對國六某柴油機SCR尿素結(jié)晶的研究

摘 要：本文針對國家第六階段機動車污染物排放標準商用車市場上普遍出現(xiàn)的尿素結(jié)晶問題進行研究，對整車進行實際道路測試，分別對噴射量、霧化水平和選擇性還原催化系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR）混合器結(jié)構3個因素進行單項對照試驗。試驗結(jié)果表明，尿素的噴射量越少，霧化的顆粒平均直徑越小，排氣流場強度越高，能夠解決尿素的結(jié)晶問題。本研究提高了國六產(chǎn)品投放市場的可靠性，降低了尿素結(jié)晶故障率。

關鍵詞：尿素結(jié)晶；選擇性還原催化；噴射量；霧化水平；混合器結(jié)構

中圖分類號：X 701" " " " " " " " 文獻標志碼：A

選擇性還原催化系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR）是電控柴油機滿足國家第六階段機動車污染物排放標準（以下簡稱“國六”）、降低氮氧污染物的主流系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)是目前柴油機國六開發(fā)工作最重要的環(huán)節(jié)，避免實際車用的SCR尿素結(jié)晶是研究重點。本文以配套某款國六柴油機商用車的SCR為研究對象，從尿素噴射量、尿素霧化水平和SCR混合器結(jié)構設計這3個方面對尿素結(jié)晶問題進行研究，解決車輛在實際使用過程中發(fā)生的SCR尿素結(jié)晶問題。試驗結(jié)果表明，在日常行駛過程中，尿素結(jié)晶減少，SCR氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率提高，增強了國六產(chǎn)品投放市場的可靠性，降低了尿素結(jié)晶導致的故障率，提高了客戶使用滿意度，縮減了服務開支。

1 尿素結(jié)晶的形成原理

SCR工作反應的基本原理是柴油機燃燒產(chǎn)生的廢氣隨著排氣管路流經(jīng)SCR混合器，與尿素噴嘴噴出的霧狀尿素水溶液充分碰撞、混合。在理想的排氣溫度影響下，尿素水溶液會自行觸發(fā)熱解和水解反應，產(chǎn)生降低氮氧污染物所需的還原劑NH3（氨氣）。NH3在SCR載體表面貴金屬的催化作用下，有選擇地將氮氧化物污染物還原反應為無害的N2（氮氣）和H2O（水）。尿素熱解、水解反應如公式（1）、公式（2）所示。

CO（NH2）2NH3+HNCO " （1）

HNCO+H2ONH3+CO2 （2）

式中：CO（NH2）2為尿素；HNCO為異氰酸；CO2為二氧化碳。

SCR還原反應如公式（3）、公式（4）所示。

NO+NO2+2NH3 2N2+3H2O" " "（3）

4NO+O2+4NH3 4N2+6H2O" nbsp; " （4）

式中：NO為一氧化氮；NO2為二氧化氮；O2為氧氣。

在車輛實際使用過程中，道路工況多變，排溫并非恒定，尿素存在熱解、水解不充分的情況，未反應完全的尿素與HNCO在150 ℃～200 ℃會反應生成NH（CO）2（NH2）2（縮二脲），NH（CO）2（NH2）2與HNCO在200 ℃～280 ℃會反應生成（HNCO）3（三聚氰酸），HNCO直接快速反應生成（HNCO）3，反應過程如公式（5）～公式（7）所示。

HNCO+CO（NH2）2NH（CO）2（NH2）2" " （5）

NHCO+NH（CO）2（NH2）2NH3+（NHCO）3 （6）

3HNCO（HNCO）3" " " " " " " " "（7）

式中：（HNCO）3為尿素結(jié)晶的主要成分，在低溫下很難化解。

2 影響因素

2.1 噴射量

尿素噴射量與結(jié)晶生成有統(tǒng)計學意義。在滿足國六排放的前提下，相同工況點的排放結(jié)果不變，噴射量越大，熱解和水解反應所需熱量越多，尿素反應越不完全，結(jié)晶生成的風險越大[1]。尿素噴射控制策略簡易模型如圖1所示。SCR的控制策略與噴射量的控制和消耗有統(tǒng)計學意義。當電控數(shù)據(jù)不正確、噴射控制策略不合理時，例如目標氨儲存設定過大、氨氮比設定過大、SCR閉環(huán)調(diào)節(jié)不合理以及起噴溫度過低等，會增加實際噴射量，增大尿素結(jié)晶風險。

