柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶邊界噴射量試驗(yàn)研究

楊永春，豐平，曹露露，李釗，畢曉東，譚治學(xué)

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濰坊 261061;2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院,山東濰坊 261061

0 引言

NOx是柴油機(jī)的主要排放物，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx排放要求越來(lái)越嚴(yán)格[1]。為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)廠通常采用選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)后處理系統(tǒng)來(lái)降低NOx排放，但SCR系統(tǒng)容易出現(xiàn)尿素結(jié)晶現(xiàn)象[2-3]。尿素噴射過(guò)程中部分尿素溶液沉積在尿素噴嘴、排氣管和混合器壁面上，沉積的尿素溶液經(jīng)蒸發(fā)、熱解形成尿素結(jié)晶[4]。結(jié)晶量的不斷累積導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣不暢、排氣背壓升高、油耗增大、排放變差等，嚴(yán)重影響排氣系統(tǒng)性能[5-8]，需要采取有效措施解決結(jié)晶問(wèn)題以保證柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)晶產(chǎn)生的因素很多，比如后處理混合器的硬件結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)排溫、尿素噴射量、排氣流量等。由于難以控制結(jié)晶產(chǎn)生因素，缺乏準(zhǔn)確判定尿素結(jié)晶的方法。

本文中基于尿素結(jié)晶產(chǎn)生機(jī)理，以某重型柴油機(jī)為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究柴油機(jī)不同穩(wěn)態(tài)工況下排氣流量、SCR上游溫度、混合器壁面溫度、尿素噴射量等因素對(duì)尿素結(jié)晶的影響，確定尿素結(jié)晶邊界噴射量，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下試驗(yàn)驗(yàn)證；擬合發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的尿素噴射量，調(diào)控柴油機(jī)原排，使尿素噴射量降到結(jié)晶邊界以下，減少尿素結(jié)晶，并通過(guò)瞬態(tài)工況結(jié)晶試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 尿素結(jié)晶產(chǎn)生機(jī)理

溫度是影響尿素結(jié)晶產(chǎn)生和分解的關(guān)鍵因素，在柴油機(jī)高溫尾氣作用下，尿素?zé)峤猱a(chǎn)生NH3，NH3在催化劑作用下還原尾氣中的NOx，生成N2和H2O。在溫度為152 ℃左右時(shí)，尿素分解生成異氰酸，異氰酸與尿素反應(yīng)生成縮二脲，溫度為193～250 ℃時(shí)縮二脲分解，釋放出異氰酸，溫度為250～260 ℃時(shí)縮二脲與異氰酸生成三聚氰酸，溫度為260～320 ℃時(shí)生成三聚氰酸一酰胺、聚合物，溫度為320～420 ℃時(shí)生成三聚氰酸二酰胺，溫度為420～600 ℃時(shí)三聚氰酸一酰胺分解，溫度為600 ℃以上時(shí)聚合物分解。尿素結(jié)晶主要由低溫下大量積累的尿素、縮二脲及高溫下產(chǎn)生的三聚氰酸等難溶于水且清除困難的物質(zhì)生成[9-11]。

尿素結(jié)晶可分為軟結(jié)晶和硬結(jié)晶2種[12]。溫度低于190 ℃時(shí)生成的結(jié)晶基本是軟結(jié)晶，強(qiáng)度低且容易分解；溫度為190～320 ℃時(shí)生成的結(jié)晶一般是硬結(jié)晶，生成慢，分解困難，溫度達(dá)到700 ℃才可完全分解。

結(jié)晶的成分與大小取決于水分的蒸發(fā)速率、尿素噴射量、尿素本身的品質(zhì)、縮二脲及三聚氰酸的生成與分解速率[13-15]。尿素溶液水分蒸發(fā)完畢之前，尿素分解量可忽略不計(jì)。尿素噴嘴將尿素霧化成小液滴，與廢氣在混合器中混合。噴射過(guò)程中，尿素液滴中水分蒸發(fā)量很小，尿素分解量也很少。

