尿素噴射管路對氣助式尿素噴射裝置性能影響研究

張希杰，代子陽，解家報(bào)，趙 鵬

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

SCR 系統(tǒng)是目前較為成熟的重型柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)，它可使柴油機(jī)在滿足嚴(yán)格排放法規(guī)的同時(shí)，仍具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，已在國內(nèi)外重卡市場得到廣泛應(yīng)用[1-2]。尿素泵、尿素噴嘴是SCR 系統(tǒng)的核心部件，與尿素噴射管路共同組成尿素噴射系統(tǒng)，其噴射精度、霧化質(zhì)量等性能直接影響柴油機(jī)SCR 系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化率和NH3泄漏量。

1 氣助式尿素噴射系統(tǒng)概述

目前，市場上主流的尿素噴射系統(tǒng)有兩種：非氣助式尿素噴射系統(tǒng)和氣助式尿素噴射系統(tǒng)。氣助式尿素噴射系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢，在國內(nèi)外眾多后處理系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[3]。

尿素噴射管的長度、直徑等參數(shù)對尿素噴射系統(tǒng)的性能有直接影響。當(dāng)尿素管路內(nèi)徑較大時(shí)，流體經(jīng)泵出口流過逐漸擴(kuò)張的管道，流速沿流向減小，并且容易出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。漸擴(kuò)管的局部損失阻力系數(shù)見公式（1）[4-5]。在泵出口內(nèi)徑一定時(shí)，尿素管內(nèi)徑越大，管路局部損失系數(shù)越大。

式中，ζ為局部損失阻力系數(shù)；A1為泵出口接頭內(nèi)截面面積；A2為尿素管內(nèi)截面面積。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)布置

選用4.1 L 歐五柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 臺(tái)架測試系統(tǒng)

選取市場上常用規(guī)格的4 種尿素噴射管并編號：1#（內(nèi)徑3 mm，長度3 m）、2#（內(nèi)徑6 mm，長度3 m）、3#（內(nèi)徑3 mm，長度1.5 m）、4#（內(nèi)徑3 mm，長度0.5 m），各尿素管依次進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

排放試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 排放結(jié)果對比匯總

3.1 不同內(nèi)徑尿素噴射管試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

對比1#、2# 尿素噴射管ESC、ETC 排放結(jié)果，整體來看NOx比排放差異不大，但采用內(nèi)徑為6 的尿素管時(shí)氨泄漏高。

（1）ESC 穩(wěn)態(tài)過程數(shù)據(jù)對比

ESC 穩(wěn)態(tài)過程尿素噴射速率、NOx濃度、氨泄漏分別見圖2、圖3、圖4。

圖2 ESC 穩(wěn)態(tài)過程尿素噴射速率

圖3 不同直徑ESC 穩(wěn)態(tài)過程N(yùn)Ox 對比

圖4 不同直徑ESC 穩(wěn)態(tài)過程氨泄漏對比

由圖2、圖3 可見，相同尿素噴射量下，2#尿素噴射管在ESC 穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)測量的尾氣NOx濃度值波動(dòng)較大，在2、8、10 三個(gè)大負(fù)荷工況表現(xiàn)更為明顯，最大波動(dòng)范圍接近300 ppm，而1#尿素噴射管NOx濃度值波動(dòng)較小。

由圖4 可見，采用2#尿素噴射管穩(wěn)態(tài)工況的氨泄漏值比1#尿素噴射管大，峰值出現(xiàn)在第8、10 兩個(gè)大負(fù)荷工況點(diǎn)，最大值達(dá)到160 ppm。

（2）ETC 瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)對比

瞬態(tài)試驗(yàn)?zāi)蛩貒娚渌俾?、NOx濃度、氨泄漏結(jié)果分別見圖5、圖6、圖7。

圖5 ETC 瞬態(tài)過程尿素噴射速率

圖6 ETC 瞬態(tài)過程N(yùn)Ox 對比

圖7 ETC 瞬態(tài)過程氨泄漏對比

由圖6 可見，對比ETC 排放循環(huán)瞬態(tài)工況，整體上看1#、2# 尿素噴射管排氣NOx值差異不大，2# 噴射管部分工況NOx濃度稍高一些。

由圖7 可見，采用2#尿素噴射管時(shí)，氨泄漏值峰值和均值比1#尿素噴射管大。

3.2 不同長度尿素噴射管試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

選取1#、3#、4# 尿素噴射管進(jìn)行對比，ESC、ETC循環(huán)NOx濃度差異不大，但采用3#、4#尿素噴射管時(shí)氨泄露要更低，見圖8、圖9。

圖8 不同長度尿素管ETC 瞬態(tài)過程N(yùn)Ox 對比

圖9 不同長度尿素管ETC 瞬態(tài)過程氨泄漏對比

從圖9 可以看出，采用3#、4#尿素噴射管時(shí)氨泄漏比1#尿素噴射管小，3#、4#排放結(jié)果差異不大。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

尿素噴射管的內(nèi)徑不同，對ESC、ETC 工況循環(huán)過程中的NOx及氨泄漏都有不同程度的影響。采用6 mm 內(nèi)徑尿素管時(shí)，尿素泵內(nèi)氣液混合物從內(nèi)徑較小的尿素泵接頭進(jìn)入內(nèi)徑較大的尿素管后，容易出現(xiàn)一系列的旋渦，管路內(nèi)流體微團(tuán)之間存在摩擦，并容易導(dǎo)致流體內(nèi)部產(chǎn)生撞擊，造成尿素不能穩(wěn)定持續(xù)噴射，從而導(dǎo)致ESC 循環(huán)單點(diǎn)NOx值不穩(wěn)定，氨泄漏變大。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)能看出，采用3 mm 噴射管時(shí)，NOx排放結(jié)果明顯更優(yōu)。

對于氣助系統(tǒng)，尿素噴射管中沒有預(yù)存尿素，尿素是由尿素泵經(jīng)噴射管、噴嘴噴射到排氣管中。尿素噴射管長度不同，會(huì)影響瞬態(tài)循環(huán)的尿素噴射響應(yīng)性。噴射管長度較長時(shí)，尿素溶液實(shí)際噴射會(huì)存在一定延遲，不能很好與瞬態(tài)工況NOx原機(jī)排放的波動(dòng)相吻合，容易造成瞬時(shí)的氨氣不足或過量，從而會(huì)影響NOx處理效果，加大氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，適當(dāng)縮短尿素管長度有助于提高SCR 系統(tǒng)對NOx的處理效果、降低氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）采用不同規(guī)格尿素噴射管能夠影響氣助式尿素噴射系統(tǒng)對NOx的處理效果以及氨氣的泄漏量。

（2）尿素管路內(nèi)徑較粗，會(huì)影響尿素的正常噴射，導(dǎo)致ESC 循環(huán)各工況點(diǎn)NOx尾氣濃度不穩(wěn)定，帶來氨泄漏的增加，尿素噴射量較大的高負(fù)荷工況更加明顯。

（3）噴射管長度較長會(huì)影響尿素噴射的瞬態(tài)響應(yīng)性，適當(dāng)減小尿素管長度有助于提高氣助系統(tǒng)對NOx的轉(zhuǎn)化效果，降低氨泄漏風(fēng)險(xiǎn)。