一種SCR催化器的性能研究

姚云偉　董波　唐輝映

摘 要：隨著社會的發展，汽車保有量的增長，汽車尾氣排放也漸漸成為城市大氣污染的主要來源，而就目前汽車技術而言，單純依靠發動機機內凈化措施已難以滿足現有排放法規的要求，必須同時采用機外凈化措施才能達到排放標準。SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原）催化器是針對柴油機的一種尾氣凈化裝置，可以大大降低柴油機尾氣中Nox的排放水平。

關鍵詞：柴油機;SCR;NOX

1 概述

通過在柴油機排氣管上安裝有尿素計量噴射裝置，在合適的工況下，噴入尿素水溶液，尿素在高溫下發生水解和熱解反應后生成NH3，在SCR系統催化劑表面利用NH3還原NOx，排出N2，從而降低NOx的排放。因為NH3泄漏也會對大氣產生污染，所以對尿素的噴射有一定的限值，這就需要對SCR催化器的性能有一定的設計要求。

一般情況下，SCR催化器性能評價主要包括溫度特性、濃度特性和空速特性三個方面的評價，并且以NOx轉化效率作為基準。

SCR催化器轉化效率指的是發動機按照某種指定的工況運行時，催化轉化器前后某種污染物排放量的變化率：

2 SCR催化器裝置

2.1 SCR催化器中的化學反應

在SCR催化器中發生的主要化學反應如下：

尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2

NOx還原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+5O2→4NO+6H2O

在SCR系統中發生的復雜的物理和化學反應包括：尿素水溶液中尿素的水解、氮氧化物的還原反應和NH3的催化氧化反應。

本文中論述的SCR催化器性能是指發動機在試驗臺架運行時，催化器的轉化效率。此次使用的SCR催化器規格如表1。

2.2 試驗裝置

2.2.1 發動機試驗臺布置

圖1是SCR系統試驗臺架布置圖。試驗采用的發動機是某型4缸3.0L柴油發動機。

2.2.2 尿素噴射系統

尿素噴射系統是由帶有泵的電控單元（DCU）、定量供給電磁閥、噴嘴、尿素泵以及尿素箱組成。泵將尿素從尿素箱中泵出，并供給定量電磁閥，電控單元根據發動機的工況信息控制電磁閥的開度，以獲得需要的尿素噴射量。

對于SCR催化器，尿素噴嘴的設計以及安裝位置對于還原劑在排氣系統中的分布有很大影響，進而對于催化器的轉化效率有很大影響。根據設計經驗以及要求，目前采用的結構以及噴嘴安裝設計如下：

噴射方向：在排氣管中央沿著排氣管軸線方向噴射有利于還原劑濃度分布的均勻性。

噴嘴安裝位置：從噴嘴到SCR催化器載體的距離經驗值要大于6倍的管徑。

3 SCR催化器性能

3.1 溫度特性

進行溫度特性試驗時，發動機的工況不變，濃度比值一定。可以在發動機排氣管加上散熱器或者用風扇吹拂來控制催化器入口溫度。

催化器的轉化效率與溫度有密切關系，不同溫度下催化劑的轉化率是不同的。一般情況下，柴油機怠速時排氣溫度大約為100℃，而全負荷時排氣溫度能夠達到500℃以上。催化器溫度特性曲線見圖2。

從圖2中可以看到，SCR催化器隨著排氣溫度的不同，NOx轉化率呈現不同的變化趨勢。溫度低于150℃時，轉化率迅速下降，而且隨著溫度的降低NOx轉化率也隨之降低。在150～500℃之間，催化器的轉化率維持在80%以上，其中200～500℃之間，轉化率高達90%。

之所以具有這樣的溫度特性，是因為催化劑需要適宜的溫度，低溫時催化劑的活性較低，對NOx的轉化率較低，而高溫時，催化劑又容易被氧化，見圖3。

發動機工況在高速、低速大負荷時，SCR催化器溫度較高。

3.2 濃度特性

催化器的濃度特性，是要考察催化器對于NOx的轉化率隨著不同還原劑濃度與NOx濃度比例變化的規律，為催化器與整車的匹配提供依據。如果尿素噴射過少，則不能充分發揮催化劑的性能，而過多，非但不能提高NOx的轉化率，反而將導致水解的的大量逃逸。

