柴油機選擇性催化還原后處理系統(tǒng)的尿素沉積特性

頓 杰，杜慧勇，武選柯，王朋輝，徐 斌

(河南科技大學 車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)后處理技術(shù)是目前柴油機控制氮氧化合物(NOX)的有效技術(shù)手段之一。SCR所采用的還原劑主要以氨基和烴基為主[1-2]，其中,以32.5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)的尿素水溶液作為氨(NH3)載體的SCR系統(tǒng)，因其具有良好的性能和使用上的便利性被廣泛應(yīng)用于車用柴油機上。32.5%尿素水溶液SCR系統(tǒng)的工作原理是：將適量的尿素水溶液噴射到排氣管中，在催化劑的作用下，利用NH3將NOX還原為N2和H2O并排出[3]。當排氣溫度低于300 ℃時，尿素難以完全轉(zhuǎn)化為氨，未分解尿素及其他副反應(yīng)形成的物質(zhì)易在噴嘴附近、排氣管內(nèi)壁面和催化劑表面等處沉積[4-5]。尿素沉積物的產(chǎn)生，不僅造成尿素水溶液的極大浪費，而且使排氣背壓增大，嚴重時甚至堵塞排氣管道，影響發(fā)動機的正常工作[6]。為了避免或減少尿素沉積物的生成，需要對尿素沉積過程及其影響因素進行深入研究。

針對SCR系統(tǒng)的尿素沉積問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量研究。文獻[7]通過自制可視化裝置對混合器表面的尿素沉積過程進行觀察，當混合器外表面溫度低于尿素水溶液的萊頓弗羅斯特(Leidenfrost)溫度時，混合器表面會出現(xiàn)尿素沉積物。文獻[8]采用詳細的尿素沉積物模型，對尿素噴嘴內(nèi)部的沉積物生成過程進行了研究，噴嘴內(nèi)壁面溫度在140 ℃以下時，可以避免尿素分解副產(chǎn)物的生成。文獻[9]以SCR系統(tǒng)的兩種催化劑(鐵沸石和銅沸石，兩者都是以堇青石作為載體材料)為試驗對象，將催化劑暴露在不同溫度的空氣流中，對催化劑表面的尿素沉積過程進行了研究，鐵沸石比銅沸石更容易產(chǎn)生尿素沉積物。文獻[10]通過對尿素水溶液及純尿素分解副產(chǎn)物的熱解過程進行動力學分析，發(fā)現(xiàn)溫度及尿素噴射的控制策略對尿素沉積物的生成具有重要影響。目前，針對排氣管內(nèi)壁面尿素沉積現(xiàn)象的相關(guān)研究較少，而實際使用中，受限于安裝空間，排氣管道的設(shè)計復雜多變，尿素噴霧碰壁現(xiàn)象難以避免，進而導致排氣管內(nèi)壁面出現(xiàn)尿素沉積物。

尿素沉積物的生成是一個極其復雜的化學和物理過程，發(fā)動機工況、尿素噴射控制策略等因素均能夠影響尿素沉積物的形態(tài)、質(zhì)量和組分[11-14]。本文采用非氣助式SCR系統(tǒng)，以尿素噴霧落點處的排氣管為試驗對象進行發(fā)動機臺架試驗，研究不同尿素噴射量、尿素噴霧落點處的壁面溫度及尿素噴射次數(shù)對尿素沉積的影響，可為實際解決排氣管道內(nèi)壁面的尿素沉積問題提供科學依據(jù)。

1 試驗系統(tǒng)與方法

1.1 試驗系統(tǒng)

圖1 SCR尿素沉積試驗系統(tǒng)示意圖

圖1為SCR尿素沉積試驗系統(tǒng)示意圖。該試驗系統(tǒng)分為發(fā)動機臺架系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)。發(fā)動機臺架系統(tǒng)包括空氣流量計、某非道路國Ⅳ柴油機、電渦流測功機、智能油耗儀、發(fā)動機中冷溫度調(diào)節(jié)裝置、發(fā)動機智能控制臺等。SCR系統(tǒng)包括尿素箱、尿素泵、尿素噴射控制單元、非氣助式尿素噴嘴、試驗管段等。試驗所用尿素水溶液(Ad-blue)由江蘇可蘭素汽車環(huán)保科技有限公司提供，符合ISO22241、DIN70070和CEFIC規(guī)章的標準。圖2為非氣助式尿素噴嘴與尿素沉積管段相對位置示意圖。由圖2可知：尿素噴嘴與排氣管中心線夾角為30°，排氣溫度傳感器位于尿素噴嘴前方30 mm處，尿素沉積管段位于尿素噴嘴后方120 mm處。試驗管段由尿素沉積管和尿素沉積管套管兩部分組成，兩者均為長度500 mm、壁厚2 mm的304不銹鋼管。前者的外徑和壁厚與其前端的排氣管保持一致，后者的內(nèi)徑與前者的外徑相同，以確保兩者的緊密貼合。沿尿素沉積管套管的外壁面環(huán)形安裝有4排等間距的壁面溫度傳感器(共計16枚)。試驗發(fā)動機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 非氣助式尿素噴嘴與尿素沉積管段的相對位置示意圖

