非道路柴油機后處理系統SCR 噴嘴座結構優化

盧 凱 ，臧志成，劉德文，吳 燕，白書戰，李國祥

(1.山東大學 能源與動力工程學院，山東 濟南 250061；2.凱龍高科技股份有限公司，江蘇 無錫 214177)

隨著非道路柴油機排放法規國Ⅳ階段的推進，預計2022 年底將在全國范圍內陸續推廣實施，借鑒歐美國家的技術路線的治理經驗，目前被市場廣為接受的技術路線為柴油機氧化催化器(DOC)+柴油機顆粒捕集器(DPF)+選擇性催化還原(SCR).基于此技術路線在開發過程中出現諸多困難，其中就包括了排氣系統內尿素噴嘴表面存在結晶，進而堵塞噴孔導致噴射系統無法正常工作.

柴油機尾氣后處理系統中的尿素結晶是一個復雜的現象，行業內各專家學者從不同角度紛紛對此開展了深入研究.尿素溶液進入排氣系統后，尿素液滴表面中水分的蒸發會導致該處尿素濃度升高，不同文獻采用了不同的方法來描述液滴表面尿素濃度升高對蒸發速率的影響，如Birkhold 等[1]采用Perman and Lovett 經驗公式，Ebrahimian 等[2]采用NRTL 模型，Kontin[3]則是在Abramzon-Sirignano 蒸發速率方程中引入了一個修正系數.當溫度低于300 ℃時，尿素不能充分地轉換為NH3，未分解的尿素容易在排氣管壁面及催化劑表面沉積，形成結晶[4]，當溫度過高時，異氰酸在高溫下直接聚合為三聚氰酸，形成結晶[5].Tian等[6]建立了尿素液滴蒸發模型，研究溫度、相對速度對液滴蒸發的影響，并對噴嘴位置進行了優化.Xu等[7]用往小樣催化劑中滴尿素溶液的方法模擬SCR系統結晶，對比了不同溫度和不同材料催化劑表面結晶的積累情況，結果表明溫度是影響結晶量和結晶成分的主要因素.Strots 等[8]分析了不同工況下排氣管各個位置的溫度分布，總結了SCR 系統中容易結晶的位置包括噴嘴、排氣管、混合器以及催化劑表面.文獻[9]表明尿素噴射量、噴射速率等因素對系統結晶量有重要影響.Azael 等[10]試驗表明，增加混合器可以提高排氣管壁面溫度，顯著降低系統結晶量；排氣管內壁面的結晶主要受壁面溫度影響，尿素噴射速率的增大會增加系統發生結晶的可能性.Bai 等[11]研究了不同位置包括噴嘴、噴嘴座和排氣管上的結晶，通過改進結構及調整尿素噴射策略等方式來減少SCR系統結晶的發生.文獻[12—13]通過優化SCR 系統的噴射系統、排氣管封裝等布置方式來提高SCR 系統抗結晶的效果.

非道路柴油機在使用工況方面與車用柴油機有明顯區別，尤其在作業工況下，非道路柴油機負荷與排氣溫度區間均遠高于道路柴油機.如何滿足非道路柴油機惡劣工況下的排放要求，尤其在封裝結構設計方面滿足噴射系統可靠運行，避免排氣系統的結晶問題，成了擺在各工程科研人員面前的一個挑戰.筆者基于DOC+DPF+SCR 路線的封裝方案，在某型號6.7 L 排量的6 缸柴油機耐久試驗中出現的尿素噴嘴位置結晶問題展開較詳細的研究，采用模擬計算以及試驗驗證方法，分析影響噴嘴結晶的主要因素，開發出了一種新型結構的噴嘴防結晶保護罩，可有效解決典型封裝結構下噴嘴表面位置結晶的難題，為該結構方案的市場推廣運用提出了可行的解決措施.

1 研究方案

1.1 噴嘴座結構

非道路SCR 催化轉化器外觀如圖1 所示，噴嘴座位于彎管處.圖2a 為噴嘴座方案一，噴嘴座高度為50 mm；圖2b 為方案二，噴嘴座高度為25 mm；圖2c 為方案三，優化了噴嘴座外形曲率，噴嘴座高度為0 mm；圖2d 為方案四，是在方案三的基礎上內部增加了防護罩.

