柴油机SCR系统尿素结晶试验研究

钟秋月，高延新，张超



柴油机SCR系统尿素结晶试验研究

钟秋月，高延新，张超

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着汽车排放法规的日趋严格，SCR(选择性催化还原)后处理系统是重型柴油机满足国四、国五排放法规的主要技术方案。文章针对某款柴油机的结晶问题进行试验分析，结果表明尿素喷射量、尿素喷雾平均直径（SMD）及混合器结构对结晶有很大的影响。

SCR；尿素结晶；混合器

1 引言

随着环境污染的不断加剧，柴油机排放得到越来越多的关注。SCR (选择性催化还原)是针对柴油车氮氧化物污染物的主流技术，同时该项技术也是欧洲主流技术路线，欧洲重型车几乎全部采用这一技术路线。

SCR系统的基本工作原理是：尾气从涡轮增压器出来后进入排气混合管，在混合管上安装有尿素喷嘴，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生热解和水解反应产生NH3, NH3在催化剂的催化作用下还原NOx产生N2和H2O。

SCR化学反应如下：

（1）尿素反应：

（2）NH3与NOx反应：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

结晶的主要原因是在尿素反应过程中产生了(HNCO)3（三聚氰酸），具体反应如下：

200-280℃；在这个温度区间生产三聚氰酸，具体反应如下：

本文针对某柴油机结晶问题，对影响尿素结晶的各因素如尿素喷射量、尿素喷雾平均直径、混合器结构进行研究。

2 试验研究

2.1 试验设备

试验设备为JAC装有SCR后处理系统的柴油机试验台架，其中试验所用发动机为JAC某款柴油机， SCR系统主要包括SCR催化转化器、尿素泵、喷射控制器(DCU)、喷嘴、尿素箱、尿素管路、尿素液位温度传感器、排温传感器、氮氧传感器等组成，具体见图1。

图1 发动机试验系统示意图

2.2 试验方法

（1）通过发动机排温、尿素喷射量等因素分析，找出发动机容易结晶的工况点；

（2）固定此工况点，稳态运行20h；

（3）停机检查结晶情况；

（4）分析结果。

2.3 试验方案

利用解耦原理对单个因素进行对比试验：

表1 试验方案

3 试验结果与分析

3.1 尿素喷射量对结晶的影响

在发动机工况：转速为2000rpm，扭矩为153Nm，发动机排温为270℃，排气流量为300kg/h的条件下，将尿素喷射量由143mg/s降低到90mg/s。试验结果如图2所示。

图2 不同喷射量对结晶的影响

由图2可知，喷射量为90g/s时结晶情况明显减轻。原因为尿素喷射量过大时，尿素水溶液不能及时发生反应变成NH3，而是残留在混合器上，形成结晶。

3.2 喷雾平均直径对结晶的影响

通过调整尿素喷射系统中尿素喷嘴的喷孔数量来调整喷雾的平均直径。将喷嘴由原来的三孔调整为六孔，喷射系统喷雾平均直径由120um降低到100um。试验结果如图3所示。

图3 尿素喷雾分布图

通过不同喷射系统的粒径分布的曲线可知，孔数增加后，粒径分布更加集中，也就是说粒径更加均匀，其中最大粒径由530um降低为360um。

图4 平均喷雾直径对结晶的影响

由图4可知，当尿素平均喷雾直径由120um降低到100um时，结晶情况明显改善。这是由于尿素平均喷雾直径的减小会增加尿素的蒸发速度，那么残留在混合器上的尿素就很少，因而可以减少结晶量。

3.3 混合器对结晶的影响

如图5所示，将混合器结构由叶片式改为涡轮式。

图5 混合器结构优化

图6 混合器对结晶的影响

由图6可知混合器结构对结晶影响显著。混合器结构由叶片式结构提升到涡轮式结构，相同的试验工况相同的试验时间尿素结晶的量降低70%。这是由于涡轮式混合器可以加大混合器处的流场及气流强度，加快尿素和混合器的碰撞和气流冲击，使得尿素快速的蒸发，降低残留的混合器上的质量。

4 结论

通过以上对比得出以下几个结论：

（1）尿素喷射量越小越不容易结晶，在排放标定阶段在满足排放的条件下尽量减少尿素喷射量；

（2）喷雾粒径越小越不容易结晶，在喷射系统选型时选择喷雾粒径小的喷射系统；

（3）涡轮式混合器改善气流同时改善尿素结晶，在混合器的设计上要重点关注。

[1] 桑心成.SCR系统尿素结晶结石研究[J].时代农机,2016,43（9）: 31-33.

[2] 陈镇等.柴油机尿素SCR氨分布均匀性的试验与模拟优化[J].车用发动机,2012,198（1）:41-45.

[3] 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.

The experimental study on urea crystallization of diesel engine

Zhong Qiuyue, Gao Yanxin, Zhang Chao

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

With the increasingly stringent emission regulation, the SCR aftertreatment system is the main technology for the heavy duty diesel engine to meet the CN Ⅳ and CN Ⅴ regulation. In the paper, the factors of urea crystallization were studied. The results showed that the urea injection, average diameter of spraying and mixer had greatly influence on crys -tallization.

SCR; urea crystallization; mixer

A

1671-7988(2018)22-119-03

TK42

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钟秋月，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.042