商用車后處理系統尿素結晶問題研究

蘇長春

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用車后處理系統尿素結晶問題研究

蘇長春

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章根據商用車排氣后處理系統的結構布置和工作原理，逐層分類對尿素結晶問題進行分析梳理，通過理論分析、軟件模擬以及試驗對比，并結合工作中遇到的實際案例，較全面的研究了尿素結晶可能出現的零部件及出現的原因，并針對不同的原因提出了解決措施。分析證明，通過合理的選擇重型卡車排氣后處理系統的零部件類型，優化各零件安裝角度、尺寸、外形結構，增加保溫措施提高排氣溫度，優化發動機控制策略標定等措施，可有效提高后處理系統尿素溶液反應效率，降低尿素結晶風險，從而避免整車出現動力不足、排放超標等問題。

排放；排氣系統；保溫材料；控制策略

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.075

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-223-04

引言

目前我國商用車處于國Ⅳ排放階段，即將于2017年中正式開始全面實行國Ⅴ排放。為滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放法規，柴油車多通過采用發動機內提高燃燒效率降低PM，排氣后處理系統尿素溶液選擇催化還原（SCR）降低NO的技術路線。在實踐應用中，尿素溶液結晶問題比較容易出現，會導致排氣系統零部件損壞、背壓升高、發動機限扭、排放超標等問題，嚴重影響客戶車輛的正常運營。

1、尿素結晶的形成原理

1.1 SCR基本原理

尾氣從增壓器渦輪流出后進入排氣管中，同時由安裝在排氣管上的尿素噴射單元將適量的尿素水溶液以霧狀形態噴入排氣管中，尿素液滴在高溫廢氣作用下發生水解和熱解反應，生成所需要的還原劑氨氣（NH3），氨氣在催化劑的作用下將氮氧化物（NOx）有選擇性地還原為氮氣（N2），反應示意圖如下圖所示。有時為了防止過多的氨氣逃逸造成二次污染，還需要在SCR催化劑后方布置促進氨氣氧化成氮氣的催化劑。

1.2 尿素結晶形成機理

機理一：在尿素罐、尿素泵、尿素管路及尿素噴嘴中，尿素溶液中水分蒸發析出白色晶粒，或者尿素溶液所處環境溫度低于-11℃結冰，均會形成尿素結晶。

機理二：在排氣管、催化消聲器中，尿素水溶液生成氨氣需要經過一系列復雜的水解、熱解反應。尿素加熱至160℃～200℃時分解，產生氨氣同時變為氰酸，進一步縮合生成縮二脲、縮三脲、三聚氰酸和三聚氰胺等物質，即為尿素結晶。

2、尿素結晶形成原因研究

2.1 尿素罐尿素溶液結晶

尿素罐主要功能為儲存并為整車后處理系統提供尿素溶液，為使尿素罐能在各種環境工況下正常工作，需為其配備專用的加熱系統，并設置有效的通氣裝置確保尿素溶液消耗過程中尿素罐內外氣壓平衡。

根據以上分析，可得出尿素罐中尿素溶液結晶原因有以下兩點：

（1）環境溫度低于-11℃，尿素罐加熱系統失效。具體原因為后處理系統斷水電磁閥損壞失效、尿素加熱管路堵塞、尿素加熱水管過長、尿素加熱水溫度過低等；

（2）尿素罐通氣裝置失效，尿素罐內負壓過大開裂。具體原因為尿素罐通氣管或通氣閥被堵塞，尿素罐內負壓增大吸癟，薄弱部位出現裂紋析出尿素溶液，溶液中水分蒸發形成結晶。

2.2 計量泵和尿素管中尿素溶液結晶

計量泵又稱尿素泵，是排氣后處理系統中的一個關鍵控制單元，主要功能為按照發動機ECU或者DCU發出的信號，從尿素罐中吸取適量的尿素溶液，通過尿素管及尿素噴嘴噴射到排氣管中，并將多余尿素溶液回送至尿素罐中。在此過程中，計量泵還需完成尿素管路及自身內部殘余尿素溶液的吹掃或回吸任務，避免尿素溶液遺留在尿素罐以外的零件內。

因此，計量泵和尿素管中尿素溶液結晶的主要原因有：

（1）計量泵內部結構損壞，失去吹掃及回吸功能，尿素溶液在尿素泵及尿素內長時間殘留，水分蒸發結晶；

（2）車輛熄火后電源被立即關閉，計量泵回吸或吹掃工作時間過短，回吸或吹掃不徹底，導致計量泵和尿素管中尿素溶液殘留，進而水分蒸發結晶。

2.3 尿素噴嘴中尿素溶液結晶

尿素噴嘴安裝在排氣管或催化消聲器上，主要功能為接收尿素管中尿素溶液并以噴霧的形式將其與尾氣混合，發生分解反應。一些尿素噴嘴上設置有冷卻水管接頭，可對噴嘴進行降溫，防止噴嘴因無法承受排氣管中的高溫發生結構損壞。

