柴油機DOC+SCR系統NOx轉化效率影響因素研究

陳 韜，謝 輝，高國有，王 維，回 春

（1.天津大學 機械工程學院，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心，武漢 430056）

柴油機DOC+SCR系統NOx轉化效率影響因素研究

陳 韜1,2，謝 輝1，高國有2，王 維2，回 春2

（1.天津大學 機械工程學院，天津 300072；2.中國汽車技術研究中心，武漢 430056）

為了研究柴油機DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響因素，利用AVL Boost仿真軟件對催化器的化學反應過程進行了數值仿真及試驗驗證。結果表明，建立的仿真計算模型能很好地模擬DOC+SCR系統的催化反應過程。DOC+SCR系統中，NOx的最佳轉化溫度范圍為280℃～500℃，在最佳反應溫度范圍內，排氣流量對DOC+SCR系統的NOx轉化效率基本沒有影響，前置DOC在保證排氣中NO/NO2的比例不同時，NOx轉化效率都能保持在較高水平，排氣中NO2占比的增加對NOx轉化效率的提升作用非常小。

柴油機；DOC+SCR；NOx；轉化效率

日前，北京已對重型柴油車全面實行京五排放標準，由此可見，我國的排放法規日益嚴格，柴油機僅靠燃燒優化等機內控制技術已難以滿足歐Ⅳ、歐Ⅴ等排放法規的要求[1]，因此，高效的后處理技術成為柴油機必須采用的排氣控制手段。目前，我國主要存在兩條柴油機后處理技術路線，一條是機內控制顆粒（Particle Matter，PM）排放，同時采用選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction，SCR）控制NOx排放；另一條是機內控制NOx排放，同時采用廢氣再循環技術（Exhaust Gas Recycling，EGR）和柴油機顆粒捕集技術（Diesel Particulate Filter，DPF）控制PM排放[2-3]。SCR技術由于其具有油耗低、油品適應性強、產品平臺繼承性好等優點，已經成為國Ⅴ柴油發動機的首選排放技術路線[1]，國內濰柴、玉柴、康明斯等發動機廠家正積極研發SCR系統，以滿足今后越來越嚴格的環保標準要求。

引用格式：

SCR技術是利用還原劑氨基和烴基等來將尾氣中的NOx還原為N2，其中尿素作為氨（NH3）的載體，因其性能和使用的便利性被廣泛應用于車用柴油機上。尿素SCR的主要工作過程是向柴油機排氣中噴入適量的尿素水溶液，經過一系列的熱解水解過程，尿素分解成SCR 所需的NH3，并在催化劑存在的條件下與排氣中的NOx發生氧化還原反應，生成無害氣體[4-5]。近年來，國內外研究人員已經對尿素SCR后處理系統的結構特性[6-7]、化學反應原理[1,6,8-9]、試驗特性[10-13]、轉換效率[13-14]、失效機理[15-16]等作了大量的研究，SCR技術的應用也日益成熟。但隨著排放法規越來越嚴格，汽車排氣污染物的排放限值也越來越低，單一的后處理裝置已難以滿足未來排放法規的要求，集成的復合后處理系統成為未來后處理系統的發展趨勢。在復合后處理系統中，影響后處理系統轉換效率的因素將會發生改變。本文基于柴油機DOC+SCR復合系統，通過數值仿真的方式研究排氣流量、溫度和成分濃度等對NOx瞬態轉化效率的影響，為DOC+SCR復合后處理系統的推廣應用提供理論依據。

1 DOC+SCR反應機理

柴油機氧化型催化轉化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以鉑（Pt）、鈀（Pd）等貴金屬作為催化劑，催化氧化柴油機排氣中的SOF、HC和CO等有害氣體，從而達到減少發動機污染物排放的目的。此外， DOC還能將尾氣中的NO轉化為NO2，提高尾氣中NO2的濃度，有利于SCR系統中NOx的轉化，其反應機理主要為：

Urea-SCR是通過尿素中的NH3來還原排氣中的NOx，其催化還原反應十分復雜，主要的反應機理為：

上述反應式中，式（4）～（6）表示的是NH3選擇性地還原NOx的SCR反應，被稱為主反應。因為在發動機尾氣中NO占總氮氧化物含量的90%左右，因此式（4）又被稱為標準反應；式（5）是3個反應中反應速率最快的，被稱為快反應；式（6）的反應速率最慢，被稱為慢反應；式（7）是可能在催化器載體內發生的副反應[6,17]。

