柴油机SCR系统尿素结晶的适用性研究

史留庆+++张翠平

摘 要：针对柴油机SCR系统开发及应用过程中出现的尿素溶液形成沉积展开研究。首先对尿素沉积物成分进行分析，研究温度对尿素结晶结石的影响，并对减少尿素沉积物的生成进行探索，结果表明：提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

关键词：尿素沉积；结晶；结石；启喷温度；喷射量

引言

国内企业，为确保产品质量，国四车型的SCR系统关键零部件大多采用国外成熟产品，但由于匹配应用经验相对较少，尿素液滴在排气流道内形成结晶结石等沉积物是影响当前SCR系统稳定运行的主要因素，在车辆运行过程中会引起车辆燃油消耗增加和NOx排放升高等问题，严重时导致发动机限扭，影响发动机正常运行。

1 尿素沉积物的形成与影响因素分析

1.1 尿素沉积物的形成条件

因SCR系统中会发生复杂的物理和化学反应，包括尿素液滴的雾化、破碎、蒸发，液滴与排气的能量和动量交换[1]，粒子撞壁过程，液膜形成，NOx的催化还原反应等，而且尿素喷射后形成的雾化场和温度场随发动机运行工况的变化而时刻发生改变，尿素液滴在分解为氨气时，也生成氰酸、缩二脲、三聚氰酸等中间产物，形成尿素结晶结石等沉积物。沉积物会不断累积，堵塞排气通道，导致排气背压升高，严重时甚至影响车辆的正常运行。

1.2 尿素沉积物的成分分析与分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨气的过程中，会发生一系列复杂的化学反应，化学反应过程中会生成多种中间产物，尿素结晶在高温下会缩合成缩二脲、三聚氰酸，甚至会生成三聚氰胺等，并最终形成结石。

尿素沉积物主要为尿素结晶和结石，尿素结晶体成分主要是尿素，受热或有水存在的条件下可以发生分解或溶解，尿素结石主要成分是尿素分解过程中形成聚合物或缩合物，如缩二脲和三聚氰酸等，较难发生分解。

1.2.2 尿素沉积物热重分析

对采集的尿素沉积物和分析纯尿素采用热重-红外联用技术（TG-F1IR）进行了分析对比，以确定沉积物成分。从尿素沉积物与分析纯尿素的分解可见，样品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同时，说明其中还混有其他成分。

1.2.3 尿素沉积物加热分解产物红外光谱扫描分析

为进一步确定沉积物的组成，对采集的尿素沉积物进行了红外光谱扫描分析，并将其与氨、异氰酸等物质的标准红外吸收光谱进行了对比。

尿素加热分解过程中产生了两个吸收光谱的峰值，分别出现在加热温度升高至210℃和357°C时。尿素分解的第一峰值产物与氨气的光谱吸收图匹配相似性高。尿素分解的第二峰值产物与异氰酸的光谱吸收图匹配相似性高。因此，尿素在加热过程中分解的产物分解产物成分主要为氨气和异氰酸。

1.3 喷射控制策略对尿素沉积的影响

1.3.1 尿素喷射控制策略的标定

不合理的尿素喷射标定策略、尿素启喷温度和低温下尿素喷射量[2]，均不利于尿素液滴的雾化和快速分解，均会加剧在排气管和催化剂上的尿素结晶，进一步会转化成结石。因此，需要进行合理的尿素启喷温度设定和尿素喷射策略的标定。

在试验中保持排气流速为20m/s，尿素喷射速率为8.33g/min，排气温度分别控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排气温度下尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，试验结果如图3-1所示。排气温度分别为203℃、227℃、245℃时，尿素沉积物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，当排气温度升高到272℃时，则无尿素沉积物生成。可以看出，在相同的尿素喷射速率下，随着排气温度的增加，尿素沉积物的生成量逐渐减少。（见图1）

