氨分布對柴油機并聯式SCR后處理系統NOx排放的影響

劉興龍，王軍，王奉雙，王遠景

(1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著城市發展和科技水平的提升，政府對重型柴油車環保要求逐步提高：我國2013年7月實施了國四階段排放標準，2017年1月實施了國五階段排放標準[1]，2021年7月1日計劃實施國六6a排放階段標準，2023年7月1日計劃實施國六6b排放階段標準[2]。國六后處理與國五后處理的區別不只是對污染物量上的控制區別，更有質的區別：國五柴油機的后處理系統僅采用選擇性催化還原器(selective catalytic reduction，SCR)，即可滿足發動機的排放法規限值要求；國六后處理系統需要借助氧化型催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)與SCR三者系統作用，既保證非常低的NOx排放值，又保證DPF的積炭再生循環，才能長期達到發動機的排放法規限值要求[3-7]。SCR后還增加氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)用于處理尿素過量噴射產生的NH3泄漏。國四、國五后處理系統結構形式較為簡單，主要區別為噴嘴布置在排氣管路上抑或集成到后處理裝置上[8-9]，國六后處理系統普遍采用噴嘴集成的方式。在對后處理系統排放的數值分析方面，一維仿真計算和二維仿真計算兩種方式并存，業內主流的仿真評價方案是計算典型工況點催化劑前端截面的氣流速度均勻性和氨分布均勻性數據[10-16]。本研究在一款13 L國六柴油機上利用仿真計算、氨分布試驗、排放性能試驗等方法研究了影響國六并聯式SCR后處理系統NOx排放的因素，為該后處理系統的設計仿真優化提出了評價標準及驗證方法。

1 研究對象

1.1 后處理系統結構型式

圖1示出常見國六后處理系統各催化處理單元的布置順序，張俊等[17]通過試驗方法驗證了該構型方案在實現DPF的連續被動再生方面的優勢和較好的燃油經濟性。為配套不同的車型，后處理系統封裝結構通常設計為桶式或箱式，箱式結構主要配套大載量重型卡車，以滿足其緊湊型布置的需求：各催化單元來回折返布置在箱式結構中；SCR設計為兩路并行的結構，可充分利用空間、縮小尺寸(見圖2)。并聯式SCR后處理系統在混合器后分成完全相同的兩路SCR，兩路SCR氣流特性的一致性將對NOx排放產生較大影響。

圖1 國六后處理系統各催化單元布置順序

圖2 國六并聯式SCR后處理系統結構示意

1.2 研究問題

選用1臺排量為13 L的國六重型柴油機為研究對象，發動機及后處理系統主要參數見表1。在國六試驗臺架上進行了排放性能試驗，試驗布置見圖3。

表1 發動機及后處理系統的主要參數

圖3 國六后處理系統排放性能試驗臺架布置

試驗用測功機為西門子電力FC200(600 kW)測功機；試驗用分析儀為日本HORIBA MEXA—7500DEGR氣體分析儀和AVL 472排放顆粒采集儀。

在排放試驗中發現，相同試驗條件下，兩種僅混合器不同的國六后處理系統(催化劑及其他結構無任何變化)NOx排放值在WHSC循環中差異較大，在WHTC循環差異小，這應是穩態工況點比瞬態工況點更能夠體現后處理器催化能力的原因。試驗結果見表2，雖然排放結果都滿足國家排放限值，但兩者排放值的相對偏差高達253%。兩混合器的差異主要是混合器1僅采用一組圓周旋流片與擴口結構混合尿素與尾氣，而混合器2在第一組圓周旋流片后面取消擴口結構，增加了一組不同結構的旋流片，形成雙旋流結構。

表2 排放性能試驗結果

2 影響NOx排放的仿真分析研究

2.1 速度均勻性仿真分析

速度均勻性是混合廢氣通過催化劑截面的均勻性參數，它代表著混合廢氣與催化劑接觸時的氣流一致性水平。選擇13 L國六發動機的標定點(最大廢氣流量點)進行穩態CFD仿真。對圖2中的各個功能單元進行3D建模，經Hypermesh V13.0劃分網格形成圖4所示的數值模型，采用Fluent計算每個后處理催化劑前端面的氣流速度均勻性，結果如圖5、圖6所示。對比圖5、圖6可知，兩個后處理系統的SCR前端面速度均勻性都在0.97以上，處于較好水平。在該工況點進行了廢氣的質量流量分布計算，結果如圖7所示。通過圖7a和圖7b對比，確認2個后處理系統的廢氣質量流量分布基本相當。

圖4 后處理系統數值模型

圖5 混合器1后處理系統各載體前端面速度均勻性

圖6 混合器2后處理系統各載體前端面速度均勻性

圖7 SCR后處理系統的廢氣質量流量分布

經CFD仿真計算，確認兩后處理系統廢氣速度均勻性和廢氣質量流量分布都在合理范圍內，廢氣流量特性不足以導致兩后處理系統總成的WHSC循環排放結果的差異。

2.2 氨分布均勻性仿真分析

尿素噴射至混合器后熱解為NH3，與廢氣混合均勻，混合氣體流動到催化劑，催化劑前端面的NH3分布均勻性對SCR催化劑的催化反應有著至關重要的意義。圖8、圖9示出不同混合器后處理系統的SCR前端面NH3均勻性計算結果對比。由圖可見，兩后處理系統的NH3均勻性相差在2%以內，且處于較高水平，不足以影響后處理系統總成的WHSC循環排放結果。

