柴油機(jī)Urea_SCR混合器的性能驗(yàn)證

宋志良

摘要：本文主要針對后處理系統(tǒng)對于Urea_SCR混合器的功能需要，提出某款新型混合器的結(jié)構(gòu)方案與工作原理，通過探討混合器性能驗(yàn)證的必要性來設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)的混合器性能驗(yàn)證方法，并基于某型國六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，按照驗(yàn)證方法對設(shè)定的測試項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)檢測與驗(yàn)證，通過與工程目標(biāo)對比來判定混合器性能驗(yàn)證是否達(dá)標(biāo)，以期得到最佳的Urea_SCR混合器設(shè)計(jì)方案和最終選型。

Abstract： This paper mainly focused on the functional requirements of the Urea_SCR mixer for the after-treatment system， proposed a new type of mixer structural scheme and working principle， and designed a set of mixer performance verification methods by discussing the necessity of mixer performance verification. Based on a National China-VI engine bench， the performance was tested and verified according to the verification method. It is determined whether the mixer performance verification meets the standard by comparing with the engineering targets， for the purpose of obtaining the best Urea_SCR mixer design scheme and final type selection.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);氮氧化物;混合器;性能驗(yàn)證

Key words： diesel engine;NOx;mixer;performance verification

0 ?引言

隨著柴油機(jī)排放法規(guī)的不斷升級，如何有效減少柴油機(jī)尾氣中氮氧化物（NOx）的排放已成為后處理廠商爭相研究的課題，目前公認(rèn)可行的技術(shù)方案就是采用選擇性還原催化器（Selective Catalytic Reduction，簡寫SCR），其主要工作原理就是：SCR系統(tǒng)控制器（DCU）實(shí)時(shí)接收柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，通過精準(zhǔn)計(jì)算并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器（尿素噴射泵）將適量的尿素水溶液（濃度32.5%）噴射到排氣管中，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度作用下，尿素水溶液快速水解為氨氣（NH3），排氣尾氣與氨氣混合均勻，基于SCR催化還原劑作用下將尾氣中的氮氧化物還原成氮?dú)猓∟2）排出。

由于整車布置空間有限以及輕量化設(shè)計(jì)要求，沒有足夠的空間來保證尿素水解后的氨氣與尾氣混合的足夠均勻，因此需要在SCR催化器中設(shè)置Urea_SCR混合器（Mixer）來加速混合使氨氣分布更加均勻。

Urea_SCR混合器的選型設(shè)計(jì)需要結(jié)合法規(guī)排放限值、實(shí)際運(yùn)行邊界、終端客戶的用車要求等方面考慮，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)選型并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行各種典型工況進(jìn)行CFD模擬仿真分析，最終完成混合器的最佳理論設(shè)計(jì)。

本文通過對已完成理論設(shè)計(jì)的某新型國六混合器（代號“A”）結(jié)構(gòu)和工作原理介紹，旨在探討為何對Urea_SCR混合器進(jìn)行性能驗(yàn)證，如何驗(yàn)證，驗(yàn)證哪些內(nèi)容以及如何判斷等，以期對Urea_SCR混合器理論選型提供實(shí)踐驗(yàn)證方法。

1 ?結(jié)構(gòu)與工作原理

隨著排放法規(guī)對柴油機(jī)尾排的氮氧化物和PM限值要求不斷加嚴(yán)，對應(yīng)的后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，簡單點(diǎn)來說，就是由以前的“單降”，即要么處理尾氣中的氮氧化物（SCR路線），要么處理尾氣中的PM（DPF路線），升級到現(xiàn)在的國六的“雙降”，即氮氧化物和PM都要凈化處理，技術(shù)路線也隨之升級到DPF+SCR，考慮尾氣的THC、CO、DPF再生以及尾排的氨泄漏等要求，還需要附帶DOC+ASC催化器。如此“龐大復(fù)雜”的結(jié)構(gòu)對整車空間要求極高，為此后處理系統(tǒng)廠商都在絞盡腦汁的思考如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)，也正因于此，國六階段Urea_SCR混合器的結(jié)構(gòu)小型化也是重點(diǎn)研究課題之一，本文將討論的A型混合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該型混合器主要由進(jìn)氣擋板、尿素液滴破碎結(jié)構(gòu)、內(nèi)擋圈、進(jìn)出氣隔板、出氣擋板等組成，從圖1中各零部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知其主要是沖壓成型后焊接而成，再考慮尿素具有一定的腐蝕性，所以該型混合器選擇為441不銹鋼材質(zhì)制作。

