SCR技术已是商用车领域的标准配置之一，而其在柴油动力乘用车上的应用正变得越来越重要。SCR性能在很大程度上取决于氨气是否能均匀扩散到催化剂载体上。与现有技术相比，一种采用新的计量喷射、特殊喷嘴和气体辅助雾化策略的尿素喷射系统已经成功开发完成，并进行了相应的技术评估。

在全世界范围，SCR（选择性催化还原反应）技术应用于降低排气系统中NOx的可行性已被证实，其得到广泛应用的原因之一是SCR系统除了能降低NOx排放之外，还有低油耗和低操作成本优势，然而开发下一代SCR系统的最大挑战在于如何优化还原剂喷雾质量及降低系统成本。

SCR系统性能的优劣在很大程度上取决于还原剂氨气能否持续均匀地供给到催化剂载体表面。作者通过仿真模拟和发动机测试，评估了喷雾质量对AdBlue分解和催化剂性能的影响，结果表明，还原剂喷射到排气管中的喷雾效果至关重要，喷雾效果越好，尿素溶液分解和催化剂性能表现越好。

喷雾形成方法

SCR技术的效率在很大程度上取决于催化剂前被喷射的AdBlue生成氨气的转化效率。而AdBlue喷雾的形成过程需要与高温尾气混合，通过喷嘴来实现，最终在尾气热量的辅助下完成气化，喷嘴形成的自由喷束同时也决定了喷雾角度。

自由喷束是指在没有其他流体或外物干扰的情况下，一种流体通过喷射孔射入环境中的流体状态。在汽车领域SCR系统的还原剂喷射方法中，我们只研究流体紊流的情况，当然除此之外也有流体层流，在此不作讨论。自由喷射紊流特点为：靠近喷射口0<x/d_0≤4位置是核心范围，4<x/d_0≤8是过渡范围，x/d_0>8是相似范围（见图1），通过数学函数模型近似地描述了流体速度变化图，通常自由喷束流体的喷射角γ≈18°… 20°。

自由喷束中的液滴形成过程有两个阶段，第一阶段为液滴在喷嘴的径向方向上的核心范围内初步形成；第二阶段是尾气与先前形成的大液滴混合，大液滴被分解成小液滴，随后液滴开始气化，这是尿素溶液转化氨气以及随后的催化反应过程的先决必要条件。

在柴油汽车的尾气后处理系统中，AdBlue雾化方法基本有3种：

1. 非气体辅助式系统

非气体辅助式喷射系统的工作原理是在没有辅助气源供给的情况下，喷射系统自身形成尿素喷雾，流体在高压作用下通过喷嘴形成自由喷束（见图2）。雾化能量需完全被传递至流体中以确保雾化效果，如果要使雾化效果更好，那么流体从喷嘴到自由空间的压力就更大。通常来说，非气体辅助式喷射系统需要一个尿素泵，该泵持续供给一定压力的流体，通过计量阀来控制流体流量，阀体距离喷嘴很近，所以AdBlue水解反应在随后的排气管中发生。

该系统的优势在于从功能原理上无需空气供给；但不足之处是该系统需要一个连续工作的高压泵、计量阀，以及喷嘴口位置高、温排气流过近而导致不必要的热传导，这些问题对该系统在技术上的实现提出了很大的挑战。

2. 内部混合气体辅助式系统

内部混合气体辅助式系统（见图3）的雾化能量来自于额外的高压空气流，在内部混合腔里，AdBlue与空气混合后在高压作用下从喷嘴喷出，压力大小由喷嘴口直径和空气流量决定，并直接影响混合物的出口速度，因此也对喷射流分解形成的液滴大小有直接影响。气体辅助式喷射系统在汽车上的应用需要气体供给源，一般情况下可由整车的压缩空气系统提供，同时尿素泵提供尿素溶液至混合腔中。