排氣溫度和空速影響水分蒸發(fā)速率，排氣溫度高、空速高，換熱量增大，水分蒸發(fā)速率加快，在液滴附著和蒸發(fā)過(guò)程中，尿素溶液水分從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，壁面溫度變化明顯，液滴附著過(guò)程中，排氣溫度越高，液滴與排氣換熱越快，加快尿素蒸發(fā)分解，尿素到壁面的附著率降低，受萊頓弗羅斯特效應(yīng)[16]影響，尿素液滴在壁面溫度高的區(qū)域不會(huì)潤(rùn)濕炙熱的表面，僅形成1個(gè)蒸汽層，液滴附著率低；反之，排氣溫度越低，液滴附著率越高。隨著尿素液滴不斷在混合器壁面同一位置碰撞，碰壁區(qū)域溫度(以下簡(jiǎn)稱壁面溫度)隨之降低，液滴附著率升高。由于附著的液滴較小，在排氣氣流的作用下，液滴碰壁后由混合器管壁面上方向下方滑移，經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)形成結(jié)晶，使液滴附著率持續(xù)快速升高，造成結(jié)晶從尿素落點(diǎn)(即尿素液滴落在壁面上的位置)或液膜遷移(即尿素液滴隨氣流移動(dòng))的終點(diǎn)向上游生長(zhǎng)。當(dāng)壁面溫度高于290 ℃時(shí)，萊頓弗羅斯特效應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，液滴附著能力下降，防結(jié)晶能力迅速提升。

根據(jù)牛頓冷卻公式，單位時(shí)間內(nèi)的傳熱量

Φ=hAΔt，

式中：h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為傳熱面積，m2；Δt為溫差，℃。

尿素液滴落點(diǎn)壁面溫度持續(xù)下降，氣體溫度和壁面溫差增大，傳熱量增大，液體蒸發(fā)量不斷增長(zhǎng)，壁面液膜持續(xù)累積，此時(shí)可標(biāo)識(shí)為開(kāi)始結(jié)晶，用于判斷是否達(dá)到尿素結(jié)晶邊界噴射量(尿素結(jié)晶邊界噴射量是指在某固定尿素噴射量下，由于液膜的不斷累積導(dǎo)致壁面溫度連續(xù)下降，此時(shí)的固定噴射量為尿素結(jié)晶邊界噴射量)。結(jié)合司機(jī)的駕駛習(xí)慣和實(shí)際路譜分析，正常情況下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在一個(gè)工況的時(shí)間一般不超過(guò)180 s，利用MATLAB模擬尿素液膜累積情況，并觀察混合氣壁面變化，發(fā)現(xiàn)180 s內(nèi)壁面溫度下降幅度達(dá)到3 ℃時(shí)，尿素實(shí)際噴射量達(dá)到結(jié)晶邊界。

2 試驗(yàn)過(guò)程及分析

2.1 試驗(yàn)方案

某6缸直列增壓中冷式重型柴油機(jī)主要參數(shù)如表1所示，柴油機(jī)采用相同的SCR后處理系統(tǒng)，分別安裝在試驗(yàn)臺(tái)架和載貨車(chē)上進(jìn)行測(cè)試。

表1 某重型柴油機(jī)主要參數(shù)

尿素結(jié)晶試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，SCR系統(tǒng)部件主要有催化轉(zhuǎn)化器、混合器、尿素箱、尿素泵、尿素管路、尿素噴嘴、電子控制單元噴射(electronic control unit,ECU)控制器、尿素液位溫度傳感器、SCR上下游排溫傳感器、SCR上下游氮氧傳感器等，其中尿素噴嘴為三孔，工作壓力為900 kPa,噴霧粒徑為68 μm，最大噴射質(zhì)量流量為7.2 kg/h，噴射頻率為2 Hz，該類型柴油機(jī)專用的尿素溶液中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%。

圖1 尿素結(jié)晶試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)混合器壁面噴射落點(diǎn)每間隔120°安裝溫度傳感器，共安裝3個(gè)，測(cè)量尿素落點(diǎn)的壁面溫度。不同工況對(duì)應(yīng)的排氣流量和SCR上游溫度不同，選擇8種穩(wěn)態(tài)工況，每個(gè)工況下對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)如表2所示，測(cè)量不同工況、不同尿素噴射量下3個(gè)溫度傳感器及SCR上游溫度的變化。試驗(yàn)過(guò)程中，尿素噴射量采用階梯式累加并保持持續(xù)噴射一段時(shí)間，待壁面溫度穩(wěn)定后測(cè)量(穩(wěn)定時(shí)間不少于3 min)，測(cè)量后拆開(kāi)混合器觀察壁面是否出現(xiàn)結(jié)晶，確定尿素邊界噴射量。

