商用车后处理系统尿素结晶问题研究

苏长春

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

商用车后处理系统尿素结晶问题研究

苏长春

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章根据商用车排气后处理系统的结构布置和工作原理，逐层分类对尿素结晶问题进行分析梳理，通过理论分析、软件模拟以及试验对比，并结合工作中遇到的实际案例，较全面的研究了尿素结晶可能出现的零部件及出现的原因，并针对不同的原因提出了解决措施。分析证明，通过合理的选择重型卡车排气后处理系统的零部件类型，优化各零件安装角度、尺寸、外形结构，增加保温措施提高排气温度，优化发动机控制策略标定等措施，可有效提高后处理系统尿素溶液反应效率，降低尿素结晶风险，从而避免整车出现动力不足、排放超标等问题。

排放；排气系统；保温材料；控制策略

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.075

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-223-04

引言

目前我国商用车处于国Ⅳ排放阶段，即将于2017年中正式开始全面实行国Ⅴ排放。为满足国Ⅳ、国Ⅴ排放法规，柴油车多通过采用发动机内提高燃烧效率降低PM，排气后处理系统尿素溶液选择催化还原（SCR）降低NO的技术路线。在实践应用中，尿素溶液结晶问题比较容易出现，会导致排气系统零部件损坏、背压升高、发动机限扭、排放超标等问题，严重影响客户车辆的正常运营。

1、尿素结晶的形成原理

1.1 SCR基本原理

尾气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射单元将适量的尿素水溶液以雾状形态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂氨气（NH3），氨气在催化剂的作用下将氮氧化物（NOx）有选择性地还原为氮气（N2），反应示意图如下图所示。有时为了防止过多的氨气逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方布置促进氨气氧化成氮气的催化剂。

1.2 尿素结晶形成机理

机理一：在尿素罐、尿素泵、尿素管路及尿素喷嘴中，尿素溶液中水分蒸发析出白色晶粒，或者尿素溶液所处环境温度低于-11℃结冰，均会形成尿素结晶。

机理二：在排气管、催化消声器中，尿素水溶液生成氨气需要经过一系列复杂的水解、热解反应。尿素加热至160℃～200℃时分解，产生氨气同时变为氰酸，进一步缩合生成缩二脲、缩三脲、三聚氰酸和三聚氰胺等物质，即为尿素结晶。

2、尿素结晶形成原因研究

2.1 尿素罐尿素溶液结晶

尿素罐主要功能为储存并为整车后处理系统提供尿素溶液，为使尿素罐能在各种环境工况下正常工作，需为其配备专用的加热系统，并设置有效的通气装置确保尿素溶液消耗过程中尿素罐内外气压平衡。

根据以上分析，可得出尿素罐中尿素溶液结晶原因有以下两点：

（1）环境温度低于-11℃，尿素罐加热系统失效。具体原因为后处理系统断水电磁阀损坏失效、尿素加热管路堵塞、尿素加热水管过长、尿素加热水温度过低等；

（2）尿素罐通气装置失效，尿素罐内负压过大开裂。具体原因为尿素罐通气管或通气阀被堵塞，尿素罐内负压增大吸瘪，薄弱部位出现裂纹析出尿素溶液，溶液中水分蒸发形成结晶。

2.2 计量泵和尿素管中尿素溶液结晶

计量泵又称尿素泵，是排气后处理系统中的一个关键控制单元，主要功能为按照发动机ECU或者DCU发出的信号，从尿素罐中吸取适量的尿素溶液，通过尿素管及尿素喷嘴喷射到排气管中，并将多余尿素溶液回送至尿素罐中。在此过程中，计量泵还需完成尿素管路及自身内部残余尿素溶液的吹扫或回吸任务，避免尿素溶液遗留在尿素罐以外的零件内。

因此，计量泵和尿素管中尿素溶液结晶的主要原因有：

（1）计量泵内部结构损坏，失去吹扫及回吸功能，尿素溶液在尿素泵及尿素内长时间残留，水分蒸发结晶；

（2）车辆熄火后电源被立即关闭，计量泵回吸或吹扫工作时间过短，回吸或吹扫不彻底，导致计量泵和尿素管中尿素溶液残留，进而水分蒸发结晶。

2.3 尿素喷嘴中尿素溶液结晶

尿素喷嘴安装在排气管或催化消声器上，主要功能为接收尿素管中尿素溶液并以喷雾的形式将其与尾气混合，发生分解反应。一些尿素喷嘴上设置有冷却水管接头，可对喷嘴进行降温，防止喷嘴因无法承受排气管中的高温发生结构损坏。

