柴油車SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶優(yōu)化方案研究

江濤

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

關(guān)鍵詞：柴油機；SCR；尿素結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。相比國四標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)主機廠在柴油車后處理方案上均采用了DOC與SCR系統(tǒng)，此方案在降低氮氧化物的同時不可避免的會出現(xiàn)尿素結(jié)晶的問題，圖1為某柴油機車路試中出現(xiàn)的尿素結(jié)晶現(xiàn)象。

1 結(jié)晶機理

尿素在排氣尾管中收到發(fā)動機排氣溫度的作用發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生氨氣，反應(yīng)過程如下：

從上述反應(yīng)過程可以看出，若發(fā)動機SCR混合器中的溫度長期在150～280℃的溫度區(qū)間內(nèi)，（異氰酸）發(fā)生副反應(yīng)的幾率很大。

2 優(yōu)化方案與試驗驗證

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

2.1 優(yōu)化尿素噴射量

優(yōu)化尿素噴射量為改善尿素結(jié)晶風(fēng)險最直接的方式，在滿足排放法規(guī)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(wěn)定工況點，尿素噴射量降低20mg/s，進行20小時臺架尿素結(jié)晶對比試驗，試驗結(jié)果表明，尿素噴射量的降低對結(jié)晶風(fēng)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(jié)晶對比試驗，試驗結(jié)果表明，噴孔數(shù)的增加或者噴孔孔徑的減小，可以極大的改善尿素結(jié)晶風(fēng)險，如圖3所示。

2.3 優(yōu)化混合器結(jié)構(gòu)

本研究中同時使用了兩種不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的混合器，在同一穩(wěn)定工況點，運行20小時，對比試驗結(jié)果，試驗結(jié)果顯示，混合器的優(yōu)化對改善尿素結(jié)晶風(fēng)險效果明顯，如圖4所示。

2.4 優(yōu)化DOC結(jié)構(gòu)

因DOC對排放中碳、氫及顆粒的轉(zhuǎn)化起著至關(guān)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(jié)構(gòu)變更為錐形結(jié)構(gòu)。

試驗中使用某柴油機，相同SCR結(jié)構(gòu)，使用不同出氣口結(jié)構(gòu)的DOC，在同一穩(wěn)定工況點，運行20小時，對比試驗結(jié)果，試驗結(jié)果顯示，DOC的出氣口結(jié)構(gòu)對改善尿素結(jié)晶現(xiàn)象有直接影響，如圖5所示。

2.5 優(yōu)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(jié)晶的目的。

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

3 結(jié)論

本文主要對柴油車SCR后處理系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的尿素結(jié)晶現(xiàn)象進行初步研究，，提出發(fā)動機本體以外的各項優(yōu)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(yōu)化混合器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化DOC出氣口結(jié)構(gòu)以及尿素水溶液添加劑等措施能夠有效改善尿素結(jié)晶風(fēng)險。

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