王建東, 譚治學(xué), 李云剛,王佳興, 楊新達(dá)
1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261061; 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司 發(fā)動(dòng)機(jī)研究院,山東 濰坊 261061
選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)是柴油機(jī)滿足國(guó)六排放的主要技術(shù),國(guó)六排放要求SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%,這對(duì)SCR的硬件和催化劑配方提出了較高的要求。SCR硬件設(shè)計(jì)的核心是混合器設(shè)計(jì),通過使還原劑與廢氣混合的更加均勻,提高還原劑的水解率及利用率[1]。
尿素((NH2)2CO)作為SCR還原劑時(shí),柴油機(jī)運(yùn)行過程中最嚴(yán)重的問題是尿素結(jié)晶[2-3]。尿素結(jié)晶使SCR轉(zhuǎn)化效率降低,嚴(yán)重時(shí)造成排氣管堵塞,不僅影響使用,還可能導(dǎo)致后處理系統(tǒng)報(bào)廢。尿素結(jié)晶嚴(yán)重影響車輛的排放性能,導(dǎo)致尿素噴射控制模型失準(zhǔn)、尿素噴霧與廢氣的混合均勻性變差、尾氣中NOx和NH3排放超標(biāo)。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,必須控制尿素結(jié)晶。
國(guó)內(nèi)外對(duì)商用車后處理系統(tǒng)尿素結(jié)晶進(jìn)行了大量的研究[4-9],目前研究主要分為3類:1)研究尿素結(jié)晶的化學(xué)成分和生成、分解機(jī)理;2)研究水解器(包含尿素噴嘴、混合器、排氣管路)結(jié)構(gòu)對(duì)氣體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壁面溫度以及結(jié)晶故障率的影響規(guī)律;3)研究通過電加熱噴嘴、尿素添加劑等避免系統(tǒng)結(jié)晶。第1類研究能夠幫助設(shè)計(jì)人員清晰地了解結(jié)晶邊界條件,為抗結(jié)晶技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ);第2類研究揭示了后處理結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)晶量以及結(jié)晶成分的影響規(guī)律,對(duì)后處理結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有重要指導(dǎo)意義;第3類研究屬于創(chuàng)新性較強(qiáng)的探索類研究,可視為熱管理措施和結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施皆收效不佳時(shí)的備選方案。
本文中將尿素的結(jié)晶機(jī)理與影響結(jié)晶的關(guān)鍵因素對(duì)結(jié)晶的影響規(guī)律相結(jié)合,搭建基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的控制策略模型,建立可行的關(guān)鍵參數(shù)標(biāo)定方法,預(yù)測(cè)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn),針對(duì)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)提出合理的解決方案,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的有效性。
目前商用車混合器普遍采用多孔管、旋流片結(jié)構(gòu),尿素液滴碰撞到混合器壁面時(shí)產(chǎn)生管內(nèi)濕壁現(xiàn)象,連續(xù)不斷的液滴碰撞導(dǎo)致該區(qū)域壁面溫度大幅度降低,最終在管壁上形成一層液膜,在排氣氣流作用下,一部分蒸發(fā)分解,一部分在壁面上形成結(jié)晶沉積。
從尿素噴射到釋放出NH3的過程中,大體經(jīng)歷5個(gè)反應(yīng)階段[10-11]。
1)135~152 ℃時(shí),尿素僅熔融而不分解。
2)152~192 ℃時(shí),尿素開始分解并生成異氰酸(HNCO),而異氰酸會(huì)與尿素反應(yīng)生成縮二脲(N3H5(CO)2),并開始生成三聚氰酸(N3H3(CO)3),主要的化學(xué)式如下:
(NH2)2CO→NH3+HNCO,