為了實(shí)現(xiàn)尿素水解后氨氣與柴油機(jī)尾氣的充分混合，該型混合器的主要工作原理就是使柴油機(jī)排出的尾氣經(jīng)過進(jìn)氣口進(jìn)入U(xiǎn)rea_SCR混合器，在混合器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)向下，將尾氣與尿素破碎水解后的氨氣由軸線直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為繞著軸線環(huán)繞的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向的直線運(yùn)動(dòng)（如圖1中的黑色曲線所示），有效增大氨氣與尾氣的混合區(qū)域，實(shí)現(xiàn)充分混合均勻，在尿素噴嘴噴射對應(yīng)位置設(shè)置的尿素液滴破碎結(jié)構(gòu)可以有效提升尿素的霧化，防止尿素水解不及時(shí)引起的結(jié)晶或結(jié)石現(xiàn)象。

2 ?性能驗(yàn)證必要性

Urea_SCR混合器作為SCR選擇性還原催化器的重要組成部分，直接關(guān)系著尾氣與尿素水解后的氨氣混合均勻性以及催化器是否產(chǎn)生尿素結(jié)晶結(jié)石現(xiàn)象，從而較大程度上影響著SCR催化劑的催化還原效率和尾排中氨氣泄漏量，尿素結(jié)晶結(jié)石又影響后處理系統(tǒng)的排氣背壓，排氣背壓過大會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率降低，燃油經(jīng)濟(jì)性變差，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能將會(huì)下降。

為了防止開發(fā)的Urea_SCR混合器在市場應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)類似的質(zhì)量問題，所以對其進(jìn)行系統(tǒng)性的性能驗(yàn)證是十分必要的，尤其是項(xiàng)目開發(fā)初期的性能驗(yàn)證，再加上我國為了進(jìn)一步改善柴油機(jī)尾氣排放污染，新頒布的第六階段排放法規(guī)已經(jīng)明確規(guī)定了柴油機(jī)尾氣中氮氧化物的排放限值為0.4g/kWh（WHSC循環(huán)）和0.46g/kWh（WHTC循環(huán)），同時(shí)還規(guī)定了氨（NH3）泄漏量不得超過10ppm，正是鑒于此，可以明確梳理出Urea_SCR混合器性能驗(yàn)證內(nèi)容如表1所示。

3 ?驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)

根據(jù)性能指標(biāo)要求，不同的驗(yàn)證內(nèi)容需要采用不同的驗(yàn)證方法才能評估Urea_SCR混合器的實(shí)際性能指標(biāo)。

3.1 混合器的壓降驗(yàn)證方法

Urea_SCR混合器作為后處理催化器總成（EGP）中的重要組成部分，如圖3所示，其壓降驗(yàn)證需要結(jié)合后處理催化器總成進(jìn)行系統(tǒng)評估，對于輕型柴油機(jī)（一般排量在3.0L左右）后處理催化器總成壓降一般工程目標(biāo)控制在≤30kPa。

柴油機(jī)不同工況下的廢氣流量和排氣溫度直接影響著后處理催化器總成（EGP）的壓降，廢氣流量越大，壓降自然越高，而排氣溫度越高，尾氣單位占用體積越大，所以為了測試后處理催化器總成（EGP）的壓降選取柴油機(jī)的額定工況點(diǎn)作為測試條件。為了真實(shí)模擬柴油機(jī)的實(shí)際運(yùn)行邊界，一般在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上按照整車布置形式連接和固定后處理催化器總成（EGP），通過在后處理催化器總成、DOC催化器、DPF催化器、Urea_SCR混合器和SCR&ASC催化器端布置壓力測試傳感器（如圖3所示），在柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行額定工況點(diǎn)讀取各傳感器參數(shù)，經(jīng)過比較即可得出EGP系統(tǒng)壓降及各功能部件的壓降。