圖1 后處理系統整體結構外觀Fig.1 Structure appearance of the after-treatment system

圖2 不同噴嘴座結構方案示意Fig.2 Schemes of different nozzle holder

1.2 噴嘴參數

研究對象為市場上常用的某國產3 孔水冷式尿素噴嘴，該噴嘴具有性能穩定、噴射精度高及抗干擾性強等特點，并在歐美市場有較長時間的運用歷史.該噴嘴采用304 不銹鋼材質制造，制造精度高，零件之間的連接采用焊接密封，噴嘴口與噴嘴座之間采用抱箍連接.該噴嘴共有3 個液體連接管，最上方為尿素溶液進液管，中間為冷卻水出水管，下方為冷卻水進水管.噴嘴內部主要由5 部分組成，包括上密封圈、電氣接插件、電磁線圈、下密封圈和針閥球頭.

所用噴嘴冷卻水進/出水管和尿素溶液進水管直徑為6 mm，尿素溶液由最上方進液管進入閥芯，閥芯的接通與閉合由外圍的電磁線圈控制，線圈的外圍和尿素溶液的流道均被冷卻水的腔體包圍，以保護電磁線圈在高溫環境中不會過熱失效.噴嘴在使用過程中須滿足相關的使用要求，關于噴嘴的性能基本參數如表1 所示.

表1 尿素噴嘴主要參數Tab.1 Main parameters of urea nozzle

對該款無氣輔式噴嘴在0.9 MPa 的噴射壓力下，運用激光粒度分析儀測試其霧化角度(圖3a)及霧化粒徑分布(圖3b)，測點位置為距離噴孔49 mm 處.

圖3 噴嘴霧化參數測量Fig.3 Measurement of nozzle atomization parameter

2 模擬計算和結果

對4 種噴嘴座方案進行模擬計算，對比相同計算條件下各噴嘴表面溫度、附近區域的氣流及液膜厚度，評估各方案噴嘴表面及附近區域的結晶風險.

2.1 計算模型及邊界條件

模擬分析采用ICEM 軟件對各方案模型進行網格劃分，并導入FLUENT 軟件進行計算.模擬計算基于SIMPLE 算法求解控制方程，其通用形式為

式中：ρ為密度；φ為通用變量；t 為時間；u 為求解變量；Γ 為廣義擴散系數；S 為廣義源項.

選用湍流模型中的Realizable k-ε 模型，載體域內只考慮氣流主方向上的運動，將其設定為多孔介質區域及層流區域，載體規格及相關參數見表2.計算尿素噴射時，打開組分運輸方程，選用離散相模型，尿素噴嘴參數輸入如表3 所示.尿素液滴尺寸選用Rosin-Rammler 粒徑分布函數，液滴直徑d 與大于此直徑液滴的質量分數Yd之間關系為

表2 載體規格及參數Tab.2 Carrier specifications and parameters

表3 尿素噴嘴計算參數Tab.3 Calculation parameters of urea nozzle

式中：d 為尺寸分布的平均直徑；n 為液滴尺寸分布指數.

尿素液滴破碎選用KH-RT 模型[14]，液相破碎長度為

式中：C 為常數；d0為噴孔直徑；ρ1為液相密度；ρg為氣相密度.

液滴與壁面之間的作用選用wall-film 模型，液滴運動軌跡控制方程為

式中：up為顆粒速度；FD(ul?up)為顆粒單位質量曳力；ul為流體速度；ρp為顆粒密度；ρ為流體密度；F 為額外加速質量力.

計算工況選用柴油機標定工況，排氣流量為858 kg/h，排氣溫度為427 ℃，該工況下對應的理論尿素溶液噴射流量為2.943 L/h.催化器入口直徑為78 mm，出口直徑為101 mm，入口邊界設定為質量流量入口，出口邊界設定為壓力出口，出口壓力值設為標準大氣壓.考慮外壁面與環境間的對流換熱，壁面換熱系數設定為8 W/(m2·K)，壁面速度按無滑移邊界條件計算.

