气助喷嘴抗结晶性能试验研究

颜传武　陆胜旗　许智强　沈海青

摘 要：尿素喷嘴的性能直接影响SCR后处理系统的工作效率，结合主机厂制定的SCR计量喷装置工程规范，在发动机台架上进行了2款气助喷嘴的抗结晶性能试验研究，试验表明：在发动机排气流量为500～800Kg/h、排温为550℃，尿素泵以100ml/h流量喷射尿素的工况下，试验喷嘴的抗结晶性能均满足要求，同时通过性能对比为喷嘴结构优化，性能提升提供依据。

关键词：空气辅助 喷嘴 抗结晶

选择性催化还原（SCR）技术是一种有效降低柴油车NOx排放的后处理装置，该技术是目前最为成熟的NOx后处理技术[1-2]。尿素的喷射质量是SCR技术降低NOX排放的关键影响因素，而尿素喷射质量由尿素喷嘴的性能决定，通过优化喷嘴结构，提高喷嘴雾化以及防结晶的性能，可以有效的减少喷嘴堵塞的风险，试验和模拟分析均表明，空气辅助型的喷嘴喷射雾化效果较好[3]。

提高空气辅助型喷嘴（气助喷嘴）的性能是SCR技术的重要研究领域。胡波在Y型喷嘴的基础上开发了几种不同流道型腔的旋转式气助喷嘴，并通过试验对比研究了其雾化特性[4]。周健伟等研究人员[5]通过分析气助喷嘴的结晶失效模式，进行了一系列的防结晶结构优化研究，解决了喷嘴因焊缝及母材开裂导致的失效问题。孙树平等学者为了验证单泵多喷嘴并联的方案能否满足大功率柴油机的后处理需求，对单泵多喷嘴的各个喷嘴的喷雾性能开展了试验研究[6]。

为了满足日益严苛的排放法规，尿素喷嘴的结构及性能还需要持续不断的研究与优化，从而更好的为各大主机厂进行配套，同时，主机厂会根据自身发动机特点、布局及成本等因素综合考虑来进行SCR系统的选型，其中尿素喷嘴的选型也非常重要，目前来看，气助喷嘴市场占有率较高，具有较大的研究价值。

1 试验背景

上阶段，针对C型气助四孔喷嘴开展了研究，完成了利用空气加热炉模拟发动机排气温度的喷嘴性能对比试验[7]，结果显示喷嘴的抗结晶性能与喷孔直径有密切关系，在200℃排气温度，110kg/h排气流量条件下，ETC工况及定工况小流量喷射过程中0.3mm孔径喷嘴的抗结晶性能稍优于0.5mm孔径喷嘴。

但是由于是模拟的排气环境，与发动机实际工况下的排气环境仍存在差别;同时与C型喷嘴同样具有较好市场表现的喷嘴也不在少数，为了不断优化结构，提升产品竞争力，开展不同结构喷嘴的性能对比研究迫在眉睫。

因此，为了更准确的研究气助喷嘴的抗结晶性能，在柴油发动机实际的工况下开展试验是非常必要的。基于柴油发动机台架研究不同喷嘴的抗结晶性能，为喷嘴结构优化，性能提升提供依据，具有较高的实用价值。

本次试验主要针对C型和D型喷嘴开展研究，如下图1所示。

两款喷嘴均具有较好的市场表现，其中C型喷嘴为四孔喷嘴，四孔径向90度均布;D型喷嘴为三孔喷嘴，三孔与轴向成一定角度且均布，因此，两款喷嘴在排气管上的安装方式有所差异。

2 台架试验

2.1 排气工装

考虑到两款喷嘴的安装方式不同，为了尽可能减少影响因素，保证两种型号喷嘴在同一工况下完成试验，研究设计了排气工装，如下图2（a）所示。

在不改变喷嘴安装方式的前提下，在排气工装上同时安装两款喷嘴，且两款喷嘴距离尽可能近但不影响各自的喷雾形态，排气工装前后各安装一个温度传感器来监测排气温度。

2.2 试验台架

试验台架配备的发动机型号为某国产主机厂的直列6缸四冲程柴油发动机，额定功率265KW，配套试验设备包括发动机数据采集系统、尿素喷射系统、尿素喷射上位机、CAN线、排气温度传感器、流量传感器等，试验台架布置如下图2（b）所示。

