SCR系统尿素结晶结石研究

桑心成

（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京　110114）

SCR系统尿素结晶结石研究

桑心成

（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京110114）

随着汽车排放法规的严格要求，SCR后处理系统在重型柴油机得到了广泛的应用。文章基于SCR系统在重型柴油机上试验及实际应用过程中，出现尿素喷嘴座结石、尿素喷嘴座结晶问题、排气管路结晶结石问题以及控制策略问题，利用称重方法以及红外法对尿素结晶结石进行分析，提出了解决SCR系统结晶结石方法。

SCR系统；尿素；结晶结石

随着汽车电子技术的不断发展，柴油机排放控制已经收到国家环保部门的重视。选择性催化还原技术（SCR）是针对柴油车尾气排放中NOx的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NOx还原成N2和H2O。催化剂有贵金属和非贵金属两类。该技术也被广泛应用于柴油机尾气后处理，通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒PM的产生，而后在机外处理富氧条件下形成的氮氧化物，即使用车用尿素（车用尿素在一定温度下分解生成氨）对氮氧化物（NOx）进行选择性催化还原，从而达到既节能、又减排的目的，该项技术是欧洲主流技术路线，欧洲长途载货车和大型客车几乎全部采用这一技术。

系统的基本工作原理是：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOx，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。

在SCR中发生的化学反应如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

NOx还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+3O2→2N2+6H2O

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOx在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。

1　尿素结晶结石的现状

随着汽车技术的发展，重型车市场的要求也越来越高，在日益严峻的排放法要求下，选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction以下简称SCR）后处理系统应用变得很普遍，SCR后处理系统利用尿素喷射系统对发动机尾气进行处理，可将发动机排出的有害的NOx气体转化为N2。

尿素作为还原的主要催化剂，由于本身的化学特性，其存在很大的结晶风险。尿素结晶会造成整个后处理系统的不正常工作，当OBD系统监测到排放不满足法规要求时，会对车辆进行扭矩限制，影响车辆运行以及客户使用。

2　尿素结晶结石现象分析

2.1尿素结晶结石问题

（1）喷嘴座尿素结晶问题。由于SCR系统在尿素喷嘴孔附近的结构变化以及尿素的化学特征，在尿素喷嘴座孔附近形成尿素结石，导致尿素无法完成正常的雾化，尿素不能完全雾化分解将导致NOx转化效率降低，严重时尿素液滴以液态的形式流出，受热水分蒸发，在喷嘴附近形成结晶，随着结晶体逐渐长大堵塞尿素喷嘴座孔。结晶详细位置如图1所示。

图1　尿素结晶位置及结晶现象

（2）喷嘴座尿素结晶问题。喷嘴座结构本身易导致如下问题：在尿素喷入点后出现局部涡流或者气体流速较低的区域，尿素溶液喷雾在此聚集形成湿壁，32.5%的尿素水溶液受排气加热后水分蒸发，形成结晶，结晶体逐渐长大。尿素结晶体受热或有水存在的条件下可以发生分解，但如果结晶体发生质变，形成聚合物，即结石现象，不会再发生分解。如图2所示不同形状的管路对结晶位置造成的影响。

图2　管路对结晶的影响

（3）排气管路结晶问题。由于尿素喷嘴座在排气管上的布置不合理，凸出太长，导致尿素液滴不断喷射到壁面上，水分蒸发后结晶体析出，形成结石现象，并且不断聚集，堵塞排气管。喷嘴座焊接时，如果内部焊渣现象严重，为尿素液滴形成结晶结石现象提供了支撑条件，如图3所示是排气管路的结晶位置及现象。

