基于國六標準的柴油機SCR系統催化器轉化效率影響因素研究

汪志義 任家潮 肖明雅 谷林強

摘要：研究了國六標準柴油機SCR系統催化器轉化效率的影響因素，運用AVL Boost仿真軟件對催化器內的化學反應過程進行了數值仿真和實驗驗證。結果表明：在DOC+DPF+SCR+ASC系統中，SCR催化器最佳反應溫度在220～500 ℃，催化器轉化效率達到95%以上，SCR催化器不同程度的老化也對NOx轉化效率有一定影響。在排氣中適當增加NO2濃度，可以提高催化器轉化效率，但NO2濃度占比要控制在50%以內。

關鍵詞：柴油機;轉化效率;溫度;NO2

0 引言

柴油機因具有動力性強、燃油經濟性好以及維修成本低等優點而被廣泛運用于工程裝備中。但是，隨著柴油機的廣泛運用，空氣污染狀況加劇，汽車尾氣中的氮氧化物是形成光化學煙霧的主要因素之一[1]。因此，國家制定和出臺了一系列政策，其中國六標準是目前世界上最嚴格的污染物排放標準之一。近年來，國內外很多學者對SCR催化器轉化效率影響因素做了大量研究。焦運景等[2]研究了SCR載體結構對NOx轉化效率的影響。Chong[3]等研究了常用鐵-沸石和V2O5-WO3/TiO2催化劑在不同操作條件下的NOx還原和N2O排放性能。Juny[4]等人研究了柴油機在不同發動機負荷和轉速運行條件下，組合催化劑的氮氧化物和N2O排放情況。Singh[5]等研究表明，CACSx-Mn/Ce和CO-ACSx-Mn/Ce催化劑的NOx轉化效率更依賴于金屬負載的重量百分比參數，如孔徑、孔結構和表面積。Heeb[6]等研究了組合式柴油顆粒過濾器系統對活性氮化合物排放的影響。

本文針對國六標準柴油機DOC+DPF+SCR+ASC的復合后處理系統，通過數值仿真方式，研究了國六標準柴油機的SCR載體溫度、不同程度載體的老化及NO2的濃度占比對NOx轉化效率的影響，為國六標準柴油機的后處理系統推廣提供理論依據。

1 反應機理

柴油機氧化催化轉化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以一些貴金屬作為催化劑，將發動機尾氣中的HC和CO氧化以降低HC和CO的排放。盡管PM中的碳煙很難被氧化，但可以有效氧化掉PM中的SOF部分來降低微粒的排放[7]。此外，DOC可以把尾氣中的NO氧化成NO2，這樣可以提高SCR轉化效率。經過DOC后的尾氣進入DPF中，主要發生載體壁面上碳煙的熱氧化反應和催化氧化反應。DOC通過尿素噴射計量閥噴射尿素熱解成NH3與尾氣中的NOx反應，生成無害氣體。其反應主要為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O（2）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O（3）

4NH3+3O2→2N2+6H2O（4）

上述反應式中，式（1）～式（4）表示的是NH3選擇性還原NOx的SCR反應，被稱為主反應。在發動機尾氣中NO占總氮氧化物含量的90%左右，因此式（1）又被稱為標準反應。而式（2）是3個反應中反應速率最快的，因此被稱為快反應。式（3）的反應速率最慢，因此被稱為慢反應，式（4）是可能在催化器載體內發生的副反應[8]。

2 數值仿真模型

本文運用AVL Boost軟件對柴油機DOC+SCR后處理系統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Koltsakis[9]所提出的模型。在DOC的反應過程中，反應速率分別為rCO和rC3H6。

尾氣經過DOC反應進入DPF后，發生的化學反應速率計算基于阿倫尼烏斯公式[10]。

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Winkler所提出的模型。其中主式（1）的反應速率為rSCR，1，式（2）的反應速率為rSCR，2，式（3）的反應速率為rSCR，3，式（4）的反應速率為rSCR，4。

3 實驗驗證

本文在1臺排量為1.968 L的四缸增壓中冷、功率為80 kW、標定轉速為3 200 r/min的電控高壓共軌缸內直噴柴油機上進行實驗，原機裝配DOC+DPF+SCR+ASC可滿足國六排放標準。實驗采用AVL SCHNEIDER電力測功機、AVL 642燃燒分析儀、AVL質量流量計7351 CST、AVL燃油溫控系統753CH以及若干傳感器，用來驗證所提出數值仿真模型的合理性和準確性。柴油機后處理技術主要參數如表1所示。

實驗方法：保持空速在40 000 h-1（h-1是空速單位，指在規定的條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量）左右，在操作臺架上調整轉速和油門，使SCR入口溫度達到180 ℃。用設備記錄下原始尾氣排放，等到溫度穩定后開始噴射尿素，直到氨泄漏量達到10-5，用設備記錄下現在的尾氣排放及各項數據。再次調整轉速和油門，使SCR入口溫度達到200 ℃，重復以上實驗步驟，分別記錄下實驗數據并進行分析計算。計算過程采用臺架試驗的測量數據作為計算的初始條件和邊界條件。排氣溫度上升的過程中，排氣中NOx濃度變化的實驗和計算結果對比如圖1所示，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此柴油機后處理系統的反應過程。

