氣助噴嘴抗結晶性能試驗研究

顏傳武　陸勝旗　許智強　沈海青

摘 要：尿素噴嘴的性能直接影響SCR后處理系統的工作效率，結合主機廠制定的SCR計量噴裝置工程規范，在發動機臺架上進行了2款氣助噴嘴的抗結晶性能試驗研究，試驗表明：在發動機排氣流量為500～800Kg/h、排溫為550℃，尿素泵以100ml/h流量噴射尿素的工況下，試驗噴嘴的抗結晶性能均滿足要求，同時通過性能對比為噴嘴結構優化，性能提升提供依據。

關鍵詞：空氣輔助 噴嘴 抗結晶

選擇性催化還原（SCR）技術是一種有效降低柴油車NOx排放的后處理裝置，該技術是目前最為成熟的NOx后處理技術[1-2]。尿素的噴射質量是SCR技術降低NOX排放的關鍵影響因素，而尿素噴射質量由尿素噴嘴的性能決定，通過優化噴嘴結構，提高噴嘴霧化以及防結晶的性能，可以有效的減少噴嘴堵塞的風險，試驗和模擬分析均表明，空氣輔助型的噴嘴噴射霧化效果較好[3]。

提高空氣輔助型噴嘴（氣助噴嘴）的性能是SCR技術的重要研究領域。胡波在Y型噴嘴的基礎上開發了幾種不同流道型腔的旋轉式氣助噴嘴，并通過試驗對比研究了其霧化特性[4]。周健偉等研究人員[5]通過分析氣助噴嘴的結晶失效模式，進行了一系列的防結晶結構優化研究，解決了噴嘴因焊縫及母材開裂導致的失效問題。孫樹平等學者為了驗證單泵多噴嘴并聯的方案能否滿足大功率柴油機的后處理需求，對單泵多噴嘴的各個噴嘴的噴霧性能開展了試驗研究[6]。

為了滿足日益嚴苛的排放法規，尿素噴嘴的結構及性能還需要持續不斷的研究與優化，從而更好的為各大主機廠進行配套，同時，主機廠會根據自身發動機特點、布局及成本等因素綜合考慮來進行SCR系統的選型，其中尿素噴嘴的選型也非常重要，目前來看，氣助噴嘴市場占有率較高，具有較大的研究價值。

1 試驗背景

上階段，針對C型氣助四孔噴嘴開展了研究，完成了利用空氣加熱爐模擬發動機排氣溫度的噴嘴性能對比試驗[7]，結果顯示噴嘴的抗結晶性能與噴孔直徑有密切關系，在200℃排氣溫度，110kg/h排氣流量條件下，ETC工況及定工況小流量噴射過程中0.3mm孔徑噴嘴的抗結晶性能稍優于0.5mm孔徑噴嘴。

但是由于是模擬的排氣環境，與發動機實際工況下的排氣環境仍存在差別;同時與C型噴嘴同樣具有較好市場表現的噴嘴也不在少數，為了不斷優化結構，提升產品競爭力，開展不同結構噴嘴的性能對比研究迫在眉睫。

因此，為了更準確的研究氣助噴嘴的抗結晶性能，在柴油發動機實際的工況下開展試驗是非常必要的?；诓裼桶l動機臺架研究不同噴嘴的抗結晶性能，為噴嘴結構優化，性能提升提供依據，具有較高的實用價值。

本次試驗主要針對C型和D型噴嘴開展研究，如下圖1所示。

兩款噴嘴均具有較好的市場表現，其中C型噴嘴為四孔噴嘴，四孔徑向90度均布;D型噴嘴為三孔噴嘴，三孔與軸向成一定角度且均布，因此，兩款噴嘴在排氣管上的安裝方式有所差異。

2 臺架試驗

2.1 排氣工裝

考慮到兩款噴嘴的安裝方式不同，為了盡可能減少影響因素，保證兩種型號噴嘴在同一工況下完成試驗，研究設計了排氣工裝，如下圖2（a）所示。

在不改變噴嘴安裝方式的前提下，在排氣工裝上同時安裝兩款噴嘴，且兩款噴嘴距離盡可能近但不影響各自的噴霧形態，排氣工裝前后各安裝一個溫度傳感器來監測排氣溫度。

2.2 試驗臺架

試驗臺架配備的發動機型號為某國產主機廠的直列6缸四沖程柴油發動機，額定功率265KW，配套試驗設備包括發動機數據采集系統、尿素噴射系統、尿素噴射上位機、CAN線、排氣溫度傳感器、流量傳感器等，試驗臺架布置如下圖2（b）所示。