已有的研究表明，發動機的排氣溫度、濃度、空速以及NH3濃度等對SCR的轉換效率有很大的影響。在DOC+SCR后處理系統中，DOC將通過催化氧化排氣的中SOF、HC和CO，將一部分NO轉化為NO2，導致排氣溫度、濃度、空速等發生改變，影響SCR的轉化效率。

2 數值仿真模型

DOC+SCR后處理集成系統基于AVL Boost軟件定義的反應模型進行數值模擬，其中DOC系統的反應速率方程和化學動力學參數采用成熟的普遍接受模型，其主要來源于文獻[18]和文獻[19]，在DOC的反應過程中，式（1）和式（2）的反應速率分別為rCO和rC3H6。

式中：K為各反應的頻率因子；E為各反應的活化溫度，kJ/mol；y為氣體濃度，mol/L；Ts為載體溫度，K；K和E的下標1，2，…，5為反應的各個基元反應過程。

式（3）的反應速率rNO為：

式中：keq.1為DOC中NO氧化在2NO+O2?2NO2反應形式下的頻率因子；patm為大氣壓力，Pa；R為普適氣體常數。

SCR系統中NOx和NH3的每個氧化還原反應包括3個不同的涂層表面反應，速率方程和化學動力學參數采用成熟的普遍接受模型，主要來源于文獻[20]和文獻[ 21]，式（4）的反應速率rSCR,4為：

式（5）的反應速率rSCR,5為：

式（6）的反應速率rSCR,6為：

3 試驗驗證

為了驗證數學模型的合理性和計算結果的準確性，需要進行對比試驗。試驗所用的DOC+SCR系統連接在發動機的排氣管路上，發動機采用最大功率92 kW和最大轉速410 r/min的柴油發動機。發動機試驗臺架的系統結構如圖1所示。試驗采用AVL排氣分析儀對排氣的污染物成分進行分析，分別在圖1所示的取樣點對發動機尾氣進行取樣，將取樣點1獲得的排氣成分濃度作為數值模擬的初始計算條件，取樣點2獲得的排氣數據作為后處理系統的試驗結果。DOC與SCR的主要結構參數見表1。

圖1 發動機臺架試驗示意圖

表1 DOC與SCR主要結構參數

為了便于計算，發動機保持在穩態工況下運行，確保排氣成分保持不變，同時通過圖1所示的排氣控制閥控制排氣流量的變化，通過加熱裝置控制進入DOC+SCR后處理系統的排氣溫度。計算過程采用臺架試驗的測量數據作為計算的初始和邊界條件。

圖2為DOC與SCR系統在排氣流量為13 g/s的穩態工況下，排氣溫度從150 ℃上升至550 ℃的過程中，排氣中NOx質量濃度變化的試驗和計算結果對比。隨著溫度的升高， NOx濃度顯著下降，SCR轉化效率明顯上升，排氣溫度在225 ℃～400 ℃時，SCR進入最佳反應溫度區間，其轉化效率較高，NOx濃度開始緩慢降低；當溫度達到400℃后，SCR轉化效率開始降低，此時NOx濃度又開始緩慢上升。由圖2可知，計算模型仿真得到的排氣中NOx濃度變化趨勢與試驗結果基本一致，由此表明，建立的計算模型能較為準確地預測DOC與SCR系統的反應過程。

圖2 試驗和模擬計算結果對比

4 結果分析

柴油機SCR的催化轉化效率受到排氣溫度、排氣流速以及排氣成分等的影響，增加了前置DOC的SCR后處理系統后，受到各因素的影響，效率會發生變化。圖3為排氣溫度對DOC+SCR系統的NOx濃度和轉化效率的影響，當溫度在150 ℃～200 ℃時，由于前置DOC將排氣中NO氧化為NO2，而在此溫度范圍內，SCR轉化效率降低，因此排氣中NOx濃度增加，其轉化效率隨之降低。隨著溫度的升高，SCR轉化效率明顯上升，在280 ℃～500 ℃的排氣溫度范圍內，SCR轉化效率均大于80%，此時SCR中的反應以快反應式（5）為主導，NOx的轉化效率將達到最佳。而當溫度超過500 ℃后，SCR的轉化效率會急劇降低，主因是當溫度超過450 ℃時，SCR中的化學反應將以副反應式（7）為主導，NH3對O2的選擇性突然升高，而排氣中氧氣含量遠遠高于NOx含量，NH3和O2的接觸機會遠遠高于NOx，大部分NH3與O2發生反應，導致NOx的轉化效率迅速降低[14]。