1.3.2 尿素喷射速率对尿素沉积物的影响

在发动机台架上进行同一排气温度和流量下尿素洛液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究。试验中保持排气流速为20m/s，排气温度分别控制在227℃和245℃，尿素喷射速率设定为8.33g/min和5g/min，收集尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，30min内尿素消耗量分别约为249.9g和150g，试验结果见如图所示。可以看出，尿素溶液喷射速率对沉积物生成量也有较大的影响。排气温度在227℃和245℃，尿素溶液喷射速率从8.33g/min下降低到5g/min后，均不再产生尿素沉积物。

图2 不同排温下尿素溶液喷射速率对沉积物生成量的影响

通过排气温度和尿素溶液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究可以看出，优化低温下尿素喷射策略，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

2 结束语

（1）分析了尿素结晶结石的形成及影响因素。通过对尿素沉积物成分的分析，结果表明，尿素结晶结石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根据三聚氰酸的特性，当发动机排气温度超过360℃工况下运行时，可以避免尿素形成结晶结石的风险。

（2）在对尿素沉积形成影响因素分析和沉积物成分分析的基础上，通过对尿素喷射策略的优化标定，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

参考文献

[1]郑斌，姬丽霞，陆春美，等.车用SCR系统空气雾化喷雾的雾化特性研究[J].汽车工程，2009，31（4）：376-380.

[2]赵航，王务林，杨建军，等.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010.

作者简介：史留庆，男，山西运城，工程师，工程硕士。endprint

摘 要：针对柴油机SCR系统开发及应用过程中出现的尿素溶液形成沉积展开研究。首先对尿素沉积物成分进行分析，研究温度对尿素结晶结石的影响，并对减少尿素沉积物的生成进行探索，结果表明：提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

关键词：尿素沉积；结晶；结石；启喷温度；喷射量

引言

国内企业，为确保产品质量，国四车型的SCR系统关键零部件大多采用国外成熟产品，但由于匹配应用经验相对较少，尿素液滴在排气流道内形成结晶结石等沉积物是影响当前SCR系统稳定运行的主要因素，在车辆运行过程中会引起车辆燃油消耗增加和NOx排放升高等问题，严重时导致发动机限扭，影响发动机正常运行。

1 尿素沉积物的形成与影响因素分析

1.1 尿素沉积物的形成条件

因SCR系统中会发生复杂的物理和化学反应，包括尿素液滴的雾化、破碎、蒸发，液滴与排气的能量和动量交换[1]，粒子撞壁过程，液膜形成，NOx的催化还原反应等，而且尿素喷射后形成的雾化场和温度场随发动机运行工况的变化而时刻发生改变，尿素液滴在分解为氨气时，也生成氰酸、缩二脲、三聚氰酸等中间产物，形成尿素结晶结石等沉积物。沉积物会不断累积，堵塞排气通道，导致排气背压升高，严重时甚至影响车辆的正常运行。

1.2 尿素沉积物的成分分析与分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨气的过程中，会发生一系列复杂的化学反应，化学反应过程中会生成多种中间产物，尿素结晶在高温下会缩合成缩二脲、三聚氰酸，甚至会生成三聚氰胺等，并最终形成结石。

尿素沉积物主要为尿素结晶和结石，尿素结晶体成分主要是尿素，受热或有水存在的条件下可以发生分解或溶解，尿素结石主要成分是尿素分解过程中形成聚合物或缩合物，如缩二脲和三聚氰酸等，较难发生分解。

1.2.2 尿素沉积物热重分析

对采集的尿素沉积物和分析纯尿素采用热重-红外联用技术（TG-F1IR）进行了分析对比，以确定沉积物成分。从尿素沉积物与分析纯尿素的分解可见，样品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同时，说明其中还混有其他成分。

1.2.3 尿素沉积物加热分解产物红外光谱扫描分析

为进一步确定沉积物的组成，对采集的尿素沉积物进行了红外光谱扫描分析，并将其与氨、异氰酸等物质的标准红外吸收光谱进行了对比。

尿素加热分解过程中产生了两个吸收光谱的峰值，分别出现在加热温度升高至210℃和357°C时。尿素分解的第一峰值产物与氨气的光谱吸收图匹配相似性高。尿素分解的第二峰值产物与异氰酸的光谱吸收图匹配相似性高。因此，尿素在加热过程中分解的产物分解产物成分主要为氨气和异氰酸。

