對國六某柴油機(jī)SCR尿素結(jié)晶的研究

摘 要：本文針對國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)商用車市場上普遍出現(xiàn)的尿素結(jié)晶問題進(jìn)行研究，對整車進(jìn)行實(shí)際道路測試，分別對噴射量、霧化水平和選擇性還原催化系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR）混合器結(jié)構(gòu)3個因素進(jìn)行單項對照試驗。試驗結(jié)果表明，尿素的噴射量越少，霧化的顆粒平均直徑越小，排氣流場強(qiáng)度越高，能夠解決尿素的結(jié)晶問題。本研究提高了國六產(chǎn)品投放市場的可靠性，降低了尿素結(jié)晶故障率。

關(guān)鍵詞：尿素結(jié)晶；選擇性還原催化；噴射量；霧化水平；混合器結(jié)構(gòu)

中圖分類號：X 701" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

選擇性還原催化系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR）是電控柴油機(jī)滿足國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“國六”）、降低氮氧污染物的主流系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)是目前柴油機(jī)國六開發(fā)工作最重要的環(huán)節(jié)，避免實(shí)際車用的SCR尿素結(jié)晶是研究重點(diǎn)。本文以配套某款國六柴油機(jī)商用車的SCR為研究對象，從尿素噴射量、尿素霧化水平和SCR混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計這3個方面對尿素結(jié)晶問題進(jìn)行研究，解決車輛在實(shí)際使用過程中發(fā)生的SCR尿素結(jié)晶問題。試驗結(jié)果表明，在日常行駛過程中，尿素結(jié)晶減少，SCR氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率提高，增強(qiáng)了國六產(chǎn)品投放市場的可靠性，降低了尿素結(jié)晶導(dǎo)致的故障率，提高了客戶使用滿意度，縮減了服務(wù)開支。

1 尿素結(jié)晶的形成原理

SCR工作反應(yīng)的基本原理是柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的廢氣隨著排氣管路流經(jīng)SCR混合器，與尿素噴嘴噴出的霧狀尿素水溶液充分碰撞、混合。在理想的排氣溫度影響下，尿素水溶液會自行觸發(fā)熱解和水解反應(yīng)，產(chǎn)生降低氮氧污染物所需的還原劑NH3（氨氣）。NH3在SCR載體表面貴金屬的催化作用下，有選擇地將氮氧化物污染物還原反應(yīng)為無害的N2（氮?dú)猓┖虷2O（水）。尿素?zé)峤狻⑺夥磻?yīng)如公式（1）、公式（2）所示。

CO（NH2）2NH3+HNCO " （1）

HNCO+H2ONH3+CO2 （2）

式中：CO（NH2）2為尿素；HNCO為異氰酸；CO2為二氧化碳。

SCR還原反應(yīng)如公式（3）、公式（4）所示。

NO+NO2+2NH3 2N2+3H2O" " "（3）

4NO+O2+4NH3 4N2+6H2O" nbsp; " （4）

式中：NO為一氧化氮；NO2為二氧化氮；O2為氧氣。

在車輛實(shí)際使用過程中，道路工況多變，排溫并非恒定，尿素存在熱解、水解不充分的情況，未反應(yīng)完全的尿素與HNCO在150 ℃～200 ℃會反應(yīng)生成NH（CO）2（NH2）2（縮二脲），NH（CO）2（NH2）2與HNCO在200 ℃～280 ℃會反應(yīng)生成（HNCO）3（三聚氰酸），HNCO直接快速反應(yīng)生成（HNCO）3，反應(yīng)過程如公式（5）～公式（7）所示。