項目發(fā)動機類型排量/L進氣方式供油方式2 200 r·min1的額定功率/kW1 600 r·min-1的最大扭矩/(N·m)排放標準參數(shù)直列4缸水冷缸內(nèi)直噴4.33增壓中冷高壓共軌82462國Ⅳ

1.2 試驗方法

試驗前，對全新的樣管進行編號、稱質(zhì)量，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，隨后將其放入搭建好的試驗系統(tǒng)中。在遵循單一變量原則的基礎(chǔ)上，探究尿素噴射量、尿素沉積管內(nèi)壁面溫度、尿素噴射次數(shù)等影響因素對尿素沉積的影響。在單個變量條件下，發(fā)動機運行3 h后，尿素噴射停止，立即取出尿素沉積管，放置于大氣環(huán)境中，待其自然冷卻至室溫后，查看尿素沉積情況并記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。

圖3 尿素沉積物分布圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

圖3為尿素沉積物分布圖，定義α為尿素沉積物左邊界與排氣管中心豎截面間的夾角，β為尿素沉積物右邊界與排氣管中心豎截面間的夾角。相機的鏡頭中心與尿素沉積管中心軸線重合，且鏡頭朝向與排氣流向一致。

2.2 試驗結(jié)果與分析

本試驗采用貼片式PT100溫度計對尿素沉積管段的外壁面溫度進行監(jiān)測，由于管壁熱阻遠小于對流換熱熱阻(對流換熱熱阻主要包含：尿素沉積管段與大氣環(huán)境間對流換熱熱阻、排氣與尿素沉積管段間對流換熱熱阻)，因此，管壁面內(nèi)外溫差可以忽略不計[15]。尿素噴射前的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：尿素沉積管段前后壁面溫度差不超過5 ℃，同一截面環(huán)向壁面溫度差不超過5 ℃。上述數(shù)據(jù)均在試驗誤差范圍內(nèi)，表明尿素沉積管內(nèi)壁面溫度分布較為均勻。

2.2.1 尿素噴射量的影響

調(diào)整柴油機工況，使排氣溫度為200 ℃、排氣流量為200 kg/h，此時尿素沉積管段壁面溫度為190 ℃，通過改變尿素噴射量研究其對尿素沉積的影響，試驗的尿素噴射參數(shù)見表2。

表2 試驗的尿素噴射參數(shù)

圖4為該工況下，尿素噴射量對尿素沉積的影響。由圖4a可知：不同尿素噴射量下，尿素沉積均呈現(xiàn)α小于β的現(xiàn)象，即尿素沉積物有向右伸展的趨勢。這是因為本試驗所采用的排氣管由多段彎管和直管組成，排氣管中存在的水平拐角改變了排氣在水平方向上的運動，豎直拐角則改變了排氣在豎直方向上的運動，兩種運動相互疊加導致排氣運動呈現(xiàn)螺旋式。在排氣運動的作用下，尿素沉積管內(nèi)壁面的尿素沉積物分布呈現(xiàn)出α小于β的現(xiàn)象。此外，隨著尿素噴射量的增大，α和β均呈現(xiàn)增大趨勢，且α和β之間的差值逐漸增大。這主要是因為：一方面，隨著尿素噴射量的增加，尿素液膜面積增大，導致α和β增大；另一方面，隨著尿素噴射量增大，尿素液膜厚度增加，在排氣流的作用下，尿素液膜橫向運動越發(fā)明顯，導致α和β之間的差值逐漸增大。

(a) 尿素噴射量對夾角α和β的影響

(b) 尿素噴射量對尿素沉積質(zhì)量和尿素沉積長度的影響

圖4 尿素噴射量對尿素沉積的影響

如圖4b所示，當尿素噴射量由270 g增加到1 080 g時，尿素沉積質(zhì)量先增大后減小，在324 g時達到峰值。這是因為尿素液膜的蒸發(fā)和尿素沉積物的分解均屬于吸熱過程，在兩者的共同作用下，排氣管內(nèi)壁面溫度降低，且隨著尿素噴射量的增大，這種壁面溫度降低現(xiàn)象愈加嚴重[16-17]。壁面溫度的降低進一步延緩了尿素液膜的蒸發(fā)，不利于尿素沉積物的形成，卻有助于尿素液膜面積和厚度的增大，在排氣流的作用下，未能及時沉積的尿素液膜將沿排氣管向下游運動，并逐漸沉積。圖5為不同尿素噴射量對應(yīng)的尿素沉積分布圖。如圖5所示，當尿素噴射量為324 g時，尿素液膜流動路徑已超出尿素沉積管。此后，隨著尿素噴射量的增大，雖然尿素液膜的面積和厚度均增大，但是向排氣管下游運動的尿素液膜占比也將增大，導致尿素沉積管內(nèi)壁面尿素沉積質(zhì)量減小。此外，隨著尿素噴射量的增大，尿素沉積長度增大(見圖4b)。這是因為：一方面，隨著尿素噴射量的增大，尿素液膜區(qū)與尿素噴嘴間的距離減小，而尿素沉積物總是最先出現(xiàn)于液膜邊界處；另一方面，隨著尿素噴射量的增大，尿素液膜更易流向排氣管下游，因此，尿素沉積長度會不斷增加。