圖3 排氣溫度對DOC+SCR系統NOx濃度和轉化效率的影響

圖4 排氣流量對DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響

圖4 為排氣流量對DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響。由圖可知，在SCR的最佳反應溫度280 ℃～500 ℃的范圍內，排氣流量對NOx轉化效率的影響非常小，特別是在排氣溫度為400℃時，排氣流量的改變對SCR的轉化效率基本沒有影響。而當排氣溫度小于280 ℃或者大于500 ℃時，SCR的NOx轉化效率隨著排氣流量的增加而逐漸減少，主因是SCR在最佳反應溫度區間內，催化還原反應的反應速率較快。此時排氣溫度為決定NOx轉化效率的主導因素，而在最佳反應溫度區間之外，排氣流量對NOx轉化效率的影響逐漸增加，當排氣流量較小時，排氣污染物與催化劑反應時間相對增加，其轉化效率也隨之提升。

已有的研究表明，發動機排氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉化效率的重要因素，增加排氣中NO2的濃度可提高SCR催化器的轉化效率，而發動機排氣中NO2/NOx的比例一般小于10%。由于在SCR系統中前置的DOC能將排氣中的NO氧化為NO2，因此排氣中NO2/NOx比例對DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響也會發生相應的變化。圖5為NO2與NO濃度比對DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響，隨著排氣中NO2濃度占比的升高，NOx的轉化效率有略微提升。當NO2濃度占比15%時，NOx轉化效率比NO2濃度占比5%時提升1%左右，主因是前置DOC的存在極大地提升了排氣NO2的濃度，致使排氣中NO/NO2的比例能很好地滿足SCR催化轉化的要求，所以原始排氣中NO/NO2的比例對SCR的轉化效率影響很小。此外，排氣溫度在300 ℃～450 ℃時，NO2/NOx比例對DOC+SCR系統NOx轉化效率的影響高于其它溫度范圍，這是因為在該溫度范圍內，SCR的催化反應以快速反應式（5）為主導，而快速反應式（5）對排氣中NO2/NOx的比例較其它催化反應更為敏感。

圖5 NO2與NO濃度比對DOC+SCR系統 NOx轉化效率的影響

5 結論

（1）增加了前置DOC的SCR系統，NOx轉化效率最佳反應溫度區間為280 ℃～500 ℃，而單一的SCR其催化反應最佳溫度范圍為300 ℃～450 ℃，因此DOC+SCR系統能加寬SCR的最佳反應溫度窗口。

（2）在最佳反應溫度范圍內，排氣流量對DOC+SCR系統的催化轉化效率基本沒有影響，而當排氣溫度小于280 ℃或者大于500 ℃時，NOx轉化效率隨著排氣流量的增加而逐漸減少。

（3）在DOC+SCR系統中，當排氣中NO/NO2的比例不同時，NOx轉化效率均能保持較高水平，且基本保持不變。提高排氣NOx中NO2的比例，NOx轉化效率的增加幅度非常微小，因此，前置DOC能保證SCR在不同發動機工況下都具有較高的轉化效率。

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Study on NOxConversion Efficiency in DOC+SCR System for Diesel Engines

CHEN Tao1,2，XIE Hui1，GAO Guoyou2，WANG Wei2，HUI Chun2
（1. School of Mechanical Engineer, Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China Automotive Technology & Research Center，Wuhan 430056，China）

In order to study the influencing factors of NOxconversion efficiency in the DOC+SCR system for diesel engines, the catalytic reaction processes were simulated by using the commercial software AVL Boost, and verified by bench tests. The results show that the optimum exhaust temperature range is 280℃～500℃ for the NOxconversion efficiency, the exhaust flow almost has no effect on NOxconversion efficiency, and the NOxconversion efficiency can be kept at a higher level for different ratios of NO/NO2. The proportion of NO2in the exhaust gas has little effects on conversion efficiency.

diesel engine；DOC+SCR；NOx；conversion efficiency

TK421.5

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.02

2017-03-20 改稿日期：2017-04-10

國家自然科學基金（51276056）；中國汽車技術研究中心青年創新基金（16172307）

陳韜，謝輝，高國有，等. 柴油機DOC+SCR系統NOx轉化效率影響因素研究 [J]. 汽車工程學報，2017，7(5)：321-326.

CHEN Tao，XIE Hui，GAO Guoyou，et al. Study on NOxConversion Efficiency in DOC+SCR System for Diesel Engines [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：321-326. (in Chinese)

作者介紹

陳韜（1986-），男，湖南湘潭人。博士，主要從事汽車污染物排放與控制技術研究。

Tel：15084986919

E-mail：chentaoace@126.com