銅基SCR氨存儲特性及其對柴油車NOx排放的影響研究

摘要：為應對國六排放標準下柴油車低排溫工況對氮氧化物（NOx）轉化效率提出的嚴峻挑戰(zhàn)，以銅基分子篩（Cu-Z）SCR催化劑為對象，探討其氨存儲特性及其對NOx排放的影響。通過發(fā)動機臺架試驗，分析了溫度和空速對SCR催化劑氨存儲能力及存儲過程的影響，并進一步評估了氨存儲量對NOx轉化效率的影響規(guī)律。在穩(wěn)態(tài)工況下，不同溫度與空速對SCR氨存儲飽和量及其動態(tài)平衡特性表現出顯著差異。試驗結果表明，高空速和低溫工況下SCR氨存儲量減小，存儲時間縮短，而低溫條件下的氨存儲對NOx轉化效率具有顯著提升作用。在WHTC冷啟動循環(huán)中，初始氨存儲狀態(tài)顯著影響SCR系統(tǒng)在低溫階段的NOx排放表現。研究結果表明，優(yōu)化SCR催化劑的氨存儲性能和初始狀態(tài)管理可有效提升低排溫工況下的NOx控制效率，為柴油車尾氣后處理技術的發(fā)展提供了重要理論支持。

關鍵詞：銅基分子篩（Cu-Z）；選擇性催化還原器（SCR）；氨存儲特性；NOx轉化效率

中圖分類號：U472.6" 收稿日期：2024-11-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503020

1 前言

隨著全球環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，柴油車的排放標準不斷提升，特別是我國實施的國六排放標準對柴油車尾氣中的氮氧化物（NOx）排放提出了更高要求。國六排放標準的WHTC（全球公路循環(huán)測試）相對于國五排放標準下的ETC（歐洲排放測試循環(huán)）循環(huán)中低排溫工況（如低速行駛、冷啟動等）占比顯著增加，這對柴油車后處理系統(tǒng)的性能，特別是對NOx的轉化效率，提出了嚴峻考驗[1]。在低排溫條件選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的NOx轉化效率較低，難以滿足日益嚴格的排放標準[2]。因此，提升低排溫下NOx轉化效率成為優(yōu)化柴油車排放控制系統(tǒng)的重要研究方向[3]。

SCR技術憑借其能夠高效地將NOx還原為無害的氮氣（N2）和水（H2O），在降低NOx排放方面取得了顯著進展[4]。然而，在低溫條件下，SCR系統(tǒng)的催化劑活性普遍較低，導致NOx轉化效率不足[5]。特別是在冷啟動和低溫下，尾氣中的NOx濃度較高，而由于催化劑活性較低，NOx的還原效率顯著下降[6]。銅基分子篩（Cu-Z）因其優(yōu)異的低溫NOx還原性能和較強的氨存儲能力，在提升低溫工況下的SCR性能方面顯示出較大的應用潛力[7]。

銅基分子篩SCR催化劑的氨存儲特性是其提高低排溫下NOx轉化效率的關鍵因素之一[8]。研究表明，銅離子在分子篩結構中的作用不僅能夠改善催化劑的活性，還能夠有效儲存氨氣（NH3），并在需要時釋放出來，促進NOx的還原反應[9]。特別是在冷啟動工況下，由于發(fā)動機溫度較低，SCR催化劑通常處于較低的催化活性狀態(tài)，此時氨的儲存和及時釋放對提高NOx轉化效率至關重要[10]。在低排溫條件下，銅基分子篩的優(yōu)異氨存儲特性能夠有效彌補傳統(tǒng)催化劑的性能不足，顯著提高SCR系統(tǒng)在冷啟動及低溫工況下的NOx轉化效率[11]。

隨著國六排放標準的實施，低排溫工況下柴油車尾氣處理的挑戰(zhàn)愈加突出。銅基分子篩SCR催化劑通過其優(yōu)異的氨存儲特性，成為提升低排溫下NOx轉化效率的重要途徑[12]。因此，開展銅基分子篩SCR催化劑的氨存儲特性及其對低排溫下NOx轉化效率的影響研究，不僅對于提高柴油車尾氣治理技術的效果具有重要意義，同時也為未來更加嚴格的排放標準提供了有效的技術解決方案[13]。

