1.1选题的目的及意义

柴油机具有较高的经济性、动力性和可靠性而广泛应用于道路及非道路交通工具上。但柴油机的主要排放物氮氧化物、一氧化碳和颗粒物对人们生活环境和人体健康造成巨大威胁。针对氮氧化物的排放降低，选择性催化还原技术是当今世界上最具有前景的技术之一。当尿素水溶液喷入排气管，尿素发生雾化、蒸发、热解等一系列复杂的物理过程和化学过程，其中也伴随着一些副产物的生成。这些难分解的副产物会积聚沉积，形成沉积物。沉积物会阻碍排气管的内废气的流动，降低SCR系统催化剂的性能，严重影响发动机的正常工作。为了满足国内外日益严格的排放法规，研究SCR系统沉积物的生成原因和影响因素，并对沉积物的预防做出预测具有重要的实际意义。

1.2国内外研究现状

实车运行中SCR系统在低温下容易生成沉积物的问题目前仍未得到彻底解决。有些沉积物在高温时会分解掉，但沉积物在较高温度下经过一段时间积累后即使在温度很高的情况下也很难分解掉。在低温试验研究中，SCR系统的不同部位均出现沉积物，比如排气管壁、催化剂表面等。因为沉积物是尿素分解过程中的副反应所致，因此对沉积物生成的分析需要对尿素分解过程进行细致研究。

尿素水溶液由喷射系统喷出后，其雾化场是变化的，具有一定的变量，并且整个尿素水溶液热解和水解反应过程的温度场也可能随时发生变化，尤其是在温度低的工况或区域，会导致尿素热解与水解过程产生一些不正常的现象。由于我国城市内往往道路拥挤，导致车辆行驶缓慢，造成发动机长时间都处于低负荷运行状态，排气温度变得较低，而低温下尿素水溶液热解和水解就会伴随着如缩二脲、三聚氰酸等副产物的生成，造成严重的尿素沉积物风险。尿素沉积物包含尿素结晶和尿素结石，缩二脲、三聚氰酸等副产品都属于尿素结石，而尿素结晶的成分是尿素，一旦受热或者有水的存在，其可以继续发生分解或者溶解。不管是尿素结晶还是尿素结石，两者都不是实际SCR系统工作过程中想要的东西。因为过多的沉积物会带来许多危害。Kiser M.T.等人(2011)认为喷嘴、管壁和催化剂载体上形成的沉积物，会堵塞排气管或催化剂孔道，从而造成排气背压的升高并影响发动机的动力性。张纪元等人（2012）通过对一台重型柴油机的SCR系统的尿素沉积物进行试验性研究发现，背压每提高2个kpa就会带来发动机功率1个马力的下降。EShiad等人（2011）指出尿素沉积物的存在会影响催化器进口处NOx浓度的分布均匀性。而NOx浓度的分布均匀性直接关系着SCR系统的NOx转化效率。

荷兰TNO研究机构在Helmond市区内对多辆采用尿素SCR技术、满足欧V标准的重型柴油车进行的车载排放实验结果表明：只有在速车高于70km/h时，这些柴油车的实际NOx比排放才能满足欧V排放标准，车速越低，NOx比排放量越高。而且当环境温度低于-11℃ 时，车用尿素溶液会结冰，因此需要在尿素溶液罐当中加装专用加热装置来保证SCR尿素系统在温度较低的冬季环境下保证正常工作。但柴油机尿素SCR系统由于尿素的分解不完全以及管路布置不合理等原因导致的某种沉积物堵塞排气管路或尿素喷嘴，导致发动机排气背压增加，SCR系统工作不正常，发动机功率下降，油耗升高的事件在国内外也有报道。

我国一些主要的柴油机制造厂家（潍柴、玉柴、济南重汽和东风康明斯等企业）均在尿素SCR技术的基础上开发出了可以满足国IV或国V排放标准的车用重型柴油机(2010)。但是在实际应用过程中的问题反馈中，以及我们实验室所做的一些车载试验或台架试验中均发现，有的柴油车或者柴油机SCR系统尿素喷嘴以及喷嘴后的排气管路中出现了大量沉积物；还有在实际路况中，都遇到了由于在大城市交通状况不佳而导致的车速较低，进而导致的发动机排气温度低、尿素SCR系统NOx转化效率低下甚至不起作用(2012)。

可见，减少或者避免SCR系统中沉积物的生成对降低发动机背压和提高SCR的NOx的转化效率起着至关重要的作用。目前国内外许多学者针对SCR系统中的沉积物，在试验研究和CFD仿真模拟两个方面都做了大量的研究工作，以期能够掌握详细的尿素沉积物生成规律。

Guanyun Zheng，Adam Fila和Adam Kotrba等人（2010）研究表明白色的尿素沉积物成分相当复杂，影响其生成的因素有很多，但温度是其最主要的影响因素。汤晨旭（2011）借助于气相色谱质谱联机、红外光谱、核磁共振和热重质谱联机等设备，对带有SCR系统的柴油车尾气管出现的沉积物进行成分分析，通过试验分析可知，结晶体中含有尿素、三聚氰酸、三聚氰酸同系物、亚胺二甲酸二乙醋和氨基甲酸醜亚胺（缩二脲）。熔融态的尿素在133℃时开始分解，与HNCO（异氰酸）反应生成缩二脲。P.A.Schaber2等人（2004）通过试验指出在190-250℃之间，熔融态的缩二脲开始分解，与HNCO反应生成三聚氰酸。而Andreas M.Bernhard等人（2012）认为烙融态的缩二脲也会和尿素反应生成三聚氰酸。G.Herzberg和C.Reid研究发现如果HNCO气体超过临界蒸发压力，会自发快速的聚合生成三聚氰酸。F.J.Schiltknecht（1962）指出三聚氰酸在超过300℃时，会和NOx反应生成三聚氰酸一酰胺。有文章指出熔融态缩二脲和HNCO在一定条件下也会反应生成三聚氰酸一酰胺。

高俊华，邝坚等人(2010)使用气相色谱质谱仪器、红外光谱、核磁共振和热重质谱联用仪等多种设备对采用SCR技术路线的国四柴油机排气管路中出现的结晶体进行成分分析，试验结果表明结晶体中含有尿素和三聚氰酸等物质。赵彦光博士(2012)通过试验研究排气温度对SCR系统沉积物生成的影响，还研究了沉积物的分解过程。试验结果表明局部低温是产生沉积物的有利条件，沉积物分解出的主要产物为异氰酸，沉积物在330-420℃温度区间大量分解，只要让沉积物暴露在420℃温度下保持几分钟就会有90%的沉积物分解，但是实际发动机排气温度要使沉积物温度达420℃则需要更高的排气温度。潍柴动力技术中心的余皎对柴油机SCR系统中尿素分解和沉积进行了研究，研究表明尿素分解与喷射量和温度有很大关系。