柴油车SCR系统尿素结晶优化方案研究

江涛

摘 要：本文针对柴油车SCR后处理系统中出现的尿素结晶问题优化措施进行研究，提出了减小尿素喷射量、减小喷孔孔径、优化混合器结构、优化DOC出气口结构以及尿素水溶液添加剂等五项优化措施，并进行了试验验证。结果表明，五项措施均可以明显改善尿素结晶。

关键词：柴油机；SCR；尿素结晶

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.002

0 引言

2017年1月1日，全國全面实施第五阶段国家机动车排放标准。相比国四标准，新标准轻型车氮氧化物排放降低25%，重型车氮氧化物排放降低43%.为了满足此标准，多数主机厂在柴油车后处理方案上均采用了DOC与SCR系统，此方案在降低氮氧化物的同时不可避免的会出现尿素结晶的问题，图1为某柴油机车路试中出现的尿素结晶现象。

1 结晶机理

尿素在排气尾管中收到发动机排气温度的作用发生热解反应，产生氨气，反应过程如下：

从上述反应过程可以看出，若发动机SCR混合器中的温度长期在150～280℃的温度区间内，（异氰酸）发生副反应的几率很大。

2 优化方案与试验验证

因排气温度与排气流量主要取决于发动机本体，对于主机厂而言，变更发动机本体对发动机的各项性能影响较复杂，本文主要研究发动机本体以外的优化方案对尿素结晶风险的改善。

2.1 优化尿素喷射量

优化尿素喷射量为改善尿素结晶风险最直接的方式，在满足排放法规要求的同时，降低各个工况点的尿素喷射量以及氨存储量。

试验中使用某柴油机，在同一稳定工况点，尿素喷射量降低20mg/s，进行20小时台架尿素结晶对比试验，试验结果表明，尿素喷射量的降低对结晶风险的改善明显，如图2所示。

2.2 减小喷孔孔径

试验中使用某柴油机，在流量不变的情况下，将三孔尿素喷嘴变更为六孔尿素喷嘴，喷雾粒径降低20um，在同一工况下，进行20小时尿素结晶对比试验，试验结果表明，喷孔数的增加或者喷孔孔径的减小，可以极大的改善尿素结晶风险，如图3所示。

2.3 优化混合器结构

本研究中同时使用了两种不同结构的混合进行试验，一种为蜂窝状混合器，另一种为叶片状混合器。

试验中使用某柴油机，分别使用两种不同结构的混合器，在同一稳定工况点，运行20小时，对比试验结果，试验结果显示，混合器的优化对改善尿素结晶风险效果明显，如图4所示。

2.4 优化DOC结构

因DOC对排放中碳、氢及颗粒的转化起着至关重要的作用，DOC中的涂层难以改变，故将DOC出气口由圆柱形结构变更为锥形结构。

试验中使用某柴油机，相同SCR结构，使用不同出气口结构的DOC，在同一稳定工况点，运行20小时，对比试验结果，试验结果显示，DOC的出气口结构对改善尿素结晶现象有直接影响，如图5所示。

2.5 优化尿素水溶液

采用不同的尿素水溶液，在尿素水溶液中添加某种添加剂，提高水亲和性，以达到控制尿素结晶的目的。

试验中使用某柴油机，相同结构的DOC与SCR后处理装置，分别使用不同的尿素水溶液（主要区别为有无添加剂），在同一稳定工况点，运行20小时，对比试验结果，试验结果显示，尿素水溶液的添加剂能够改善尿素结晶风险，如图6所示。

3 结论

本文主要对柴油车SCR后处理系统在使用中出现的尿素结晶现象进行初步研究，，提出发动机本体以外的各项优化措施并进行试验验证，论证了减小尿素喷射量、减小喷孔孔径、优化混合器结构、优化DOC出气口结构以及尿素水溶液添加剂等措施能够有效改善尿素结晶风险。

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