图3　排气管路的结晶位置及现象

（4）控制策略问题。尿素的喷射与化学反应与排气温度及环境温度密切相关，尿素的凝点是-11℃，低于该温度时候，尿素呈现固体状态。环境温度低于-7℃时候，尿素加热系统起作用对尿素进行加热。如果环境温度传感器测量值漂移或者温度传感器受其他因素影响不稳定，可能导致尿素结晶。另尿素的最低反应温度约200℃，低于200℃的尿素喷射是不合理的，可以通过对后处理排气管和SCR箱进行保温处理，达到提高排气温度的目的。尿素管路中残留的尿素溶液通过控制程序要及时清理，否则会因为水的蒸发导致尿素结晶。所以停机之后，尿素系统要进行30秒的吹扫或者倒吸功能，从而避免标定导致的结晶问题。

2.2尿素结晶结石的原因分析

（1）系统布置：排气管布置不合理，在尿素喷入点后出现局部涡流或者气体流速较低的区域，尿素溶液喷雾在此聚集形成湿壁，受热水分蒸发，形成结晶。

（2）喷射系统：尿素喷射系统故障，喷射雾化不良，严重时以液态的形式流出，尿素不能完全雾化分解，而残留在排气管壁上出现结晶，或者大的液滴到达催化剂表面仍不能完全分解，在催化剂表面形成结晶。

（3）运行状况：由于运行线路交通复杂，车辆低速行驶，频繁停车，造成发动机运行负荷低，排气温度低，再加上外界气温低，排气管壁温度低，喷出的尿素不容易分解，在排气管内壁出现结晶。

（4）控制策略：不合理的尿素喷射标定策略也会导致尿素结晶结石现象的发生。尿素启喷温度过低和低温下尿素喷射量过大，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。

3　尿素结晶结石机理研究

为了降低尿素的结晶结石风险，基于不同的侧重点，试验了多套方案，或改变尿素喷射系统硬件、或改变排气管材料和制造工艺、或加速尿素溶液水解雾化。多套方案经过大量的软件模拟以及道路试验验证挑选一套最好的方案。

本项目采用先进的软件模拟以及试验验证相结合，在试验中不断改进系统设计，最终达到方案最优。本项目一旦解决尿素结晶结石，可大面积应用于车辆后处理系统，降低了车辆排放，也降低了车辆故障率。

尿素分解产物随温度的不同有所变化，如图4所示。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，如缩二脲、三聚氰酸等。而附着在排气管路及催化剂表面的尿素结晶在高温下会缩合成缩二脲、三聚氰酸，甚至会生成三聚氰铵等，形成结石，在更高温度下也会发生分解，但上述中间产物分解的速度如果小于形成的速度，则结石不断积累，增加了尿素水溶液碰壁的几率，加速了结晶结石等沉积物的形成。尿素分解的中间产物如图5所示。

图4　尿素在不同温度的不同产物

图5　尿素分解的中间产物

（1）结晶结石成分热重分析。试验台架数据显示，温度升高至410℃时，90%左右的沉积物已经分解。尿素喷嘴位置和尿素喷嘴座下端沉积物热分解过程基本相同，说明两者组分也基本相同，尿素沉积物的质量在190℃时开始略有下降，350℃开始大幅下降，420℃时基本下降到原质量的10%，500℃时下降到原质量的5%左右，700℃时下降到原质量的1.5%左右，之后基本保持不变。沉积物245℃以上温度区间的热分解过程基本类似，说明采集的三个不同位置的尿素沉积物主要成分是相同的。试验数据如图6所示。

图6　台架耐久试验数据

（2）结晶结石成分红外分析。三个不同位置的尿素沉积物加热分解过程中吸收光谱均只产生一个较大峰值，沉积物分解产物出现峰值处的光谱吸收图与异氰酸的光谱吸收图类似。同时尿素分解产物出现两个峰值处的光谱吸收图分别与氨气和异氰酸的光谱吸收图类似，如图7所示。