HNCO+CO（NH2）2NH（CO）2（NH2）2" " （5）

NHCO+NH（CO）2（NH2）2NH3+（NHCO）3 （6）

3HNCO（HNCO）3" " " " " " " " "（7）

式中：（HNCO）3為尿素結(jié)晶的主要成分，在低溫下很難化解。

2 影響因素

2.1 噴射量

尿素噴射量與結(jié)晶生成有統(tǒng)計學(xué)意義。在滿足國六排放的前提下，相同工況點(diǎn)的排放結(jié)果不變，噴射量越大，熱解和水解反應(yīng)所需熱量越多，尿素反應(yīng)越不完全，結(jié)晶生成的風(fēng)險越大[1]。尿素噴射控制策略簡易模型如圖1所示。SCR的控制策略與噴射量的控制和消耗有統(tǒng)計學(xué)意義。當(dāng)電控數(shù)據(jù)不正確、噴射控制策略不合理時，例如目標(biāo)氨儲存設(shè)定過大、氨氮比設(shè)定過大、SCR閉環(huán)調(diào)節(jié)不合理以及起噴溫度過低等，會增加實(shí)際噴射量，增大尿素結(jié)晶風(fēng)險。

2.2 霧化水平

尿素的霧化水平即霧化的顆粒直徑大小很大程度地影響了結(jié)晶生成。尿素溶液熱解和水解的反應(yīng)時間與霧化顆粒的直徑有統(tǒng)計學(xué)意義，影響結(jié)晶生成。噴嘴的噴孔數(shù)目和泵的工作壓力與霧化顆粒直徑有統(tǒng)計學(xué)意義。

隨著噴孔數(shù)目增加，在控制噴射量和工作壓力不變的條件下，噴出的尿素溶液在混合器中分布更均勻，表面積平均粒徑、單位體積的表面積以及50% 粒度的顆粒直徑分布分別如圖2～圖4所示，當(dāng)工作壓力為500 kPa～700 kPa時，噴孔多的噴嘴霧化效果更佳，霧化表面積平均粒徑更小、單位體積的表面積分布更大，粒度為50% 的顆粒直徑分布更小，霧化水平提高，結(jié)晶風(fēng)險降低。當(dāng)工作壓力增大時，在控制噴射量和噴孔數(shù)目不變的條件下，尿素溶液噴進(jìn)混合器的速率加快，霧化效果更好，抑制產(chǎn)生結(jié)晶[2]。

2.3 混合器結(jié)構(gòu)

混合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計是影響尿素結(jié)晶的關(guān)鍵因素。混合器的排氣流場以及氣流強(qiáng)度越大，尿素的霧化顆粒與排氣的混合均勻性越高，顆粒與混合器結(jié)構(gòu)、氣流的沖擊碰撞加快，使反應(yīng)的尿素顆粒快速蒸發(fā)，降低了未反應(yīng)完全的尿素殘留在混合器結(jié)構(gòu)表面、SCR載體內(nèi)壁上的風(fēng)險，有效減少了液膜形成，抑制尿素結(jié)晶，提升系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化效率[3]，降低尿素的排放水平。

3 試驗研究

3.1 試驗設(shè)備

基于搭載某款國六柴油機(jī)的輕型貨車進(jìn)行試驗，車輛配置完整的SCR（如圖5所示），主要包括SCR催化器、壓力控制泵、噴嘴、相關(guān)管路、尿素罐、液位溫度品質(zhì)傳感器、排氣溫度傳感器和氮氧傳感器等零部件。

3.2 試驗方法及標(biāo)準(zhǔn)

基于產(chǎn)品在市場上的使用情況和故障案例，結(jié)合企業(yè)的試驗研究規(guī)范，制定以下4種試驗方法。1）根據(jù)路譜數(shù)據(jù)分析當(dāng)車輛運(yùn)行時后處理器排氣溫度低、尿素噴射量大的區(qū)間，結(jié)合日常行駛工況和載重程度，確定發(fā)動機(jī)在工作中尿素結(jié)晶風(fēng)險較高的工況點(diǎn)。2）固定運(yùn)行工況，選取空載城市工況，正常駕駛車輛累計1 000 km，要求每3 km停機(jī)1次，每次停機(jī)30 s，當(dāng)停機(jī)時車速為0 km/h，發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)。3）停機(jī)檢查尿素結(jié)晶情況，要求在一個再生周期內(nèi)產(chǎn)生的尿素結(jié)晶不影響后處理性能，經(jīng)過一次后處理的主動再生過程后，結(jié)晶能夠清理干凈。4）分析結(jié)果。

