适应我国商用车使用特点的SCR技术

二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶形成机理分析：尿素水溶液生成氨气的过程中，会发生一系
列复杂的化学反应。化学反应过程中会生成多种中间产物，如缩二脲、三聚 氰酸等。而附着在排气管路及催化剂表面的尿素结晶在高温下会缩合成缩二 脲、三聚氰酸，甚至会生成三聚氰铵等，在更高温度下也会发生分解，但上 述中间产物分解的速度如果小于形成的速度，则结晶不断积累，增加了尿素 水溶液碰壁的几率，加速了结晶的形成。
不能完全雾化分解，而残留在排气管壁上出现结晶，或者大的液滴到达催化剂表 面仍不能完全分解，在催化剂表面形成结晶。
3. 运行状况：由于运行线路交通复杂，车辆低速行驶，频繁停车，造成发动机运行
负荷低，排气温度低，再加上外界气温低，排气管壁温度低，喷出的尿素不容易 分解，在排气管内壁出现结晶。
4. 控制策略：不合理的尿素喷射标定策略也会导致尿素结晶结石现象的发生。尿素
尿素结晶形成机理研究
柴油机SCR系统其它可能存在的沉积物：硝酸盐、硫酸盐。
¾ Ammonium Nitrate Formation Biblioteka BaiduT< 175℃): 2NH3 + 2NO2 + H2O →NH4 NO3 + NH4 NO2 Nitrate melting point: 169℃ ¾ Ammonium Sulfate Formation (fuel sulfur > 500ppm): NH3+SO3+H2O→ NH4HSO4 2NH3+SO3+H2O →(NH4)2SO4 Sulfate melting point: 369℃
• • • 尿素加注不当导致尿素溢出，污染尿素罐体和车辆。 加注过程中操作不当，导致杂质进入尿素箱，堵塞 尿素箱或尿素泵。
¾ 解决措施：
• • 尿素箱罐体须有明显的警示标签。 专用尿素加注装置。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素进回液管接反及解决措施 ¾ 实际应用现状：
接头易接错；尿素泵在整车上的布置空间有限；整车布置不固定，不利于管路 的规模化生产。
目 录
一、我国商用车SCR技术要求
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
三、适合我国商用车的SCR技术 四、总结
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶结石问题：
尿素水溶液生成氨气需经过一系列复杂的化学反应。尿素液滴 在分解为氨气同时，也生成氰酸、缩二脲、三聚氰酸等中间产 物，形成尿素结晶结石等沉积物。沉积物不断累积，堵塞排气 管，排气背压升高，导致发动机经济性变差，甚至无法正常工 作。 尿素沉积一般发生在喷嘴位置、喷嘴座下端、排气管内壁和催 化剂前端面。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶影响因素分析
1.系统布置：排气管布置不合理，在尿素喷入点后出现局部涡流或者气体流速较低
的区域，尿素溶液喷雾在此聚集形成湿壁，受热水分蒸发，形成结晶。
2.喷射系统：尿素喷射系统故障，喷射雾化不良，严重时以液态的形式流出，尿素
喷嘴座在SCR催
后处理系统集 成设计方案
尿素泵与尿素箱 模块化布置方案 燃油箱
•有利于生产效率的提 高和成本控制
化消声器上的集 成设计
电瓶
三、适合我国商用车的SCR技术
- 后处理系统集成设计方案
三、适合我国商用车的SCR技术
- 后处理系统集成设计方案 （1）SCR箱集成设计
•尿素喷嘴安装在SCR箱体上，便于简化整 车设计和系统布置，发动机增压器可后置 •通用化的喷嘴安装，便于不同系统之间的 互换 •高效和稳定的转化效率，轻量化、防结晶 、排放一致性高
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1. INLET： 从 尿 素 箱 至 尿 素 泵 2. BACKFLOWOUTLET： 从 尿 素 泵 至 尿 素 箱 3. OUTLET： 从 尿 素 泵 至 尿 素 喷 嘴
尿素泵
目
录
一、我国商用车SCR技术要求 二、我国商用车SCR技术应用问题分析
三、适合我国商用车的SCR技术
四、总结
来源：Tenneco报告-2009
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶热重-红外联用技术分析
分别采集尿素喷嘴位置、尿素喷嘴座下端和排气管内壁三个不同位置的尿素结晶体， 运用热重-红外联用技术对其进行组分分析。
三个不同位置尿素结晶与尿素加热过程的对比
结论： 尿素结晶体245℃以上温度区间的热分解过程基本类似，说明采
3. 温度管理：排气管外壁加装保温材料，减少排气管与外界的热量交换，并有效减
少进入SCR催化消声器的尾气热量损失。特别是城市公交可考虑此方法。
4. 控制策略和标定：适当提高尿素启喷温度，同时对低温下的尿素喷射量进行修正
。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素加注环节存在的问题及解决方案
¾ 尿素加注环节存在的问题：
尿素结晶实例
SAE 2007-01-1582
SAE 2009-01-2780
