后处理结构对柴油车尿素结晶的影响

2019-04-07范皖元宋长青

汽车工程学报 2019年3期

江涛，范皖元，宋长青

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，合肥 230601）

目前，为应对我国实施的国五排放法规标准，主机厂在柴油机后处理方面大多采用DOC+SCR路线，对于即将实施的“国六a”阶段的排放法规以及2023年1月1日将强制实施的“国六b”排放法规，柴油车后处理将采用的主流技术路线为DOC+DPF+SCR。然而，这两种路线采用的SCR尿素喷射系统中，尿素结晶问题成为了柴油车后处理开发过程中亟待解决的难题。

1 结晶机理

SCR（选择性催化还原器）是针对氮氧化物污染物的主流技术，其基本工作原理为：尿素在发动机高温尾气的作用下热解反应产生NH3，NH3在催化器的催化作用下还原尾气中的NOx，产生N2和H2O。

尿素结晶是由尿素发生化学反应产生的一种粘性物质，这种物质容易沉积在尾气管路上，如图1所示。尿素结晶的主要产物为三聚氰酸（HNCO）3，尿素热解过程中的中间产物异氰酸HNCO在120～200℃温度区间产生缩二脲NH（CO）2（NH2）2，缩二脲与异氰酸在200～280℃温度区间均会产生三聚氰酸，反应过程如下。

影响尿素结晶产生的主要因素有排气温度、喷雾粒径、尿素喷射量以及喷射管路的结构设计等，本文主要针对喷射管路的结构设计对尿素结晶的影响进行研究。

2 针对结构的优化方案

本研究以某主机厂的某款国五柴油机为试验样机，发动机参数见表1。以匹配该发动机的后处理系统为原型，后处理系统包括SCR、DOC及尿素喷射系统，对结构进行优化与分析。系统示意图如图2所示。

本研究针对后处理结构提供了两个方面的优化方案，分别为混合器结构优化和系统管路结构优化。

2.1 混合器结构优化

优化设计了混合器结构，将叶片式混合器优化为涡轮式混合器，气流通过涡轮式结构产生涡流，有利于尾气与尿素水溶液的均匀混合。混合器结构如图3所示。

表1 试验用发动机主要参数

图2 喷射系统示意图

图3 混合器结构优化

2.2 系统管路结构优化

为获得管路结构优化最佳方案，同时考虑整车布置的情况下，对后处理管路结构进行了3个方案的优化对比，以获得最佳的气体混合均匀性，方案如下。

方案一：在混合器结构优化的基础上，保持催化器结构不变，尿素喷嘴前移20 mm，受整车布局限制，变更难度最小。

方案二：在混合器结构优化的基础上，DOC向后移动30 mm，SCR向前移动120 mm，受整车布局限制，横向优化达到极限。

方案三：在混合器结构优化的基础上，DOC向后移动80 mm，SCR向前移动70 mm，同时尿素喷嘴高度降低30 mm，在一定横向优化前提下，缩小喷射贯穿距离，3种方案具体变更见表2。

表2 三种方案变更对比

3 模拟分析及试验验证

3.1 混合器模拟计算与分析

对叶片式混合器和涡轮式混合器进行CFD对比分析， CFD分析结果如图4所示。

图4 两种混合器CFD分析结果

模拟0.015 s内的尿素喷射和气流通过速度，可以看出涡轮式混合器的尿素喷射通过性较好，颗粒分布均匀，且前后压差较小，无碰壁现象。

单独对涡轮式混合器做SMD（索特平均直径）仿真分析，可以看出混合前尿素喷嘴喷出的尿素水溶液雾化后的喷雾粒径为120 μm，通过混合器后喷雾粒径下降至9 μm，混合器性能优秀。SMD仿真分析如图5所示，混合器前后喷雾粒径变化如图6所示。

图5 SMD仿真分析结果

图6 混合器前后喷雾粒径变化

3.2 系统管路模拟计算与分析

在采用涡轮式混合器的基础上，分别进行6 挡80 km/h工况下，方案一、二、三的尿素喷嘴前后、混合器前后截面气流流速及CFD模型分析。混合器及喷嘴模型如图7所示，喷嘴前后气流流速分析结果如图8所示，混合器前后截面气流流速分析结果如图9所示。

图7 混合器及喷嘴模型

图8 尿素喷嘴前后截面气流流速分析结果

从模拟分析结果可以看出，方案二的尿素喷嘴前后以及混合前后截面气流流速明显优于其它两种方案。尿素喷嘴前气流集中，易于形成涡流，喷嘴后两个截面的气流流速受重力等影响，顶端部分气流分布较少，混合器前后截面气流显示气流受涡轮影响较小，气流混合均匀，且通过性优于方案一和方案三。

图9 混合器前后截面气流流速分析结果

4 试验验证

为验证方案的有效性，采用整车常用工况6挡80 km/h（台架工况为：转速2088 r/min，转矩153 Nm），尿素喷射量为138.6 mg/s，氨氮比为0.88，验证时间为20 h，试验前后对混合器进行称重，试验后观察混合器中的结晶情况。

4.1 混合器优化后验证结果

试验结果显示，涡轮式混合器尿素结晶现象改善明显，结晶量由53.4 g降低至18.5 g，说明涡轮式混合器有助于尿素与尾气的混合，对尿素结晶的预防效果显著，但无法完全消除结晶，需进一步优化。混合器优化试验结果如图10所示。

4.2 系统管路结构优化后验证结果

3个方案的试验结果表明，方案二尿素结晶改善效果最佳，基本达到了消除结晶的目的，结晶量仅为0.3 g，与模拟分析一致，DOC向后移动且SCR向前移动，使气流通过路径缩短，气流流速加快，压力损失降低，气流通过性得到加强，且易于形成涡流，也避免了喷射后的尿素水溶液发生碰壁现象。管路优化试验结果如图11所示，结晶量见表3。