柴油車SCR尿素噴嘴清洗劑的研制

李海平，劉泉山，謝建海

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

隨著國Ⅴ排放法規(guī)的實(shí)施，Urea-SCR(尿素-選擇性催化還原)技術(shù)在車用柴油機(jī)上得到越來越廣泛的應(yīng)用，但該技術(shù)在應(yīng)用中也存在一些問題，如尿素結(jié)晶、結(jié)石。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，SCR系統(tǒng)的不同部位均可能出現(xiàn)結(jié)晶，比如尿素泵、尿素噴嘴、排氣管壁、催化劑表面等。隨著尿素沉積物的積累，排氣背壓升高，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性變差，嚴(yán)重時會堵塞排氣管，使發(fā)動機(jī)無法正常工作。

由于SCR后處理系統(tǒng)產(chǎn)生的沉積物經(jīng)過多重反應(yīng)，成分復(fù)雜、組成較穩(wěn)定。目前發(fā)動機(jī)廠、整車廠、SCR系統(tǒng)廠家等對SCR后處理系統(tǒng)沉積物堵塞故障采取的辦法都是直接更換堵塞部件，并且更換后的堵塞部件大部分直接報(bào)廢，無有效的再生處理方法，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失及資源浪費(fèi)。因此，市場急需一種高效的清洗劑，對SCR后處理系統(tǒng)沉積物進(jìn)行定期清洗和再生保養(yǎng)，除去沉積物，從而延長SCR后處理系統(tǒng)使用壽命、增加發(fā)動機(jī)動力、降低油耗并達(dá)到排放法規(guī)要求，減少更換SCR后處理系統(tǒng)造成的經(jīng)濟(jì)損失。

1 SCR噴嘴沉積物生成機(jī)理和沉積物組分性質(zhì)

在柴油機(jī)SCR后處理系統(tǒng)中，尿素水溶液噴入排氣管后發(fā)生的有效物理化學(xué)變化如下：尿素水溶液的霧化與水的蒸發(fā)、尿素分解生成氨氣和異氰酸(HNCO)以及異氰酸在催化劑表面水解生成氨氣，如下列反應(yīng)式(1)和反應(yīng)式(2)所示。當(dāng)排氣溫度比較低時，尿素水解、熱解不充分，會有副反應(yīng)伴隨，如：尿素和異氰酸反應(yīng)生成縮二脲(反應(yīng)式(3))，縮二脲和異氰酸反應(yīng)生成三聚氰酸(反應(yīng)式(4))，反應(yīng)式(3)和反應(yīng)式(4)通常在160℃～190℃發(fā)生，在某一臨界蒸氣壓下且溫度高于190℃時，三個異氰酸分子也可能直接快速縮合為三聚氰酸(反應(yīng)式(5))。馮向宇[1]等利用紅外光譜儀與熱重分析儀對柴油機(jī)SCR系統(tǒng)中尿素噴嘴附近和排氣管壁兩處沉積物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：噴嘴處沉積物的主要成分為尿素、縮二脲和三聚氰酸的混合物，排氣管壁處沉積物主要成分為三聚氰酸，這幾種化合物的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 沉積物組分的理化性質(zhì)Table 1 The physical and chemical properties of deposits

SCR噴嘴清洗劑的作用原理就是與沉積物中的尿素、縮二脲、三聚氰酸等進(jìn)行物理或化學(xué)反應(yīng)，從而將沉積物溶解分散。從表1化合物理化性質(zhì)可以看出，尿素和縮二脲均易溶于乙醇，三聚氰酸溶于酸和堿液。龔海等[2]研究了溶液酸堿性對三聚氰酸降解率的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：酸對三聚氰酸的水解無明顯催化作用，而在堿性溶液中，隨著pH值的增加，三聚氰酸降解率不斷上升。此外，在一篇關(guān)于SCR 催化劑的再生方法的專利[3]中，其清洗劑配方中以表面活性劑作為滲透劑，可提高沉積物清洗效率。

2 試驗(yàn)試劑和方法

2.1 試驗(yàn)試劑

試驗(yàn)中所用的試劑均為分析純，包括：醇胺、無機(jī)堿、乙醇、十二烷基硫酸鈉、純水。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中所用的理化分析方法如表2所示。