2.2 模擬結果分析

2.2.1 噴嘴表面溫度

對比4 種噴嘴座方案在標定工況下的模擬計算結果，噴嘴表面溫度分布見圖4.噴嘴座高度降低后，氣流易流經噴嘴表面，對比方案一至方案三可看出，噴嘴座高度減小，噴嘴表面區域的平均溫度越高.方案四的溫度場與方案三相比有一定的降低，防護罩結構阻礙了氣流直吹噴嘴表面，降低了噴嘴表面的氣流速度，對流換熱效果減弱，降低了噴嘴表面溫度.

圖4 噴嘴表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution on nozzle surface

2.2.2 噴嘴表面附近渦流

參考相關學者的研究觀點，渦流的存在與尿素結晶的現象存在一定的聯系，在設計后處理系統時，應盡量避免渦流區域的出現，渦流的存在會導致尿素液滴的回卷在局部區域積聚并形成尿素結晶[15].噴嘴座內流速分布如圖5 所示，考慮噴嘴座內氣流速度分布，將噴嘴座內氣流速度低于15 m/s 的區域設為渦流影響區.方案一噴嘴座內存在一個相對較大的渦流，渦流的影響區域體積達0.109 m3，同時噴嘴表面存在渦流，不利于消除尿素結晶；方案二噴嘴座內同樣存在一個較大的渦流，渦流影響區域的體積達0.067 m3，噴嘴表面也出現了渦流；方案三噴嘴座內渦流影響區域的體積達0.041 m3，噴嘴表面無明顯渦流現象；方案四噴嘴座內無渦流存在，噴嘴表面也未產生渦流.隨著噴嘴座高度的降低，噴嘴座內產生的渦流相對大小逐漸減??；方案四噴嘴座內增加了防護罩，阻礙了局部渦流的形成，尿素液滴不易聚集，噴嘴表面不易結晶.

圖5 噴嘴座內流速Fig.5 Velocity of flow in nozzle holder

2.2.3 噴嘴表面液膜厚度

評價結晶的另一個重要內容是看考察位置的液膜厚度，尿素溶液由噴嘴霧化噴出，在氣流的作用下會附著在零件表面形成液膜，液膜會隨著持續噴射而形成，同時液膜也會在高溫氣流的作用下再進一步擴展和蒸發，形成一個穩定的厚度.液膜的厚度若長期處于一個較厚或增加的狀態，會逐漸在零件表面形成結晶晶體，層層堆積最終會造成尿素結晶.對比不同方案噴嘴座處的液膜厚度，如圖6 所示.4 種方案中噴嘴表面都形成了液膜，方案一中噴嘴表面有液膜，且液膜厚度最大，其他方案液膜厚度逐漸減小.方案三、四液膜厚度比方案一有了較大幅度的降低，方案四液膜厚度最小.

圖6 噴孔表面液膜厚度Fig.6 Wall film thickness on the nozzle surface

綜合以上分析內容，對結果進行統計見表4，方案一液膜厚度最大，且噴嘴表面附近渦流影響區域大，結晶風險高.方案二液膜厚度較方案一小，噴嘴表面附近渦流影響區域較大，結晶風險較高.方案三中噴嘴表面附近渦流影響區域小，液膜厚度較小，噴嘴表面有輕微結晶風險.方案四中噴嘴表面附近無渦流，且噴嘴表面液膜厚度最小，噴嘴表面處結晶風險低.

表4 噴嘴附近結晶影響因素統計Tab.4 Statistics on the influencing factors of crystallization near the nozzle

3 臺架試驗和結果

3.1 試驗方法

將安裝有尾氣后處理系統的柴油機整體裝配在測試臺架上，柴油機的基本參數信息如表5 所示.用于試驗的主要設備有柴油機、測功機及其控制系統、SCR 后處理系統和水溫控制裝置等.