(NH2)2CO+HNCO→N3H5(CO)2,
N3H5(CO)2+HNCO→N3H3(CO)3+NH3。
3)192~250 ℃時(shí),縮二脲會(huì)開始分解并且釋放出異氰酸,此時(shí)異氰酸濃度較高并產(chǎn)生大量三聚氰酸,化學(xué)式如下:
N3H5(CO)2→(NH2)2CO+HNCO,
3HNCO→N3H3(CO)3+NH3。
4)250~320 ℃時(shí),生成的反應(yīng)物比較穩(wěn)定,此時(shí)三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺(C3N3(OH)2NH2)、三聚氰酸二酰胺(C3N3OH(NH2)2)、三聚氰胺(C3N3(NH2)3)、以及異氰酸環(huán)化導(dǎo)致的低聚態(tài)、高聚態(tài)反應(yīng)物開始緩慢生成,主要的化學(xué)式如下:
2HNCO+(NH2)2CO→C3N3(OH)2NH2+H2O,
N3H3(CO)3+NH3→C3N3(OH)2NH2+H2O,
2N3H5(CO)2→C3N3(OH)2NH2+NH3+HNCO+H2O,
C3N3(OH)2NH2+NH3→C3N3OH(NH2)2+H2O,
C3N3OH(NH2)2+NH3→C3N3(NH2)3+H2O。
5)320~350 ℃時(shí),三聚氰酸的分解速度開始加快,又會(huì)釋放出較多氨氣。當(dāng)溫度升至410 ℃和435 ℃時(shí),三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺開始分解。主要的化學(xué)式如下:
N3H3(CO)3→3HNCO,
HNCO+H2O→NH3+CO2。
尿素的分解及副反應(yīng)過程如圖1所示。
圖1 尿素的分解過程及副反應(yīng)圖
尿素的分解過程比較復(fù)雜,反應(yīng)生成物對(duì)反應(yīng)溫度、氣態(tài)生成物濃度、停留時(shí)間、水蒸氣濃度、氣體流量等非常敏感。
尿素結(jié)晶成分按照物質(zhì)的分解溫度分為軟結(jié)晶(主要是尿素縮二脲為主,分解溫度較低)和硬結(jié)晶(以三聚氰酸等為主,分解溫度較高)。在柴油機(jī)的大部分工況條件下,沉積物為軟、硬結(jié)晶共存的混合物。
基于結(jié)晶的生成機(jī)理,可將尿素的噴射落點(diǎn)、尿素著壁量、壁面換熱條件、壁面的流速等影響結(jié)晶的基本因素進(jìn)一步簡(jiǎn)化為廢氣的溫度、流量、尿素噴射量及硬件因素。
結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域決定了不同溫度和流量下尿素允許的最大噴射量,即允許的最大碰壁量,簡(jiǎn)稱為結(jié)晶邊界。結(jié)晶邊界是混合器固有屬性,表征了其抵抗結(jié)晶生成的能力。
廢氣的溫度、流量、尿素噴射取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況及廢氣的熱管理能力,而結(jié)晶邊界由噴射系統(tǒng)及混合器共同決定。本文中將排溫、流量、噴射量作為控制變量,將結(jié)晶物理過程抽象為附壁、液膜積累及蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)過程3個(gè)順序步驟,達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)混合器結(jié)晶量(軟硬結(jié)晶)和結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的目的。
噴射系統(tǒng)分為空氣輔助噴射系統(tǒng)和無空氣輔助噴射系統(tǒng),本文中試驗(yàn)均采用無空氣輔助噴射系統(tǒng)。
圖2 噴霧碰壁和結(jié)晶生成過程
尿素結(jié)晶經(jīng)歷了液滴蒸發(fā)、尿素沉積與軟硬結(jié)晶的分解3個(gè)過程,噴霧碰壁和結(jié)晶生成過程如圖2所示。
當(dāng)尿素溶液以噴霧的形式進(jìn)入混合器時(shí),部分液滴直接與排氣接觸、換熱,蒸發(fā)和熱解為氨和水蒸氣;部分液滴與壁面接觸,形成液膜。液膜被氣流吹掃并產(chǎn)生遷移,期間經(jīng)歷復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),最終在下游區(qū)域形成結(jié)晶。
尿素從噴霧到結(jié)晶形成過程如圖3所示??煞譃?個(gè)關(guān)鍵過程:蒸發(fā)、附壁、尿素蒸發(fā)及熱解、軟結(jié)晶生成及分解、硬結(jié)晶生成及分解。
圖3 結(jié)晶形成的關(guān)鍵過程
圖4 模型建立流程
