对国六某柴油机SCR尿素结晶的研究

摘 要：本文针对国家第六阶段机动车污染物排放标准商用车市场上普遍出现的尿素结晶问题进行研究，对整车进行实际道路测试，分别对喷射量、雾化水平和选择性还原催化系统（Selective Catalytic Reduction，SCR）混合器结构3个因素进行单项对照试验。试验结果表明，尿素的喷射量越少，雾化的颗粒平均直径越小，排气流场强度越高，能够解决尿素的结晶问题。本研究提高了国六产品投放市场的可靠性，降低了尿素结晶故障率。

关键词：尿素结晶；选择性还原催化；喷射量；雾化水平；混合器结构

中图分类号：X 701" " " " " " " " 文献标志码：A

选择性还原催化系统（Selective Catalytic Reduction，SCR）是电控柴油机满足国家第六阶段机动车污染物排放标准（以下简称“国六”）、降低氮氧污染物的主流系统，使用该系统是目前柴油机国六开发工作最重要的环节，避免实际车用的SCR尿素结晶是研究重点。本文以配套某款国六柴油机商用车的SCR为研究对象，从尿素喷射量、尿素雾化水平和SCR混合器结构设计这3个方面对尿素结晶问题进行研究，解决车辆在实际使用过程中发生的SCR尿素结晶问题。试验结果表明，在日常行驶过程中，尿素结晶减少，SCR氮氧化物的转化效率提高，增强了国六产品投放市场的可靠性，降低了尿素结晶导致的故障率，提高了客户使用满意度，缩减了服务开支。

1 尿素结晶的形成原理

SCR工作反应的基本原理是柴油机燃烧产生的废气随着排气管路流经SCR混合器，与尿素喷嘴喷出的雾状尿素水溶液充分碰撞、混合。在理想的排气温度影响下，尿素水溶液会自行触发热解和水解反应，产生降低氮氧污染物所需的还原剂NH3（氨气）。NH3在SCR载体表面贵金属的催化作用下，有选择地将氮氧化物污染物还原反应为无害的N2（氮气）和H2O（水）。尿素热解、水解反应如公式（1）、公式（2）所示。

CO（NH2）2NH3+HNCO " （1）

HNCO+H2ONH3+CO2 （2）

式中：CO（NH2）2为尿素；HNCO为异氰酸；CO2为二氧化碳。

SCR还原反应如公式（3）、公式（4）所示。

NO+NO2+2NH3 2N2+3H2O" " "（3）

4NO+O2+4NH3 4N2+6H2O" nbsp; " （4）

式中：NO为一氧化氮；NO2为二氧化氮；O2为氧气。

在车辆实际使用过程中，道路工况多变，排温并非恒定，尿素存在热解、水解不充分的情况，未反应完全的尿素与HNCO在150 ℃～200 ℃会反应生成NH（CO）2（NH2）2（缩二脲），NH（CO）2（NH2）2与HNCO在200 ℃～280 ℃会反应生成（HNCO）3（三聚氰酸），HNCO直接快速反应生成（HNCO）3，反应过程如公式（5）～公式（7）所示。

HNCO+CO（NH2）2NH（CO）2（NH2）2" " （5）

NHCO+NH（CO）2（NH2）2NH3+（NHCO）3 （6）

3HNCO（HNCO）3" " " " " " " " "（7）

式中：（HNCO）3为尿素结晶的主要成分，在低温下很难化解。

2 影响因素

2.1 喷射量

尿素喷射量与结晶生成有统计学意义。在满足国六排放的前提下，相同工况点的排放结果不变，喷射量越大，热解和水解反应所需热量越多，尿素反应越不完全，结晶生成的风险越大[1]。尿素喷射控制策略简易模型如图1所示。SCR的控制策略与喷射量的控制和消耗有统计学意义。当电控数据不正确、喷射控制策略不合理时，例如目标氨储存设定过大、氨氮比设定过大、SCR闭环调节不合理以及起喷温度过低等，会增加实际喷射量，增大尿素结晶风险。

2.2 雾化水平

尿素的雾化水平即雾化的颗粒直径大小很大程度地影响了结晶生成。尿素溶液热解和水解的反应时间与雾化颗粒的直径有统计学意义，影响结晶生成。喷嘴的喷孔数目和泵的工作压力与雾化颗粒直径有统计学意义。

随着喷孔数目增加，在控制喷射量和工作压力不变的条件下，喷出的尿素溶液在混合器中分布更均匀，表面积平均粒径、单位体积的表面积以及50% 粒度的颗粒直径分布分别如图2～图4所示，当工作压力为500 kPa～700 kPa时，喷孔多的喷嘴雾化效果更佳，雾化表面积平均粒径更小、单位体积的表面积分布更大，粒度为50% 的颗粒直径分布更小，雾化水平提高，结晶风险降低。当工作压力增大时，在控制喷射量和喷孔数目不变的条件下，尿素溶液喷进混合器的速率加快，雾化效果更好，抑制产生结晶[2]。

