控制排放中NO2體積分數提高SCR效率的研究

閆立冰，任憲豐，陳文淼,張雷波，張娟，胡金金

(1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司發動機研究院，山東濰坊 261040)

0 引言

柴油機具有動力性強、油耗低的優勢，在中重型車輛上得到廣泛的應用。隨著社會對環境保護的重視，柴油機的污染問題越來越突出[1-2]。選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)技術具有較好的排放法規繼承性和對硫不敏感等諸多優點[3-4]，我國滿足國四、國五排放法規的商用車柴油機多采用SCR技術路線。SCR內部化學反應較為復雜[5-7]，NOx反應速率與NO和NO2的體積分數有密切關系，氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)會影響SCR上游的NO2體積分數，在中高負荷時造成SCR上游NO2體積分數高于NO，降低SCR的反應速率。本文中提出廢氣旁通的方法，通過電磁閥控制流經DOC內部的廢氣，保證SCR上游的NO2體積分數不超過50%，消除SCR慢反應，保證SCR的反應速率。

1 原理分析

1.1 DOC反應原理分析

氧化反應方程式為：

2NO+O2→2NO2，2CO+O2→2CO2，4HC+5O2→4CO2+2H2O。

(1)

圖1 DOC中NO2轉換效率與溫度的關系曲線

DOC能夠氧化廢氣中的HC、NO和CO[8]，其中HC和CO被氧化為無害物質CO2和H2O，而NO被氧化為NO2、NO2在SCR中被還原。DOC的氧化效率與溫度密切相關，其中NO2氧化效率與溫度的對應關系如圖1所示。由圖1可知，當DOC的溫度在350 ℃左右時，氧化作用最強，隨著溫度升高或降低，其氧化作用逐漸減弱。

1.2 SCR反應原理分析

1.2.1 尿素水解反應

尿素水解反應化學方程式為：

(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2

。

(2)

尿素溶液分解成有效的NH3需要經過3個過程：1)尿素液滴的水汽蒸發，變成固態或熔融態；2)熔融態的尿素在排氣管中分解成等量的NH3和HNCO；3)HNCO在SCR催化器中非常容易水解成NH3和CO2。化學方程式(2)即為3個過程的總反應，該反應為吸熱反應，需要排氣溫度達到200 ℃以上時才能進行。

1.2.2 標準反應

標準反應化學方程式為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

。

(3)

稀燃柴油機原始排放NOx中，NO2的體積分數小于30%，因此標準反應為SCR的主要反應。

1.2.3 快反應

快反應化學方程式為：

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

,

(4)

式(4)的反應速度約為式(3)的10倍[9]，稱為快反應。從式(4)可以看出，NO和NO2是按照1:1的比例進行反應。

1.2.4 慢反應

慢反應化學方程式為：

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

,

(5)

廢氣中NO完全消耗，只剩NO2的情況下，SCR內部按照式(5)進行反應，該反應比式(3)(4)慢很多。

1.2.5 氨的吸附與解吸附反應

氨的吸附和解吸附主要在催化劑表面[10]進行，NH3分子吸附到催化劑活性中心位，和氣態的NO和NO2反應。吸附過程化學方程式為：

NH3+S→NH3(ads)

,

(6)

解吸附過程化學方程式為：

NH3(ads)→S+NH3

,

(7)

式中：S為催化劑中的活性中心位；NH3(ads) 為被吸附的氨。

2 方案制定

2.1 總體結構介紹

后處理設備包括DOC和SCR，其總體結構如圖2所示。其中DOC主要起氧化作用，將NO氧化為NO2，為SCR的反應提供供給料；SCR的主要作用是將廢氣中的NOx還原為N2。一般小負荷工況下，經過DOC氧化后廢氣中的NO2的體積分數小于50%，此時由于快反應的反應速度快，因此首先進行式(4)的快反應，待廢氣中的NO2消耗完畢后，進行式(3)對應的標準反應。在中高負荷點的時候，由于DOC氧化作用增強，DOC下游廢氣中NO2的體積分數可能會超過50%，此時在式(4)對應的快反應完成后，廢氣中的NO2會繼續與氧氣和NH3進行慢反應，整體上將SCR的轉換效率拉到一個相對較低的水平。

圖2 后處理系統示意圖

設計的主要思路為盡可能保證快反應，抑制慢反應，尤其在中高負荷點經過DOC氧化后廢氣中的NO2體積分數超過50%時，通過控制DOC兩端的比例電磁閥，將部分原排氣中的廢氣不經過DOC直接引入到SCR，保證SCR上游NO2的體積分數控制在50%，從而整體提高SCR的轉換效率。

2.2 控制方案設計

2.2.1 DOC前NO2的體積分數

發動機原排氣中的NO2占NOx的體積分數與發動機工況密切相關，一般工程上常通過發動機轉速和噴油量查脈譜得到。此外，如果發動機配置EGR閥，還需要考慮EGR對原排氣中NO2體積分數的影響，工程上一般通過EGR閥開度查脈譜對原排氣中NO2體積分數進行修正。

2.2.2 流經電磁閥的氣體流量

氣體一部分通過旁通管路，一部分通過DOC，2部分氣體在DOC下游會合，經過旁通管路的氣體沒有經過氧化，氣體成分不會變化，經過DOC的氣體由于氧化作用，造成NO2的成分增加。另外,電磁閥開度會影響經過旁通管路的氣體流量，因此在涉及控制方案時還需要考慮電磁閥開度。