图7　沉积物红外光谱分析

通过热重红外联用技术分析可知，采集不同位置的尿素结晶结石的主要成分是尿素和三聚氰酸。

4　解决措施及实施进度

4.1解决措施

（1）在现有方案的基础上，通过对喷嘴座减薄处理，使喷嘴喷孔凸出边沿，降低喷孔附近的结晶风险。

（2）设计结构更加合理的一体式喷射段，通过铸造工艺完成，消除套管结构对尿素沉积的物理影响。

（3）将尿素喷嘴座布置在一设计成喇叭口形式的装置上，集成在SCR箱进口处，让尿素直接喷射到大空间中，空间长度超过尿素液滴的贯穿度，消除尿素结晶的物理依附条件，另外，由于喷射段封装在SCR箱内部，可保持热量不会散失，这可以消除环境温度对结晶的影响。

4.2实施进度

（1）集成式SCR箱。喷嘴座集成在SCR箱进口处：为了缩短排气管路、降低管路走向对结晶的影响，采取集成式SCR箱，最大限度地降低了氨气在管路中的碰壁及沉积现象。如图8所示。

图8　集成式SCR箱

（2）改进喷嘴座结构。降低喷嘴温度及喷嘴安装位置，通过以下三个方向可以降低喷嘴结晶风险：如图9为喷嘴安装座的优化对比，左图为改进前结构，右图为改进后结构。将端盖内侧厚度由10mm减至3mm，使喷嘴孔凸出在台外，喷嘴座套管凸出排气管壁尽量短，连接套管选择常用管件，禁止对内表面加工。

图9　喷嘴安装座的优化对比

（3）优化控制逻辑。根据尿素溶液的物理特性和水解条件，合理的喷射工况对结晶故障的降低起到很大作用。根据柴油机工作特性，尿素喷射时刻以及尿素喷射量要合理匹配，避免尿素结晶和过量的尿素造成氨气的二次污染。

5　结语

文章针对SCR系统在重型柴油机的台架试验以及应用过程出现尿素在喷嘴附近以及排气管路中结石结晶问题，对尿素结石结晶机理进行分析。尿素结晶结石的主要成分是尿素和三聚氰酸，尿素结晶结石形成的主要原因：尿素喷射量过大，尿素启喷温度低，喷射系统雾化不良，尿素液滴未完全分解既发生碰壁现象等。减少尿素液滴的碰壁和提高尿素启喷温度是减少结晶结石的有效手段。

［1］VO Strots，S Santhanam，BJ Adelman，GA Griffin，EM Derybowski.Deposit Formation in Urea-SCR Systems.Emissions，2009，2（2）：283-289.

［2］L Xu，W Watkins，R Snow，G Graham，R Mccabe.Laboratory and Engine Study of Urea-Related Deposits in Diesel Urea-SCR After-Treatment Systems.Sae Technical Papers，2007.

［3］G Zheng，A Fila，A Kotrba，R Floyd.Investigation of Urea Deposits in Urea SCR Systems for Medium and Heavy Duty Trucks.Sae Commercial Vehicle Engineering Congress，2010.

［4］高俊华，邝坚，宋崇林，等.国Ⅳ柴油机SCR后处理系统结晶体成分分析［J］.燃烧科学与技术，2010，16（6）：547-552.

Research on Selective Catalytic Reduction about Crystal Stones

SANG Xin-cheng

（Beijing Foton Daimler Automotive co.，LTD，Beijing 110114，China）

As the vehicle emission regulations strictly requirements，SCR system has been widely used in heavy-duty diesel engine.Based on the SCR system on heavy duty diesel engine test and actually application，this paper points out the problems and control strategies，such as urea nozzle block stones，urea crystallization of the nozzle seat，exhaust line crystal stones，analyzes urea crystal stone by usingweighing method and infrared，and puts forward measures to solve crystal stone SCR system.

SCR system；urea；crystal stones

U464.172

A

2095-980X（2016）09-0031-03

2016-08-04

桑心成（1985-），男，河南淮阳人，主要研究方向：车辆工程。