柴油機固態SCR系統銨鹽重結晶試驗范文

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《內燃機工程雜志》2016年第二期

摘要：

試驗研究了柴油機固態scr系統（SSCR）銨鹽—氨基甲酸銨和碳酸銨，在系統噴射管路重結晶的對應溫度。建立了SSCR噴射系統試驗裝置，通過調節系統管路溫度使氣體在固定位置產生結晶，使激光穿過結晶部位到達光敏電阻模塊，通過光敏電阻模塊輸出電壓的變化來測定銨鹽重結晶所對應的溫度。結果表明，氨基甲酸銨的重結晶溫度高于碳酸銨，噴射壓力分別為220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa時，氨基甲酸銨對應的重結晶溫度為73.8℃、71.2℃、68.7℃、66.8℃、63.4℃、60.7℃、56.8℃；碳酸銨對應的重結晶溫度為72.7℃、70.6℃、67.7℃、65.4℃、62.8℃、59.7℃、55.6℃。

關鍵詞：

固態SCR；銨鹽；重結晶；溫度

世界范圍內排放法規的持續升級，對柴油機NOx排放要求愈加嚴苛，尤其在低排氣溫度下提高NOx的脫除效率成為當前研究的熱點[1][2][3]。尿素SCR受制于尿素水溶液的分解效率，在低排氣溫度下繼續提高NOx轉化效率的能力有限。固態SCR（SSCR）可以直接產生氣態氨，并且氨氣在發動機排氣管路外部產生，可以不受排氣溫度的限制，且不對排氣溫度產生影響，按需噴入氨氣參與降低NOx的還原反應[4][5][6]。目前SSCR噴射系統氨氣來源主要集中在碳酸銨、氨基甲酸銨等銨鹽以及氯化鍶氨等金屬絡合物[7][8][9]。碳酸銨、氨基甲酸銨氨含量較高，分解溫度較低，是我國產量充足的常用氮肥，價格便宜，工業基礎雄厚，作為SSCR的氨氣來源比較適合我國國情。但是碳酸銨和氨基甲酸銨受熱分解均為可逆反應，產生的氣體在一定溫度下會重新結晶成固態粉末，如果結晶發生在噴射系統噴嘴、調壓閥、系統管路等處，會影響噴射量的精確控制甚至造成噴射系統失靈，必須對噴射系統各處采用一定的保溫措施，故此，需測定碳酸銨和氨基甲酸銨在不同噴射壓力下對應的重結晶溫度。建立了SSCR噴射系統，可以在220kPa及以下壓力穩定噴射氨氣。試驗以30kPa為步長，測定了40kPa至220kPa之間，碳酸銨和氨基甲酸銨的重結晶溫度，并探討了試驗結果的合理性，為SSCR噴射系統的設計優化提供了數據支持。

1試驗裝置及方法

1.1試驗裝置試驗裝置如圖1所示：閥；4.氣路玻璃管；5.水路玻璃管；6.激光光源；7.光敏電阻模塊；8.小循環溫度傳感器；9.閥后壓力傳感器；10.大循環溫度傳感器；11.噴嘴；12.小循環水泵、中冷器；13.大循環水泵；14.測控系統；15.控制終端。銨鹽加熱器中添加碳酸銨或者氨基甲酸銨，閥前壓力傳感器用來監測調壓閥前的氣體壓力，調壓閥帶有水路加熱腔且與氣體隔離，負責將銨鹽加熱器輸出的氣體壓力降低并穩定至試驗壓力，輸出范圍為0kPa—250kPa。光敏電阻模塊接收光源發出的激光并輸出0—4.5V的電壓信號，當光強發生改變時，輸出電壓會相應變化。小循環溫度傳感器用來監測小循環水路溫度。閥后壓力傳感器用來監測調壓閥之后氣體壓力。大循環溫度傳感器監測大循環水路溫度。噴嘴為尿素SCR噴嘴，帶水路加熱通道，噴嘴接受測控系統的噴射占空比信號。小循環水泵和中冷器負責小循環水的加熱和冷卻。大循環水泵負責加熱大循環水。小循環水路為結晶測試段。利用循環水對壓力傳感器保溫，以防止結晶產生。

1.2試驗方法碳酸銨和氨基甲酸銨的熱分解為可逆反應，其化學反應方程式分別如下：首先開啟大循環和小循環水路，維持水溫95℃。其次，加熱銨鹽，溫度維持85℃，使銨鹽分解產生氣體。開啟電控噴嘴，占空比為70%，頻率10Hz。光源發出的激光穿過氣路玻璃管和水路玻璃管到達光敏電阻模塊，未產生結晶時，光敏電阻模塊輸出電壓基本為定值。調節調壓閥，使氣體壓力降低至目標值并穩定輸出。維持大循環水溫不變，停止對小循環水的加熱并開啟小循環中冷器，降溫速率約為1.5℃/min。當小循環水溫度逐漸降低至某一溫度時，氣體在氣路玻璃管4的內壁產生結晶，此時對應的小循環水溫即為此氣體壓力下對應的結晶溫度。小循環溫度傳感器8，距離玻璃管段約為200mm，認為與玻璃管壁溫度一致。結晶產生時，穿過玻璃管的光線強度會降低，此時光敏電阻模塊輸出電壓會增大。電壓開始急劇升高所對應的時刻即為結晶產生時刻。試驗壓力分別為：220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa。每一試驗工況點后，關閉銨鹽加熱器1及調壓閥3，升高小循環水溫至90℃并持續運行直至結晶消失。