以上各個(gè)步驟包含相應(yīng)輸入輸出變量以及熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)方程,依據(jù)軟硬結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重,獲得最終的風(fēng)險(xiǎn)因子。整個(gè)模型關(guān)鍵部分的構(gòu)建如圖4所示。鑒于尿素采用間歇性噴射的方式,結(jié)晶量計(jì)算過程采用代數(shù)方程進(jìn)行計(jì)算。
2.2.1 噴霧過程中的蒸發(fā)、碰壁
尿素水溶液在碰壁前的噴霧蒸發(fā)分解以及與尾氣的混合過程十分復(fù)雜,噴嘴的噴孔數(shù)、噴射壓力、噴射周期等直接影響噴霧的形態(tài)和液滴粒徑分布。一般來說,相同條件噴霧液滴粒徑越小,噴霧蒸發(fā)分解越快。
混合器的設(shè)計(jì)應(yīng)在提高效率的前提下,盡可能的減少尿素碰壁后的附壁率。
尿素噴射過程中,部分尿素在飛行過程中蒸發(fā),因此到達(dá)混合器壁面的尿素量
(1)
尿素在到達(dá)混合器壁面后,部分尿素碰壁反彈或飛濺破碎,只有一部分的溶液會(huì)殘留在混合器表面,故第k個(gè)時(shí)刻的壁面尿素溶液的質(zhì)量
(2)
2.2.2 尿素蒸發(fā)及熱解
附著到混合器壁面沒有反彈的尿素水溶液形成液膜,液膜蒸發(fā)過程中伴隨著尿素蒸發(fā)及熱解。
假設(shè)壁面的尿素溶液在水分完全蒸發(fā)前,尿素蒸發(fā)比率較小。計(jì)算壁面水分的含量是計(jì)算尿素變化趨勢(shì)的前提,第k個(gè)時(shí)刻壁面水分的質(zhì)量
(3)
式中v為水分蒸發(fā)速率的函數(shù)。
2.2.3 軟結(jié)晶的生成及分解
軟結(jié)晶通常指未熱解的尿素及尿素與異氰酸所生成的縮二脲,軟結(jié)晶在自身蒸發(fā)的過程中,一部分會(huì)轉(zhuǎn)化為硬結(jié)晶,第k個(gè)時(shí)刻壁面的軟結(jié)晶的質(zhì)量
(3)
式中:η為水分存在的情況下結(jié)晶參與反應(yīng)比率的函數(shù),K為軟結(jié)晶的反應(yīng)速率,K=A1exp(Eu,1/(-RTw))+A2exp(Eu,2/(-RTw)),其中A1為軟結(jié)晶轉(zhuǎn)化為硬結(jié)晶的Arrhenius方程的指前因子(反應(yīng)頻次),Eu,1為該反應(yīng)的活化能,A2為軟結(jié)晶自身分解反應(yīng)的指前因子,Eu,2為對(duì)應(yīng)的活化能,R為氣態(tài)常數(shù)。
2.2.4 硬結(jié)晶的生成及分解
硬結(jié)晶定義為三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺、三聚氰胺、縮三脲、雷酸之類的混合物,其會(huì)在較高溫度下緩慢分解。第k個(gè)時(shí)刻壁面的軟結(jié)晶的質(zhì)量
(5)
式中:J為硬結(jié)晶的反應(yīng)速率,J=A3exp(Ec/(-RTw)),其中A3為軟結(jié)晶自身分解反應(yīng)的指前因子,Ec為對(duì)應(yīng)的活化能。
2.3.1 模型的搭建
基于上節(jié)的經(jīng)驗(yàn)及理論公式,通過MATLAB軟件進(jìn)行控制策略建模構(gòu)建3個(gè)計(jì)算模塊,并定義各模塊之間關(guān)鍵輸入輸出量,如圖5所示。
2.3.2 基于硬件特性的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵參數(shù)試驗(yàn)研究
通過定量試驗(yàn)獲取需要的關(guān)鍵參數(shù),通過經(jīng)驗(yàn)獲得某些參數(shù)初始邊界,然后通過試驗(yàn)驗(yàn)證并進(jìn)行數(shù)據(jù)微調(diào)。
研究發(fā)現(xiàn),利用仿真軟件可以模擬計(jì)算尿素液滴從噴射到蒸發(fā)熱解的整個(gè)過程,但只能預(yù)測(cè)穩(wěn)態(tài)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,指導(dǎo)改進(jìn)結(jié)構(gòu),無法進(jìn)行量化和評(píng)估實(shí)際應(yīng)用過程中的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)測(cè)模型的參數(shù)與硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān),本文中通過仿真獲取風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,結(jié)合結(jié)晶規(guī)律及特性穩(wěn)態(tài)試驗(yàn),獲得初始的關(guān)鍵標(biāo)定參數(shù)。圖6為搭建的試驗(yàn)裝置,包括可以控制溫度和流量的裝置、后處理裝置、整個(gè)尿素噴射系統(tǒng)、ECU控制器,試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)廢氣溫度、廢氣流量、尿素噴射的任意組合。壁面溫度傳感器獲取結(jié)晶區(qū)域的溫度場(chǎng),作為溫度模型的重要輸入,建立壁面溫度與結(jié)晶的規(guī)律,獲得不同溫度流量下的結(jié)晶邊界。