2.3 试验方案

试验台架所配套的发动机的主机厂针对SCR系统制定了柴油发动机SCR计量喷射装置工程规范的企业标准，其中对于气助喷嘴的抗结晶性能提出了明确要求，供应商供货的气助喷嘴必须通过该工程规范里列明的抗结晶试验。因此，台架试验严格按照工程规范中规定的试验要求进行，具体要求为：在发动机台架上进行，排气流量为500～800Kg/h、排温为550℃，温度传感器安装于喷嘴上游100mm以内，喷嘴以正常工作的形式安装于排气管上，尿素水溶液流量為100mL/h，连续试验2小时。试验后，喷嘴无尿素结晶导致的堵塞停喷或者雾化不良、滴漏、射偏现象，喷射量满足要求即为合格。

按照上述要求，准备2支C型和2支D型喷嘴，开展2轮试验。每轮试验均按正常工作形式将两种喷嘴安装在排气工装上，同步开展抗结晶试验，试验时间2小时。

记录、对比两种喷嘴的抗结晶表现。

3 试验结果及分析

3.1 试验工况满足要求

两轮试验过程中，上位机未出现报错信息，尿素泵工作一切正常;排温及流量传感器采集的数据显示：台架排气工装上两个排温传感器温度均保持在550～570℃之间，排气流量500～530kg/h。

3.2 试验后喷嘴喷孔表面未出现异常情况

试验后，所有C型和D型喷嘴的喷头表面由于受到排气高温的影响出现发红、发黑情况，喷孔表面没有发现尿素残留及结晶的情况，喷孔内也可见导通，如下图3所示。

3.3 试验后喷嘴喷射工作正常

试验后给各个喷嘴通尿素，检查堵塞情况，所有C型和D型喷嘴的喷雾状态与实验前状态无异，各孔喷雾形态正常、喷射均匀，无堵塞、无滴漏、无射偏现象，喷嘴工作正常，如下图4所示。

虽然两款喷嘴均能满足试验要求，但也不能随意替换使用，考虑到其安装形式、喷孔数量及布局等不同，需要结合发动机实际情况进行选型。相对来说C型喷嘴的喷雾范围较D型喷嘴更大，制造成本更低，但是对于排气管的径向空间要求较高;D型喷嘴较C型喷嘴的隔热性能更好，径向安装空间要求较小。

综上，针对上述主机厂的SCR计量喷射装置工程规范的要求，本次试验的C型喷嘴和D型喷嘴的抗结晶性能均能达标，主机厂可以根据自身车型、排气布局、成本要求等因素合理选择两种喷嘴型号进行配套。

4 结语

（1）在发动机排气流量为500～800Kg/h，排温为550℃，尿素泵以100ml/h流量喷射尿素的工况下，C型喷嘴和D型喷嘴的抗结晶性能均满足要求，可以配套主机厂进行使用。（2）需要结合发动机的实际情况进行选型。C型喷嘴比D型喷嘴在径向布局、制造成本上更有优势;而D型喷嘴比C型喷嘴在轴向布局、隔热性能上更有优势。

基金项目：台州科技职业学院2020年度校级研究课题：基于柴油发动机台架的SCR喷嘴抗结晶试验研究（2020ZD006）。

参考文献：

[1] 帅石金，唐韬，赵彦光等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[C].2013：283-304.

[2]张纪元. 重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].山东大学，2013.

[3] Hua L，Zhao Y，Hu J，et al. Comparison between airassisted and airless urea spray for diesel SCR system by PDA and CFD[R]. SAE Paper，2012-01-1081.

[4] 胡波.柴油机SCR系统尿素喷嘴喷雾和性能研究[D].上海交通大学，2015.

[5] 周健伟，颜传武，许智强等.气助尿素喷嘴防结晶结构优化研究[C].//中国内燃机学会第六届青年学术年会论文集.2015：104-107.

[6]孙树平，倪俊芳.单泵多喷嘴并联尿素喷射系统实验研究[J].科技创新与应用，2020（22）：54-55.

[7] 颜传武，陆胜旗，许智强.气助四孔喷嘴抗结晶性能对比研究[J/OL].中国科技期刊数据库 工业A[2020-04-10].