基于线性回归模型的尿素喷嘴温度场预测分析

曾伟，宋永平，顾欣

(1.凯龙高科技股份有限公司，江苏无锡 214153；2.上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 引言

日趋严格的排放法规对柴油机后处理系统的要求越来越高，Selective Catalytic Reduction(SCR)技术能有效降低柴油机尾气中NOx的含量，NOx转化效率达到95%以上，是重型车用柴油机满足国VI、非道路移动机械用柴油机第四阶段及以上排放标准的主流技术路线。SCR系统由尿素喷射系统和封装SCR载体组成。

尿素喷射系统负责将质量分数为32.5%的尿素水溶液喷射入排气管中，尿素水溶液经过水解、热解形成氨气，再经过混合器与尾气充分混合，经催化载体发生催化还原反应，将尾气中的NOx消除。其中，尿素水溶液的分解过程由一系列复杂的化学反应组成，其中水解方程为[1]：

(NH2)2CO+H2O→CO2+2NH3

(1)

氨气在选择性催化剂的作用下与柴油车尾气中的NOx发生化学反应，生成氮气和水：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(2)

2NO2+2NO+4NH3→4N2+6H2O

(3)

4NO+2O2+4NH3→4N2+6H2O

(4)

此外，搭载SCR系统的柴油机，燃油经济性也会提高4%～5%。SCR技术在柴油机上得到越来越广泛的应用，但该技术在开发和应用中也存在一些问题，如尿素结晶、结石[2]。柴油机的运行工况多变，导致尿素水溶液喷射到排气中的雾化蒸发过程也会随之变化[3]。尿素水溶液分解成氨气的同时也会产生氰酸、三聚氰酸等产物，这些沉积物最终会形成尿素结晶甚至结石[4]。

尿素喷嘴为SCR系统的核心零部件，负责将尿素水溶液定时定量地以雾化的形式喷射到排气管中。尿素喷嘴安装在SCR前端，排气通过喷嘴安装座热传导、排气管壁热辐射、排气传热等方式将热量传递给尿素喷嘴。通常采用发动机冷却液对其进行冷却，确保喷嘴各区域温度低于限值，避免尿素溶液在喷嘴内部形成结晶，造成喷嘴堵塞(见图1)、弹簧卡滞(见图2)等失效故障。

图1 喷嘴堵塞

图2 弹簧卡滞

尤其Diesel Particulate Filter(DPF)在柴油机排气后处理系统中主动再生工作时，排气短时温度可达700℃～800℃，喷嘴温度急速升高，增加了喷嘴内部结晶及过热失效的风险。很有必要对这些恶劣工况进行温度预测，根据预测结果优化产品结构和控制策略，降低喷嘴的失效风险。

本研究针对自主开发的水冷式尿素喷嘴，基于DOE试验对尿素喷嘴关键点温度进行测量，使用回归分析得到各关键点温度的预测方程；可用于评估尿素喷嘴应用中的温度值，分析尿素喷嘴内部结晶风险，提前预测喷嘴过温失效风险，节约应用项目的开发时间及资源。

1 尿素喷嘴温度测试

1.1 尿素喷嘴参数

温度测试试验使用的自主开发的水冷式尿素喷嘴结构如图3所示，具体性能参数见表1。

图3 水冷式尿素喷嘴结构示意

表1 水冷式尿素喷嘴参数

1.2 温度测点布置

采用欧米伽GG-K-30-SLE耐高温(最高耐温600℃)热电偶进行布点，用电阻焊或高温胶将热电偶与被测物表面进行连接，6个喷嘴关键测温点如图4所示。其中位置1为密封钢球、位置2、3为冷却液进/出口，位置4为尿素进液口、位置5为电磁线圈、位置6为水套座。

图4 喷嘴温度测点布置

1.3 试验装置

试验在自主搭建的DPF智能再生系统台架上进行，装置如图5所示。该系统主要由燃烧器、燃油供给系统及排气管组成，通过燃烧器模拟发动机排气温度和流量，可精确控制排气流量和喷嘴安装座的前端温度，以得到稳定的试验边界。冷却液流量、温度由模温机控制，最高冷却液温度110℃，最高冷却液流量200 kg/h。

图5 试验装置

喷嘴垂直安装在排气管上，使用热流盒模拟喷嘴工作环境温度，尤其非道路机械使用场合。热流盒底部安装有排风扇，通过排风扇开启、关闭来控制热流盒内的温度。

1.4 试验工况

选取5个尿素喷嘴温度的影响因子，分别为发动机排气温度、冷却液流量、冷却液温度、尿素溶液温度、工作环境温度，各影响因子取值见表2。

表2 影响因子取值

为获得较精确的分析结果，采用DOE试验设计，通过Minitab软件计算得到144个试验工况。

2 数据处理

2.1 回归分析

通过线性回归方法处理全部试验数据，得到喷嘴6个关键点的温度回归方程式5～10，式中T1～T6分别表示密封钢球、冷却液进口、冷却液出口、为尿素进液口、电磁线圈和水套座的温度值(℃)，T排为排气温度，Q冷却液为冷却液流量(L/h)，T尿素为尿素溶液温度(℃)，T环境为喷嘴工作环境温度(℃)，T冷却液为冷却液温度(℃)。

