車用SCR系統尿素結晶影響因素分析及試驗研究

胡帥，高延新，孫飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車用SCR系統尿素結晶影響因素分析及試驗研究

胡帥，高延新，孫飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

選擇性催化還原技術(SCR)是一種先進的車用氮氧化物（NOx）排放控制技術。針對尿素結晶現象，對結晶成因分析發現，混合管路設計、尿素霧化性能、尿素噴射量對結晶有重要影響。文章對優化設計的SCR系統進行臺架尿素結晶風險考核，結晶改善明顯。

選擇性催化還原；混合管路；霧化性能；噴射量；結晶試驗

引言

隨著國家排放法規不斷加嚴，發動機排放開發難度越來越大。SCR技術是目前商用車滿足國Ⅳ、國Ⅴ及未來國Ⅵ排放開發的主要技術。逐步加嚴的排放法規對SCR系統提出了極高的要求，其中如何避免尿素結晶一直是研究的重點。理論上尿素水溶液噴入排氣管中，經過蒸發、熱解生成NH3（氨氣）和 HNCO（異氰酸），HNCO在催化劑表面發生水解反應生成NH3和CO2。但實際上，HNCO在低于300℃時，很難完全轉化成NH3，那么HNCO就有可能發生一系列的副反應，生成三聚氰酸（(HNCO)3）等沉積物，這就是尿素結晶的主要成分。

本文以某型輕型商用車SCR系統為研究對象，通過優化管路結構設計、尿素霧化性能、尿素噴射量，研究這些因素對尿素結晶的影響。通過對比驗證這些措施效果，對解決SCR系統尿素結晶有一定的指導作用。

1 結晶成因

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

但是在尿素熱解、水解不充分的時候，也可能產生中間產物，如在 150℃~200℃區間尿素和異氰酸反應生成縮二脲（4）。在 200℃~280℃縮二脲和異氰酸反應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晶的主要成分。

尿素噴出后先發生水解，在排氣溫度較低的情況下，尿素熱解水解速度較慢，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，液膜蒸發吸熱導致混合器溫度進一步降低，逐漸出現尿素結晶。結晶的存在使尿素噴在其表面，便有可能發生（4）~（6）的化學反應生成縮二脲和三聚氰酸。縮二脲在排溫高于 200℃時會發生分解，而三聚氰酸在排溫高于 350℃時才會分解，而輕型商用車排溫很難達到 350℃以上，由此可以確定，混合器上的結晶是由縮二脲和異氰酸反應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

混合管路的角度設計是影響尿素結晶的重要因素。目前存在兩種不同的混合管路設計方式，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的尿素量多，容易形成結晶；垂直噴射每一束噴霧在混合器上的接觸面積相同，單位面積內的尿素量相對較少，結晶風險小。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，結晶風險小。本文利用 AVL-Fire軟件對 SCR系統進行NH3均勻性分析，傾斜噴射和垂直噴射分析結果如圖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

噴霧粒徑的分布對結晶有很大的影響，特別是大粒徑的數量，決定水解和熱解的時間，決定是否會產生結晶。其中對噴霧粒徑影響較大的兩個因素是噴孔數目和噴射壓力。

噴孔數目增加時，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，結晶風險也相對較小。噴射壓力增大時，噴射量不變的前提下噴射速度變快，液滴的粒徑會變小，下面分別對比3孔5bar、6孔5bar、3孔9bar、6孔9bar四種不同噴孔數目和噴射壓力下的噴霧粒徑分布，對比結果如圖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）

結果表明：噴孔數目越多，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

尿素噴射量對結晶有很大的影響，在保證排放結果不變的情況下，相同工況點尿素噴設量越大，需要熱解和水解的熱量越多，相應的結晶風險也就越大。

3 試驗裝置及內容

3.1 試驗裝置

尿素結晶試驗總體布置如圖5所示，試驗臺架主要包括一臺國五柴油發動機、SCR后處理系統、發動機燃油供給及油耗測量系統、測功機及控制系統、排放測試系統等。試驗用發動機主要參數見表1。

圖5 尿素結晶試驗臺架示意圖

表1 柴油機主要參數

3.2 試驗內容

針對理論分析對尿素結晶有影響的因素進行試驗驗證，分別針對混合管路結構設計、尿素霧化性能、尿素噴射量三個因素單獨驗證。每個因素在發動機臺架上固定一個工況點，穩態運行20小時，然后停機檢查個因素對結晶變化情況的影響。

表2 試驗內容

4 試驗結果與分析

4.1 混合管路設計對結晶的影響

通過優化混合管路的角度，加大混合器處的流場及氣流強度，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，降低殘留的混合器上的尿素質量。

表3 混合管路優化前后對比

試驗結果表明：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，故結晶的量降低。

4.2 霧化性能對結晶的影響

通過調整尿素噴射系統中尿素噴嘴的噴孔數目和噴射壓力來調整噴霧直徑，考察了不同噴霧直徑對尿素結晶的影響，分別對比3孔5bar、6孔5bar、3孔9bar、6孔9bar四種結晶情況。

表4 霧化性能優化前后對比

試驗結果表明：尿素平均噴霧直徑對結晶影響顯著。當尿素平均噴霧直徑降低16%，相同的試驗工況相同的試驗時間尿素結晶的量降低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間內混合器上的尿素水溶液的蒸發速度加快，相同時間內殘留在混合器上的尿素水溶液降低，故結晶的量降低。

4.3 噴射量對結晶的影響

調整發動機工況，發動機轉速2000rpm、扭矩180Nm，發動機排溫260℃、排氣流量280kg/h。通過標定軟件INCA調整尿素噴射量，考察噴射量對尿素結晶的影響，該工況尿素噴射量由167mg/s降低到120mg/s。試驗結果如表5所示。

表5 噴射量優化前后對比

試驗結果表明：尿素噴射量對結晶影響顯著。當尿素噴射量降低28%，相同的試驗工況相同的試驗時間尿素結晶的量降低70%。尿素噴射量降低相同時間內噴射到混合器上的尿素水溶液的質量降低，尿素水溶液蒸發的速度相同，相同時間內殘留在混合器上的尿素水溶液降低，故結晶的量降低

5 結論

（1）改善混合管路的角度設計同時改善尿素結晶，在封裝結構設計時重點關注；

（2）噴霧粒徑越小越不容易結晶，在噴射系統選型時選擇噴霧粒徑小的噴射系統；

（3）尿素噴射量越小越不容易結晶，排放標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 SCR后處理中尿素沉積物的機理研究[D].上海工程技術大學,2013.

[2] 馮向宇,葛蘊珊,馬朝臣等.柴油機尿素 SCR系統沉積物成因研究[J].內燃機工程,2014.35（6）:1-6.

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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股份有限公司。