴霧錐角沒有影響，基本在20°左右，貫穿距大于50cm，在距噴嘴較遠處噴霧的直徑大于20cm，在實際排氣管中尿素噴霧碰壁的可能性較大。相對空氣輔助噴射系統，其貫穿距明顯變大。

圖12為空氣輔助噴射系統在0.6MPa下，沿噴霧方向距噴孔出口50mm測量平面中心位置的粒徑分布。由圖可見:粒徑分布不隨噴射速率的改變而改變，且在1～5μm范圍內的粒徑占總粒徑的50%以上。圖13為空氣輔助噴射系統和無空氣輔助噴射系統的尿素噴霧在距噴嘴50mm測量平面中心位置的粒徑分布，噴射速率分別為0.67和0.6g/s?？諝廨o助噴射系統的噴霧液滴粒徑(索特平均直徑約為35μm)明顯小于無空氣輔助噴射系統的噴霧液滴粒徑(索特平均直徑約為85μm)。液滴粒徑小，則液滴與排氣接觸比表面積大，有利于尿素溶液蒸發和熱分解。

3 結論

本文中利用高速攝影技術和PDA技術，對空氣輔助噴射和無空氣輔助噴射兩種SCR系統的尿素噴霧特性(貫穿距、噴霧錐角和粒徑大小)進行了研究，并通過改變噴射速率對噴霧形態進行觀察，得出以下結論。

(1)在常溫常壓下，空氣輔助噴射系統的尿素噴霧貫穿距隨噴射速率改變，但變化較小。尿素溶液的噴霧錐角隨著噴射速率的增大而變小。

(2)隨著環境溫度的上升，空氣輔助噴射系統的噴霧貫穿距明顯減小。環境溫度較高時，碰壁現象發生的可能性很小。在高溫下，噴射速率對噴霧貫穿距也有較大的影響，隨著噴射速率的增大，貫穿距明顯變大，碰壁現象發生的可能性明顯變大。

(3)在常溫常壓下，無空氣輔助噴射系統有明顯的3束噴霧，且噴霧形態不隨噴射速率的改變而改變，主要原因是噴射的壓差保持不變。系統的噴霧錐角在20°左右，且不隨噴射速率的改變而改變，噴霧的貫穿距大于50cm，噴霧碰壁的可能性較大。

(4)空氣輔助噴射系統的噴霧液滴粒徑明顯小于無空氣輔助噴射系統的噴霧液滴粒徑。

［1］Felix Birkhold，Ulrich Meingast，Peter Wassermann.Modeling and Simulation of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx-Systems［J］.Applied Catalysis B:Environmental，2007，70:119-127.

［2］Felix Birkhold，Ulrich Meingast，Peter Wassermann.Analysis ofthe Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx-Systems:Modeling of Two-Phase Flow and Spray/Wall-Interaction［C］.SAE Paper 2006-01-0643.

［3］Yong.Development of a 3D Numerical Model for Predicting Spray，Urea Decomposition and Mixing in SCR Systems［C］.SAE Paper 2007-01-3985.

［4］Jeong Soo-Jin，Lee Sang-Jin，Kim Woo-Seung.Numerical Study on the Optimum Injection of Urea-water Solution for SCR DeNOx System of a Heavy-duty Diesel Engine to Improve DeNOx Performance and Reduce NH3Slip［J］.Environmental Engineering Science，2008，25:1017-1035.

［5］HenrikStr，Andreas Lundstr，BengtAndersson.Choice of Ureaspray Models in CFD Simulations of Urea-SCR Systems［J］.Chemical Engineering Journal，2009，150:69-82.

［6］王謙，劉倩，羅晶，等.柴油機Urea-SCR排氣管路CFD優化與NOx排放分析［J］.內燃機學報，2009，27(6):523-528.

［7］帥石金，張文娟，董紅義，等.柴油機尿素SCR催化器優化設計［J］.車用發動機，2007，167(1):44-47.

［8］張文娟，帥石金，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值模擬［J］.內燃機學報，2007，25(5):433-438.

［9］Lee Jong-sun，Baik Doo Sung.Evaluation of SCR System in Heavy-Duty Diesel Engine［C］.SAE Paper 2008-01-1320.

［10］Jeong Soo-Jin，Lee Sang-Jin，Kim Woo-Seung，et al.Simulation on the Optimum Shape and Location of Urea Injector for Urea-SCR System of Heavy-Duty Diesel Engine to Prevent NH3Slip［C］.SAE Paper 2005-01-3886.

［11］曹凌，李治龍，鄧俊，等.商用車SCR系統無空氣助噴噴嘴的噴霧特性研究［C］.2010中國汽車工程學會年會論文集:372.

［12］Wang Tae Joong，Baek Seung Wook，Lee Seung Yeol.Experimental Investigation on Evaporation of Urea-Water-Solution Droplet for SCR Applications［J］.Journal of American Institute of Chemical Engineers，2009，55(12):3267-3276.