表2 8種穩(wěn)態(tài)工況對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 穩(wěn)態(tài)工況

以穩(wěn)態(tài)工況2、7為例進(jìn)行分析，2種工況SCR上游溫度均為300 ℃左右，但排氣流量不同，受尿素噴射影響產(chǎn)生的壁面溫度變化差異較大，不同尿素噴射質(zhì)量流量下2種工況SCR壁面不同采樣點(diǎn)的溫度變化如圖2所示。由圖2可知：通過(guò)標(biāo)定方法不斷增加尿素噴射量，工況2 SCR壁面溫度下降幅度更快，說(shuō)明排氣流量越大即空速越高，SCR壁面溫度下降幅度越小，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)越低；反之，排氣流量越小，結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)越高。

a)工況2 b)工況7

進(jìn)行尿素結(jié)晶邊界噴射量臺(tái)架試驗(yàn)，得到8種工況下尿素結(jié)晶邊界噴射量qm，如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)工況尿素結(jié)晶邊界噴射質(zhì)量流量

選擇穩(wěn)態(tài)工況4，通過(guò)標(biāo)定手段改變尿素噴射量，分別選取尿素結(jié)晶邊界噴射量、大于尿素結(jié)晶邊界噴射量10%、30%的3種尿素噴射量進(jìn)行2 h穩(wěn)態(tài)結(jié)晶試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，正常尿素結(jié)晶邊界噴射量在混合器出現(xiàn)白色尿素印記；大于尿素結(jié)晶邊界噴射量10%在混合器出現(xiàn)明顯的結(jié)晶現(xiàn)象；大于尿素結(jié)晶邊界噴射量30%在混合器出現(xiàn)大量的結(jié)晶現(xiàn)象。

a)結(jié)晶邊界 b) 大于結(jié)晶邊界10% c)大于結(jié)晶邊界30%

結(jié)合該柴油機(jī)萬(wàn)有特性數(shù)據(jù)，分析其所有工況下的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)，基于穩(wěn)態(tài)結(jié)晶邊界，擬合出不同工況下的尿素結(jié)晶邊界噴射量曲線，如圖4所示。由圖4可知，隨著排氣溫度和廢氣流量的升高，尿素結(jié)晶邊界噴射量增大。結(jié)合尿素結(jié)晶邊界噴射量與同樣工況下的排氣流量，可計(jì)算出消耗掉同等尿素的原排，通過(guò)降低柴油機(jī)原排，降低對(duì)應(yīng)的尿素噴射量，即控制各工況的原排，就可實(shí)現(xiàn)不同工況范圍內(nèi)的尿素噴射量都低于結(jié)晶邊界。

圖4 不同工況下尿素結(jié)晶邊界噴射質(zhì)量流量擬合曲線

2.2.2 瞬態(tài)工況

采用瞬態(tài)工況路譜驗(yàn)證瞬態(tài)尿素結(jié)晶邊界噴射量，在瞬態(tài)循環(huán)工況上增加了部分怠速工況，瞬態(tài)工況路譜用于有效驗(yàn)證柴油機(jī)持續(xù)低溫下，尿素結(jié)晶邊界噴射量是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，如圖5所示。

圖5 瞬態(tài)工況路譜

調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)原排，所有工況尿素噴射量均在結(jié)晶邊界范圍內(nèi)，選擇尿素結(jié)晶邊界噴射量、大于尿素結(jié)晶邊界噴射量30%進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，連續(xù)進(jìn)行20次瞬態(tài)工況循環(huán)后，結(jié)晶試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，尿素結(jié)晶邊界噴射量附近,20次瞬態(tài)工況循環(huán)后不會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，而高于尿素結(jié)晶邊界噴射量噴射比例30%，20次瞬態(tài)工況循環(huán)結(jié)晶情況比較嚴(yán)重。

a)結(jié)晶邊界 b)大于結(jié)晶邊界30%

3 結(jié)語(yǔ)

1)基于尿素結(jié)晶產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)行不同工況穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)試驗(yàn)，分析尿素結(jié)晶邊界噴射量。

2)改變尿素噴射量，結(jié)合SCR壁面溫度變化幅度，可有效判斷不同工況的尿素結(jié)晶邊界噴射量。

3)控制發(fā)動(dòng)機(jī)原排，可實(shí)現(xiàn)將尿素噴射量控制在結(jié)晶邊界以內(nèi)，避免SCR系統(tǒng)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。