尿素噴嘴中產生尿素結晶的原因有：

（1）尿素噴嘴受熱不均衡，冷卻不足，尿素溶液在噴射前高溫蒸發出水分結晶；

（2）尿素噴嘴安裝角度不合適，尤其在倒置安裝的情況下，尿素噴嘴內沉積尿素溶液進而倒置結晶。

2.4 排氣管中尿素結晶

前三種尿素結晶產生的機理一致，而排氣管中出現尿素結晶與之不同，產生機理不一，是重型卡車發生最多的一種結晶形式，且會直接導致排氣管被堵塞、排氣背壓增大、排放故障燈亮、動力不足等后果，因此對整車性能的影響也最大。

排氣管中發生尿素結晶的原因較多，根本原因是由于尿素溶液分解不徹底，產生其它物質導致，本文從以下幾個方面進行具體分析。

2.4.1 尿素噴嘴損壞或安裝角度不當

尿素噴嘴安裝在排氣管或者催化消聲器進氣端，需確保尿素溶液噴出后形成噴霧，與尾氣充分混合并發生分解反應生產氨氣。尿素噴嘴損壞或安裝角度不合適導致的尿素結晶有以下兩種：

（1）尿素噴嘴損壞，噴射孔處尿素溶液呈大顆粒或液柱狀態噴出，則無法充分反應，堆積在排氣管內壁上，排氣高溫蒸發出水分形成結晶；

（2）尿素噴嘴安裝角度不當，尿素溶液噴射出后無法與尾氣充分混合，大量粘附在排氣管壁上，進而因排氣高溫蒸發出水分形成結晶。

2.4.2 排氣管內排氣溫度過低

尿素溶液所處排氣管溫度來源于發動機增壓器出氣溫度，重型卡車所匹配的柴油機增壓器最高出氣溫度一般為500℃到650℃，而由于重型卡車車型平臺較多，路況復雜，零部件種類多樣，排氣管尺寸規格也較多。通過排氣管溫降試驗顯示，在環境溫度為20℃時，排氣管溫降每米為50℃，隨著環境溫度的降低，排氣管溫降增大。

某些雙前橋載貨車車型排氣管達到4m左右，排氣溫度散失較嚴重，導致尿素噴嘴處溫度過低，尿素溶液轉換效率過低，產生尿素結晶。

2.4.3 發動機控制策略不合理

不合理的尿素噴射控制策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量，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消聲器中的尿素結晶，進一步會轉化成結石。因此，需要進行合理的尿素啟噴溫度設定和尿素噴射策略的標定。

2.4.3.1 尿素啟噴溫度對尿素結晶生成量的影響

某研究單位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，時間為30min.

試驗結果：排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物占尿素消耗量的 12.5%、7.8%和4%，當排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成。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。

2.4.3.2 尿素噴射速率對尿素結晶生成量的影響

在發動機臺架上進行同一排氣溫度和流量下尿素溶液噴射速率對尿素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℃，尿素噴射速率設計為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min。

試驗證明：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下降到5g/min后，均不再產生尿素沉積物。

3、尿素結晶的預防措施研究

3.1 尿素罐內尿素結晶的預防措施

為尿素罐設置可確保尿素罐通氣順暢、不易堵塞的通氣裝置，尿素加熱水電磁閥參數與發動機后處理控制信號相匹配，定期對尿素罐通氣管、尿素罐內濾網、尿素加熱水電磁閥進行檢查維護，可有效避免尿素罐出現結晶問題。

3.2 計量泵及尿素管內尿素結晶的預防措施

提高尿素泵噴射及吹掃、回吸壓力，車輛停駛后留足夠的時間給尿素泵進行吹掃或回吸，采用電加熱尿素管，均可避免尿素溶液在計量泵及尿素管路中殘留結晶。

3.3 尿素噴嘴內尿素結晶的預防措施

采用合理的尿素噴嘴結構及安裝角度，確保尿素噴嘴冷卻水循環運行通暢以降低尿素噴嘴溫度，優化尿素噴嘴受熱不均勻情況，可避免尿素噴嘴內尿素結晶堵塞。

3.4 排氣管及催化消聲器中尿素結晶的預防措施

3.4.1 優化尿素噴嘴角度

某車型尿素噴嘴安裝于催化消聲器前的混合器上，尿素噴嘴底座與混合器成30°夾角，后處理系統工作時，部分尿素溶液被噴射到排氣管壁上，導致排氣管局部溫度降低、尿素溶液中水分蒸發，進而形成并逐漸堆積尿素結晶。利用STAR-CCM+8.04軟件對不同尿素噴嘴安裝角度下尿素溶液在排氣管中噴射狀態進行模擬計算可以證明，合理的噴嘴安裝角度，可有效避免尿素溶液噴射到排氣管壁上結晶。經過驗證，采用安裝在排氣管折彎角處，尿素噴射方向與排氣管中心線成4°—6°角狀態，為最佳噴嘴安裝角度。