表2 試驗(yàn)方法Table 2 The test method

評價清洗劑性能時，根據(jù)SCR系統(tǒng)沉積物生成機(jī)理，通過模擬試驗(yàn)方法獲得了尿素沉積物。尿素沉積物制備方法為：在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，先將符合國標(biāo)GB/T 29518-2013的車用尿素水溶液在攪拌下加熱濃縮，再將濃縮后的尿素液裝在搪瓷托盤中，置于烘箱中高溫烘烤，先170℃下放置1天，然后190℃下放置1天，得到塊狀固體沉積物。評價清洗劑的清洗性能時，稱取定量的沉積物放入燒杯中，將定量的清洗劑倒入燒杯中浸泡，以沉積物溶解時間的長短作為評價清洗劑性能優(yōu)劣的依據(jù)。

3 SCR噴嘴清洗劑的研制

根據(jù)文獻(xiàn)和專利調(diào)研結(jié)論，選擇醇胺、無機(jī)堿、乙醇、十二烷基硫酸鈉、純水為SCR噴嘴清洗劑配方的組分。首先，根據(jù)表3所示的質(zhì)量配比進(jìn)行了配方考察。

表3 清洗劑配方考察Table 3 Study on the formula of detergent

表4 清洗劑優(yōu)化配方Table 4 Optimized formulation of detergent

對不同配方的清洗劑溶液pH值和冰點(diǎn)進(jìn)行了測試，清洗劑溶液的pH值隨無機(jī)堿濃度的增大而增大，冰點(diǎn)隨乙醇濃度增大而降低。評價清洗性能時，將模擬制備的沉積物置于燒杯中，再加入清洗液，然后攪拌，記錄沉積物分散、溶解的時間。不同配方下的清洗劑對沉積物溶解時間差異較大，溶解時間的長短主要與無機(jī)堿的濃度有關(guān)。通過配方優(yōu)化，以及綜合考慮清洗劑產(chǎn)品的性能、成本、安全，以及設(shè)備防腐蝕要求，選擇表4所示的質(zhì)量配比作為清洗劑產(chǎn)品的最終配方。

SCR噴嘴清洗劑對模擬方法制備的沉積物作用前后照片如圖1所示。從圖1可以看出，清洗劑對沉積物具有良好的溶解、分散效果。

圖1 清洗劑作用前后對比Fig.1 The contrast before and after treated with detergent

4 SCR噴嘴清洗劑的技術(shù)指標(biāo)

表5 技術(shù)指標(biāo)及考察結(jié)果Table 5 The technical indicators and test results

SCR噴嘴清洗劑的主要成分為無機(jī)堿、乙醇、表面活性劑等，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，制定了如表5所示的技術(shù)指標(biāo)。采用不同批次的原料調(diào)制了三批次清洗劑樣品，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)考察結(jié)果如表5所示。從測試結(jié)果可以看出，清洗劑產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

5 SCR噴嘴清洗劑的應(yīng)用試驗(yàn)

研制的SCR噴嘴清洗劑在東風(fēng)天龍起航版商用車開展了應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛如圖2所示，該車輛采用康明斯SCR后處理系統(tǒng)，已行駛里程為395000 km。車輛出現(xiàn)OBD報(bào)警時，顯示尿素噴射系統(tǒng)故障。將尿素噴嘴拆卸后發(fā)現(xiàn)噴嘴上的管路和噴孔均有沉積物，堵塞嚴(yán)重。出現(xiàn)堵塞是由于車輛停止運(yùn)行后SCR系統(tǒng)內(nèi)殘留的尿素溶液排空不徹底，導(dǎo)致尿素結(jié)晶析出。將研制的SCR噴嘴清洗劑倒入燒杯中，放入該堵塞的噴嘴浸泡，清洗劑作用20min后，噴嘴的尿素管和噴孔變通暢，且沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，清洗前后照片如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)車輛及尿素噴嘴清洗前后對比

Fig.2 The test vehicle and the injector before and after cleaning

6 結(jié)論

(1)SCR尿素噴嘴清洗劑具有優(yōu)越的滲透和溶解性能，可快速滲透并溶解尿素噴嘴沉積物，能有效恢復(fù)尿素噴嘴的管路及噴孔。

(2)SCR尿素噴嘴清洗劑在清洗的同時，不會對零部件造成損傷。

(3)SCR尿素噴嘴清洗劑能夠滿足所制定的技術(shù)指標(biāo)要求。