2試驗結果與分析

2.1碳酸銨重結晶試驗圖2所示為碳酸銨在氣路玻璃管4內壁的結晶。圖3為噴射壓力40kPa時，光敏電阻模塊輸出電壓隨時間的變化過程，壓力波動為±2kPa。在玻璃管壁溫度連續下降過程中，前160s，光敏電阻模塊的輸出電壓基本為定值，約為0.35V。在160s—250s之間的某一時刻開始，光敏電阻模塊的輸出電壓發生了急劇變化，從0.35V升高到0.66V。可以確定在這段時間內，玻璃管內壁有固體結晶產生，遮擋了光線的傳播，導致光敏電阻模塊接收到的光線強度發生急劇變化，并體現在輸出電壓的變化上。更進一步，結晶的產生發生在160s—200s之間，如圖中箭頭標示出的位置，光敏電阻模塊的輸出電壓脫離水平基線，急劇升高。當光敏電阻模塊的輸出電壓到達0.66V之后，其值趨于緩和，變化沒有之前劇烈，說明結晶已經達到一定程度，對光敏電阻接收到的光線強度影響變小。對光敏電阻模塊的輸出電壓曲線求微分，也即曲線上兩點之間的斜率變化，如圖4所示。圖中所示在176s時，微分值發生突變，從‐0.00011降低到‐0.00131，從這點開始，光敏電阻模塊輸出電壓曲線及其微分值先有一個微小的降低，然后開始急劇升高，此刻認為是結晶產生的始點，對應的溫度即為當時壓力下，產生結晶的溫度。圖中對應的壓力為41.6kPa，溫度為55.6℃。其余試驗工況結晶點的判斷方法與上述一致。試驗曲線變化規律類似，只給出100kPa、160kPa、220kPa時的試驗曲線。如圖5至圖7所示。其余這里不一一列出。表1列出碳酸銨在各試驗壓力下重結晶對應溫度。可見隨壓力的提高，重結晶溫度相應升高。

2.2氨基甲酸銨重結晶試驗同碳酸銨重結晶試驗方法步驟相同，圖8所示為氨基甲酸銨在玻璃管內壁的重結晶。圖9至圖12給出氨基甲酸銨在40kPa、100kPa、160kPa、220kPa壓力下的重結晶試驗曲線，其余壓力不在一一列出。

2.3試驗結果分析通過以上試驗，得到碳酸銨和氨基甲酸銨作為SSCR噴射系統氨氣來源時，對應的重結晶溫度。試驗中玻璃管采用軟管聯接，為避免水路中氣泡對光線的影響，每個試驗壓力點之后，需要調整試驗裝置管路以排除空氣，因此很難保證光源、水路玻璃管、氣路玻璃管、光敏電阻四者的相對位置在每個試驗工況都完全一致。因此每個工況點光敏電阻模塊的輸出電壓起始值以及電壓升高速率不能完全一致，但是不影響對起始結晶溫度的判斷，所得試驗數據是可信的。圖13為碳酸銨和氨基甲酸銨熱解產生的氣體重結晶壓力和溫度曲線。可見氨基甲酸銨的重結晶溫度高于碳酸銨，也即氨基甲酸銨需要比碳酸銨更高的溫度來維持其熱解產物以氣態形式存在。結合表1、表2、表3可知，噴射參數對重結晶溫度沒有影響。由碳酸銨和氨基甲酸銨重結晶試驗曲線可知，結晶生成后，光敏電阻模塊的輸出電壓先急劇升高，到達一定數值后，升高速率趨緩但仍在持續升高，可見隨氣路玻璃管壁溫的持續降低，管路中仍在繼續生成結晶。隨噴射壓力的提高，需要防止結晶產生的溫度相應提高。通過以上試驗，求得了碳酸銨和氨基甲酸銨在實際SSCR噴射系統中，不同噴射壓力下對應的重結晶溫度，為SSCR系統設計提供了數據支持。

3結論

(1)碳酸銨和氨基甲酸銨作為SSCR氨氣來源，能夠穩定提供系統所需氨氣。(2)氨基甲酸銨熱解產生的氣體比碳酸銨熱解產生的氣體需要更高的溫度來防止氣體在噴射系統中重結晶。氣體壓力越高，對應的重結晶溫度越高。(3)噴射壓力分別為220kPa、190kPa、160kPa、130kPa、100kPa、70kPa、40kPa時，氨基甲酸銨對應的重結晶溫度為73.8℃、71.2℃、68.7℃、66.8℃、63.4℃、60.7℃、56.8℃；碳酸銨對應的重結晶溫度為72.7℃、70.6℃、67.7℃、65.4℃、62.8℃、59.7℃、55.6℃。

作者：馬軍彥 李君 曲大為 單位：吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室