3.2 混合器的均勻性驗(yàn)證方法

Urea_SCR混合器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和加工對保證流場均勻性至關(guān)重要，如果柴油機(jī)尾氣進(jìn)入到SCR催化劑單元流速不均勻，引起氨氣在催化單元內(nèi)分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致局部位置氨氣過剩，局部位置氨氣不足，這樣SCR催化劑利用氨氣對氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率就會(huì)降低，而且還會(huì)引起氨氣泄漏。為了驗(yàn)證Urea_SCR混合器作用下的柴油機(jī)尾氣流速是否均勻，可以采用直接檢測和間接檢測兩種方法。

3.2.1 直接檢測方法

該檢測方法直接測試后處理催化器總成（EGP）中SCR催化劑出口端面每個(gè)位置的氣流速度和氣體成分，需要對后處理催化器總成進(jìn)行改裝，去掉消音部分，使測速探頭和氣體取樣探頭可以接近SCR催化劑單元出口端面。移動(dòng)探頭，縱橫移動(dòng)步長5mm左右，使探頭掃遍SCR催化單元出口端面所有位置，逐步測量完各個(gè)位置的氣體流速和NOx、NH3濃度，計(jì)算出每個(gè)測量位置的NOx質(zhì)量流量、流場分布均勻性及氨分布均勻性。

3.2.2 間接檢測方法

在SCR催化劑性能大致清楚的情況下，也可以采用間接法測試后處理催化器總成（EGP）流場均勻性。這個(gè)測試方法的依據(jù)是保證尿素溶液與排氣混合均勻，選取催化劑轉(zhuǎn)化效率最高的溫度和空速，測量經(jīng)過排氣凈化消聲器之后NOx的轉(zhuǎn)化效率及氨泄漏。若后處理催化器總成（EGP）整體效率接近或達(dá)到催化劑的最大效率，則流場均勻性正常，若兩者轉(zhuǎn)化效率相差極大，則說明流場均勻性存在問題。此方法簡單易行，但要根據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，而且不能評估載體表面的流場具體分布情況。

3.3 混合器的抗結(jié)晶能力驗(yàn)證

混合器結(jié)晶是終端客戶最為常見的故障之一，嚴(yán)重影響終端客戶的用車感受。為了驗(yàn)證Urea_SCR混合器的抗結(jié)晶能力，模擬實(shí)際整車運(yùn)行條件尤其是易出現(xiàn)結(jié)晶的運(yùn)行工況，故選取柴油機(jī)的城市工況（兩個(gè)工況點(diǎn)）和非城市工況（兩個(gè)工況點(diǎn)）作為測試條件，每個(gè)工況進(jìn)行3小時(shí)，完后拆解混合器并進(jìn)行稱量結(jié)晶重量，要求：城市兩個(gè)工況點(diǎn)的尿素結(jié)晶量之和小于10g，非城市兩個(gè)工況點(diǎn)的尿素結(jié)晶量之和小于8g，噴嘴座孔內(nèi)部（除噴嘴頭部）不能出現(xiàn)結(jié)晶。

在測試過程中，使用設(shè)計(jì)匹配的尿素泵和尿素噴嘴，尿素噴射量使用電控軟件強(qiáng)制手動(dòng)噴射。每個(gè)工況點(diǎn)運(yùn)行3h后拆檢檢查結(jié)晶情況，如果實(shí)際排氣流量和排氣溫度無法協(xié)調(diào)，可以妥協(xié)調(diào)整排氣流量的設(shè)定值，但是偏差不能超過10%。

4 ?臺(tái)架驗(yàn)證

在某型國六四缸發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對該型Urea_SCR高效混合器實(shí)際性能進(jìn)行驗(yàn)證，確保最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用效果，該型發(fā)動(dòng)機(jī)信息如表2所示。