3.3 試驗內(nèi)容以及方案

根據(jù)理論分析影響因素進(jìn)行對照試驗，分別針對噴射量、霧化水平和混合器結(jié)構(gòu)3個因素，按照第3.2節(jié)的方法以及標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)驗證。試驗內(nèi)容見表1。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 噴射量對結(jié)晶的影響

整車空載，按《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（GB 17691—2018）的實(shí)際道路行駛測量要求，在城市工況條件下行駛1 000 km，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，SCR溫度為190 ℃ ～260 ℃的條件下，將SCR溫度在250 ℃以下的氨存儲標(biāo)定降低30%，即噴射量減少30%，尿素結(jié)晶對比如圖6所示。

SCR氨存儲較高，使噴射量較大，SCR飽和，需求熱量不足等因素導(dǎo)致尿素溶液不能及時、完全發(fā)生熱解、水解反應(yīng)，大部分殘留在混合器中以及內(nèi)壁面上，形成結(jié)晶[4]。由圖6可知，在較為苛刻的條件下，降低氨存儲來降低噴射量，SCR結(jié)晶情況得到明顯改善。

4.2 霧化水平對結(jié)晶的影響

整車空載，以國六要求的城市工況條件行駛1 000 km，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，SCR系統(tǒng)噴射壓力保持不變，將尿素噴嘴由三孔式更換為六孔式，對比結(jié)晶情況，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)噴嘴的噴孔數(shù)目由3個增至6個時，結(jié)晶情況明顯改善，霧化水平對結(jié)晶影響顯著。由于霧化的顆粒直徑整體縮小，因此其反應(yīng)的蒸發(fā)速率提高，殘留在混合器中的液晶數(shù)量減少了，結(jié)晶量明顯減少。

4.3 混合器結(jié)構(gòu)對結(jié)晶的影響

整車空載，以國六要求的城市工況條件行駛1 000 km，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，優(yōu)化SCR混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，將孔式擋板旋流混合器（無絲網(wǎng)組件）結(jié)構(gòu)優(yōu)化為旋流式擋板旋流混合器（帶絲網(wǎng)組件）結(jié)構(gòu)，對比結(jié)晶情況。混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、優(yōu)化后對比如圖8所示，優(yōu)化前、優(yōu)化后結(jié)晶情況對比如圖9所示。

試驗結(jié)果表明，在混合器中，旋流擋板式結(jié)構(gòu)氣流場強(qiáng)度更高，提高了尿素顆粒的均勻碰撞頻率以及沖擊強(qiáng)度，使尿素快速蒸發(fā)，減少了尿素殘留在混合器中并形成結(jié)晶的數(shù)量。混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計對結(jié)晶影響顯著，優(yōu)化結(jié)構(gòu)并增加絲網(wǎng)組件能夠降低尿素結(jié)晶量。

5 結(jié)論

對比以上試驗結(jié)果，得出以下3個結(jié)論。1）尿素噴射量越少，結(jié)晶的風(fēng)險越低，在前期臺架SCR標(biāo)定開發(fā)階段，在滿足排放要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少尿素噴射量。2）尿素霧化的顆粒平均直徑越小，單位體積的表面積越大，越不容易產(chǎn)生結(jié)晶，因此在SCR系統(tǒng)選型階段，在滿足排放要求、節(jié)約成本的前提下，應(yīng)選擇霧化更好的尿素噴射系統(tǒng)。3）旋流式擋板的混合器結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化排氣流場，降低液膜附著和尿素結(jié)晶量，因此當(dāng)設(shè)計混合器結(jié)構(gòu)時，應(yīng)選擇旋流式擋板。

參考文獻(xiàn)

[1]莫春蘭，莫益添，陳俊紅，等.柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素的熱分解過程研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2021，27（1）：16-22.

[2]蘇長春.商用車后處理系統(tǒng)尿素結(jié)晶問題研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（10）：223-226.

[3]李江飛，牛雨飛，朱海艷，等.混合器對國六柴油機(jī)選擇性催化還原系統(tǒng)尿素結(jié)晶的影響[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2021，42（2）：31-37.

[4]白鳳月，溫邦耀，白書戰(zhàn).Urea-SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶現(xiàn)象分析及解決方案[J].山東大學(xué)學(xué)報，2017，47（4）：70-76.