欧博耐尔新开发的改善喷雾性能的集成式尿素喷射系统设计紧凑，整个SCR系统仅仅包括两个预总成件：催化剂封装箱体总成和尿素箱与尿素喷射系统总成（包括后处理的控制单元）。与市场上同类产品相比，通过对SCR系统的最简化设计，系统成本得到了降低，这使得它也可同时满足对成本敏感的新兴市场的需要。

引言

SCR系统（选择性催化还原系统）是世界上广泛采用的、为满足道路车辆EPA10和非道路车辆Tier 4排放法规的降低NOx排放的技术。为了降低NOx排放，SCR系统需要额外的还原剂AdBlue，即尿素的水溶液。

影响SCR系统发挥最佳性能的决定性因素是当尿素溶液喷入到排气管中时，其喷雾粒子尺寸的优化。最新开发的尿素喷射系统能够根据排气的条件来调节粒子的尺寸。将上述还原剂以最微细的喷雾喷入排气管中，这是技术的关键。采用新开发的尿素喷射系统，喷出的喷雾粒子直径可以小到10 mm所特尔平均直径（SMD直径）。

图2 粒子直径大小和排气温度对气化所需水解管长的影响

该尿素喷射系统设计紧凑，可直接安装在尿素箱上，这样做既简化了线束布置，也减少了安装所需的空间。整个SCR系统仅仅包括两个预总成件：催化剂封装箱体总成和尿素箱与尿素喷射系统总成（包括后处理的控制单元）。

SCR系统被广泛采用的原因，除了能降低排放之外，还可以降低发动机的燃油消耗，并且其运行费用低廉。开发下一代SCR系统的最大挑战就是在降低系统成本的同时，保证还原剂喷雾的品质。

SCR系统的性能在很大程度上取决于还原剂氨气在催化剂表面的均匀分布。将还原剂以最微细的喷雾喷入排气管是技术的关键。尿素溶液喷雾质量对其分解和催化剂性能的影响，我们通过仿真计算和发动机试验进行了评估。

无论欧洲、美国和日本，还是新兴市场国家如中国、印度和俄罗斯等，都面临着日益严格的排放要求。在这些新兴市场，SCR系统也将有很大的需求潜力。因此，降低SCR系统成本是非常必要的。这就给系统的开发带来了新的挑战——如何让系统的价格水平能适应这些国家的市场情况。

喷雾产生的过程

柴油发动机尾气中的NOx转化为无害的氮气的过程是通过选择性催化还原反应。这种反应的发生需要在催化剂的表面有额外的还原剂氨气。尿素溶液以喷雾的方式喷入排气管，在尿素溶液随着排气气流进入催化剂之前，其必须通过水解反应转变为气态的氨气，这样才能进行上述化学反应。

催化剂的性能很大程度上取决于氨气在催化剂处的均匀分布，而均匀的氨气分布只有在满足下述条件时才能得以实现：尿素溶液喷雾的均匀分布及其分解和气化。所以喷雾的质量，即喷雾粒子直径的大小，对上述特性有着显著的影响。

在排气管中沿着气流行进方向，喷雾粒子的直径大小受到若干因素的影响，分别是：一级雾化过程、二级雾化过程以及蒸发和水解过程（如图1所示）。其他过程还包括粒子撞壁（排气管壁）的过程和粒子间的碰撞。

1.喷雾的产生

（1）一级雾化过程

尿素溶液喷出喷嘴第一次形成粒子的过程为一级雾化过程。当溶液从喷嘴喷出时，溶液会形成薄射流。粒子的分离和射流液丝的产生受到喷嘴内外不同机制的影响。

在喷嘴内部，由于紊流以及气蚀的作用引起的流速波动，在某些情况下，能导致射流的不稳定。而这些不稳定性又导致越来越多的紊射流粉碎成液滴。

在喷嘴外部，由于惯性和粘滞力而引起气体-液体界面的不稳定射流，液体进一步雾化成粒子。从有空气辅助的尿素喷嘴中高速吹出的空气，改善了上述过程，从而进一步强化一级雾化过程。

图5 两种系统（有无空气辅助）NOx转化效率的对比

（2）二级雾化过程

相对于气体相的粒子运动，也就是说两相之间有着不同的速度，会将不稳定的大个粒子碎化成为更多更小的粒子。

（3）蒸发和水解过程

通过对流，热量从热的尾气传递到温度相对较低的粒子，导致粒子的温度开始升高。一旦达到液体沸点之后，粒子就开始迅速蒸发。尿素溶液是多组分的混合物，溶液中沸点较低的组分，如水，首先开始蒸发。

在蒸发的过程中，尿素的浓度将不断升高，其沸点也将升高。一旦所有的水蒸发了，液态尿素就会分解，进而在水解反应中转变成氨气。小的粒子尺寸和高的排气温度将增加气化率以及减少液滴气化所需的水解管的长度。