根據(jù)整車布置的邊界信息搭建發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理臺(tái)架，見圖4所示。確保發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和后處理控制系統(tǒng)正常工作，分別驗(yàn)證Urea_SCR高效混合器壓降、SCR效率和氨泄漏、混合器抗結(jié)晶能力等。

4.1 混合器壓降測試

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況點(diǎn)及對應(yīng)廢氣流量和排溫下，在混合器和催化器總成（EGP）兩端設(shè)置有壓力傳感器，根據(jù)兩者數(shù)值的差異確定此工況下混合器的背壓及對應(yīng)催化器總成的壓降，如表3所示。

定義的催化器總成壓降的工程目標(biāo)小于30kPa，實(shí)測結(jié)果為26.7kPa，此時(shí)的混合器壓降為7.7kPa，滿足要求。

4.2 SCR效率和氨泄漏

在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行和尿素噴射系統(tǒng)精準(zhǔn)噴射的前提下，SCR催化劑對氮氧化物的轉(zhuǎn)化效率和尾排氨泄漏可以從側(cè)面說明Urea_SCR混合器的均勻性設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)，即：間接檢測方法。測試工況選取額定工況點(diǎn)，理論氨氮比 從0.6逐漸增加到1.1，測試每個(gè)噴射量下的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化效率和氨泄漏量，如圖5所示。

由圖5可以看出，根據(jù)理論氨氮比設(shè)定的尿素噴射量和SCR轉(zhuǎn)化效率基本接近，同時(shí)尾排氨泄漏均在較低范圍內(nèi)（10ppm以內(nèi)），可見在Urea_SCR高效混合器作用下，尿素水解后的氨氣得到快速反應(yīng)和高效利用，流場均勻性和氨分布均勻性較為合理。為了確保試驗(yàn)更有代表性，實(shí)際測試時(shí)也可多選取幾個(gè)工況，如最大扭矩、怠速滿負(fù)荷等工況點(diǎn)進(jìn)行類似試驗(yàn)。

4.3 混合器抗結(jié)晶測試

為了模擬整車實(shí)際運(yùn)行工況下混合器的抗結(jié)晶能力，分別選取城市工況和非城市工況各兩個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行臺(tái)架測試，具體工況點(diǎn)信息及測試結(jié)果如表4和圖6所示。

從測試后拆卸的混合器照片可以看出，Urea_SCR高效混合器表面未出現(xiàn)明顯的結(jié)晶、結(jié)石現(xiàn)象，實(shí)測的增重主要是測量誤差和拆卸引起的墊片等碎屑導(dǎo)致，可以忽略不計(jì)，可以判斷該型混合器抗結(jié)晶能力良好。

5 ?結(jié)論

本文介紹了A型Urea_SCR混合器的結(jié)構(gòu)與工作原理，明確混合器性能驗(yàn)證的必要性并設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)的性能驗(yàn)證方法，按照這種方法基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架對混合器進(jìn)行性能驗(yàn)證，明確了混合器性能驗(yàn)證的實(shí)踐方法和選型依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]NOVAI， TRONCONIE. Urea-SCR technology for deNOx after treatment of diesel exhausts[M].New York：Springer， 2014：221-232.

[2]江濤，范皖元，宋長青.后處理結(jié)構(gòu)對柴油車尿素結(jié)晶的影響[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2019，9（3）：221-226.

[3]劉軍，王明遠(yuǎn)，周磊，等.基于優(yōu)化尿素液滴蒸發(fā)特性的SCR混合器[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2018，36（4）：332-337.

[4]譚理剛，馮鵬飛，楊樹寶，等.基于CFD的Urea-SCR混合器性能研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2018，39（4）：61-66.

[5]董善舉，王楠.SCR后處理用不銹鋼耐尿素高溫循環(huán)腐蝕性能的研究[J].汽車工藝與材料，2017（5）：41-44.

[6]呂祎強(qiáng).柴油機(jī)Urea-SCR混合器的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.機(jī)電設(shè)備與儀器儀表，2019（5）：41-44.