4 實驗結果及分析

圖2顯示了NOx轉化效率隨溫度的變化規律。溫度低于200 ℃時，NOx轉化效率較低。隨著溫度的升高，轉化效率也隨著升高，在220～500 ℃轉化效率達到95%以上。在最佳反應溫度范圍內，SCR中的反應以快反應式（2）為主導，NOx的轉化效率幾乎達到了100%。而當溫度超過500 ℃時，SCR的轉化效率會有所降低，主要是因為此時SCR中的化學反應將以副反應式（4）為主導，導致NOx的轉化效率迅速降低[11]。

圖3顯示了SCR載體的不同程度老化對NOx轉化效率的影響。新鮮載體在整個溫度范圍內都要優于其他兩個載體的轉化效率，新鮮載體在超過500 ℃高溫情況下，下降速率要小于兩個不同程度老化的催化器，且在750 ℃下連續工作16 h的催化器下降速率最快。在650 ℃下連續工作50 h的老化載體在整個溫度范圍內都要優于在750 ℃下連續工作16 h的老化載體，但是轉化效率相差不大。這2個老化的SCR載體只有在極小的溫度范圍內NOx轉化效率達到95%，主要原因是在持續的高溫條件下，SCR載體上的催化劑已部分失活，很難與尾氣中的NOx反應，從而使轉化效率下降。

根據已有的研究結論表明，發動機排氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉化效率的重要因素，適當提高發動機尾氣中NO2的濃度含量，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%[12]。在SCR系統中前置的DOC能將排氣中的NO氧化為NO2，在DPF中NO2會參加化學反應，含量降低，發生可逆反應生成NO2。因此，排氣中NO2/NOx比例對后處理系統（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉化效率的影響也會發生相應的變化。

圖4為NO2與NO濃度比對后處理系統（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉化效率的影響，隨著發動機排氣中NO2濃度含量的增加，NOx轉化效率明顯提升。當NO2濃度占比為35%時，NOx轉化效率比NO2濃度占比為0%時有所增加，主要是因為排氣中NO2/NOx比例能夠很好地滿足SCR催化轉化要求。然而，當NO2濃度占比65%時，NOx轉化效率要比NO2濃度占比為35%時有所降低，這是因為NO2/NOx比例超過50%時，式（3）成為主要的反應，反應速率最慢。因此，過量增加NO2濃度占比會影響SCR轉化效率。

5 結語

（1）在柴油機DOC+DPF+SCR+ASC系統中，NOx轉化效率的最佳反應溫度區間為220～500 ℃，其轉化效率達到95%以上，NOx排放滿足國六標準。

（2）前置的DOC+DPF可以在尾氣中適當增加進入SCR的NO2濃度，從而提高SCR催化轉化效率。在汽車尾氣中不同比例的NO2濃度，都能保證NOx轉化效率維持在較高水平，但要滿足國六排放標準，應當將NO2濃度控制在50%以內。

（3）SCR載體老化也會對NOx轉化效率有一定影響，應盡可能使載體在最佳反應溫度區間內工作，避免SCR載體在高溫下工作造成催化劑失活，使得轉化效率降低。

[參考文獻]

[1] 周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2005.

[2] 焦運景，紀麗偉，封煜.柴油機Urea-SCR系統催化轉化器結構對NOx轉化效率影響的研究[J].內燃機，2015（4）：14-16.

[3] CHONG P C，PYO Y D，JANG Y J，et al.NOx reduction and N2O emissions in a diesel engine exhaust using Fe-zeolite and vanadium based SCR catalysts[J].Applied Thermal Engineering，2017，110：18-24.

[4] JUNG Y，SHIN Y J，PYO Y D，et al.NOx and N2O emissions over a Urea-SCR system containing both V2O5-WO3/TiO2 and Cu-zeolite catalysts in a diesel engine[J].Chemical Engineering Journal， 2017，326：853-862.

[5] SINGH S，NAHIL M A，SUN X，et al.Novel application of cotton stalk as a waste derived catalyst in the low temperature SCR-DeNOx process[J].Fuel，2013，105（5）：585-594.

[6] HEEB N V，HAAG R，SEILER C，et al.Effects of a combined Diesel particle filter-DeNOx system （DPN） on reactive nitrogen compounds emissions：A parameter study[J]. Environmental Science and Technology，2012，46（24）：13317-13325.

[7] 謝振凱.柴油機催化型顆粒捕集器再生控制策略與試驗研究[D].合肥：合肥工業大學，2017.

[8] 王謙，張鐸，王靜，等.車用柴油機Urea-SCR系統數值分析與參數優化[J].內燃機學報，2013（4）：343-348.

[9] KOLTSAKIS G C，STAMATELOS A M.Modeling dynamic phenomena in 3-way catalytic converters[J].Chemical Engineering Science，1999，54（20）：4567-4578.

[10] 徐哲.柴油機微粒捕集器再生特性仿真研究[D].長春：吉林大學，2009.

[11] 辛喆，張寅，王順喜，等.柴油機Urea-SCR催化器轉化效率影響因素研究[J].農業機械學報，2011，42（9）：30-34.

[12] 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.

收稿日期：2020-08-14

作者簡介：汪志義（1964—），男，安徽安慶人，高級工程師，研究方向：柴油發動機。