表5 柴油機主要參數Tab.5 Main parameters of diesel engine

為了驗證冷卻水溫度對尿素噴嘴表面(見圖7a)的影響，需要在試驗的過程中監測噴嘴表面的溫度，特在噴嘴表面位置內置熱電偶傳感器，傳感器的位置如圖7b 所示，熱電偶傳感器的型號為WRNK-191.

圖7 熱電偶布置方案Fig.7 Scheme of thermocouple layout

開機運行2 h 完成熱機過程，待柴油機運行穩定后，按結晶循環工況(見表6)設置臺架相關程序，監測并記錄柴油機運行的主要參數，如圖8 所示.整個驗證過程主要包括：(1)以3 個循環工況為一個考察周期，在結晶循環工況下驗證不同噴嘴冷卻水溫度對噴嘴表面結晶的影響，每個結晶循環工況為200 min，10 h 試驗時間運行3 個循環工況；(2)以柴油機冷卻循環水作為冷卻水，在標定點(工況6)工況下運行10 h，驗證不同噴嘴座方案對噴嘴表面結晶的影響；(3)以柴油機冷卻循環水作為冷卻水，運行30 個結晶循環工況，在每運行3 個循環工況后拆卸噴嘴，查看并記錄結晶的形態和重量，然后保持原樣將噴嘴裝回，每次稱重2 次并記錄數據，直至試驗結束.

表6 臺架結晶試驗循環工況Tab.6 Cycle conditions of bench crystallization test

圖8 柴油機結晶循環工況下主要變量參數Fig.8 Main variable parameters of diesel engine crystallization cycle conditions

3.2 試驗結果

3.2.1 溫度對噴嘴表面結晶的影響

選用方案一進行試驗，用壓力為0.2 MPa 的冷卻水，噴嘴進水口接入的冷卻水溫度分別為20、70 和90 ℃.試驗周期結束后，停機60 min 后拆解噴嘴座卡箍，查看噴嘴及周邊結晶情況，并對結晶部件稱重2 次并取均值記錄數據，試驗結果如圖9 所示.冷卻水溫度為20、70 和90 ℃時的噴嘴表面結晶重量分別為0.1、4.3 和5.7 g.試驗過程中每個工況下運行1 min 后，對溫度測點位置傳感器記錄2 次溫度數值，記錄間隔為30 s，并取2 次測量結果的均值，試驗結果如圖10 所示.

圖9 不同冷卻水溫度下噴嘴結晶Fig.9 Crystallization on nozzle at different cooling water temperature

圖10 不同冷卻水溫度下噴嘴表面測點溫度Fig.10 Temperature of measuring point on nozzle surface under different cooling water temperature

根據試驗結果可知，噴嘴內部冷卻水溫度能顯著影響噴嘴表面的溫度，進而影響噴嘴表面尿素結晶量.冷卻水溫度低，噴嘴表面溫度就越低，結晶量就越少.冷卻水溫度為20 ℃時，噴嘴表面結晶極少，冷卻水溫度為70 ℃、90 ℃時，噴嘴表面結晶比較嚴重.當噴嘴冷卻水溫度由20 ℃增加至70 ℃，噴嘴表面的平均溫度增加了約23 ℃，噴嘴表面的結晶量由0.1 g 增加至4.3 g，當冷卻水溫度由70 ℃增加至90 ℃時，噴孔表面的平均溫度增加了約7 ℃，噴嘴表面的結晶量由4.3 g 增加至5.7 g.

3.2.2 各方案在標定點工況下噴嘴表面結晶狀況

運行標定工況后各方案噴嘴表面結晶情況如圖11 所示.方案一噴嘴表面結晶最為嚴重，噴孔已堵塞；方案二中噴嘴表面結晶較多，噴孔位置結晶較少，噴孔未堵塞；方案三中結晶量較方案一、二少，噴孔位置已堵塞；而方案四表面結晶量極少，噴孔清晰可見，未堵塞.對比方案一至方案三可知，降低噴嘴座高度可有效降低噴嘴表面結晶風險，噴孔堵塞會影響噴嘴正常工作，方案四中增加了防護罩，其噴嘴表面無結晶.