尿素喷嘴中产生尿素结晶的原因有：

（1）尿素喷嘴受热不均衡，冷却不足，尿素溶液在喷射前高温蒸发出水分结晶；

（2）尿素喷嘴安装角度不合适，尤其在倒置安装的情况下，尿素喷嘴内沉积尿素溶液进而倒置结晶。

2.4 排气管中尿素结晶

前三种尿素结晶产生的机理一致，而排气管中出现尿素结晶与之不同，产生机理不一，是重型卡车发生最多的一种结晶形式，且会直接导致排气管被堵塞、排气背压增大、排放故障灯亮、动力不足等后果，因此对整车性能的影响也最大。

排气管中发生尿素结晶的原因较多，根本原因是由于尿素溶液分解不彻底，产生其它物质导致，本文从以下几个方面进行具体分析。

2.4.1 尿素喷嘴损坏或安装角度不当

尿素喷嘴安装在排气管或者催化消声器进气端，需确保尿素溶液喷出后形成喷雾，与尾气充分混合并发生分解反应生产氨气。尿素喷嘴损坏或安装角度不合适导致的尿素结晶有以下两种：

（1）尿素喷嘴损坏，喷射孔处尿素溶液呈大颗粒或液柱状态喷出，则无法充分反应，堆积在排气管内壁上，排气高温蒸发出水分形成结晶；

（2）尿素喷嘴安装角度不当，尿素溶液喷射出后无法与尾气充分混合，大量粘附在排气管壁上，进而因排气高温蒸发出水分形成结晶。

2.4.2 排气管内排气温度过低

尿素溶液所处排气管温度来源于发动机增压器出气温度，重型卡车所匹配的柴油机增压器最高出气温度一般为500℃到650℃，而由于重型卡车车型平台较多，路况复杂，零部件种类多样，排气管尺寸规格也较多。通过排气管温降试验显示，在环境温度为20℃时，排气管温降每米为50℃，随着环境温度的降低，排气管温降增大。

某些双前桥载货车车型排气管达到4m左右，排气温度散失较严重，导致尿素喷嘴处温度过低，尿素溶液转换效率过低，产生尿素结晶。

2.4.3 发动机控制策略不合理

不合理的尿素喷射控制策略、尿素启喷温度和低温下尿素喷射量，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消声器中的尿素结晶，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。

2.4.3.1 尿素启喷温度对尿素结晶生成量的影响

某研究单位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，时间为30min.

试验结果：排气温度分别为203℃、227℃、245℃时，尿素沉积物占尿素消耗量的 12.5%、7.8%和4%，当排气温度升高到272℃时，则无尿素沉积物生成。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。

2.4.3.2 尿素喷射速率对尿素结晶生成量的影响

在发动机台架上进行同一排气温度和流量下尿素溶液喷射速率对尿素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℃，尿素喷射速率设计为8.33g/min和5g/min，收集尿素沉积物的生成量，收集时间为30min。

试验证明：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下降到5g/min后，均不再产生尿素沉积物。

3、尿素结晶的预防措施研究

3.1 尿素罐内尿素结晶的预防措施

为尿素罐设置可确保尿素罐通气顺畅、不易堵塞的通气装置，尿素加热水电磁阀参数与发动机后处理控制信号相匹配，定期对尿素罐通气管、尿素罐内滤网、尿素加热水电磁阀进行检查维护，可有效避免尿素罐出现结晶问题。

3.2 计量泵及尿素管内尿素结晶的预防措施

提高尿素泵喷射及吹扫、回吸压力，车辆停驶后留足够的时间给尿素泵进行吹扫或回吸，采用电加热尿素管，均可避免尿素溶液在计量泵及尿素管路中残留结晶。

3.3 尿素喷嘴内尿素结晶的预防措施

采用合理的尿素喷嘴结构及安装角度，确保尿素喷嘴冷却水循环运行通畅以降低尿素喷嘴温度，优化尿素喷嘴受热不均匀情况，可避免尿素喷嘴内尿素结晶堵塞。

3.4 排气管及催化消声器中尿素结晶的预防措施

3.4.1 优化尿素喷嘴角度

某车型尿素喷嘴安装于催化消声器前的混合器上，尿素喷嘴底座与混合器成30°夹角，后处理系统工作时，部分尿素溶液被喷射到排气管壁上，导致排气管局部温度降低、尿素溶液中水分蒸发，进而形成并逐渐堆积尿素结晶。利用STAR-CCM+8.04软件对不同尿素喷嘴安装角度下尿素溶液在排气管中喷射状态进行模拟计算可以证明，合理的喷嘴安装角度，可有效避免尿素溶液喷射到排气管壁上结晶。经过验证，采用安装在排气管折弯角处，尿素喷射方向与排气管中心线成4°—6°角状态，为最佳喷嘴安装角度。

