柴油機SCR系統尿素結晶的適用性研究

史留慶+++張翠平

摘 要：針對柴油機SCR系統開發及應用過程中出現的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進行分析，研究溫度對尿素結晶結石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進行探索，結果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關鍵詞：尿素沉積；結晶；結石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內企業，為確保產品質量，國四車型的SCR系統關鍵零部件大多采用國外成熟產品，但由于匹配應用經驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內形成結晶結石等沉積物是影響當前SCR系統穩定運行的主要因素，在車輛運行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴重時導致發動機限扭，影響發動機正常運行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統中會發生復雜的物理和化學反應，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發動機運行工況的變化而時刻發生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產物，形成尿素結晶結石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導致排氣背壓升高，嚴重時甚至影響車輛的正常運行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發生一系列復雜的化學反應，化學反應過程中會生成多種中間產物，尿素結晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至會生成三聚氰胺等，并最終形成結石。

尿素沉積物主要為尿素結晶和結石，尿素結晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發生分解或溶解，尿素結石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯用技術（TG-F1IR）進行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產物紅外光譜掃描分析

為進一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質的標準紅外吸收光譜進行了對比。

尿素加熱分解過程中產生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產物分解產物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標定

不合理的尿素噴射標定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結晶，進一步會轉化成結石。因此，需要進行合理的尿素啟噴溫度設定和尿素噴射策略的標定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成。可以看出，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發動機臺架上進行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結果見如圖所示。可以看出，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結束語

（1）分析了尿素結晶結石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結果表明，尿素結晶結石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據三聚氰酸的特性，當發動機排氣溫度超過360℃工況下運行時，可以避免尿素形成結晶結石的風險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎上，通過對尿素噴射策略的優化標定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務林，楊建軍，等.車用柴油機后處理技術[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運城，工程師，工程碩士。endprint

摘 要：針對柴油機SCR系統開發及應用過程中出現的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進行分析，研究溫度對尿素結晶結石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進行探索，結果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關鍵詞：尿素沉積；結晶；結石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內企業，為確保產品質量，國四車型的SCR系統關鍵零部件大多采用國外成熟產品，但由于匹配應用經驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內形成結晶結石等沉積物是影響當前SCR系統穩定運行的主要因素，在車輛運行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴重時導致發動機限扭，影響發動機正常運行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統中會發生復雜的物理和化學反應，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發動機運行工況的變化而時刻發生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產物，形成尿素結晶結石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導致排氣背壓升高，嚴重時甚至影響車輛的正常運行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發生一系列復雜的化學反應，化學反應過程中會生成多種中間產物，尿素結晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至會生成三聚氰胺等，并最終形成結石。

尿素沉積物主要為尿素結晶和結石，尿素結晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發生分解或溶解，尿素結石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯用技術（TG-F1IR）進行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產物紅外光譜掃描分析

為進一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質的標準紅外吸收光譜進行了對比。

尿素加熱分解過程中產生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產物分解產物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標定

不合理的尿素噴射標定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結晶，進一步會轉化成結石。因此，需要進行合理的尿素啟噴溫度設定和尿素噴射策略的標定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成。可以看出，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發動機臺架上進行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結果見如圖所示。可以看出，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結束語

（1）分析了尿素結晶結石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結果表明，尿素結晶結石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據三聚氰酸的特性，當發動機排氣溫度超過360℃工況下運行時，可以避免尿素形成結晶結石的風險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎上，通過對尿素噴射策略的優化標定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務林，楊建軍，等.車用柴油機后處理技術[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運城，工程師，工程碩士。endprint

摘 要：針對柴油機SCR系統開發及應用過程中出現的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對尿素沉積物成分進行分析，研究溫度對尿素結晶結石的影響，并對減少尿素沉積物的生成進行探索，結果表明：提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

