空氣輔助和無(wú)空氣輔助SCR系統(tǒng)尿素噴霧特性的對(duì)比試驗(yàn)研究

華 倫，趙彥光，胡 靜，唐 韜，帥石金

(清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100084)

前言

面對(duì)日益嚴(yán)重的排放污染問(wèn)題和嚴(yán)格的汽車尾氣排放法規(guī)，僅改善柴油機(jī)的混合氣形成和燃燒顯然不夠，因此對(duì)缸內(nèi)生成的NOx采用機(jī)外后處理措施越來(lái)越受到人們的重視。選擇催化還原(SCR)技術(shù)是目前降低柴油機(jī)NOx排放最有效的后處理技術(shù)之一，它可使柴油機(jī)在滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的同時(shí)，仍具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。其中以尿素水溶液(Adblue)為還原劑的SCR技術(shù)最有應(yīng)用前景。

在尿素SCR系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，包括尿素水溶液噴霧霧化和蒸發(fā);尿素的熱解和異氰酸的水解;NOx在催化劑表面與氨氣發(fā)生的表面催化反應(yīng)等。其中尿素水溶液的噴霧特性直接影響尿素的分解及其與排氣的混合，從而影響NOx的轉(zhuǎn)化效率。目前對(duì)SCR尿素噴霧特性的研究主要集中在數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［1］～文獻(xiàn)［3］中應(yīng)用CFD軟件對(duì)尿素水溶液在排氣管道內(nèi)的噴霧特性、碰壁現(xiàn)象、氨分布和混合氣進(jìn)行了數(shù)值模擬。文獻(xiàn)［4］中對(duì)尿素SCR的噴霧和流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出了優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［5］中對(duì)SCR尿素噴霧CFD模擬的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)［6］～文獻(xiàn)［8］中對(duì)尿素噴霧特性和SCR系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。但針對(duì)尿素噴霧特性的試驗(yàn)研究較少，主要有文獻(xiàn)［9］～文獻(xiàn)［11］中的研究，以及文獻(xiàn)［12］中對(duì)尿素噴霧液滴的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行的可視化試驗(yàn)研究。

本文中應(yīng)用高速攝影技術(shù)，針對(duì)有空氣輔助和無(wú)空氣輔助兩種SCR噴射系統(tǒng)進(jìn)行尿素噴霧特性的可視化研究，分析了不同噴射速率下的噴霧形態(tài)，總結(jié)出噴霧貫穿距和錐角隨噴射速率的變化趨勢(shì)，為SCR系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)。應(yīng)用定容燃燒彈對(duì)不同環(huán)境溫度下的空氣輔助噴射系統(tǒng)尿素噴霧形態(tài)進(jìn)行可視化研究，分析這種系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中尿素噴霧發(fā)生碰壁現(xiàn)象的可能性。應(yīng)用粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)對(duì)兩種噴射系統(tǒng)的噴霧液滴粒徑進(jìn)行測(cè)試，比較兩種噴射系統(tǒng)的噴霧特性。本文中的研究為改善尿素噴霧特性，減少沉積物生成和提高NOx轉(zhuǎn)化效率提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文中采用的尿素噴射系統(tǒng)有兩種。一種是有空氣輔助的噴射系統(tǒng)，其原理是控制計(jì)量泵柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率，在柱塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次供給還原劑量不變的情況下，還原劑供給量與柱塞運(yùn)動(dòng)的頻率成正比。另一種為基于脈寬控制的尿素噴射系統(tǒng)，即無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)，其原理是控制電磁閥噴嘴開(kāi)啟的時(shí)間，在噴孔前后壓差固定不變的情況下，還原劑噴射速率和開(kāi)啟時(shí)間成正比。兩種噴射系統(tǒng)的噴嘴示意圖分別如圖1和圖2所示。空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴嘴有4個(gè)噴孔，噴射方向垂直管壁，無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴嘴有3個(gè)噴孔，沿排氣方向噴射。