3.4.2 縮短排氣管長度

針對某些車型排氣管過長，排氣溫度降低過多導致尿素溶液反應效率過低結晶的問題，可對排氣管及催化消聲器結構及布置進行優化。

某6×2中體載貨車型原采用筒式催化消聲器，受整車布局限制，消聲器布置在二橋后方車架上，排氣管長度達4.5m，對此車型排氣系統進行優化后，將催化消聲器改為箱式，并安裝在第一、二前橋之間的車架上，排氣管縮短為2m，排氣溫度損失減少55%以上。

3.4.3 排氣管增加保溫措施

針對排氣管無法縮短，且溫降過大無法滿足尿素溶液反應所需的情況，可在排氣管外包裹保溫材料，以減少排氣管內熱量散失。

排氣管保溫材料結構如下圖所示：

排氣管保溫包裹材料結構設計時需注意以下兩點：

（1）由保溫層和保護層組成。保溫結構設計必須保證其在經濟壽命年限內的完整性，應保證其有足夠的機械強度，不允許在自重或者夠然輕微外力作用下被破壞的現象發生。

（2）保護層必須切實起到保護保溫層的作用，以阻擋環境和外力對保溫材料的影響，延長保溫結構的使用壽命，并使保溫結構外形整齊美觀。

鑒于排氣管高溫、走向空間有限的特點，保溫材料的選擇需遵循以下原則：

（1）在滿足包裹排氣管所需的導熱系數和厚度的基礎上，優先選用密度小、價格低廉、便于維護、環境友好的材料，同時所有保溫包裹材料必須保證不得含有國家明令禁止的物質；

（2）保溫材料應滿足耐熱要求，保溫層能耐700℃以上的高溫。保溫材料整體燃燒等級要求達到A級（不燃），具體標準按GB 8410-2006執行；

（3）保溫材料在-30℃時不脆化、龜裂，安裝方便，連接可靠，外形美觀。

針對某4×2載貨車進行排氣管保溫包裹試驗對比，在車輛常用轉速1000-1500 r/min，繞某試驗場地行駛相同圈數后，選取相同的六個地點讀取催化消聲器前排氣溫度傳感器數值，對比結果如下：

表1 排氣管保溫對比試驗

由此可見，包裹保溫材料一時，車輛排氣管溫度散失最少，催化消聲器內溫度最高，尿素結晶的概率也較小。

3.4.4 優化發動機后處理控制策略

發動機后處理控制策略對整車排氣系統尿素結晶的產生影響很大，提高尿素啟噴溫度，減小低溫下尿素噴射速率，可有效提高尿素溶液轉化效率，降低尿素結晶風險。

4、結論

本文根據重型卡車排氣后處理系統的結構布置和工作原理，逐層分類對尿素結晶問題進行分析梳理，通過理論分析、軟件模擬以及試驗對比，并結合工作中遇到的實際案例，較全面的研究了尿素結晶可能出現的零部件及出現的原因，并針對不同的原因提出了解決措施。

分析證明，通過合理的選擇重型卡車排氣后處理系統的零部件類型，優化各零件安裝角度、尺寸、外形結構，增加保溫措施提高排氣溫度，優化發動機控制策略標定等措施，可有效提高后處理系統尿素溶液反應效率，降低尿素結晶風險，從而避免整車出現動力不足、排放超標等問題。

[1] 趙航,王務林,楊建軍等.車用柴油機后處理技術［M］.北京:中國科學技術出版社,2010.

[2] 彭莫,刁增祥,等.汽車動力系統計算匹配及評價.北京:北京理工大學出版社,2009.

[3] 吳明,任勇剛,等.汽車發動機原理.北京:機械工業出版社,2013.

Commercial vehicle post-processing system of urea crystallization problem research

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

According to truck exhaust after treatment system structure and working principle of classification of layer-by-layer analysis of urea Crystal issues, through theoretical analysis, software simulations and experiments, and combined with the actual case work, more comprehensive studies of urea crystals may appear parts and the cause of, and proposes solutions for different reasons. Analysis shows that, through the rational selection of heavy duty truck exhaust after treatment system component type, optimize the structure of parts mounting angle, dimension, shape, increased insulation measures to increase the exhaust temperature, optimum calibration of engine control strategy and other measures, can effectively improve the handling system of urea solution after the reaction efficiency, reduce the risk of urea crystals, so as to avoid underpowered vehicle, excessive emissions and other issues.

Emission; exhaust system; insulation; control strategy

U467.3

A

1671-7988(2016)10-223-04

蘇長春，男，（1987.1-)本科，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。2011年至今在江淮汽車公司從事重卡排氣系統設計工作。