尿素喷射管路对气助式尿素喷射装置性能影响研究

2024-05-06张希杰代子阳解家报

装备制造技术 2024年3期

张希杰，代子阳，解家报，赵鹏

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

0 引言

SCR 系统是目前较为成熟的重型柴油机尾气后处理技术，它可使柴油机在满足严格排放法规的同时，仍具有较好的燃油经济性，已在国内外重卡市场得到广泛应用[1-2]。尿素泵、尿素喷嘴是SCR 系统的核心部件，与尿素喷射管路共同组成尿素喷射系统，其喷射精度、雾化质量等性能直接影响柴油机SCR 系统的NOx转化率和NH3泄漏量。

1 气助式尿素喷射系统概述

目前，市场上主流的尿素喷射系统有两种：非气助式尿素喷射系统和气助式尿素喷射系统。气助式尿素喷射系统具有结构简单、成本低等优势，在国内外众多后处理系统中广泛应用[3]。

尿素喷射管的长度、直径等参数对尿素喷射系统的性能有直接影响。当尿素管路内径较大时，流体经泵出口流过逐渐扩张的管道，流速沿流向减小，并且容易出现倒流现象。渐扩管的局部损失阻力系数见公式（1）[4-5]。在泵出口内径一定时，尿素管内径越大，管路局部损失系数越大。

式中，ζ为局部损失阻力系数；A1为泵出口接头内截面面积；A2为尿素管内截面面积。

2 试验系统布置

选用4.1 L 欧五柴油机进行台架试验，试验台架系统布置见图1。

图1 台架测试系统

选取市场上常用规格的4 种尿素喷射管并编号：1#（内径3 mm，长度3 m）、2#（内径6 mm，长度3 m）、3#（内径3 mm，长度1.5 m）、4#（内径3 mm，长度0.5 m），各尿素管依次进行试验。

3 试验结果及分析

排放试验结果见表1。

表1 排放结果对比汇总

3.1 不同内径尿素喷射管试验数据对比

对比1#、2# 尿素喷射管ESC、ETC 排放结果，整体来看NOx比排放差异不大，但采用内径为6 的尿素管时氨泄漏高。

（1）ESC 稳态过程数据对比

ESC 稳态过程尿素喷射速率、NOx浓度、氨泄漏分别见图2、图3、图4。

图2 ESC 稳态过程尿素喷射速率

图3 不同直径ESC 稳态过程NOx 对比

图4 不同直径ESC 稳态过程氨泄漏对比

由图2、图3 可见，相同尿素喷射量下，2#尿素喷射管在ESC 稳态工况点测量的尾气NOx浓度值波动较大，在2、8、10 三个大负荷工况表现更为明显，最大波动范围接近300 ppm，而1#尿素喷射管NOx浓度值波动较小。

由图4 可见，采用2#尿素喷射管稳态工况的氨泄漏值比1#尿素喷射管大，峰值出现在第8、10 两个大负荷工况点，最大值达到160 ppm。

（2）ETC 瞬态过程数据对比

瞬态试验尿素喷射速率、NOx浓度、氨泄漏结果分别见图5、图6、图7。

图5 ETC 瞬态过程尿素喷射速率

图6 ETC 瞬态过程NOx 对比

图7 ETC 瞬态过程氨泄漏对比

由图6 可见，对比ETC 排放循环瞬态工况，整体上看1#、2# 尿素喷射管排气NOx值差异不大，2# 喷射管部分工况NOx浓度稍高一些。

由图7 可见，采用2#尿素喷射管时，氨泄漏值峰值和均值比1#尿素喷射管大。

3.2 不同长度尿素喷射管试验数据对比

选取1#、3#、4# 尿素喷射管进行对比，ESC、ETC循环NOx浓度差异不大，但采用3#、4#尿素喷射管时氨泄露要更低，见图8、图9。

图8 不同长度尿素管ETC 瞬态过程NOx 对比

图9 不同长度尿素管ETC 瞬态过程氨泄漏对比

从图9 可以看出，采用3#、4#尿素喷射管时氨泄漏比1#尿素喷射管小，3#、4#排放结果差异不大。

3.3 试验结果分析

尿素喷射管的内径不同，对ESC、ETC 工况循环过程中的NOx及氨泄漏都有不同程度的影响。采用6 mm 内径尿素管时，尿素泵内气液混合物从内径较小的尿素泵接头进入内径较大的尿素管后，容易出现一系列的旋涡，管路内流体微团之间存在摩擦，并容易导致流体内部产生撞击，造成尿素不能稳定持续喷射，从而导致ESC 循环单点NOx值不稳定，氨泄漏变大。从试验数据能看出，采用3 mm 喷射管时，NOx排放结果明显更优。

对于气助系统，尿素喷射管中没有预存尿素，尿素是由尿素泵经喷射管、喷嘴喷射到排气管中。尿素喷射管长度不同，会影响瞬态循环的尿素喷射响应性。喷射管长度较长时，尿素溶液实际喷射会存在一定延迟，不能很好与瞬态工况NOx原机排放的波动相吻合，容易造成瞬时的氨气不足或过量，从而会影响NOx处理效果，加大氨泄漏风险。从试验结果来看，适当缩短尿素管长度有助于提高SCR 系统对NOx的处理效果、降低氨泄漏风险。