關鍵詞：尿素沉積；結晶；結石；啟噴溫度；噴射量

引言

國內企業，為確保產品質量，國四車型的SCR系統關鍵零部件大多采用國外成熟產品，但由于匹配應用經驗相對較少，尿素液滴在排氣流道內形成結晶結石等沉積物是影響當前SCR系統穩定運行的主要因素，在車輛運行過程中會引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問題，嚴重時導致發動機限扭，影響發動機正常運行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統中會發生復雜的物理和化學反應，包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發，液滴與排氣的能量和動量交換[1]，粒子撞壁過程，液膜形成，NOx的催化還原反應等，而且尿素噴射后形成的霧化場和溫度場隨發動機運行工況的變化而時刻發生改變，尿素液滴在分解為氨氣時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產物，形成尿素結晶結石等沉積物。沉積物會不斷累積，堵塞排氣通道，導致排氣背壓升高，嚴重時甚至影響車輛的正常運行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過程中，會發生一系列復雜的化學反應，化學反應過程中會生成多種中間產物，尿素結晶在高溫下會縮合成縮二脲、三聚氰酸，甚至會生成三聚氰胺等，并最終形成結石。

尿素沉積物主要為尿素結晶和結石，尿素結晶體成分主要是尿素，受熱或有水存在的條件下可以發生分解或溶解，尿素結石主要成分是尿素分解過程中形成聚合物或縮合物，如縮二脲和三聚氰酸等，較難發生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯用技術（TG-F1IR）進行了分析對比，以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見，樣品具有尿素的特征，既含有一定量的尿素成分，同時，說明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產物紅外光譜掃描分析

為進一步確定沉積物的組成，對采集的尿素沉積物進行了紅外光譜掃描分析，并將其與氨、異氰酸等物質的標準紅外吸收光譜進行了對比。

尿素加熱分解過程中產生了兩個吸收光譜的峰值，分別出現在加熱溫度升高至210℃和357°C時。尿素分解的第一峰值產物與氨氣的光譜吸收圖匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產物與異氰酸的光譜吸收圖匹配相似性高。因此，尿素在加熱過程中分解的產物分解產物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標定

不合理的尿素噴射標定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2]，均不利于尿素液滴的霧化和快速分解，均會加劇在排氣管和催化劑上的尿素結晶，進一步會轉化成結石。因此，需要進行合理的尿素啟噴溫度設定和尿素噴射策略的標定。

在試驗中保持排氣流速為20m/s，尿素噴射速率為8.33g/min，排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃，收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，試驗結果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時，尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%，當排氣溫度升高到272℃時，則無尿素沉積物生成。可以看出，在相同的尿素噴射速率下，隨著排氣溫度的增加，尿素沉積物的生成量逐漸減少。（見圖1）

1.3.2 尿素噴射速率對尿素沉積物的影響

在發動機臺架上進行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究。試驗中保持排氣流速為20m/s，排氣溫度分別控制在227℃和245℃，尿素噴射速率設定為8.33g/min和5g/min，收集尿素沉積物的生成量，收集時間為30min，30min內尿素消耗量分別約為249.9g和150g，試驗結果見如圖所示。可以看出，尿素溶液噴射速率對沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃，尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后，均不再產生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對沉積物生成量的影響

通過排氣溫度和尿素溶液噴射速率對沉積物生成量影響的試驗研究可以看出，優化低溫下尿素噴射策略，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結束語

（1）分析了尿素結晶結石的形成及影響因素。通過對尿素沉積物成分的分析，結果表明，尿素結晶結石的主要成分是尿素和三聚氰酸，根據三聚氰酸的特性，當發動機排氣溫度超過360℃工況下運行時，可以避免尿素形成結晶結石的風險。

（2）在對尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎上，通過對尿素噴射策略的優化標定，提高尿素啟噴溫度，修正低溫下尿素噴射量，可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻

[1]鄭斌，姬麗霞，陸春美，等.車用SCR系統空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程，2009，31（4）：376-380.

[2]趙航，王務林，楊建軍，等.車用柴油機后處理技術[M].北京：中國科學技術出版社，2010.

作者簡介：史留慶，男，山西運城，工程師，工程碩士。endprint