試驗(yàn)中高速攝像機(jī)采用CMOS高速攝像機(jī)，針對(duì)噴霧發(fā)展過(guò)程的拍攝速率為2000幀/s，針對(duì)噴霧完全發(fā)展后的拍攝速率為500幀/s。

所開(kāi)發(fā)的高溫高壓定容燃燒彈系統(tǒng)主要用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高溫高壓條件。本文中將它應(yīng)用于SCR系統(tǒng)的尿素噴霧特性研究。容彈內(nèi)置電加熱絲，由外置的工控機(jī)控制，容彈內(nèi)壁裝有絕緣保溫材料，可實(shí)現(xiàn)安全和快速的內(nèi)部加溫。圖3為一組容彈系統(tǒng)從冷機(jī)狀態(tài)開(kāi)始加熱的升溫曲線。

在PDA試驗(yàn)中，噴霧液滴穿過(guò)測(cè)量體，產(chǎn)生多普勒觸發(fā)信號(hào)。光探測(cè)接收鏡頭接收到與液滴速度呈線性關(guān)系的多普勒信號(hào)。信號(hào)處理單元通過(guò)處理不同光接收鏡頭傳來(lái)的多普勒信號(hào)，根據(jù)其相位差換算得到液滴粒徑。最后由PDA專用軟件SIZEWare處理得到液滴在空間位置的平均粒徑和索特平均直徑等。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

在常溫常壓下，應(yīng)用高速攝像機(jī)分別對(duì)兩種噴射系統(tǒng)的尿素噴霧發(fā)展過(guò)程進(jìn)行拍攝，并改變尿素噴射速率、觀察噴霧貫穿距和錐角，得到噴霧形態(tài)隨噴射速率變化的規(guī)律。其中尿素噴射速率的變化范圍可以覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)在一般工況下降低NOx排放所需的尿素噴射速率。空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴射速率分別為0.17、0.33、0.5和0.67g/s。無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴射速率為0.2～1.6g/s，間隔0.2g/s。在進(jìn)行可視化試驗(yàn)時(shí)分別考慮了兩種情況，即發(fā)展過(guò)程的噴霧形態(tài)和完全發(fā)展后的噴霧形態(tài)。

在對(duì)空氣輔助噴射系統(tǒng)進(jìn)行定容燃燒彈內(nèi)的可變環(huán)境溫度噴霧特性試驗(yàn)時(shí)，在其頂部安裝噴嘴，將定容燃燒彈內(nèi)的溫度分別加溫至250和350℃，分別以0.17、0.33和0.5g/s的噴射速率進(jìn)行噴射，觀察不同溫度條件下的尿素噴霧特性。圖4為試驗(yàn)示意圖和所拍攝到的尿素噴霧形態(tài)。受定容燃燒彈的容積和溫控條件限制，針對(duì)無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的在可變溫度條件下的噴霧特性研究未能進(jìn)行。

對(duì)兩種噴射系統(tǒng)進(jìn)行PDA試驗(yàn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)在噴霧軸線上距噴孔50mm處的位置。對(duì)空氣輔助噴射系統(tǒng)，在一定空氣輔助壓力(0.6MPa)下，測(cè)量不同尿素噴射速率在測(cè)點(diǎn)處的噴霧液滴粒徑。尿素噴射速率分別為0.17、0.33、0.5和0.67g/s。對(duì)無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)，測(cè)量尿素噴射速率為0.6g/s時(shí)測(cè)點(diǎn)處的噴霧液滴粒徑，并與空氣輔助噴射系統(tǒng)尿素噴霧液滴粒徑進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果與分析

圖5為空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素溶液噴霧的發(fā)展過(guò)程，即不同時(shí)刻的噴霧形態(tài)，空氣輔助壓力為0.6MPa，噴射速率為0.33g/s。圖6為不同噴射速率下的貫穿距隨時(shí)間變化的趨勢(shì)?？傮w來(lái)說(shuō)，常溫常壓下噴射速率對(duì)貫穿距影響不大，但隨時(shí)間的變化，噴射速率較大時(shí)，噴霧貫穿距較長(zhǎng)。圖7和表1示出噴霧錐角隨噴射速率而變化的趨勢(shì)。隨著噴射速率的提高，噴霧錐角變小。

