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车用 SCR 系统尿素结晶影响因素分析

时间: 2019-11-27 来源:中国车用尿素网

车用 SCR 系统尿素结晶影响因素分析及研究

随着国家排放法规不断加严,发动机排放开发难度越来越大。SCR 技术是目前商用车满足国Ⅳ、国Ⅴ及未来国Ⅵ排放开发的主要技术。逐步加严的排放法规对 SCR 系统提出了

极高的要求,其中如何避免尿素结晶一直是研究的重点。理论上尿素水溶液喷入排气管中,经过蒸发、热解生成 NH3(氨气)和 HNCO(异氰酸),HNCO 在催化剂表面发生水解反

应生成 NH3 CO2。但实际上,HNCO 在低于 300℃时,很难完全转化成 NH3,那么 HNCO 就有可能发生一系列的副反应,生成三聚氰酸((HNCO)3)等沉积物,这就是尿素结晶的主要成分。 本文以某型轻型商用车 SCR 系统为研究对象,通过优化管路结构设计、尿素雾化性能、尿素喷射量,研究这些因素对尿素结晶的影响。通过对比验证这些措施效果,对解决SCR系统尿素结晶有一定的指导作用。

1 结晶成因

从喷嘴喷入排气管内的尿素水溶液,首先吸收废气中热量蒸发脱水,尿素水溶液由液态脱水成固态分子。其次在高温废气中,尿素吸热发生热解反应,生成 HNCO NH32)。最后 HNCO 在催化剂的作用下发生水解化学反应,生成 NH3 CO

2

NH2-CO-NH2()NH2-CO-NH2()+H2O() 1

NH2-CO-NH2NH3+HNCO 2

HNCO+H2ONH3+CO2 3

但是在尿素热解、水解不充分的时候,也可能产生中间产物,如在 150~200℃区间尿素和异氰酸反应生成缩二脲。在 200~280℃缩二脲和异氰酸反应生成三聚氰酸和

氨气,或者异氰酸也可以直接快速缩合成三聚氰酸,缩二脲和三聚氰酸在低温下很难分解,其中三聚氰酸就是尿素结晶的主要成分。

HNCO+CO(NH2)2NH(CO)2(NH2)2 4

HNCO+NH(CO)2(NH2)2(HNCO)3+NH3 5

3HNCO (HNCO)3 6

尿素喷出后先发生水解,在排气温度较低的情况下,尿素热解水解速度较慢,这样部分尿素在没有水解的情况下直接喷到混合器上,容易形成液膜,液膜蒸发吸热导致混合器温度进一步降低,逐渐出现尿素结晶。结晶的存在使尿素喷在其表面,便有可能发生(4~6)的化学反应生成缩二脲和三聚氰酸。缩二脲在排温高于 200℃时会发生分解,而三聚氰酸在排温高于 350℃时才会分解,而轻型商用车排温很难达到 350℃以上,由此可以确定,混合器上的结晶是由缩二脲和异氰酸反应生成难以分解的异氰酸或者是异氰酸在高温下直接聚合为三聚氰酸。

2 影响因素分析

2.1 混合管路

混合管路的角度设计是影响尿素结晶的重要因素。目前存在两种不同的混合管路设计方式,一种是倾斜喷射,即喷雾方向与混合器成一定锥角;另一种是垂直喷射,即喷雾方向与混合混合器垂直。 倾斜喷射靠近上部的喷束和混合器接触面积小,混合器上部单位面积内的尿素量多,容易形成结晶;垂直喷射每一束喷雾在混合器上的接触面积相同,单位面积内的尿素量相对较少,结晶风险小。倾斜喷射靠近上部的喷雾贯穿距离较靠下位置短,上面喷束与混合器接触间隔短,容易形成结晶;垂直喷射的每一束喷雾到混合器的贯穿距相同,且与混合器接触间隔长,结晶风险小。本文利用 AVL-Fire 软件对 SCR系统进行 NH3均匀性分析。

2.2 尿素雾化性能

喷雾粒径的分布对结晶有很大的影响,特别是大粒径的数量,决定水解和热解的时间,决定是否会产生结晶。其中对喷雾粒径影响较大的两个因素是喷孔数目和喷射压力。 喷孔数目增加时,喷射量不变的前提下氨气总的浓度不变,但是液滴的分布更加分散,那么还原剂氨气在尾气中的分布也更为均匀,结晶风险也相对较小。喷射压力增大时,喷射量不变的前提下喷射速度变快,液滴的粒径会变小,下面分别对比 3 5bar6 5bar3 9bar6 9bar 四种不同喷孔数目和喷射压力下的喷雾粒径分布,对比结果表明:喷孔数目越多,喷射压力越大,喷雾粒径越小,尿素雾化性能越好。

2.3 喷射量

尿素喷射量对结晶有很大的影响,在保证排放结果不变的情况下,相同工况点尿素喷设量越大,需要热解和水解的热量越多,相应的结晶风险也就越大。

3 试验装置及内容

3.1 试验装置

尿素结晶试验总体布置如图 5 所示,试验台架主要包括一台国五柴油发动机、SCR 后处理系统、发动机燃油供给及油耗测量系统、测功机及控制系统、排放测试系统等。试验

用发动机主要参数见表 1

4 试验结果与分析

4.1 混合管路设计对结晶的影响

通过优化混合管路的角度,加大混合器处的流场及气流强度,使每一束喷雾在混合器上的接触面积相同,尿素和混合器的均匀的碰撞和气流冲击,使得尿素快速的蒸发,降低残留的混合器上的尿素质量。

4.2 雾化性能对结晶的影响

通过调整尿素喷射系统中尿素喷嘴的喷孔数目和喷射压力来调整喷雾直径,考察了不同喷雾直径对尿素结晶的影响,分别对比 3 5bar6 5bar3 9bar6 9bar 四种结晶情况。试验结果表明:尿素平均喷雾直径对结晶影响显著。当尿素平均喷雾直径降低 16%,相同的试验工况相同的试验时间尿素结晶的量降低 80%。尿素平均喷雾直径降低、喷雾分布均匀、最大喷雾直径降低使得相同时间内混合器上的尿素水溶液的蒸发速度加快,相同时间内残留在混合器上的尿素水溶液降低,故结晶的量降低。

4.3 喷射量对结晶的影响

调整发动机工况,发动机转速 2000rpm、扭矩 180Nm,发动机排温 260℃、排气流量 280kg/h。通过标定软件 INCA调整尿素喷射量,考察喷射量对尿素结晶的影响,该工况尿

素喷射量由 167mg/s 降低到 120mg/s。试验结果表明:尿素喷射量对结晶影响显著。当尿素喷射量降低 28%,相同的试验工况相同的试验时间尿素结晶的量降低 70%。尿素喷射量降低相同时间内喷射到混合器上的尿素水溶液的质量降低,尿素水溶液蒸发的速度相同,相同时间内残留在混合器上的尿素水溶液降低,故结晶的量降低。

5 结论

1)改善混合管路的角度设计同时改善尿素结晶,在封装结构设计时重点关注;

2)喷雾粒径越小越不容易结晶,在喷射系统选型时选择喷雾粒径小的喷射系统;

3)尿素喷射量越小越不容易结晶,排放标定阶段在满足排放的条件下尽量降低尿素喷射量。

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