其中，式5为位置1针阀钢球的温度回归方程：

T1=3.03+0.020 27T排+0.013 16Q冷却液+
0.01T尿素+0.210 6T环境+0.370 1T冷却液

(5)

式6为位置2冷却液进口的温度回归方程：

T1=-1.485-0.001 8T排+0.011 27Q冷却液+
0.003 4T尿素+0.022 69T环境+0.956 9T冷却液

(6)

式7为位置3冷却液出口的温度回归方程：

T1=-1.936+0.0012 5T排+0.008 4Q冷却液+
0.004 9T尿素+0.023 3T环境+0.952 9T冷却液

(7)

式8为位置4尿素进液口的温度回归方程：

T1=-6.11+0.038T排+0.016 64Q冷却液+
0.027 24T尿素+0.368 5T环境+0.153 6T冷却液

(8)

式9为位置5电磁线圈的温度回归方程：

T1=-8.83+0.0214 5T排+0.014 5Q冷却液+
0.026 98T尿素+0.021 54T环境+0.616 4T冷却液

(9)

式10为位置6水套座的温度回归方程：

T1=62.87+0.034 55T排-0.020 6Q冷却液+
0.039 1T尿素+0.423 1T环境+0.523 6T冷却液

(10)

2.2 精度分析

根据2.1中6个关键测温点的温度回归方程模型，将试验变量因子取值代入回归方程计算得到预测温度值。通过对比温度预测值和实测值，可得到温度回归方程的精度。图6为喷嘴水套座温度预测方程的精度分析图，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=0.836 5x+29.406R2=0.836 5

(11)

图6 喷嘴水套座温度回归模型精度

除个别奇异点外，大部分实测值和预测值波动范围小于±5℃，线性模型的R2为0.84，精度满足要求，认为可用于水套座温度的预测分析。

尿素进液口温度预测方程的精度分析如图7所示，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=0.978 6x+1.571 1R2=0.978 7

(12)

图7 尿素进液管温度回归模型精度

所有的实测值和预测值波动范围小于±5℃，线性模型的R2为0.98，预测精度较高。

冷却液出口温度预测方程的精度分析如图8所示，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=1.000 4x-0.072R2=0.998 5

(13)

图8 冷却液出口温度回归模型精度

温度实测值和预测值波动范围小于±1℃,线性模型的R2为0.998，预测精度很高。

冷却液进口温度预测方程的精度分析如图9所示，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=1.000 7x-0.082 1R2=0.998 8

(14)

图9 冷却液进口温度回归模型精度

测试值和预测值波动范围小于±1℃,线性模型的R2为0.998 8，预测精度很高。

电磁线圈温度预测方程的精度分析如图10所示，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=0.794 9x+18.068R2=0.794 9

(15)

图10 电磁线圈温度回归模型精度

大部分测试值和预测值波动范围小于±5℃,线性模型的R2为0.79，可以用于预测。

密封钢球温度预测方程的精度分析如图11所示，由图可见预测值和实测值的相关线性方程为：

y=0.950 4x+4.104 9R2=0.950 5

(16)

图11 密封钢球温度回归模型精度

测试值和预测值波动范围小于±3℃，线性模型的R2为0.95，预测精度较高。

3 柴油机台架试验验证

为验证温度回归模型在实际应用中的准确性，在柴油机台架上进行了不同工况下喷嘴温度的测量。试验装置如图12所示。包括发动机、后处理封装(Diesel Oxidation Catalyst(DOC)、DPF、混合器和SCR)，尿素喷嘴安装在混合器前端，通过热电偶进行温度测量和记录。

图12 柴油机台架试验装置

试验使用的是某10.5L柴油机，性能参数见表3。

表3 柴油机性能参数

具体试验工况如下，冷却液温度90℃，环境温度40℃，尿素温度50℃，排气温度和冷却液流量随发动机工况改变。

图13为排气温度645℃和冷却液流量120 L/h时喷嘴各关键测温点处实测温度与回归模型预测温度的对比分析图，可见实测温度与预测温度比较接近，温度误差范围-4.4℃～5.7℃。试验结果表明，尿素喷嘴温度回归模型可用于应用项目的开发预测。

图13 各关键测温点温度值对比

4 结束语

本研究选取5个尿素喷嘴温度的影响因子：排气温度、冷却液流量、冷却液温度、尿素溶液温度、工作环境温度。基于DOE试验设计，进行自主开发水冷式尿素喷嘴关键点的温度测试试验，采用线性回归分析方法得到温度回归模型，并在柴油机台架上进行了试验验证，得出以下结论：

(1)6个关键测温点的温度回归模型，实测温度和预测温度差值小于5℃，模型精度较高；

(2)柴油机台架试验结果表明，尿素喷嘴温度回归模型可用于实际应用项目的开发预测；

(3)本研究得出的回归模型后续需要在整车及不同应用场合进行更全面的验证和完善。