大量的研究表明,通過提高噴射壓力、增加空氣輔助可以有效改善霧化質(zhì)量,加速液滴的蒸發(fā),提高硬件的抗結(jié)晶能力[12-13]。本文中在6孔噴嘴的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的研究。
后處理結(jié)晶邊界如圖7所示(圖中流量1~4分別為300、600、1000、1200 kg/h)。由圖7可知:隨著溫度和流量的增加,結(jié)晶邊界也在提高。當(dāng)廢氣溫度小于某一溫度閾值及廢氣流量較小時(shí),結(jié)晶邊界差別不大,說明此時(shí)壁面溫度和廢氣流量是影響結(jié)晶邊界的主要因素,不同尿素噴射系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)都比較高。結(jié)晶邊界隨壁面溫度和廢氣流量的升高增加顯著。液滴在較高的壁面溫度和高的流速作用下,蒸發(fā)明顯加快,液膜剝離速度加快,設(shè)定較小的噴射量很難在混合器上觀察到殘留結(jié)晶物質(zhì);但當(dāng)增加到一定的噴射量,達(dá)到結(jié)晶邊界時(shí),結(jié)晶必然會(huì)發(fā)生。因此,尿素噴射量的閾值必須加以控制,即不能超過結(jié)晶邊界,否則會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶。
混合器壁面分為非結(jié)晶區(qū)、固體結(jié)晶區(qū)、液態(tài)區(qū)3個(gè)區(qū)域,如圖8所示。各個(gè)區(qū)域的水分積累及蒸發(fā)速率、尿素積累及分解速率都不相同,尿素向三聚氰酸的轉(zhuǎn)化速率和三聚氰酸的分解速率也不相同。
圖7 后處理結(jié)晶邊界示意圖 圖8 混合器壁面干濕狀態(tài)區(qū)域劃分示意圖
綜上所述,尿素結(jié)晶邊界可以區(qū)分不同排氣管壁面溫度及廢氣流量條件下尿素噴射量與形成結(jié)晶之間的閾值關(guān)系,超過該值則會(huì)生成可視結(jié)晶。
圖9 結(jié)晶計(jì)算示意圖
2.3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)描述
結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)由模型計(jì)算的軟結(jié)晶和硬結(jié)晶加權(quán)計(jì)算表征,如圖9所示。
整車運(yùn)行過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制系統(tǒng)要確保尾排滿足國(guó)六整車排放法規(guī)要求。尿素是持續(xù)噴射的,隨著工況的不同,基于廢氣溫度和流量下的噴射量是時(shí)刻變化的,每個(gè)時(shí)刻的噴射量取決于排放控制要求,根據(jù)所搭建的模型計(jì)算結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。
基于市場(chǎng)數(shù)據(jù)獲得的容易結(jié)晶的苛刻循環(huán)及典型循環(huán)進(jìn)行臺(tái)架和整車的預(yù)測(cè)。結(jié)果表明預(yù)測(cè)結(jié)果精度良好,能夠及時(shí)反映結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)結(jié)合熱管理,可以在合適的時(shí)刻消除結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn),保證后處理的正常工作。
試驗(yàn)的某重型柴油機(jī)和尿素噴射系統(tǒng)參數(shù)如表1、2所示,選定的典型運(yùn)行工況如表3所示,按照2.3.2節(jié)所述的方法,進(jìn)行尿素結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、結(jié)晶評(píng)估及試驗(yàn)驗(yàn)證。
表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
表2 SCR系統(tǒng)參數(shù) 表3 試驗(yàn)工況SCR溫度 ℃