一般情況下，隨著比值的增大，NOx轉化率呈線性升高，當達到0.8～1時，NOx轉化率增加不再明顯，此時的NOx轉化率在90%以上最高幾乎可以達到100%。

3.3 空速特性

空速被定義為每小時流過催化器的排氣體積流量與催化器容積之比。它表示了反應氣體在催化器中反應的時間。

發動機在不同的工況下運行，催化器的空速變化范圍很大。在催化器的實際使用中，由于整車布置和熱管理的原因，催化器的體積一般較小，要實現較高的轉化率，這就要求催化器本身具有較好的空速特性。

進行催化器的空速特性試驗時，需要保持發動機的排氣溫度和比值保持一定。

催化器空速特性曲線見圖4。

從中可以看到，隨著空速的增加，NOx轉化率呈下降趨勢。

對于這款4缸柴油發動機，轉速越高，負荷越大，則空速越大，其最大空速為88200h-1。

4 NOx轉化率確定方法

在確定尿素噴射系統安裝結構、排氣系統結構后，先進行原機的NOx排放測試，圖5為原機NOx濃度分布map，然后確定尿素噴射量，并進行萬有特性試驗，確定SCR凈化后的NOx濃度分布map，最后可以計算出NOx轉化率map，見圖6。

5 數據分析

綜上所述，SCR催化器的性能即NOx轉化效率主要由溫度特性、濃度特性和空速特性決定。在確定SCR催化器性能時，需要確定SCR催化器溫度分布map、SCR催化器空速map、SCR催化器濃度map以及NOx轉化率map。這幾個參數可以確定發動機整個工況下的SCR催化器性能表現，從而為SCR系統的選型和標定提供指導。

下面論述這3個特性之間的關系及與SCR轉化效率之間的關系。設空速為X1，排氣溫度為X2，NOX排放濃度為X3，SCR轉化效率為Y（所有數據均為發動機穩態工況下采集），可求得該發動機選用的SCR轉化效率的近似計算公式為：

Y=81.27+0.000328 X1-0.10422 X2+0.04 X3

5.1 多因子與SCR轉化效率之間的線性回歸關系

通過以上分析，可以發現發動機的空速、N0x排放濃度、排氣溫度，對SCR催化器轉化效率的影響很大，對采集到的相關試驗數據進行線性回歸檢查，發現所選因子與SCR轉化效率高度線性相關，即：所得SCR轉化效率的計算式可以用空速、排氣溫度、NOX排放濃度來進行估算。

5.2 多因子中各因子影響的主次順序

多元線性回歸方程中，xi（i=1，2，3）對試驗結果y都有影響，但這3個因素中，主要因素與次要因數，可用標準回歸系數比較法來判斷（計算過程詳見附錄1）

定義：

bi'=|bi|（Lii/Lyy）0.5，式中，bi'為因素xi的標準回歸系數;

可得b1'=0.41 ? ② ? ?b2'=0.24 ? ? ③

b3'=0.61 ? ? ? ①

根據結果可知，NOX濃度對于SCR轉化效率影響最大，其次是空速，然后是排氣溫度。

6 總結

從上述分析可知，影響SCR催化器的主要因素有空速、排溫、NOX排放濃度，其中：

1.NOX排放濃度對SCR催化器的轉化效率影響最大，這是由于根據SCR反應化學方程式，對于理論上應為1，其實也就是指NH3濃度對SCR催化器的轉化效率影響最大。

2.在NH3濃度一定時，空速與SCR催化器的轉化效率高度線性相關。

3.排溫與SCR轉化效率線性關系較差，主要原因是低溫時催化劑的活性較差，對NOx的轉化率較低，而高溫時，催化劑被高溫氧化抑制了對NOx還原反應的進行，因而轉化率也有所下降。

這就要求我們在進行SCR選型時：

首先，要做原機的NOx排放濃度MAP，從而確定所選SCR催化器用的尿素泵噴射量至少要>1.05倍的NOx最大排放濃度，1.05主要是因為NOx中有以NO2形式存在的部分，以及反應率的限制。

其次，考慮空速問題，由于空速SV=排氣流量/（空氣密度*催化器載體體積），排氣流量為原機固有，而隨著空速的增加，NOx轉化率呈下降趨勢，所以對于載體體積要求是在一定的空間內，載體體積盡可能做大。

最后，通過圖2來選擇催化器的催化劑最適工作溫度，應盡量避開低溫和高溫時催化劑的活性較差的工作區。

參考文獻：

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