内部混合气体辅助式系统优势在于更小的液滴和更均匀分布的喷雾质量，但另一方面，系统需要满足一定的空气流量要求和清洁度要求，并且系统的耗气量较高，在汽车供气系统设计时需加以考虑。鉴于该系统的功能原理，尿素溶液和空气在内部混合区域的汇合处易结晶，所以内部混合气体辅助式系统易于失效，此问题在空气管路出口处尤为明显，系统在短时间工作后就会出现结晶，致使喷嘴和混合腔堵塞，最终导致整个系统功能失效。

使用内部混合气体辅助式系统还需要一定的恒定气压（如0.4MPa），这就要求在整车上安装调压阀使气压稳定并独立于发动机的实际负载。内部混合系统的一个优点是AdBlue在喷嘴末端被加速，促使液滴提早分解，但相比其他原理，其缺点是喷嘴尺寸规格较大，因为喷嘴要包含AdBlue阀和混合腔，同时也要关注调节气流的机械零件耐久性问题。当系统不使用时，设计者也要考虑系统内部尿素结晶的增长状况。

3. 外部混合气体辅助式系统

外部混合气体辅助式系统（见图4）采用了新的气体辅助和混合方法，该方法使用了两根细小管路，分别是AdBlue管路和空气管路。此系统结构设计如下，AdBlue管路布置在中央，空气管路分布在AdBlue?管路周边以形成同心环结构。喷雾的初始能量来自加压的AdBlue，随后空气流对混合物加速使液滴进一步雾化。

欧博耐尔系统采用了这种原理方案，由尿素泵和空气供给系统组成喷射系统，空气供给来自整车供气系统或额外的辅助空气泵。

这种原理的明显优势在于良好的喷雾质量，且无需配置导致高背压的混合器，更重要的是，在喷嘴内或喷嘴上没有运动部件。在进入高温排气流前，尿素流体完全与辅助空气流隔离，因而喷嘴可以灵活地布置在任何所需位置，喷嘴自身也可耐高温达到800℃。由于AdBlue在混合点前无法与辅助空气接触，所以喷嘴堵塞情况可以消除，同时也可避免在发动机熄火或系统关闭时AdBlue结晶现象的发生。得益于系统的工作原理，空气和AdBlue压力很低，仅高于排气背压0.05～0.1MPa，而AdBlue的计量喷射由尿素泵即可实现。

当系统工作时，AdBlue管路中没有空气，因此可以有效消除结晶导致的堵塞，当系统关闭时，AdBlue管路中的残留溶液通过单向阀被辅助空气清空，这样就阻止喷嘴和管路中残余溶液结晶的形成。
　　
喷雾形成原理及其对雾化质量的影响

后处理系统获得SCR最佳催化效果的关键是在液滴快速气化时，尾气中的AdBlue分布是否均匀，除此之外，AdBlue喷射后短距离内是否能快速水解，从而避免不必要的触壁和冷凝，这样在排气管内就不易发生尿素沉积物结晶，相比欧博耐尔气体辅助式系统，非气体辅助式系统则有明显的沉积问题。通过设定静态试验条件：喷嘴前排气恒温300℃，连续工作5h以上，进行了非气体辅助式系统和外部混合的欧博耐尔气体辅助式系统的对比试验，可以看出，气体辅助式系统不存在任何沉积物或结晶（见图5）。

图6显示了喷嘴中空气流量对于液滴大小分布的影响。欧博耐尔喷射系统的辅助空气流量可依据发动机的各个工况点，通过空气调节阀进行灵活而精确的设定，且整车无需再配置额外的空气调节阀。该系统可在1MPa标准汽车供气压力下工作，通常情况下，10L/min是兼顾液滴大小和耗气量两参数的折中系统工作值；如在苛刻工况下空气流量可调整至20L/min，这样可使液滴明显减小；而在高排气速度和高排温情况下，为了降低耗气量，系统可以允许较大液滴的存在，此时空气流量可降至5L/min，因为当排气流速度超过100m/s时，液滴第2次分解就开始了，而造成第2次分解的原因是液滴速度与排气流速度的差值形成的剪切力，在这种情况下，大液滴被剪切力分解，甚至更大的液滴在排气流速度超过100m/s时，短距离内即被气化，图7显示了基于CFD分析的相关参数特性图。

