柴油车SCR尿素喷嘴清洗剂的研制

李海平，刘泉山，谢建海

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

随着国Ⅴ排放法规的实施，Urea-SCR(尿素-选择性催化还原)技术在车用柴油机上得到越来越广泛的应用，但该技术在应用中也存在一些问题，如尿素结晶、结石。调研发现，SCR系统的不同部位均可能出现结晶，比如尿素泵、尿素喷嘴、排气管壁、催化剂表面等。随着尿素沉积物的积累，排气背压升高，导致发动机经济性变差，严重时会堵塞排气管，使发动机无法正常工作。

由于SCR后处理系统产生的沉积物经过多重反应，成分复杂、组成较稳定。目前发动机厂、整车厂、SCR系统厂家等对SCR后处理系统沉积物堵塞故障采取的办法都是直接更换堵塞部件，并且更换后的堵塞部件大部分直接报废，无有效的再生处理方法，造成较大的经济损失及资源浪费。因此，市场急需一种高效的清洗剂，对SCR后处理系统沉积物进行定期清洗和再生保养，除去沉积物，从而延长SCR后处理系统使用寿命、增加发动机动力、降低油耗并达到排放法规要求，减少更换SCR后处理系统造成的经济损失。

1 SCR喷嘴沉积物生成机理和沉积物组分性质

在柴油机SCR后处理系统中，尿素水溶液喷入排气管后发生的有效物理化学变化如下：尿素水溶液的雾化与水的蒸发、尿素分解生成氨气和异氰酸(HNCO)以及异氰酸在催化剂表面水解生成氨气，如下列反应式(1)和反应式(2)所示。当排气温度比较低时，尿素水解、热解不充分，会有副反应伴随，如：尿素和异氰酸反应生成缩二脲(反应式(3))，缩二脲和异氰酸反应生成三聚氰酸(反应式(4))，反应式(3)和反应式(4)通常在160℃～190℃发生，在某一临界蒸气压下且温度高于190℃时，三个异氰酸分子也可能直接快速缩合为三聚氰酸(反应式(5))。冯向宇[1]等利用红外光谱仪与热重分析仪对柴油机SCR系统中尿素喷嘴附近和排气管壁两处沉积物进行了分析。结果表明：喷嘴处沉积物的主要成分为尿素、缩二脲和三聚氰酸的混合物，排气管壁处沉积物主要成分为三聚氰酸，这几种化合物的理化性质如表1所示。

表1 沉积物组分的理化性质Table 1 The physical and chemical properties of deposits

SCR喷嘴清洗剂的作用原理就是与沉积物中的尿素、缩二脲、三聚氰酸等进行物理或化学反应，从而将沉积物溶解分散。从表1化合物理化性质可以看出，尿素和缩二脲均易溶于乙醇，三聚氰酸溶于酸和碱液。龚海等[2]研究了溶液酸碱性对三聚氰酸降解率的影响，试验结果表明：酸对三聚氰酸的水解无明显催化作用，而在碱性溶液中，随着pH值的增加，三聚氰酸降解率不断上升。此外，在一篇关于SCR 催化剂的再生方法的专利[3]中，其清洗剂配方中以表面活性剂作为渗透剂，可提高沉积物清洗效率。

2 试验试剂和方法

2.1 试验试剂

试验中所用的试剂均为分析纯，包括：醇胺、无机碱、乙醇、十二烷基硫酸钠、纯水。

2.2 试验方法

试验中所用的理化分析方法如表2所示。

表2 试验方法Table 2 The test method

评价清洗剂性能时，根据SCR系统沉积物生成机理，通过模拟试验方法获得了尿素沉积物。尿素沉积物制备方法为：在规定的试验条件下，先将符合国标GB/T 29518-2013的车用尿素水溶液在搅拌下加热浓缩，再将浓缩后的尿素液装在搪瓷托盘中，置于烘箱中高温烘烤，先170℃下放置1天，然后190℃下放置1天，得到块状固体沉积物。评价清洗剂的清洗性能时，称取定量的沉积物放入烧杯中，将定量的清洗剂倒入烧杯中浸泡，以沉积物溶解时间的长短作为评价清洗剂性能优劣的依据。

3 SCR喷嘴清洗剂的研制

根据文献和专利调研结论，选择醇胺、无机碱、乙醇、十二烷基硫酸钠、纯水为SCR喷嘴清洗剂配方的组分。首先，根据表3所示的质量配比进行了配方考察。

表3 清洗剂配方考察Table 3 Study on the formula of detergent

表4 清洗剂优化配方Table 4 Optimized formulation of detergent

对不同配方的清洗剂溶液pH值和冰点进行了测试，清洗剂溶液的pH值随无机碱浓度的增大而增大，冰点随乙醇浓度增大而降低。评价清洗性能时，将模拟制备的沉积物置于烧杯中，再加入清洗液，然后搅拌，记录沉积物分散、溶解的时间。不同配方下的清洗剂对沉积物溶解时间差异较大，溶解时间的长短主要与无机碱的浓度有关。通过配方优化，以及综合考虑清洗剂产品的性能、成本、安全，以及设备防腐蚀要求，选择表4所示的质量配比作为清洗剂产品的最终配方。

SCR喷嘴清洗剂对模拟方法制备的沉积物作用前后照片如图1所示。从图1可以看出，清洗剂对沉积物具有良好的溶解、分散效果。

图1 清洗剂作用前后对比Fig.1 The contrast before and after treated with detergent

4 SCR喷嘴清洗剂的技术指标

表5 技术指标及考察结果Table 5 The technical indicators and test results

SCR喷嘴清洗剂的主要成分为无机碱、乙醇、表面活性剂等，为保证产品质量，制定了如表5所示的技术指标。采用不同批次的原料调制了三批次清洗剂样品，产品技术指标考察结果如表5所示。从测试结果可以看出，清洗剂产品质量稳定。

5 SCR喷嘴清洗剂的应用试验

研制的SCR喷嘴清洗剂在东风天龙起航版商用车开展了应用试验，试验车辆如图2所示，该车辆采用康明斯SCR后处理系统，已行驶里程为395000 km。车辆出现OBD报警时，显示尿素喷射系统故障。将尿素喷嘴拆卸后发现喷嘴上的管路和喷孔均有沉积物，堵塞严重。出现堵塞是由于车辆停止运行后SCR系统内残留的尿素溶液排空不彻底，导致尿素结晶析出。将研制的SCR喷嘴清洗剂倒入烧杯中，放入该堵塞的喷嘴浸泡，清洗剂作用20min后，喷嘴的尿素管和喷孔变通畅，且没有发现腐蚀现象，清洗前后照片如图2所示。

图2 试验车辆及尿素喷嘴清洗前后对比

Fig.2 The test vehicle and the injector before and after cleaning

6 结论

(1)SCR尿素喷嘴清洗剂具有优越的渗透和溶解性能，可快速渗透并溶解尿素喷嘴沉积物，能有效恢复尿素喷嘴的管路及喷孔。

(2)SCR尿素喷嘴清洗剂在清洗的同时，不会对零部件造成损伤。

(3)SCR尿素喷嘴清洗剂能够满足所制定的技术指标要求。