1.3 喷射控制策略对尿素沉积的影响

1.3.1 尿素喷射控制策略的标定

不合理的尿素喷射标定策略、尿素启喷温度和低温下尿素喷射量[2]，均不利于尿素液滴的雾化和快速分解，均会加剧在排气管和催化剂上的尿素结晶，进一步会转化成结石。因此，需要进行合理的尿素启喷温度设定和尿素喷射策略的标定。

在试验中保持排气流速为20m/s，尿素喷射速率为8.33g/min，排气温度分别控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排气温度下尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，试验结果如图3-1所示。排气温度分别为203℃、227℃、245℃时，尿素沉积物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，当排气温度升高到272℃时，则无尿素沉积物生成。可以看出，在相同的尿素喷射速率下，随着排气温度的增加，尿素沉积物的生成量逐渐减少。（见图1）

1.3.2 尿素喷射速率对尿素沉积物的影响

在发动机台架上进行同一排气温度和流量下尿素洛液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究。试验中保持排气流速为20m/s，排气温度分别控制在227℃和245℃，尿素喷射速率设定为8.33g/min和5g/min，收集尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，30min内尿素消耗量分别约为249.9g和150g，试验结果见如图所示。可以看出，尿素溶液喷射速率对沉积物生成量也有较大的影响。排气温度在227℃和245℃，尿素溶液喷射速率从8.33g/min下降低到5g/min后，均不再产生尿素沉积物。

图2 不同排温下尿素溶液喷射速率对沉积物生成量的影响

通过排气温度和尿素溶液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究可以看出，优化低温下尿素喷射策略，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

2 结束语

（1）分析了尿素结晶结石的形成及影响因素。通过对尿素沉积物成分的分析，结果表明，尿素结晶结石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根据三聚氰酸的特性，当发动机排气温度超过360℃工况下运行时，可以避免尿素形成结晶结石的风险。

（2）在对尿素沉积形成影响因素分析和沉积物成分分析的基础上，通过对尿素喷射策略的优化标定，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

参考文献

[1]郑斌，姬丽霞，陆春美，等.车用SCR系统空气雾化喷雾的雾化特性研究[J].汽车工程，2009，31（4）：376-380.

[2]赵航，王务林，杨建军，等.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010.

作者简介：史留庆，男，山西运城，工程师，工程硕士。endprint

摘 要：针对柴油机SCR系统开发及应用过程中出现的尿素溶液形成沉积展开研究。首先对尿素沉积物成分进行分析，研究温度对尿素结晶结石的影响，并对减少尿素沉积物的生成进行探索，结果表明：提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

关键词：尿素沉积；结晶；结石；启喷温度；喷射量

引言

国内企业，为确保产品质量，国四车型的SCR系统关键零部件大多采用国外成熟产品，但由于匹配应用经验相对较少，尿素液滴在排气流道内形成结晶结石等沉积物是影响当前SCR系统稳定运行的主要因素，在车辆运行过程中会引起车辆燃油消耗增加和NOx排放升高等问题，严重时导致发动机限扭，影响发动机正常运行。

1 尿素沉积物的形成与影响因素分析

1.1 尿素沉积物的形成条件

因SCR系统中会发生复杂的物理和化学反应，包括尿素液滴的雾化、破碎、蒸发，液滴与排气的能量和动量交换[1]，粒子撞壁过程，液膜形成，NOx的催化还原反应等，而且尿素喷射后形成的雾化场和温度场随发动机运行工况的变化而时刻发生改变，尿素液滴在分解为氨气时，也生成氰酸、缩二脲、三聚氰酸等中间产物，形成尿素结晶结石等沉积物。沉积物会不断累积，堵塞排气通道，导致排气背压升高，严重时甚至影响车辆的正常运行。