通過電磁閥的NOx體積流量

qv1 NOx=qNOxS2k/(S1+S2k)。

(8)

通過電磁閥的NO2體積流量

qv1 NO2=qNOxφ(NO2)S2k/(S1+S2k),

(9)

式中：qNOx為原排氣中NOx的體積流量；S1為DOC的截面積；S2為旁通電磁閥的截面積；k為電磁閥的開度；φ(NO2)為DOC上游NO2占NOx的體積分數。

2.2.3 流經DOC的氣體流量

流經DOC的NOx體積流量

qv2NOx=qNOxS1/(S1+S2k)。

(10)

DOC中參加氧化反應的NO的體積流量

qv2NO=qNOx[S1/(S1+S2k)](1-φ(NO2))φ(NO) ,

(11)

其中φ(NO)為DOC中氧化為NO2的NO占NO總量的體積分數，工程上常通過溫度和廢氣流量查脈譜得到。

流經DOC的氣流中原有NO2的體積流量

qv2NO2=qNOxφ(NO2)S1/(S1+S2k) 。

(12)

由式(1)可知，NO消耗的體積和NO2生成的體積相同，所以DOC中氧化生成的NO2的體積流量等于式(11)中消耗的NO的體積流量。DOC后混合點之前NO2的總體積流量包含2部分，一部分為流經DOC的氧化為NO2的NO體積流量，另一部分為流經DOC的NOx中原有NO2的體積流量，因此DOC后混合點前NO2的總體積流量

qv2=qv2NO+qv2NO2=qNOx[S1/(S1+S2k)][(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]

。

(13)

2.2.4 DOC下游混合處的流量

DOC下游混合處NO2的總體積流量包含2部分，一部分為經過旁通閥的NO2體積流量，另一部分為通過DOC的NO2的體積流量。因此在DOC后混合處2部分氣流的NO2總體積流量

qvNO2=qv1NO2+qv2=qNOx{[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

(14)

2.2.5 DOC后混合處NO2占NOx的體積分數

DOC的氧化反應見式(1),所以DOC后的NOx的總體積流量與發動機原排氣中的NOx體積流量相同，基于這個前提，則DOC后混合處NO2的體積分數

φ= {[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

(15)

2.3 控制方案實現框圖

按照式(15)實現的控制框圖如圖3所示。

圖3 控制方案實現框圖

原排氣中，NOx中NO2的體積分數通過轉速和噴油量查脈譜得到，EGR開度影響缸內的燃燒情況進而影響原排氣中NO2的體積分數，因此，DOC上游旁通支路前廢氣中，NOx中NO2的體積分數還需通過EGR的修正因子進行修正。

DOC的氧化效率與溫度和空速密切相關，空速反映廢氣在DOC中駐留的時間，空速越大，駐留時間越短，效率越低。DOC中氧化為NO2的NO體積分數通過DOC溫度和空速查脈譜得到。最終得到DOC下游混合處NOx中NO2的體積分數，該變量用于閉環控制。

3 控制系統設計

設計目的為控制SCR入口廢氣中NO2的體積分數不超過50%，從而抑制SCR慢反應，保證較高的轉換效率。通常情況下廢氣中NO2的體積分數可固定為50%，實際NO2的體積分數通過式(15)計算得到，采用比例、積分、微分(proportion,integral,differential,PID)閉環方式計算驅動旁通閥的控制信號。當原排氣中NO2體積分數小于50%時，實際值與設定值的偏差小于0，電磁閥關閉，當原排氣中NO2的體積分數超過50%時，實際值與設定值的偏差大于0，通過調節電磁閥開度控制SCR上游的NO2比例，如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

4 試驗設備及工況

試驗采用一款帶DOC和SCR后處理的高壓共軌電控柴油機，進氣方式為增壓中冷，柴油機基本參數如表1所示。試驗所用排放設備如表2所示。對所選試驗工況進行循環測試，試驗工況如表3所示。

表1 試驗用柴油機主要技術規格

表2 排放設備信息

表3 試驗工況

5 效果驗證

圖5 優化前后SCR效率對比

在發動機中高負荷時，DOC的轉換效率較高，SCR上游NOx中NO2的體積分數超過50%，此時SCR內部進行慢反應，造成SCR整體轉換效率降低。若DOC兩端配備有廢氣旁通閥，控制方案以SCR上游的NO2體積分數作為控制目標，當實際體積分數超過50%時，通過閉環控制旁通閥來降低實際體積分數，將實際值控制在設定值，從而整體提高SCR的效率。優化前后SCR效率對比如圖5所示。

由圖5可知,SCR溫度為350～450 ℃時，帶旁通閥方案的SCR效率比不帶旁通閥明顯提高，在SCR溫度較低或較高時，由于SCR上游NO2體積分數低于50%，旁通電磁閥關閉，所以2種方案的效率沒有變化。

6 結語

試驗結果表明，通過閉環控制廢氣旁通閥，在中高負荷且DOC的溫度在高效范圍內時，能夠抑制慢反應、促進快反應，有效的提高SCR的平均轉換效率。