圖8 混合器1后處理系統的NH3均勻性

圖9 混合器2后處理系統的NH3均勻性

2.3 兩路SCR平均氨濃度差異計算

通過氨分布均勻性計算僅能了解單路SCR的氨分布情況，無法全面評估兩路SCR的氨分布差異。計算并聯SCR前端面的NH3加權質量(該工況下通過截面的總質量)進行對比分析，可較全面地評估兩路SCR的氨分布差異情況。如圖10所示，采用混合器1后處理系統時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是3.82%，采用混合器2后處理系統時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是17.5%。在混合器1內增加一個多孔管提升氣流的混合均勻性，形成混合器3；對比采用混合器3時兩路SCR前氨濃度差異與最終NOx比排放量，進一步驗證兩者的關系。采用混合器3后處理系統時兩路SCR前氨濃度的相對偏差為2%。根據計算結果對比可知，混合器1后處理系統和混合器3后處理系統的氨混合效果遠優于混合器2后處理系統，混合器3后處理系統氨混合效果略優于混合器1后處理系統。

圖10 后處理系統兩路SCR前端面的氨濃度差異

3 NOx排放差異的試驗研究

3.1 SCR氨均勻性試驗

通過試驗測試SCR前端面的氨濃度分布，可以獲得真實的氨均勻性數據，還可以校正仿真計算結果。選擇發動機的常用工況點，正常噴射尿素進行測試。氨均勻性試驗需要將后處理系統剖切斷面，用儀器測試氣流中氣體成分的濃度。若在SCR前剖切斷面，則因后面無載體氣壓阻力，氣流會發生較大變化；若剖切至ASC后，氨氣會被ASC催化劑吸收，測試結果將產生一定誤差。因此，將后處理系統剖切至ASC催化劑前，形成剖切斷面，取點進行測試。如圖11所示，測試時，探頭深入斷面移動到圖11b對應點位置，完成一個位置點的測試后再移動到下一個位置點測試，直至完成所有位置點的數據測試。

圖11 氨均勻性試驗方案

測試探頭連接至氣體分析儀，記錄每一個位置點的NOx濃度和NH3濃度。根據NH3對NOx的催化反應可知，NOx的反應量與NH3的參與反應量的比值為1∶1，所以，SCR前每一個位置點的氨濃度可通過式(1)計算獲得，即參與催化反應的NH3加上SCR后的NH3等于SCR前的NH3。匯總所有SCR前端面位置點的氨濃度數據，經過式(2)計算獲得SCR前氨均勻性數據。

C單側SCR前端氨氣=(C發動機原排NOx-C單側SCR后端面NOx)+
C單側SCR后端面氨氣。

(1)

式中：C為氣體的摩爾濃度。

(2)

3.2 單路SCR氨均勻性試驗數據分析

試驗獲得SCR后49個位置點的NH3濃度，利用式(1)計算獲得SCR前NH3濃度，繪制如圖12所示云圖。采用混合器1后處理系統時兩路SCR前端面氨均勻性數據都是0.988，采用混合器2后處理系統時兩路SCR前端面氨均勻性數據分別是0.986和0.987。圖8、圖9的計算結果與圖12的試驗結果相對偏差在3%以內，確認后處理器的實際氨均勻性較好，結合表2中WHSC循環排放結果表明：即使單路SCR氨均勻性較好，最終后處理系統的NOx比排放量也并不理想。

圖12 SCR后處理系統氨均勻性試驗結果

3.3 兩路SCR平均氨濃度差異分析

對比兩路SCR前端面平均氨濃度試驗結果發現，雖然單個SCR截面上的氨均勻性較好，但是兩路SCR的前端面平均氨濃度差值略大，以工況1為例，SCR1前端面平均氨濃度為979×10-6，SCR2前端面平均氨濃度為1 089×10-6。從發動機常用工況中選擇高、中、低3個典型工況，進行SCR前端面平均氨濃度測試，獲得SCR1平均氨濃度值距中間值的相對偏差，結果見圖13。

圖13 兩路SCR氨均勻性在不同工況點的相對偏差

由圖13可見，混合器1后處理系統的SCR前端面平均氨濃度距中間值相對偏差在5%以內，混合器2后處理系統該數據在5%～17%之間，偏差明顯較大。兩路SCR的平均氨濃度差異過大，導致一路SCR的氨濃度過量，尾氣中NOx處理正常，但另一路SCR的氨濃度較低，尾氣中NOx處理不足。兩路SCR的氨濃度差異過大是導致混合器2后處理系統WHSC循環NOx排放略差的主要原因。

3.4 排放性能試驗

在13 L國六發動機上對采用混合器3的后處理系統進行了WHSC循環排放試驗，NOx比排放量試驗結果為0.08 g/(kW·h)。對比排放試驗結果與本研究氨分布差異仿真計算結果(見圖14)，可見兩路SCR前端面的NH3質量加權百分數相對偏差與WHSC循環排放試驗結果趨勢一致。

圖14 NOx排放測試結果與仿真結果對比

該結果表明，國六并聯式SCR后處理系統SCR前氨濃度相對偏差與NOx排放試驗結果相關，可以通過該數據評估后處理系統的催化能力，其值設定為5%較為合理。

4 結論

a) 兩路SCR并聯的后處理系統速度均勻性和氨分布均勻性計算值都比較高(0.96～0.99之間)，但不能全面評估后處理系統催化性能；

b) 單路SCR前的氨濃度均勻性試驗測試結果在0.98以上，結果較好，但兩路SCR前端面的平均氨濃度差值較大，這是NOx排放略差的主要原因；

c) 氨質量加權百分數相對偏差仿真值與NOx排放試驗結果相關度較高，并聯式SCR后處理系統的氨質量加權百分數相對偏差的仿真計算在后處理系統產品設計中具有較大意義，建議計算標準設定為5%以內。