1.2 尿素沉积物的成分分析与分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨气的过程中，会发生一系列复杂的化学反应，化学反应过程中会生成多种中间产物，尿素结晶在高温下会缩合成缩二脲、三聚氰酸，甚至会生成三聚氰胺等，并最终形成结石。

尿素沉积物主要为尿素结晶和结石，尿素结晶体成分主要是尿素，受热或有水存在的条件下可以发生分解或溶解，尿素结石主要成分是尿素分解过程中形成聚合物或缩合物，如缩二脲和三聚氰酸等，较难发生分解。

1.2.2 尿素沉积物热重分析

对采集的尿素沉积物和分析纯尿素采用热重-红外联用技术（TG-F1IR）进行了分析对比，以确定沉积物成分。从尿素沉积物与分析纯尿素的分解可见，样品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同时，说明其中还混有其他成分。

1.2.3 尿素沉积物加热分解产物红外光谱扫描分析

为进一步确定沉积物的组成，对采集的尿素沉积物进行了红外光谱扫描分析，并将其与氨、异氰酸等物质的标准红外吸收光谱进行了对比。

尿素加热分解过程中产生了两个吸收光谱的峰值，分别出现在加热温度升高至210℃和357°C时。尿素分解的第一峰值产物与氨气的光谱吸收图匹配相似性高。尿素分解的第二峰值产物与异氰酸的光谱吸收图匹配相似性高。因此，尿素在加热过程中分解的产物分解产物成分主要为氨气和异氰酸。

1.3 喷射控制策略对尿素沉积的影响

1.3.1 尿素喷射控制策略的标定

不合理的尿素喷射标定策略、尿素启喷温度和低温下尿素喷射量[2]，均不利于尿素液滴的雾化和快速分解，均会加剧在排气管和催化剂上的尿素结晶，进一步会转化成结石。因此，需要进行合理的尿素启喷温度设定和尿素喷射策略的标定。

在试验中保持排气流速为20m/s，尿素喷射速率为8.33g/min，排气温度分别控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排气温度下尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，试验结果如图3-1所示。排气温度分别为203℃、227℃、245℃时，尿素沉积物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，当排气温度升高到272℃时，则无尿素沉积物生成。可以看出，在相同的尿素喷射速率下，随着排气温度的增加，尿素沉积物的生成量逐渐减少。（见图1）

1.3.2 尿素喷射速率对尿素沉积物的影响

在发动机台架上进行同一排气温度和流量下尿素洛液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究。试验中保持排气流速为20m/s，排气温度分别控制在227℃和245℃，尿素喷射速率设定为8.33g/min和5g/min，收集尿素沉积物的生成量，收集时间为30min，30min内尿素消耗量分别约为249.9g和150g，试验结果见如图所示。可以看出，尿素溶液喷射速率对沉积物生成量也有较大的影响。排气温度在227℃和245℃，尿素溶液喷射速率从8.33g/min下降低到5g/min后，均不再产生尿素沉积物。

图2 不同排温下尿素溶液喷射速率对沉积物生成量的影响

通过排气温度和尿素溶液喷射速率对沉积物生成量影响的试验研究可以看出，优化低温下尿素喷射策略，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

2 结束语

（1）分析了尿素结晶结石的形成及影响因素。通过对尿素沉积物成分的分析，结果表明，尿素结晶结石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根据三聚氰酸的特性，当发动机排气温度超过360℃工况下运行时，可以避免尿素形成结晶结石的风险。

（2）在对尿素沉积形成影响因素分析和沉积物成分分析的基础上，通过对尿素喷射策略的优化标定，提高尿素启喷温度，修正低温下尿素喷射量，可有效减少尿素沉积物的生成。

参考文献

[1]郑斌，姬丽霞，陆春美，等.车用SCR系统空气雾化喷雾的雾化特性研究[J].汽车工程，2009，31（4）：376-380.

[2]赵航，王务林，杨建军，等.车用柴油机后处理技术[M].北京：中国科学技术出版社，2010.

作者简介：史留庆，男，山西运城，工程师，工程硕士。endprint