(a) 270 g (b) 324 g (c) 1 080 g

圖5 不同尿素噴射量對應(yīng)的尿素沉積分布圖

2.2.2 壁面溫度的影響

柴油機的工況保持不變，尿素噴射量為270 g，尿素噴射次數(shù)為10 800次，通過調(diào)整排氣管外壁面保溫層厚度，使尿素沉積管內(nèi)壁面溫度分別為110 ℃、140 ℃、160 ℃和190 ℃，研究壁面溫度對尿素沉積的影響，結(jié)果見圖6。

如圖6a所示，隨著壁面溫度的升高，α和β均減小。這是因為壁面溫度越高，壁面與尿素液滴之間的傳熱作用越強，促使尿素液滴蒸發(fā)完全或細化為能被高速排氣帶走的小液滴。由圖6b可知：隨著壁面溫度的升高，尿素沉積質(zhì)量先增加后減少，在140 ℃時達到峰值。這是因為尿素沉積物主要成分為尿素晶體、縮二脲、三聚氰酸及相關(guān)副產(chǎn)物[18-19]。尿素生成縮二脲和三聚氰酸的溫度分別為140～220 ℃和160～340 ℃。當壁面溫度低于140 ℃時，隨著壁面溫度的增大，尿素液膜水分的蒸發(fā)速率加快，析出尿素晶體的質(zhì)量增大；當壁面溫度高于140 ℃時，尿素晶體開始分解，生成氨氣、縮二脲、三聚氰酸等副產(chǎn)物，隨著壁面溫度的增大，尿素分解速率加快，導致附著于壁面的尿素沉積質(zhì)量減小。因此，當排氣管壁面溫度高于140 ℃時，內(nèi)壁面的尿素沉積質(zhì)量與壁面溫度呈負相關(guān)。此外，尿素沉積長度則隨著壁面溫度的升高而變小。這主要是因為隨著壁面溫度的升高，尿素液膜蒸發(fā)分解速率加快，尿素液膜流動路徑縮短。

(a) 壁面溫度對夾角α和β的影響

(b) 壁面溫度對尿素沉積質(zhì)量和尿素沉積長度的影響

圖6 壁面溫度對尿素沉積的影響

2.2.3 尿素噴射次數(shù)的影響

當柴油機在固定工況運轉(zhuǎn)，尿素沉積管內(nèi)壁面溫度為160 ℃，尿素噴射量為270 g時，通過調(diào)整單次噴射時長，改變噴射次數(shù)，以探究尿素噴射次數(shù)對尿素沉積的影響，結(jié)果見圖7。如圖7a所示，隨著尿素噴射次數(shù)的增大，α和β變化不大，這是因為α和β主要受排氣運動、尿素噴射量和壁面溫度等因素的影響，尿素噴射次數(shù)對其影響較小。由圖7b可知：尿素沉積質(zhì)量和尿素沉積長度與噴射次數(shù)呈正相關(guān)。這主要是因為本試驗采用非氣助式尿素噴嘴，尿素噴射的開始與結(jié)束取決于針閥的開啟和關(guān)閉。尿素噴嘴在針閥開啟和關(guān)閉階段，其噴射壓力均小于針閥全開時的主噴射壓力。隨著尿素噴射次數(shù)的增加，單次噴射時長縮短，針閥開啟和關(guān)閉階段占比增大，尿素噴射霧化效果變差。同時，直徑較大的尿素液滴的占比增大，未能及時蒸發(fā)或被高速排氣帶走，到達排氣管內(nèi)壁面的尿素液滴增多，尿素液膜的質(zhì)量增加，導致尿素沉積質(zhì)量增大。在排氣流的作用下，尿素液膜沿排氣管內(nèi)壁面向下游流動，導致尿素沉積長度增加。

(a) 尿素噴射次數(shù)對夾角α和β的影響

(b) 尿素噴射次數(shù)對尿素沉積質(zhì)量和尿素沉積長度的影響

圖7 尿素噴射次數(shù)對尿素沉積的影響

3 結(jié)論

(1)排氣管的空間布置會影響氣流運動，排氣管中存在的水平拐角改變排氣在水平方向上的運動，豎直拐角則改變排氣在豎直方向上的運動。在兩種運動的共同作用下，排氣運動呈現(xiàn)螺旋式，并對尿素噴霧及液膜運動產(chǎn)生影響，導致排氣管內(nèi)壁面的尿素沉積物并非對稱分布。

(2)在排氣溫度為200 ℃、排氣流量為200 kg/h、尿素噴射量為270 g、噴射次數(shù)為10 800次的條件下，當排氣管壁面溫度高于140 ℃時，內(nèi)壁面的尿素沉積質(zhì)量與壁面溫度呈負相關(guān)。

(3)當尿素噴射總量一定時，尿素噴射次數(shù)的增大將使排氣管內(nèi)壁面的尿素沉積質(zhì)量和尿素沉積長度增加。