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SCR尿素结晶风险的评估与预测 共勉 内燃机学报今天  SCR尿素结晶风险的评估与预测 01 引言 选择性催化还原(SCR)技术是柴油机满足国Ⅳ及以上排放法规的一条重要技术路线。使用尿素-SCR后处理的柴油机在运行过程中遇到的最为突出的问题是尿素结晶。其会在尿素喷嘴头部、排气管路内壁及混合器等部位出现不同程度的白色“结石”。尿素结晶会导致排气背压升高、油耗增大以及排放恶化，严重影响发动机排气系统的正常工作，甚至造成发动机的故障限扭、动力不足等。因而需采取有效措施解决尿素结晶问题，降低排气系统的结晶风险，保证发动机的正常使用。 02 尿素结晶机理 尿素结晶实物如图1 所示。通常喷入到排气管中的尿素溶液经过蒸发、热解形成异氰酸(HNCO)和氨气(NH3)，异氰酸再水解生成氨气和CO2。但在较低的反应温度下，尿素分解过程中会伴随着一些副反应，如图2所示。 图1?某车用发动机排气管及其内部结晶实物 图2?尿素分解过程及发生的副反应 在150～190℃下，尿素会生成缩二脲，在190～325℃下会进一步反应生成三聚氰酸、三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺等，在325～350℃下，尿素会生成三聚氰胺。所产生的缩二脲、三聚氰酸和三聚氰胺等固态物质呈白色，均难溶于水，且去除较为困难。对不同温度下生成的尿素结晶进行热重分析可知，该类结晶物在300～400℃之间会快速分解。在420℃以上，残余的少量结晶物分解缓慢，到700℃时才能基本完全分解。总结尿素结晶机理，可得到各个温度区间结晶物质的生成和去除规律，如图3所示。可知温度是关键敏感因素。 图3?不同温度下尿素结晶生成物 03 稳态工况尿素结晶风险预测 尿素结晶过程：图4为喷雾碰壁和结晶生成过程．当上游的排气温度为350℃时，下游的排气管壁面温度约为?250℃，在尿素喷雾的持续碰撞下，碰壁区域温度会降低到130℃以下，所形成的液膜被排气气流吹扫，经历一系列副反应，在喷射区域的下游沉积形成结晶。当尿素溶液以喷雾的形式喷射到排气管内时，大部分液滴直接与排气换热，快速蒸发和热解，但也有一部分液滴会碰撞到排气管内壁上，不断聚集形成液膜。而液膜相比喷雾粒子的蒸发要缓慢的多，在排气气流的作用下，液膜会在排气管内壁面上滑移，形成的结晶物质往往在碰壁区的下游堆积。 图4?喷雾碰壁和结晶生成过程 结晶容许最小碰壁量：液膜本身在不断地受热蒸发消除，但很不完全，会造成部分液膜转变成结晶。研究发现，尿素液滴的碰壁、蒸发以及热解可以进行模拟计算分析。排气气流严重影响尿素喷雾碰壁和结晶物的收集，无法通过发动机台架试验准确测量碰壁、液膜以及结晶生成物。造成模拟计算与结晶之间缺乏经验数据支持，无法评估结晶风险。图?5?为搭建的试验台装置，该试验台由?SCR?尿素喷射系统、恒温加热平台和测控系统等组成。其中，恒温加热平台主要是用于模拟尿素喷雾撞击的排气管壁面，台面温度可设定；喷嘴的喷射频率和喷射点位置与实际保持一致，尿素泵用来调节工作压力。应用该试验平台去除了排气气流的影响，尿素喷射可精确计量控制，确保喷射的尿素均能落到恒温平台上，这样喷射量与碰壁量可以等同关联。调节喷射量就相当于调节碰壁量。碰壁液滴接触到恒温加热平台后，部分会立即蒸发，部分会聚集形成液膜。当恒温加热平台设定在某个温度下，逐渐增加喷射量，会逐渐产生可视的结晶物质。定义观测到可视结晶物质时所设定的最小喷射量为结晶容许的最小碰壁量。 图5试验装置原理示意 该试验装置可以调节喷射压力，得到在不同喷射压力、不同壁面温度下的结晶容许最小碰壁量。图6为结晶容许最小碰壁量与台面温度的关系。随着温度和喷射压力的提升，结晶容许最小碰壁量也逐渐增加。对于喷射系统，当提高喷射压力，尿素喷雾质量有改善作用。压力越高，喷雾粒径越小。通常较小的液滴蒸发速率较快，液膜残留生成的结晶量会较少。当壁面温度超过220℃时，喷雾粒径带来的优势逐渐显现。在同等温度条件下，用较高的压力喷雾碰壁，结晶容许最小碰壁量也较大。因此，提升尿素雾化质量，有助于提升结晶容许的耐受程度，降低结晶风险。 图6?不同喷射压力下结晶容许最小碰壁量和台面温度的关系 当设定壁面温度低于?200 ℃时，不同压力下的结晶容许最小碰壁量差别不大，说明此时壁面温度是制约蒸发速率的主要因素，不同尿素喷射系统产生结晶的风险都比较大。结晶容许最小碰壁量随着壁面温度的升高增加显著。液滴在较高的壁面温度作用下，蒸发明显加快，设定较小的喷射量很难在平台上残留结晶物质；但大于一定的碰壁量，结晶依然发生。因此，碰壁量的阈值需要控制，即不能超过结晶容许的最小碰壁量，否则结晶会产生。综上，尿素结晶容许最小碰壁量可以区分不同排气管壁面温度条件下碰壁量与形成结晶之间的阈值关系，超过该值则会生成可视结晶。尿素结晶表征：笔者研究的尿素喷射系统中，尿素是随时间周期性