圖11 噴嘴結晶狀況Fig.11 Crystallization of nozzle

3.2.3 各方案在結晶循環工況下噴嘴表面結晶狀況

在柴油機臺架上按結晶循環工況運行3 個循環工況后，停機冷卻60 min 后拆解噴嘴觀察結晶情況，如圖12 所示.方案一中噴嘴表面覆著一層厚厚的晶狀尿素結晶物，半透明白色，噴孔處無結晶堵塞；拆解優化方案二發現噴嘴表面覆蓋著與方案一類似形態的白色晶狀結晶，結晶厚度比方案一略小，噴孔處無結晶堵塞；方案三中噴嘴表面結晶量比方案一和方案二都要少，噴孔周圍區域結晶物呈白色晶狀，噴嘴表面外圍結晶量減少，但結晶顏色呈黃褐色，噴孔無堵塞；方案四噴嘴表面無結晶物，噴孔周圍有微量結晶殘留，噴孔無堵塞.

圖12 3個循環工況后噴嘴結晶狀況Fig.12 Crystallization on nozzle after 3 circulation conditions

在柴油機臺架上按結晶循環工況運行30 個循環工況后，冷卻60 min 后拆解噴嘴并觀察，如圖13 所示.方案一中噴嘴表面完全被尿素結晶物覆蓋，結晶物呈不透明白色，噴孔周圍有結晶但噴孔未堵塞；拆解方案二發現噴嘴表面覆著一層厚厚的晶狀尿素結晶物，半透明淡黃色，噴孔完全結晶并堵塞；方案三中噴嘴表面結晶量比方案一和優化方案二都要少，結晶形態為松散狀白色晶粒，噴孔處完全堵塞且結晶量較噴嘴表面其他位置多；方案四中噴嘴表面無結晶物，噴孔周圍有微量結晶殘留，噴孔無堵塞.

圖13 30個循環工況后噴嘴結晶狀況Fig.13 Crystallization on nozzle after 30 circulation conditions

30 個循環工況的結晶試驗結束后，拆解方案四噴嘴位置處的彎管，觀察防護罩位置，沒有出現結晶.結晶試驗前、后分別對噴嘴進行稱重，測量精度為0.01 g，每次對被測件測量2 次，并取均值作為測量結果記錄，試驗前、后的重量差值作為結晶重量，結果如表7 所示.

表7 結晶稱重結果Tab.7 Crystallization weighing results

隨著結晶試驗開展的時間增加，結晶物并未出現線性比例增長的情況，方案一與方案二、方案三均出現了很大幅度的增長，結晶質量近似增加一倍.安裝了結晶防護罩的方案四在試驗前、后結晶重量無增長，為0.05 g，具有良好抗結晶性能，滿足30 個循環工況結晶量小于或等于1 g 的開發要求.

4 結論

非道路柴油機在運行工況和使用環境上與車用柴油機有較大差異，通過對在非道路場合下尿素噴嘴表面的結晶試驗，得出如下結論：

(1) 通過調整尿素噴嘴冷卻水溫度來降低噴孔附近的表面溫度，在10 h 時的循環工況驗證下，可知尿素噴嘴表面溫度越低尿素噴嘴表面的結晶量就越小.

(2) 隨著噴嘴座高度的降低，噴嘴座內產生的渦流相對大小逐漸減小；尿素噴嘴冷卻水接柴油機循環冷卻水，在10 h 標定工況驗證下，噴嘴座高度越低尿素噴嘴表面的結晶量就越小.

(3) 通過在低噴嘴座高度的方案上增加防護罩來進一步降低渦流對尿素噴嘴的影響，同時防護罩也避免了局部渦流產生的尿素積聚，防護罩的設計在局部形成了一個隔熱區，降低了尿素噴嘴周邊的環境溫度，減少結晶形成的不利因素；臺架試驗結果表明，方案四的設計滿足開發要求，消除了非道路尿素噴嘴結晶故障現象.

(4) 帶有防護罩結構的新方案解決了因降低噴嘴座高度而帶來的溫度升高問題，并消除了尿素噴嘴周圍的局部渦流問題，為結晶優化提供了可行的改善方案.