柴油機SCR系統尿素結晶試驗研究

鐘秋月，高延新，張超

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柴油機SCR系統尿素結晶試驗研究

鐘秋月，高延新，張超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著汽車排放法規的日趨嚴格，SCR(選擇性催化還原)后處理系統是重型柴油機滿足國四、國五排放法規的主要技術方案。文章針對某款柴油機的結晶問題進行試驗分析，結果表明尿素噴射量、尿素噴霧平均直徑（SMD）及混合器結構對結晶有很大的影響。

SCR；尿素結晶；混合器

1 引言

隨著環境污染的不斷加劇，柴油機排放得到越來越多的關注。SCR (選擇性催化還原)是針對柴油車氮氧化物污染物的主流技術，同時該項技術也是歐洲主流技術路線，歐洲重型車幾乎全部采用這一技術路線。

SCR系統的基本工作原理是：尾氣從渦輪增壓器出來后進入排氣混合管，在混合管上安裝有尿素噴嘴，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發生熱解和水解反應產生NH3, NH3在催化劑的催化作用下還原NOx產生N2和H2O。

SCR化學反應如下：

（1）尿素反應：

（2）NH3與NOx反應：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

結晶的主要原因是在尿素反應過程中產生了(HNCO)3（三聚氰酸），具體反應如下：

200-280℃；在這個溫度區間生產三聚氰酸，具體反應如下：

本文針對某柴油機結晶問題，對影響尿素結晶的各因素如尿素噴射量、尿素噴霧平均直徑、混合器結構進行研究。

2 試驗研究

2.1 試驗設備

試驗設備為JAC裝有SCR后處理系統的柴油機試驗臺架，其中試驗所用發動機為JAC某款柴油機， SCR系統主要包括SCR催化轉化器、尿素泵、噴射控制器(DCU)、噴嘴、尿素箱、尿素管路、尿素液位溫度傳感器、排溫傳感器、氮氧傳感器等組成，具體見圖1。

圖1 發動機試驗系統示意圖

2.2 試驗方法

（1）通過發動機排溫、尿素噴射量等因素分析，找出發動機容易結晶的工況點；

（2）固定此工況點，穩態運行20h；

（3）停機檢查結晶情況；

（4）分析結果。

2.3 試驗方案

利用解耦原理對單個因素進行對比試驗：

表1 試驗方案

3 試驗結果與分析

3.1 尿素噴射量對結晶的影響

在發動機工況：轉速為2000rpm，扭矩為153Nm，發動機排溫為270℃，排氣流量為300kg/h的條件下，將尿素噴射量由143mg/s降低到90mg/s。試驗結果如圖2所示。

圖2 不同噴射量對結晶的影響

由圖2可知，噴射量為90g/s時結晶情況明顯減輕。原因為尿素噴射量過大時，尿素水溶液不能及時發生反應變成NH3，而是殘留在混合器上，形成結晶。

3.2 噴霧平均直徑對結晶的影響

通過調整尿素噴射系統中尿素噴嘴的噴孔數量來調整噴霧的平均直徑。將噴嘴由原來的三孔調整為六孔，噴射系統噴霧平均直徑由120um降低到100um。試驗結果如圖3所示。

圖3 尿素噴霧分布圖

通過不同噴射系統的粒徑分布的曲線可知，孔數增加后，粒徑分布更加集中，也就是說粒徑更加均勻，其中最大粒徑由530um降低為360um。

圖4 平均噴霧直徑對結晶的影響

由圖4可知，當尿素平均噴霧直徑由120um降低到100um時，結晶情況明顯改善。這是由于尿素平均噴霧直徑的減小會增加尿素的蒸發速度，那么殘留在混合器上的尿素就很少，因而可以減少結晶量。

3.3 混合器對結晶的影響

如圖5所示，將混合器結構由葉片式改為渦輪式。

圖5 混合器結構優化

圖6 混合器對結晶的影響

由圖6可知混合器結構對結晶影響顯著。混合器結構由葉片式結構提升到渦輪式結構，相同的試驗工況相同的試驗時間尿素結晶的量降低70%。這是由于渦輪式混合器可以加大混合器處的流場及氣流強度，加快尿素和混合器的碰撞和氣流沖擊，使得尿素快速的蒸發，降低殘留的混合器上的質量。

4 結論

通過以上對比得出以下幾個結論：

（1）尿素噴射量越小越不容易結晶，在排放標定階段在滿足排放的條件下盡量減少尿素噴射量；

（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）渦輪式混合器改善氣流同時改善尿素結晶，在混合器的設計上要重點關注。

[1] 桑心成.SCR系統尿素結晶結石研究[J].時代農機,2016,43（9）: 31-33.

[2] 陳鎮等.柴油機尿素SCR氨分布均勻性的試驗與模擬優化[J].車用發動機,2012,198（1）:41-45.

[3] 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.

The experimental study on urea crystallization of diesel engine

Zhong Qiuyue, Gao Yanxin, Zhang Chao

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

With the increasingly stringent emission regulation, the SCR aftertreatment system is the main technology for the heavy duty diesel engine to meet the CN Ⅳ and CN Ⅴ regulation. In the paper, the factors of urea crystallization were studied. The results showed that the urea injection, average diameter of spraying and mixer had greatly influence on crys -tallization.

SCR; urea crystallization; mixer

A

1671-7988(2018)22-119-03

TK42

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1671-7988(2018)22-119-03

TK42

鐘秋月，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.042