柴油車SCR系統尿素結晶優化方案研究

江濤

摘 要：本文針對柴油車SCR后處理系統中出現的尿素結晶問題優化措施進行研究，提出了減小尿素噴射量、減小噴孔孔徑、優化混合器結構、優化DOC出氣口結構以及尿素水溶液添加劑等五項優化措施，并進行了試驗驗證。結果表明，五項措施均可以明顯改善尿素結晶。

關鍵詞：柴油機；SCR；尿素結晶

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.002

0 引言

2017年1月1日，全國全面實施第五階段國家機動車排放標準。相比國四標準，新標準輕型車氮氧化物排放降低25%，重型車氮氧化物排放降低43%.為了滿足此標準，多數主機廠在柴油車后處理方案上均采用了DOC與SCR系統，此方案在降低氮氧化物的同時不可避免的會出現尿素結晶的問題，圖1為某柴油機車路試中出現的尿素結晶現象。

1 結晶機理

尿素在排氣尾管中收到發動機排氣溫度的作用發生熱解反應，產生氨氣，反應過程如下：

從上述反應過程可以看出，若發動機SCR混合器中的溫度長期在150～280℃的溫度區間內，（異氰酸）發生副反應的幾率很大。

2 優化方案與試驗驗證

因排氣溫度與排氣流量主要取決于發動機本體，對于主機廠而言，變更發動機本體對發動機的各項性能影響較復雜，本文主要研究發動機本體以外的優化方案對尿素結晶風險的改善。

2.1 優化尿素噴射量

優化尿素噴射量為改善尿素結晶風險最直接的方式，在滿足排放法規要求的同時，降低各個工況點的尿素噴射量以及氨存儲量。

試驗中使用某柴油機，在同一穩定工況點，尿素噴射量降低20mg/s，進行20小時臺架尿素結晶對比試驗，試驗結果表明，尿素噴射量的降低對結晶風險的改善明顯，如圖2所示。

2.2 減小噴孔孔徑

試驗中使用某柴油機，在流量不變的情況下，將三孔尿素噴嘴變更為六孔尿素噴嘴，噴霧粒徑降低20um，在同一工況下，進行20小時尿素結晶對比試驗，試驗結果表明，噴孔數的增加或者噴孔孔徑的減小，可以極大的改善尿素結晶風險，如圖3所示。

2.3 優化混合器結構

本研究中同時使用了兩種不同結構的混合進行試驗，一種為蜂窩狀混合器，另一種為葉片狀混合器。

試驗中使用某柴油機，分別使用兩種不同結構的混合器，在同一穩定工況點，運行20小時，對比試驗結果，試驗結果顯示，混合器的優化對改善尿素結晶風險效果明顯，如圖4所示。

2.4 優化DOC結構

因DOC對排放中碳、氫及顆粒的轉化起著至關重要的作用，DOC中的涂層難以改變，故將DOC出氣口由圓柱形結構變更為錐形結構。

試驗中使用某柴油機，相同SCR結構，使用不同出氣口結構的DOC，在同一穩定工況點，運行20小時，對比試驗結果，試驗結果顯示，DOC的出氣口結構對改善尿素結晶現象有直接影響，如圖5所示。

2.5 優化尿素水溶液

采用不同的尿素水溶液，在尿素水溶液中添加某種添加劑，提高水親和性，以達到控制尿素結晶的目的。

試驗中使用某柴油機，相同結構的DOC與SCR后處理裝置，分別使用不同的尿素水溶液（主要區別為有無添加劑），在同一穩定工況點，運行20小時，對比試驗結果，試驗結果顯示，尿素水溶液的添加劑能夠改善尿素結晶風險，如圖6所示。

3 結論

本文主要對柴油車SCR后處理系統在使用中出現的尿素結晶現象進行初步研究，，提出發動機本體以外的各項優化措施并進行試驗驗證，論證了減小尿素噴射量、減小噴孔孔徑、優化混合器結構、優化DOC出氣口結構以及尿素水溶液添加劑等措施能夠有效改善尿素結晶風險。

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