圖10 基于結(jié)晶邊界的萬有碰壁量風(fēng)險(xiǎn)分析圖
選擇匹配該后處理的某一款國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī),結(jié)合結(jié)晶邊界分析萬有數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)?;诮Y(jié)晶邊界的萬有碰壁量風(fēng)險(xiǎn)分析如圖10所示(圖中標(biāo)尺單位為mg/s)。由圖10可知,存在高、低、無(分別對(duì)應(yīng)高于邊界,邊界附近,低于邊界)3種結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。
選取軟結(jié)晶為主、軟硬結(jié)晶共存、硬結(jié)晶為主3種工況進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。不同工況下的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證如圖11所示,其中溫度為210 ℃、230 ℃工況各進(jìn)行10 h;300 ℃工況進(jìn)行4個(gè)噴射量的驗(yàn)證(在結(jié)晶邊界的基礎(chǔ)上依次增大10%、15%、20%、30%),各運(yùn)行2 h。由圖11可知,不同工況下結(jié)晶差異較大,隨著高于邊界的程度不同,呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。軟硬結(jié)晶的風(fēng)險(xiǎn)也不同,需求的熱管理清除條件差異較大。其中軟結(jié)晶量雖大,但是需求的結(jié)晶清除條件同硬結(jié)晶相比,差異較大。以圖中為例,軟結(jié)晶的清除條件為溫度高于350 ℃并且時(shí)間持續(xù)至少10 min,而硬結(jié)晶需要的條件為溫度高于420 ℃且時(shí)間持續(xù)至少20 min。
圖11 不同工況下的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)驗(yàn)證
結(jié)合市場(chǎng)車輛樣本,提取基于市場(chǎng)數(shù)據(jù)的苛刻路普(圖12)及典型路普進(jìn)行道路循環(huán)驗(yàn)證。結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的模型預(yù)測(cè)如圖13所示,結(jié)晶實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)如圖14所示。
圖12 某重型卡車苛刻路普?qǐng)D 圖13 整車道路驗(yàn)證結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)圖
a) 0 b) 150 km c) 350 km d) 500 km e) 650 km f) 800 km g) 1000 km圖14 整車道路驗(yàn)證結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)圖
由圖13、14可知,模型計(jì)算的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)與實(shí)際查看的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)吻合度較高,能夠?qū)崟r(shí)反映出結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)。
1)基于結(jié)晶形成過程,提出結(jié)合試驗(yàn)及理論計(jì)算的預(yù)測(cè)結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)的方法。
2)提出結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)分為軟硬結(jié)晶,結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)依據(jù)于兩種類型的結(jié)晶,為后續(xù)清理結(jié)晶的熱管理選擇方式提供指導(dǎo)。
3)結(jié)合預(yù)測(cè)模型,通過穩(wěn)態(tài)及循環(huán)修正關(guān)鍵參數(shù),最后結(jié)合整車道路驗(yàn)證,模型風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與實(shí)際的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)吻合度良好。