表1 空氣輔助噴射系統(tǒng)不同噴射速率下的噴霧錐角

圖8為環(huán)境溫度分別為常溫、250和350℃時(shí)空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧形態(tài)。由圖可見(jiàn):溫度對(duì)貫穿距有很大的影響，即隨著溫度的上升，噴霧貫穿距明顯減小;當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)，貫穿距為2～3cm，說(shuō)明碰壁現(xiàn)象發(fā)生的可能性很小。圖9為環(huán)境溫度250℃，噴射速率分別為0.17、0.33和0.5g/s時(shí)，高速攝像機(jī)拍攝到的空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧形態(tài)。由圖可見(jiàn):當(dāng)溫度較高(如250℃)時(shí)噴射速率對(duì)噴霧貫穿距也有較大的影響，隨著噴射速率的增大，貫穿距明顯變大，碰壁現(xiàn)象發(fā)生的可能性明顯變大。

圖10為無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧發(fā)展過(guò)程中的噴霧形態(tài)。從圖中可明顯看到3束噴霧，且噴霧形態(tài)不隨噴射速率的改變而改變。這主要是由于不同噴射速率下尿素噴射壓差均為0.9MPa，只是電磁閥開(kāi)啟時(shí)間不同。圖11為在不同噴射速率下噴霧充分發(fā)展后的形態(tài)。噴射速率對(duì)噴霧錐角沒(méi)有影響，基本在20°左右，貫穿距大于50cm，在距噴嘴較遠(yuǎn)處噴霧的直徑大于20cm，在實(shí)際排氣管中尿素噴霧碰壁的可能性較大。相對(duì)空氣輔助噴射系統(tǒng)，其貫穿距明顯變大。

圖12為空氣輔助噴射系統(tǒng)在0.6MPa下，沿噴霧方向距噴孔出口50mm測(cè)量平面中心位置的粒徑分布。由圖可見(jiàn):粒徑分布不隨噴射速率的改變而改變，且在1～5μm范圍內(nèi)的粒徑占總粒徑的50%以上。圖13為空氣輔助噴射系統(tǒng)和無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧在距噴嘴50mm測(cè)量平面中心位置的粒徑分布，噴射速率分別為0.67和0.6g/s。空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧液滴粒徑(索特平均直徑約為35μm)明顯小于無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧液滴粒徑(索特平均直徑約為85μm)。液滴粒徑小，則液滴與排氣接觸比表面積大，有利于尿素溶液蒸發(fā)和熱分解。

3 結(jié)論

本文中利用高速攝影技術(shù)和PDA技術(shù)，對(duì)空氣輔助噴射和無(wú)空氣輔助噴射兩種SCR系統(tǒng)的尿素噴霧特性(貫穿距、噴霧錐角和粒徑大小)進(jìn)行了研究，并通過(guò)改變噴射速率對(duì)噴霧形態(tài)進(jìn)行觀察，得出以下結(jié)論。

(1)在常溫常壓下，空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧貫穿距隨噴射速率改變，但變化較小。尿素溶液的噴霧錐角隨著噴射速率的增大而變小。

(2)隨著環(huán)境溫度的上升，空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧貫穿距明顯減小。環(huán)境溫度較高時(shí)，碰壁現(xiàn)象發(fā)生的可能性很小。在高溫下，噴射速率對(duì)噴霧貫穿距也有較大的影響，隨著噴射速率的增大，貫穿距明顯變大，碰壁現(xiàn)象發(fā)生的可能性明顯變大。

(3)在常溫常壓下，無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)有明顯的3束噴霧，且噴霧形態(tài)不隨噴射速率的改變而改變，主要原因是噴射的壓差保持不變。系統(tǒng)的噴霧錐角在20°左右，且不隨噴射速率的改變而改變，噴霧的貫穿距大于50cm，噴霧碰壁的可能性較大。

(4)空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧液滴粒徑明顯小于無(wú)空氣輔助噴射系統(tǒng)的噴霧液滴粒徑。

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