2.3 試驗方案

試驗臺架所配套的發動機的主機廠針對SCR系統制定了柴油發動機SCR計量噴射裝置工程規范的企業標準，其中對于氣助噴嘴的抗結晶性能提出了明確要求，供應商供貨的氣助噴嘴必須通過該工程規范里列明的抗結晶試驗。因此，臺架試驗嚴格按照工程規范中規定的試驗要求進行，具體要求為：在發動機臺架上進行，排氣流量為500～800Kg/h、排溫為550℃，溫度傳感器安裝于噴嘴上游100mm以內，噴嘴以正常工作的形式安裝于排氣管上，尿素水溶液流量為100mL/h，連續試驗2小時。試驗后，噴嘴無尿素結晶導致的堵塞停噴或者霧化不良、滴漏、射偏現象，噴射量滿足要求即為合格。

按照上述要求，準備2支C型和2支D型噴嘴，開展2輪試驗。每輪試驗均按正常工作形式將兩種噴嘴安裝在排氣工裝上，同步開展抗結晶試驗，試驗時間2小時。

記錄、對比兩種噴嘴的抗結晶表現。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗工況滿足要求

兩輪試驗過程中，上位機未出現報錯信息，尿素泵工作一切正常;排溫及流量傳感器采集的數據顯示：臺架排氣工裝上兩個排溫傳感器溫度均保持在550～570℃之間，排氣流量500～530kg/h。

3.2 試驗后噴嘴噴孔表面未出現異常情況

試驗后，所有C型和D型噴嘴的噴頭表面由于受到排氣高溫的影響出現發紅、發黑情況，噴孔表面沒有發現尿素殘留及結晶的情況，噴孔內也可見導通，如下圖3所示。

3.3 試驗后噴嘴噴射工作正常

試驗后給各個噴嘴通尿素，檢查堵塞情況，所有C型和D型噴嘴的噴霧狀態與實驗前狀態無異，各孔噴霧形態正常、噴射均勻，無堵塞、無滴漏、無射偏現象，噴嘴工作正常，如下圖4所示。

雖然兩款噴嘴均能滿足試驗要求，但也不能隨意替換使用，考慮到其安裝形式、噴孔數量及布局等不同，需要結合發動機實際情況進行選型。相對來說C型噴嘴的噴霧范圍較D型噴嘴更大，制造成本更低，但是對于排氣管的徑向空間要求較高;D型噴嘴較C型噴嘴的隔熱性能更好，徑向安裝空間要求較小。

綜上，針對上述主機廠的SCR計量噴射裝置工程規范的要求，本次試驗的C型噴嘴和D型噴嘴的抗結晶性能均能達標，主機廠可以根據自身車型、排氣布局、成本要求等因素合理選擇兩種噴嘴型號進行配套。

4 結語

（1）在發動機排氣流量為500～800Kg/h，排溫為550℃，尿素泵以100ml/h流量噴射尿素的工況下，C型噴嘴和D型噴嘴的抗結晶性能均滿足要求，可以配套主機廠進行使用。（2）需要結合發動機的實際情況進行選型。C型噴嘴比D型噴嘴在徑向布局、制造成本上更有優勢;而D型噴嘴比C型噴嘴在軸向布局、隔熱性能上更有優勢。

基金項目：臺州科技職業學院2020年度校級研究課題：基于柴油發動機臺架的SCR噴嘴抗結晶試驗研究（2020ZD006）。

參考文獻：

[1] 帥石金，唐韜，趙彥光等.柴油車排放法規及后處理技術的現狀與展望[C].2013：283-304.

[2]張紀元. 重型柴油機SCR系統應用技術研究[D].山東大學，2013.

[3] Hua L，Zhao Y，Hu J，et al. Comparison between airassisted and airless urea spray for diesel SCR system by PDA and CFD[R]. SAE Paper，2012-01-1081.

[4] 胡波.柴油機SCR系統尿素噴嘴噴霧和性能研究[D].上海交通大學，2015.

[5] 周健偉，顏傳武，許智強等.氣助尿素噴嘴防結晶結構優化研究[C].//中國內燃機學會第六屆青年學術年會論文集.2015：104-107.

[6]孫樹平，倪俊芳.單泵多噴嘴并聯尿素噴射系統實驗研究[J].科技創新與應用，2020（22）：54-55.

[7] 顏傳武，陸勝旗，許智強.氣助四孔噴嘴抗結晶性能對比研究[J/OL].中國科技期刊數據庫 工業A[2020-04-10].