2.2 霧化水平

尿素的霧化水平即霧化的顆粒直徑大小很大程度地影響了結(jié)晶生成。尿素溶液熱解和水解的反應時間與霧化顆粒的直徑有統(tǒng)計學意義，影響結(jié)晶生成。噴嘴的噴孔數(shù)目和泵的工作壓力與霧化顆粒直徑有統(tǒng)計學意義。

隨著噴孔數(shù)目增加，在控制噴射量和工作壓力不變的條件下，噴出的尿素溶液在混合器中分布更均勻，表面積平均粒徑、單位體積的表面積以及50% 粒度的顆粒直徑分布分別如圖2～圖4所示，當工作壓力為500 kPa～700 kPa時，噴孔多的噴嘴霧化效果更佳，霧化表面積平均粒徑更小、單位體積的表面積分布更大，粒度為50% 的顆粒直徑分布更小，霧化水平提高，結(jié)晶風險降低。當工作壓力增大時，在控制噴射量和噴孔數(shù)目不變的條件下，尿素溶液噴進混合器的速率加快，霧化效果更好，抑制產(chǎn)生結(jié)晶[2]。

2.3 混合器結(jié)構

混合器結(jié)構的設計是影響尿素結(jié)晶的關鍵因素?；旌掀鞯呐艢饬鲌鲆约皻饬鲝姸仍酱螅蛩氐撵F化顆粒與排氣的混合均勻性越高，顆粒與混合器結(jié)構、氣流的沖擊碰撞加快，使反應的尿素顆?？焖僬舭l(fā)，降低了未反應完全的尿素殘留在混合器結(jié)構表面、SCR載體內(nèi)壁上的風險，有效減少了液膜形成，抑制尿素結(jié)晶，提升系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化效率[3]，降低尿素的排放水平。

3 試驗研究

3.1 試驗設備

基于搭載某款國六柴油機的輕型貨車進行試驗，車輛配置完整的SCR（如圖5所示），主要包括SCR催化器、壓力控制泵、噴嘴、相關管路、尿素罐、液位溫度品質(zhì)傳感器、排氣溫度傳感器和氮氧傳感器等零部件。

3.2 試驗方法及標準

基于產(chǎn)品在市場上的使用情況和故障案例，結(jié)合企業(yè)的試驗研究規(guī)范，制定以下4種試驗方法。1）根據(jù)路譜數(shù)據(jù)分析當車輛運行時后處理器排氣溫度低、尿素噴射量大的區(qū)間，結(jié)合日常行駛工況和載重程度，確定發(fā)動機在工作中尿素結(jié)晶風險較高的工況點。2）固定運行工況，選取空載城市工況，正常駕駛車輛累計1 000 km，要求每3 km停機1次，每次停機30 s，當停機時車速為0 km/h，發(fā)動機處于怠速狀態(tài)。3）停機檢查尿素結(jié)晶情況，要求在一個再生周期內(nèi)產(chǎn)生的尿素結(jié)晶不影響后處理性能，經(jīng)過一次后處理的主動再生過程后，結(jié)晶能夠清理干凈。4）分析結(jié)果。

3.3 試驗內(nèi)容以及方案

根據(jù)理論分析影響因素進行對照試驗，分別針對噴射量、霧化水平和混合器結(jié)構3個因素，按照第3.2節(jié)的方法以及標準單獨驗證。試驗內(nèi)容見表1。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 噴射量對結(jié)晶的影響

