氣助噴嘴抗結(jié)晶性能試驗研究

顏傳武　陸勝旗　許智強　沈海青

摘 要：尿素噴嘴的性能直接影響SCR后處理系統(tǒng)的工作效率，結(jié)合主機廠制定的SCR計量噴裝置工程規(guī)范，在發(fā)動機臺架上進行了2款氣助噴嘴的抗結(jié)晶性能試驗研究，試驗表明：在發(fā)動機排氣流量為500～800Kg/h、排溫為550℃，尿素泵以100ml/h流量噴射尿素的工況下，試驗噴嘴的抗結(jié)晶性能均滿足要求，同時通過性能對比為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能提升提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：空氣輔助 噴嘴 抗結(jié)晶

選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是一種有效降低柴油車NOx排放的后處理裝置，該技術(shù)是目前最為成熟的NOx后處理技術(shù)[1-2]。尿素的噴射質(zhì)量是SCR技術(shù)降低NOX排放的關(guān)鍵影響因素，而尿素噴射質(zhì)量由尿素噴嘴的性能決定，通過優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)，提高噴嘴霧化以及防結(jié)晶的性能，可以有效的減少噴嘴堵塞的風險，試驗和模擬分析均表明，空氣輔助型的噴嘴噴射霧化效果較好[3]。

提高空氣輔助型噴嘴（氣助噴嘴）的性能是SCR技術(shù)的重要研究領(lǐng)域。胡波在Y型噴嘴的基礎(chǔ)上開發(fā)了幾種不同流道型腔的旋轉(zhuǎn)式氣助噴嘴，并通過試驗對比研究了其霧化特性[4]。周健偉等研究人員[5]通過分析氣助噴嘴的結(jié)晶失效模式，進行了一系列的防結(jié)晶結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，解決了噴嘴因焊縫及母材開裂導致的失效問題。孫樹平等學者為了驗證單泵多噴嘴并聯(lián)的方案能否滿足大功率柴油機的后處理需求，對單泵多噴嘴的各個噴嘴的噴霧性能開展了試驗研究[6]。

為了滿足日益嚴苛的排放法規(guī)，尿素噴嘴的結(jié)構(gòu)及性能還需要持續(xù)不斷的研究與優(yōu)化，從而更好的為各大主機廠進行配套，同時，主機廠會根據(jù)自身發(fā)動機特點、布局及成本等因素綜合考慮來進行SCR系統(tǒng)的選型，其中尿素噴嘴的選型也非常重要，目前來看，氣助噴嘴市場占有率較高，具有較大的研究價值。

1 試驗背景

上階段，針對C型氣助四孔噴嘴開展了研究，完成了利用空氣加熱爐模擬發(fā)動機排氣溫度的噴嘴性能對比試驗[7]，結(jié)果顯示噴嘴的抗結(jié)晶性能與噴孔直徑有密切關(guān)系，在200℃排氣溫度，110kg/h排氣流量條件下，ETC工況及定工況小流量噴射過程中0.3mm孔徑噴嘴的抗結(jié)晶性能稍優(yōu)于0.5mm孔徑噴嘴。

但是由于是模擬的排氣環(huán)境，與發(fā)動機實際工況下的排氣環(huán)境仍存在差別;同時與C型噴嘴同樣具有較好市場表現(xiàn)的噴嘴也不在少數(shù)，為了不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品競爭力，開展不同結(jié)構(gòu)噴嘴的性能對比研究迫在眉睫。

因此，為了更準確的研究氣助噴嘴的抗結(jié)晶性能，在柴油發(fā)動機實際的工況下開展試驗是非常必要的。基于柴油發(fā)動機臺架研究不同噴嘴的抗結(jié)晶性能，為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，性能提升提供依據(jù)，具有較高的實用價值。

本次試驗主要針對C型和D型噴嘴開展研究，如下圖1所示。

兩款噴嘴均具有較好的市場表現(xiàn)，其中C型噴嘴為四孔噴嘴，四孔徑向90度均布;D型噴嘴為三孔噴嘴，三孔與軸向成一定角度且均布，因此，兩款噴嘴在排氣管上的安裝方式有所差異。

2 臺架試驗

2.1 排氣工裝

考慮到兩款噴嘴的安裝方式不同，為了盡可能減少影響因素，保證兩種型號噴嘴在同一工況下完成試驗，研究設(shè)計了排氣工裝，如下圖2（a）所示。

在不改變噴嘴安裝方式的前提下，在排氣工裝上同時安裝兩款噴嘴，且兩款噴嘴距離盡可能近但不影響各自的噴霧形態(tài)，排氣工裝前后各安裝一個溫度傳感器來監(jiān)測排氣溫度。

2.2 試驗臺架

試驗臺架配備的發(fā)動機型號為某國產(chǎn)主機廠的直列6缸四沖程柴油發(fā)動機，額定功率265KW，配套試驗設(shè)備包括發(fā)動機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、尿素噴射系統(tǒng)、尿素噴射上位機、CAN線、排氣溫度傳感器、流量傳感器等，試驗臺架布置如下圖2（b）所示。