假定所有液滴尺寸大小均匀，显而易见，对于大于100μm的液滴尺寸，在排气系统中几乎很难被气化，因为此情况需混合管长度超过1m，而在大多汽车尾气系统设计中混合管超过1m很难实现，即便液滴尺寸为50mm，气化所需的最低排气温度也要300℃；但如果当溶液分解后液滴尺寸小于10mm时，混合管长度和排气温度要求明显改善。而在最苛刻的工况下（温度300℃，排气速度50m/s），欧博耐尔系统依然能保证在低排气流速度下小液滴充分气化。

如上所述，尿素液滴大小取决于排气速度和温度，在压缩气体辅助下，欧博耐尔系统以最优的方式调整液滴大小，同时把耗气量降到最低。
　　
喷射方法对水解的影响

调查发现，在道依茨直列6缸11.6L排量燃油共轨发动机测试中（在1900r/min时功率为338kW，1400r/min时转矩为2110Nm，FTIR安装在喷嘴后500mm），通过测得的异氰酸和氨浓度得知，非气体辅助式和气体辅助式系统的喷雾形成原理的不同，对异氰酸和氨气的转化效率有很大影响。

图9  乘用车气体供给原理

显然，欧博耐尔系统相对非气体辅助式系统提供了更高的氨气转化效率，在催化器前转化效率与氨气量成正比关系，由此可判断水解效率。欧博耐尔系统的优势在于AdBlue的转化速率更快，这意味着可以缩短混合管长度，比较图8的实验结果可知，同样的混合管长度，在催化剂载体上的氨气分布越好，载体的催化转换效率越高，这样就无需配置防止氨逃逸的催化器。

欧博耐尔后处理系统是根据SCR的工作原理设计，其主要特点是外部混合气体辅助式喷射AdBlue，整个系统包括喷射单元（UDS）、控制器（ACU）、尿素罐、催化器和相应的传感器。
　　
无车载气源乘用车的空气供给

为了利用外部混合的气体辅助式喷射系统的优势，欧博耐尔开发了用于发动机增压进气口的功率优化型气压系统。因为喷嘴无运动部件的结构设计和中置的喷射单元（涵盖所有传感器），欧博耐尔系统可在紧凑空间及其他方面得用应用。

欧博耐尔公司是世界上首家为无车载气源的车辆（乘用车和轻型货车）提供气体辅助式SCR系统的公司。其新开发的气泵使该系统可以从增压器取气来增加空气压力和流量满足实际工况需求，又兼顾考虑了电子气泵的紧凑性和耐久性来满足货车严格的使用寿命规范（见图9）。　

总结

还原剂在尾气中的均匀分布是SCR高效催化性能的关键指标，尤其在低排气速度和低温情况下，AdBlue喷雾质量和均匀分布至关重要，而在这些条件下，气化和水解速度也会降低，液滴的2次分解效果也不明显，此时大液滴有明显的不足，而理想的喷雾质量的液滴大小大约为15μm。通过外部混合气体辅助式喷射系统可以很好地控制喷雾质量及满足发动机不同负载下的液滴分布要求，并且可避免发生堵塞。

除了良好的喷雾质量，SCR系统的紧凑型设计也是其可取之处；在此气体辅助式系统上采用电子气泵供给空气，使得精巧而强大的系统集成在乘用车和轻型货车成为可能，且无需混合器，也没有非气体辅助式系统的大喷嘴的缺点，因此无车载气源汽车也能具备这些优势。

综上所述，我们认为此项研发成果将促进气体辅助式SCR系统在商用车上的应用，同时在乘用车领域的应用空间也将非常广阔。