整車空載，按《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（GB 17691—2018）的實際道路行駛測量要求，在城市工況條件下行駛1 000 km，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，SCR溫度為190 ℃ ～260 ℃的條件下，將SCR溫度在250 ℃以下的氨存儲標定降低30%，即噴射量減少30%，尿素結(jié)晶對比如圖6所示。

SCR氨存儲較高，使噴射量較大，SCR飽和，需求熱量不足等因素導致尿素溶液不能及時、完全發(fā)生熱解、水解反應，大部分殘留在混合器中以及內(nèi)壁面上，形成結(jié)晶[4]。由圖6可知，在較為苛刻的條件下，降低氨存儲來降低噴射量，SCR結(jié)晶情況得到明顯改善。

4.2 霧化水平對結(jié)晶的影響

整車空載，以國六要求的城市工況條件行駛1 000 km，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，SCR系統(tǒng)噴射壓力保持不變，將尿素噴嘴由三孔式更換為六孔式，對比結(jié)晶情況，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，當噴嘴的噴孔數(shù)目由3個增至6個時，結(jié)晶情況明顯改善，霧化水平對結(jié)晶影響顯著。由于霧化的顆粒直徑整體縮小，因此其反應的蒸發(fā)速率提高，殘留在混合器中的液晶數(shù)量減少了，結(jié)晶量明顯減少。

4.3 混合器結(jié)構對結(jié)晶的影響

整車空載，以國六要求的城市工況條件行駛1 000 km，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 200 r/min～1 600 r/min，行駛車速為15 km/h～35 km/h，優(yōu)化SCR混合器的結(jié)構設計，將孔式擋板旋流混合器（無絲網(wǎng)組件）結(jié)構優(yōu)化為旋流式擋板旋流混合器（帶絲網(wǎng)組件）結(jié)構，對比結(jié)晶情況。混合器結(jié)構優(yōu)化前、優(yōu)化后對比如圖8所示，優(yōu)化前、優(yōu)化后結(jié)晶情況對比如圖9所示。

試驗結(jié)果表明，在混合器中，旋流擋板式結(jié)構氣流場強度更高，提高了尿素顆粒的均勻碰撞頻率以及沖擊強度，使尿素快速蒸發(fā)，減少了尿素殘留在混合器中并形成結(jié)晶的數(shù)量。混合器的結(jié)構設計對結(jié)晶影響顯著，優(yōu)化結(jié)構并增加絲網(wǎng)組件能夠降低尿素結(jié)晶量。

5 結(jié)論

對比以上試驗結(jié)果，得出以下3個結(jié)論。1）尿素噴射量越少，結(jié)晶的風險越低，在前期臺架SCR標定開發(fā)階段，在滿足排放要求的基礎上，應減少尿素噴射量。2）尿素霧化的顆粒平均直徑越小，單位體積的表面積越大，越不容易產(chǎn)生結(jié)晶，因此在SCR系統(tǒng)選型階段，在滿足排放要求、節(jié)約成本的前提下，應選擇霧化更好的尿素噴射系統(tǒng)。3）旋流式擋板的混合器結(jié)構能夠優(yōu)化排氣流場，降低液膜附著和尿素結(jié)晶量，因此當設計混合器結(jié)構時，應選擇旋流式擋板。

參考文獻

[1]莫春蘭，莫益添，陳俊紅，等.柴油機SCR系統(tǒng)尿素的熱分解過程研究[J].燃燒科學與技術，2021，27（1）：16-22.

[2]蘇長春.商用車后處理系統(tǒng)尿素結(jié)晶問題研究[J].汽車實用技術，2016（10）：223-226.

[3]李江飛，牛雨飛，朱海艷，等.混合器對國六柴油機選擇性催化還原系統(tǒng)尿素結(jié)晶的影響[J].內(nèi)燃機工程，2021，42（2）：31-37.

[4]白鳳月，溫邦耀，白書戰(zhàn).Urea-SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶現(xiàn)象分析及解決方案[J].山東大學學報，2017，47（4）：70-76.