3.4.2 缩短排气管长度

针对某些车型排气管过长，排气温度降低过多导致尿素溶液反应效率过低结晶的问题，可对排气管及催化消声器结构及布置进行优化。

某6×2中体载货车型原采用筒式催化消声器，受整车布局限制，消声器布置在二桥后方车架上，排气管长度达4.5m，对此车型排气系统进行优化后，将催化消声器改为箱式，并安装在第一、二前桥之间的车架上，排气管缩短为2m，排气温度损失减少55%以上。

3.4.3 排气管增加保温措施

针对排气管无法缩短，且温降过大无法满足尿素溶液反应所需的情况，可在排气管外包裹保温材料，以减少排气管内热量散失。

排气管保温材料结构如下图所示：

排气管保温包裹材料结构设计时需注意以下两点：

（1）由保温层和保护层组成。保温结构设计必须保证其在经济寿命年限内的完整性，应保证其有足够的机械强度，不允许在自重或者够然轻微外力作用下被破坏的现象发生。

（2）保护层必须切实起到保护保温层的作用，以阻挡环境和外力对保温材料的影响，延长保温结构的使用寿命，并使保温结构外形整齐美观。

鉴于排气管高温、走向空间有限的特点，保温材料的选择需遵循以下原则：

（1）在满足包裹排气管所需的导热系数和厚度的基础上，优先选用密度小、价格低廉、便于维护、环境友好的材料，同时所有保温包裹材料必须保证不得含有国家明令禁止的物质；

（2）保温材料应满足耐热要求，保温层能耐700℃以上的高温。保温材料整体燃烧等级要求达到A级（不燃），具体标准按GB 8410-2006执行；

（3）保温材料在-30℃时不脆化、龟裂，安装方便，连接可靠，外形美观。

针对某4×2载货车进行排气管保温包裹试验对比，在车辆常用转速1000-1500 r/min，绕某试验场地行驶相同圈数后，选取相同的六个地点读取催化消声器前排气温度传感器数值，对比结果如下：

表1 排气管保温对比试验

由此可见，包裹保温材料一时，车辆排气管温度散失最少，催化消声器内温度最高，尿素结晶的概率也较小。

3.4.4 优化发动机后处理控制策略

发动机后处理控制策略对整车排气系统尿素结晶的产生影响很大，提高尿素启喷温度，减小低温下尿素喷射速率，可有效提高尿素溶液转化效率，降低尿素结晶风险。

4、结论

本文根据重型卡车排气后处理系统的结构布置和工作原理，逐层分类对尿素结晶问题进行分析梳理，通过理论分析、软件模拟以及试验对比，并结合工作中遇到的实际案例，较全面的研究了尿素结晶可能出现的零部件及出现的原因，并针对不同的原因提出了解决措施。

分析证明，通过合理的选择重型卡车排气后处理系统的零部件类型，优化各零件安装角度、尺寸、外形结构，增加保温措施提高排气温度，优化发动机控制策略标定等措施，可有效提高后处理系统尿素溶液反应效率，降低尿素结晶风险，从而避免整车出现动力不足、排放超标等问题。

[1] 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.

[2] 彭莫,刁增祥,等.汽车动力系统计算匹配及评价.北京:北京理工大学出版社,2009.

[3] 吴明,任勇刚,等.汽车发动机原理.北京:机械工业出版社,2013.

Commercial vehicle post-processing system of urea crystallization problem research

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

According to truck exhaust after treatment system structure and working principle of classification of layer-by-layer analysis of urea Crystal issues, through theoretical analysis, software simulations and experiments, and combined with the actual case work, more comprehensive studies of urea crystals may appear parts and the cause of, and proposes solutions for different reasons. Analysis shows that, through the rational selection of heavy duty truck exhaust after treatment system component type, optimize the structure of parts mounting angle, dimension, shape, increased insulation measures to increase the exhaust temperature, optimum calibration of engine control strategy and other measures, can effectively improve the handling system of urea solution after the reaction efficiency, reduce the risk of urea crystals, so as to avoid underpowered vehicle, excessive emissions and other issues.

Emission; exhaust system; insulation; control strategy

U467.3

A

1671-7988(2016)10-223-04

苏长春，男，（1987.1-)本科，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。2011年至今在江淮汽车公司从事重卡排气系统设计工作。