后處理結(jié)構(gòu)對柴油車尿素結(jié)晶的影響

江 濤，范皖元，宋長青

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，合肥 230601）

目前，為應(yīng)對我國實施的國五排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，主機廠在柴油機后處理方面大多采用DOC+SCR路線，對于即將實施的“國六a”階段的排放法規(guī)以及2023年1月1日將強制實施的“國六b”排放法規(guī)，柴油車后處理將采用的主流技術(shù)路線為DOC+DPF+SCR。然而，這兩種路線采用的SCR尿素噴射系統(tǒng)中，尿素結(jié)晶問題成為了柴油車后處理開發(fā)過程中亟待解決的難題。

1 結(jié)晶機理

SCR（選擇性催化還原器）是針對氮氧化物污染物的主流技術(shù)，其基本工作原理為：尿素在發(fā)動機高溫尾氣的作用下熱解反應(yīng)產(chǎn)生NH3，NH3在催化器的催化作用下還原尾氣中的NOx，產(chǎn)生N2和H2O。

尿素結(jié)晶是由尿素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的一種粘性物質(zhì)，這種物質(zhì)容易沉積在尾氣管路上，如圖1所示。尿素結(jié)晶的主要產(chǎn)物為三聚氰酸（HNCO）3，尿素?zé)峤膺^程中的中間產(chǎn)物異氰酸HNCO在120～200℃溫度區(qū)間產(chǎn)生縮二 脲NH（CO）2（NH2）2，縮 二 脲 與異氰酸在200～280℃溫度區(qū)間均會產(chǎn)生三聚氰酸，反應(yīng)過程如下。

影響尿素結(jié)晶產(chǎn)生的主要因素有排氣溫度、噴霧粒徑、尿素噴射量以及噴射管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，本文主要針對噴射管路的結(jié)構(gòu)設(shè)計對尿素結(jié)晶的影響進(jìn)行研究。

2 針對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

本研究以某主機廠的某款國五柴油機為試驗樣機，發(fā)動機參數(shù)見表1。以匹配該發(fā)動機的后處理系統(tǒng)為原型，后處理系統(tǒng)包括SCR、DOC及尿素噴射系統(tǒng)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與分析。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

本研究針對后處理結(jié)構(gòu)提供了兩個方面的優(yōu)化方案，分別為混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計了混合器結(jié)構(gòu)，將葉片式混合器優(yōu)化為渦輪式混合器，氣流通過渦輪式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦流，有利于尾氣與尿素水溶液的均勻混合?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

表1 試驗用發(fā)動機主要參數(shù)

圖2 噴射系統(tǒng)示意圖

圖3 混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2 系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為獲得管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化最佳方案，同時考慮整車布置的情況下，對后處理管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3個方案的優(yōu)化對比，以獲得最佳的氣體混合均勻性，方案如下。

方案一：在混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，保持催化器結(jié)構(gòu)不變，尿素噴嘴前移20 mm，受整車布局限制，變更難度最小。

方案二：在混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，DOC向后移動30 mm，SCR向前移動120 mm，受整車布局限制，橫向優(yōu)化達(dá)到極限。

方案三：在混合器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，DOC向后移動80 mm，SCR向前移動70 mm，同時尿素噴嘴高度降低30 mm，在一定橫向優(yōu)化前提下，縮小噴射貫穿距離，3種方案具體變更見表2。

表2 三種方案變更對比

3 模擬分析及試驗驗證

3.1 混合器模擬計算與分析

對葉片式混合器和渦輪式混合器進(jìn)行CFD對比分析， CFD分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩種混合器CFD分析結(jié)果

模擬0.015 s內(nèi)的尿素噴射和氣流通過速度，可以看出渦輪式混合器的尿素噴射通過性較好，顆粒分布均勻，且前后壓差較小，無碰壁現(xiàn)象。

單獨對渦輪式混合器做SMD（索特平均直徑）仿真分析，可以看出混合前尿素噴嘴噴出的尿素水溶液霧化后的噴霧粒徑為120 μm，通過混合器后噴霧粒徑下降至9 μm，混合器性能優(yōu)秀。SMD仿真分析如圖5所示，混合器前后噴霧粒徑變化如圖6所示。

圖5 SMD仿真分析結(jié)果

圖6 混合器前后噴霧粒徑變化

3.2 系統(tǒng)管路模擬計算與分析

在采用渦輪式混合器的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行6 擋80 km/h工況下，方案一、二、三的尿素噴嘴前后、混合器前后截面氣流流速及CFD模型分析?；旌掀骷皣娮炷Ｐ腿鐖D7所示，噴嘴前后氣流流速分析結(jié)果如圖8所示，混合器前后截面氣流流速分析結(jié)果如圖9所示。

圖7 混合器及噴嘴模型

圖8 尿素噴嘴前后截面氣流流速分析結(jié)果

從模擬分析結(jié)果可以看出，方案二的尿素噴嘴前后以及混合前后截面氣流流速明顯優(yōu)于其它兩種方案。尿素噴嘴前氣流集中，易于形成渦流，噴嘴后兩個截面的氣流流速受重力等影響，頂端部分氣流分布較少，混合器前后截面氣流顯示氣流受渦輪影響較小，氣流混合均勻，且通過性優(yōu)于方案一和方案三。

圖9 混合器前后截面氣流流速分析結(jié)果

4 試驗驗證

為驗證方案的有效性，采用整車常用工況6擋80 km/h（臺架工況為：轉(zhuǎn)速2088 r/min，轉(zhuǎn)矩153 Nm），尿素噴射量為138.6 mg/s，氨氮比為0.88，驗證時間為20 h，試驗前后對混合器進(jìn)行稱重，試驗后觀察混合器中的結(jié)晶情況。

4.1 混合器優(yōu)化后驗證結(jié)果

試驗結(jié)果顯示，渦輪式混合器尿素結(jié)晶現(xiàn)象改善明顯，結(jié)晶量由53.4 g降低至18.5 g，說明渦輪式混合器有助于尿素與尾氣的混合，對尿素結(jié)晶的預(yù)防效果顯著，但無法完全消除結(jié)晶，需進(jìn)一步優(yōu)化?；旌掀鲀?yōu)化試驗結(jié)果如圖10所示。

4.2 系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)優(yōu)化后驗證結(jié)果

3個方案的試驗結(jié)果表明，方案二尿素結(jié)晶改善效果最佳，基本達(dá)到了消除結(jié)晶的目的，結(jié)晶量僅為0.3 g，與模擬分析一致，DOC向后移動且SCR向前移動，使氣流通過路徑縮短，氣流流速加快，壓力損失降低，氣流通過性得到加強，且易于形成渦流，也避免了噴射后的尿素水溶液發(fā)生碰壁現(xiàn)象。管路優(yōu)化試驗結(jié)果如圖11所示，結(jié)晶量見表3。

圖11 管路優(yōu)化試驗結(jié)果

表3 不同方案結(jié)晶量

5 結(jié)論

本文對柴油車SCR后處理系統(tǒng)進(jìn)行了兩個方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并通過模擬計算與分析，進(jìn)行了發(fā)動機臺架試驗驗證，在不做其它優(yōu)化的條件下，完全消除了尿素結(jié)晶。