液滴尺寸对尿素蒸发有怎样的影响呢？为了分析在排气流场中喷雾粒子的变化，我们进行了详尽的CFD仿真计算。粒子直径大小和排气温度对气化所需水解管长的关系如图2所示。

如前所述，更小的喷雾粒子直径和更高的排气温度能缩短气化所需的水解管长度，尤其是当排气温度较低的情况下，对粒子直径的影响非常显著。

2.排气温度对粒子气化的

影响

不同的粒子直径分布和排气温度对气化率的影响如图3所示。粒子直径小的优势变得非常明显。大直径的粒子需要更长的管路才能保证气化，这会导致氨气穿过催化剂的时候分布不良，结果使得NOx的转化效率低下或者过多的氨气逃逸。

3.液滴尺寸对催化剂转化效率的影响

研究中采用激光衍射分析仪来测定不同尿素喷射系统的粒子直径分布。图4中显示了不同直径粒子的分布密度。图示的三条曲线分别来自于无空气辅助的系统和有空气辅助的系统（分析了两种空气流量的条件）。

4.不同喷射系统的喷雾粒子直径分布

由图4可以看出，相对于无空气辅助的系统，有空气辅助的喷射系统能够产生更细小的喷雾粒子直径。无空气辅助系统的粒子直径分布密度的峰值为125mm。而空气辅助系统的粒子直径分布密度的峰值分别为11 mm（空气流量20L/min）和32mm（空气流量10L/min）。

将SCR系统分别配上无空气辅助和有空气辅助的尿素喷射系统，然后在发动机试验台架上分别进行了测试。试验中选定了四个不同负荷的工况以及相对应的尿素溶液的喷射量。NOx的转化效率（conversion rate）可以通过CLD分析仪测量的催化剂前（NOx before）后（NOxafter）的NOx浓度，根据如下方程式计算得出：

选定的四种负荷包括四种情况的组合：高低不同的排气温度和高低不同的排气质量流率。试验结果如图5所示。在所有情况下，从尿素喷嘴到催化剂表面的距离保持800 mm不变，并且测试中不安装混合器。

5.采用不同喷射系统情况下的NOx转化效率

在低排气质量流率和低排气温度的情况下（低负荷点1），有空气辅助的系统其NOx转化效率显著更高。其他三个工况点下两种系统的差别稍小。这是由于其他因素的影响，如更高的排气温度增强了蒸发作用，高速的排气改善了喷雾粒子的二次雾化过程等。尽管如此，有空气辅助的系统在较低空气消耗的情况下在所有四种工况下都改善了NOx的转化效率。

6.尿素喷射系统

尿素喷射系统中，通过尿素泵（如图6所示），从尿素箱中泵吸所需的尿素溶液，然后泵送到尿素喷嘴。

图8 尿素喷嘴

当尿素溶液喷入排气管中时，集成在喷嘴之上的空气辅助功能确保卓越的喷雾质量以及粒子分布。该功能所需的少量空气或者取自车载的空气压缩机系统，或者取自单独的电子气泵，其功耗约为30～75W。后处理控制单元根据发动机的工况和催化剂的温度计算出准确的所需尿素溶液量。CAN总线用以进行发动机控制单元和后处理控制单元的通信。出于系统诊断以及改善计量精度的目的，控制单元还会获取从尿素温度和压力传感器传来的数据信息。该传感器探测的是泵送出尿素泵的尿素溶液的温度和压力。

除了尿素喷雾性能改善之外，新开发的SCR系统，外形设计紧凑，这是其又一技术优势。这样的紧凑外形使得整个尿素喷射系统可以集成在尿素箱上，成为一个预总成件。此尿素箱总成还包括尿素溶液的液位传感器和与其他电子部件连接以进行电子控制的线束。尿素箱体可安装在车架上，并利用发动机的冷却液进行加热。这样整个SCR系统仅仅包括两个预总成件（如图7所示）。

7. SCR系统的配置

集成设计的优势在于，在不同车辆上应用后处理系统的时候，可以减少系统变型的数量，并使系统零部件的总数量最少。而且，更少的零部件数量有助于改善整车生产和物流的效率。

因为尿素喷嘴喷出的喷雾粒子直径很小，分布在10～30 mm之间，所以喷嘴可以靠近催化剂安装。在绝大多数应用场合，喷嘴与催化剂之间500mm的距离就足够了。设计极为紧凑的喷嘴（如图8所示），可以毫无困难地安装在热的排气管上，因为喷嘴上没有任何移动部件或者传感器等电子部件，不需要尿素溶液或者发动机冷却液等冷却措施。

结论

还原剂氨气在排气中的均匀混合是保证催化剂更高性能的必需因素。而要实现氨气均匀分布的关键，是尿素溶液喷雾的微细化和均匀分布，尤其是在低排气流量和低排气温度的情况下。在这些情况下，蒸发作用和水解率都降低了，其二次雾化的过程可以忽略。因此大尺寸的液滴对雾化很不利，人们更期望尿素喷射系统能够保证50%以上的粒子直径能够在20mm以内。有空气辅助的系统提供了这种可能，既控制喷雾的质量，也提供所需的粒子直径分布。

除了优化的喷雾品质之外，设计紧凑的SCR系统只包括两个预总成部件。值得一提的特性是，尿素喷射系统的所有部件可以集成在尿素箱上。这种集成化的设计方案可以减少在不同车辆上应用该系统时所需的系统变型数量，这对供应商和客户而言都是有利的。