2.3 試驗方案

試驗臺架所配套的發(fā)動機的主機廠針對SCR系統(tǒng)制定了柴油發(fā)動機SCR計量噴射裝置工程規(guī)范的企業(yè)標準，其中對于氣助噴嘴的抗結(jié)晶性能提出了明確要求，供應商供貨的氣助噴嘴必須通過該工程規(guī)范里列明的抗結(jié)晶試驗。因此，臺架試驗嚴格按照工程規(guī)范中規(guī)定的試驗要求進行，具體要求為：在發(fā)動機臺架上進行，排氣流量為500～800Kg/h、排溫為550℃，溫度傳感器安裝于噴嘴上游100mm以內(nèi)，噴嘴以正常工作的形式安裝于排氣管上，尿素水溶液流量為100mL/h，連續(xù)試驗2小時。試驗后，噴嘴無尿素結(jié)晶導致的堵塞停噴或者霧化不良、滴漏、射偏現(xiàn)象，噴射量滿足要求即為合格。

按照上述要求，準備2支C型和2支D型噴嘴，開展2輪試驗。每輪試驗均按正常工作形式將兩種噴嘴安裝在排氣工裝上，同步開展抗結(jié)晶試驗，試驗時間2小時。

記錄、對比兩種噴嘴的抗結(jié)晶表現(xiàn)。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗工況滿足要求

兩輪試驗過程中，上位機未出現(xiàn)報錯信息，尿素泵工作一切正常;排溫及流量傳感器采集的數(shù)據(jù)顯示：臺架排氣工裝上兩個排溫傳感器溫度均保持在550～570℃之間，排氣流量500～530kg/h。

3.2 試驗后噴嘴噴孔表面未出現(xiàn)異常情況

試驗后，所有C型和D型噴嘴的噴頭表面由于受到排氣高溫的影響出現(xiàn)發(fā)紅、發(fā)黑情況，噴孔表面沒有發(fā)現(xiàn)尿素殘留及結(jié)晶的情況，噴孔內(nèi)也可見導通，如下圖3所示。

3.3 試驗后噴嘴噴射工作正常

試驗后給各個噴嘴通尿素，檢查堵塞情況，所有C型和D型噴嘴的噴霧狀態(tài)與實驗前狀態(tài)無異，各孔噴霧形態(tài)正常、噴射均勻，無堵塞、無滴漏、無射偏現(xiàn)象，噴嘴工作正常，如下圖4所示。

雖然兩款噴嘴均能滿足試驗要求，但也不能隨意替換使用，考慮到其安裝形式、噴孔數(shù)量及布局等不同，需要結(jié)合發(fā)動機實際情況進行選型。相對來說C型噴嘴的噴霧范圍較D型噴嘴更大，制造成本更低，但是對于排氣管的徑向空間要求較高;D型噴嘴較C型噴嘴的隔熱性能更好，徑向安裝空間要求較小。

綜上，針對上述主機廠的SCR計量噴射裝置工程規(guī)范的要求，本次試驗的C型噴嘴和D型噴嘴的抗結(jié)晶性能均能達標，主機廠可以根據(jù)自身車型、排氣布局、成本要求等因素合理選擇兩種噴嘴型號進行配套。

4 結(jié)語

（1）在發(fā)動機排氣流量為500～800Kg/h，排溫為550℃，尿素泵以100ml/h流量噴射尿素的工況下，C型噴嘴和D型噴嘴的抗結(jié)晶性能均滿足要求，可以配套主機廠進行使用。（2）需要結(jié)合發(fā)動機的實際情況進行選型。C型噴嘴比D型噴嘴在徑向布局、制造成本上更有優(yōu)勢;而D型噴嘴比C型噴嘴在軸向布局、隔熱性能上更有優(yōu)勢。

基金項目：臺州科技職業(yè)學院2020年度校級研究課題：基于柴油發(fā)動機臺架的SCR噴嘴抗結(jié)晶試驗研究（2020ZD006）。

參考文獻：

[1] 帥石金，唐韜，趙彥光等.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[C].2013：283-304.

[2]張紀元. 重型柴油機SCR系統(tǒng)應用技術(shù)研究[D].山東大學，2013.

[3] Hua L，Zhao Y，Hu J，et al. Comparison between airassisted and airless urea spray for diesel SCR system by PDA and CFD[R]. SAE Paper，2012-01-1081.

[4] 胡波.柴油機SCR系統(tǒng)尿素噴嘴噴霧和性能研究[D].上海交通大學，2015.

[5] 周健偉，顏傳武，許智強等.氣助尿素噴嘴防結(jié)晶結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[C].//中國內(nèi)燃機學會第六屆青年學術(shù)年會論文集.2015：104-107.

[6]孫樹平，倪俊芳.單泵多噴嘴并聯(lián)尿素噴射系統(tǒng)實驗研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（22）：54-55.

[7] 顏傳武，陸勝旗，許智強.氣助四孔噴嘴抗結(jié)晶性能對比研究[J/OL].中國科技期刊數(shù)據(jù)庫 工業(yè)A[2020-04-10].