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
来源：Navistar, Inc. Engine Group 2009，Calibration of CFD Spray Model Parameters Using Detailed Experimental Spray Characterization Data
四、总结
四、总结
¾ 系统成本和生产效率是制约SCR技术推广应用的主要障碍。 采用集成化、模块化、通用化设计方法有利于提升SCR系 统的布置优化和管理，有助于降低SCR系统成本，有助于 提高系统适应性。 ¾ 尿素结晶结石问题已制约了SCR技术的推广和应用，对 SCR系统的布置优化设计和采取有效的温度管理措施，是 解决此问题的有效手段。 ¾ 加强整车厂家、柴油机厂家、后处理厂家三方的协作以共 同解决SCR技术在应用过程中存在或出现的问题。
结论：通过热重-红外联用技术分析可知，尿素结晶体热重分解的产物主要
为氨气和异氰酸，氨气主要为尿素分解产物，而异氰酸主要是在350Ԩ以上 生成的，因此可以推断其主要是三聚氰酸分解的产物，因此可以推断出采集 的不同位置的尿素结晶体的主要组分是尿素和三聚氰酸。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
解决措施
1. 系统布置优化：运用计算分析的方法，对系统的布置进行详细的流场分析，避免
尿素喷入点后出现局部涡流或者气体流速较低的区域。
2. 喷射系统的选型： 尿素液滴索特平均直径小，有利于尿素的雾化分解，大于
100×10-6m的尿素液滴雾化分解的速度较慢；尿素喷雾的贯穿距离短，可较好的 避免尿素液滴碰壁。需结合喷射系统特点，合理设计排气管及尿素雾化空间。
三、适合我国商用车的SCR技术
- 后处理系统集成设计方案 排放性能试验结果
(a) ESC循环NOx排放对比
(b) ETC循环NOx排放对比
(c) ESC循环NH3逃逸对比
(d) ETC循环NH3逃逸对比
来源：内燃机工程，2012
目
录
一、中国商用车SCR技术要求 二、中国商用车SCR技术应用问题分析 三、适合中国商用车的SCR技术
谢 谢！
适应我国商用车使用特点的SCR技术
陶建忠
潍柴动力股份有限公司 2012.11.28
目 录
一、我国商用车SCR技术要求
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析 三、适合我国商用车的SCR技术 四、总结
一、我国商用车SCR技术要求
1、成本方面： •系统成本：主要包括尿素泵、尿素喷嘴、控制器，也包括催化剂、封装等。 •配套成本：一方面包括尿素管、加热组件、供气装置、电气元件等，另一方面还 包括喷嘴安装组件、封装材料和催化剂体积等匹配优化。 •使用和维护成本：包括尿素消耗量、零部件更换和维修等。 2、系统布置方面： •喷嘴的安装：简单、灵活还是复杂、难度高。 •尿素泵的安装：连接组件的布置和泵体安装要求。 •尿素管路的要求：电加热、水加热、不用加热。 •电气部件的要求： •压缩空气供应及稳定性： 3、系统适应性： •喷孔直径：孔径愈大，对过滤要求愈低。 •SMD值：该值愈小，尿素液滴雾化空间要求愈易满足。 4、其它方面： •喷射精度、系统响应。。。
三、适合我国商用车的SCR技术
- 总体要求和设计原则 SCR系统开发总体要求： ¾系统总成本 ¾生产节拍 ¾通用性 ¾运行稳定性 ¾维护便利性
三、适合我国商用车的SCR技术
- 后处理系统集成设计方案 系统集成特点：
•有利于固化后处理部 件位置和规格 •有利于提高系统整车 安装布置的一致性 •有利于提高系统工作 稳定性
随尿素喷射速率的排气管内 壁面温度变化
来源：清华大学赵彦光博士论文
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶形成机理研究
尿素分解反应中间过程。
尿素分解化学反应过程
来源：Tenneco报告-2009
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
SCR箱集成方案
（2）预总成设计方案
•通用化、模块化、集成化的系统布置设计 ，有利于各部件之间的匹配固化和下线检测 ，系统稳定性和可维护性优
（3）后处理系统智能控制模式
SCR尿素喷射系统预总成方案
三、适合我国商用车的SCR技术
- 后处理系统集成设计方案 CFD分析和试验验证
来源：内燃机工程，2012
启喷温度过低和低温下尿素喷射量过大，不利于尿素液滴的雾化和快速分解，均 会加剧在排气管和催化剂上的尿素结晶。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
随尿素喷射过程的排气管内壁面温度变化
来源：清华大学赵彦光博士论文
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
集的三个不同位置的尿素结晶体主要成分是相同的。
二、我国商用车SCR技术应用问题与分析
- 尿素结晶结石现象分析及解决措施
尿素结晶热重-红外联用技术分析
不同位置结晶体与HNCO光谱吸收图对比
结论：三个不同位置尿素结晶体加热分解过程中吸收光谱均只产生一个
峰值，结晶体分解产物出现峰值处的光谱吸收图与异氰酸的类似。