2.3 混合器结构

混合器结构的设计是影响尿素结晶的关键因素。混合器的排气流场以及气流强度越大，尿素的雾化颗粒与排气的混合均匀性越高，颗粒与混合器结构、气流的冲击碰撞加快，使反应的尿素颗粒快速蒸发，降低了未反应完全的尿素残留在混合器结构表面、SCR载体内壁上的风险，有效减少了液膜形成，抑制尿素结晶，提升系统的催化转化效率[3]，降低尿素的排放水平。

3 试验研究

3.1 试验设备

基于搭载某款国六柴油机的轻型货车进行试验，车辆配置完整的SCR（如图5所示），主要包括SCR催化器、压力控制泵、喷嘴、相关管路、尿素罐、液位温度品质传感器、排气温度传感器和氮氧传感器等零部件。

3.2 试验方法及标准

基于产品在市场上的使用情况和故障案例，结合企业的试验研究规范，制定以下4种试验方法。1）根据路谱数据分析当车辆运行时后处理器排气温度低、尿素喷射量大的区间，结合日常行驶工况和载重程度，确定发动机在工作中尿素结晶风险较高的工况点。2）固定运行工况，选取空载城市工况，正常驾驶车辆累计1 000 km，要求每3 km停机1次，每次停机30 s，当停机时车速为0 km/h，发动机处于怠速状态。3）停机检查尿素结晶情况，要求在一个再生周期内产生的尿素结晶不影响后处理性能，经过一次后处理的主动再生过程后，结晶能够清理干净。4）分析结果。

3.3 试验内容以及方案

根据理论分析影响因素进行对照试验，分别针对喷射量、雾化水平和混合器结构3个因素，按照第3.2节的方法以及标准单独验证。试验内容见表1。

4 试验结果与分析

4.1 喷射量对结晶的影响

整车空载，按《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（GB 17691—2018）的实际道路行驶测量要求，在城市工况条件下行驶1 000 km，在发动机转速为1 200 r/min～1 600 r/min，行驶车速为15 km/h～35 km/h，SCR温度为190 ℃ ～260 ℃的条件下，将SCR温度在250 ℃以下的氨存储标定降低30%，即喷射量减少30%，尿素结晶对比如图6所示。

SCR氨存储较高，使喷射量较大，SCR饱和，需求热量不足等因素导致尿素溶液不能及时、完全发生热解、水解反应，大部分残留在混合器中以及内壁面上，形成结晶[4]。由图6可知，在较为苛刻的条件下，降低氨存储来降低喷射量，SCR结晶情况得到明显改善。

4.2 雾化水平对结晶的影响

整车空载，以国六要求的城市工况条件行驶1 000 km，发动机转速为1 200 r/min～1 600 r/min，行驶车速为15 km/h～35 km/h，SCR系统喷射压力保持不变，将尿素喷嘴由三孔式更换为六孔式，对比结晶情况，试验结果如图7所示。

由图7可知，当喷嘴的喷孔数目由3个增至6个时，结晶情况明显改善，雾化水平对结晶影响显著。由于雾化的颗粒直径整体缩小，因此其反应的蒸发速率提高，残留在混合器中的液晶数量减少了，结晶量明显减少。

4.3 混合器结构对结晶的影响

整车空载，以国六要求的城市工况条件行驶1 000 km，发动机转速为1 200 r/min～1 600 r/min，行驶车速为15 km/h～35 km/h，优化SCR混合器的结构设计，将孔式挡板旋流混合器（无丝网组件）结构优化为旋流式挡板旋流混合器（带丝网组件）结构，对比结晶情况。混合器结构优化前、优化后对比如图8所示，优化前、优化后结晶情况对比如图9所示。

试验结果表明，在混合器中，旋流挡板式结构气流场强度更高，提高了尿素颗粒的均匀碰撞频率以及冲击强度，使尿素快速蒸发，减少了尿素残留在混合器中并形成结晶的数量。混合器的结构设计对结晶影响显著，优化结构并增加丝网组件能够降低尿素结晶量。

5 结论

对比以上试验结果，得出以下3个结论。1）尿素喷射量越少，结晶的风险越低，在前期台架SCR标定开发阶段，在满足排放要求的基础上，应减少尿素喷射量。2）尿素雾化的颗粒平均直径越小，单位体积的表面积越大，越不容易产生结晶，因此在SCR系统选型阶段，在满足排放要求、节约成本的前提下，应选择雾化更好的尿素喷射系统。3）旋流式挡板的混合器结构能够优化排气流场，降低液膜附着和尿素结晶量，因此当设计混合器结构时，应选择旋流式挡板。

参考文献

[1]莫春兰，莫益添，陈俊红，等.柴油机SCR系统尿素的热分解过程研究[J].燃烧科学与技术，2021，27（1）：16-22.

[2]苏长春.商用车后处理系统尿素结晶问题研究[J].汽车实用技术，2016（10）：223-226.

[3]李江飞，牛雨飞，朱海艳，等.混合器对国六柴油机选择性催化还原系统尿素结晶的影响[J].内燃机工程，2021，42（2）：31-37.

[4]白凤月，温邦耀，白书战.Urea-SCR系统尿素结晶现象分析及解决方案[J].山东大学学报，2017，47（4）：70-76.