2 試驗方案

2.1 發(fā)動機臺架

試驗用電力測功機能夠精確控制發(fā)動機在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工況下的轉速和扭矩，控制精度達到±0.5%。通過測功機的精準負載調節(jié)，能夠再現實際運行工況，為測試提供可靠的數據支撐[14-15]。NOx采用AVL FTIR分析儀測試，檢測范圍為0～5 000 r/min，測量精度達±1%，能夠提供高精度的氮氧化物濃度數據。實驗臺架布置方案如圖1所示。

2.2 發(fā)動機參數

本實驗采用的發(fā)動機為一臺缸徑110 mm、沖程132 mm、排量7.5 L、壓縮比17.4的六缸增壓中冷高壓共軌柴油機。該發(fā)動機額度功率為248 kW（2 300 r/min），最大扭矩為1 350 N·m（1 450 r/min）。

2.3 SCR參數

測試用的SCR載體為美國Corning公司生產，催化劑為巴斯夫公司生產和涂覆并封裝，催化器尺寸為10.5[″]×（6[″]，4[″]），2PCS，封裝型式為筒式。

2.4 氨存儲量計算

a.實時氨存儲計算。

計算方程如下所示：

MNH3?=Minlet-MNH3，rea-Mslip" " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中，Minlet為尿素噴射進入排氣管中轉化為NH3后進入SCR中的NH3物質的量；MNH3，rea為NH3參與反應，消耗的物質量；Mslip為NH3泄漏的物質量。

b.飽和氨存儲量計算。

在穩(wěn)態(tài)工況下，尿素水溶液按照NOx完全反應所需理論噴射速度的1.2倍（NSR=1.2）噴射，以FITR檢測到SCR出口出現10 r/min氨泄漏時的實時氨存儲量作為此工況下SCR的飽和氨存儲量。

3 結果與討論

3.1 不同空速/溫度下的SCR氨存儲能力

試驗過程中，尿素水溶液的噴射速度設置為完全反應所需理論噴射速度的1.2倍（即氨氮摩爾比NSR=1.2），以確保NH?的供給量能夠覆蓋SCR催化劑的存儲需求并提供一定的超量。假定尿素水溶液在高溫排氣環(huán)境中完全水解，即1 mol尿素完全分解生成2 mol NH?。同時，為減少環(huán)境和實驗裝置引起的不確定性，忽略了原始排氣成分的微小波動以及尿素噴射與數據采集之間的同步誤差[16]。當SCR催化劑達到最大飽和狀態(tài)，此時的存儲量即為SCR的最大氨存儲能力。

為進一步探究溫度與空速對SCR飽和氨存儲量的影響，本研究在多組場景下（不同的催化劑溫度和體積空速）進行了對比試驗，并記錄了SCR系統(tǒng)的飽和氨存儲量，結果如圖2所示。結果表明，氨存儲量隨溫度的升高逐漸降低，當空速從20 k逐漸增加到40 k，氨存儲量逐漸降低。這主要是因為高溫下，氨分子的動能增加，其從催化劑表面解吸（脫附）的速率大幅上升，導致催化劑上的氨存儲量下降；高溫條件下，催化劑表面的化學鍵容易斷裂，導致氨與催化劑的化學結合力減弱，從而降低了氨的有效存儲能力。當排氣空速增加時，氣體在SCR催化劑上的停留時間減少，氨氣與催化劑活性位點的接觸時間不足，導致氨分子難以充分吸附在催化劑表面。

在高空速條件下，NOx與NH?的擴散速率和反應時間不足，影響反應的充分性。由于NH?存儲過程與SCR脫硝反應是動態(tài)平衡的，脫硝反應效率的降低可能導致更多的NH?參與反應，削弱其存儲能力。排氣空速高時，氣體攜帶的動能增大，氣流在催化劑表面的沖刷作用增強。這可能導致催化劑表面吸附的NH?分子被部分“解吸”或置換，加速催化劑活性位點達到吸附飽和狀態(tài)，從而減少催化劑對更多NH?的存儲能力。

3.2 不同溫度下SCR氨存儲量對NOx轉化效率的影響

氨存儲量對催化還原反應速率有較大的影響，尤其是在低溫過程中[17]。圖3、圖4分別顯示了3 W空速不同溫度下，SCR催化器出口NOx濃度和NOx轉化效率隨SCR中氨存儲量的變化情況。

從圖中可以看出，SCR平均溫度在200 ℃和250 ℃時，NOx濃度的變化與氨存儲量幾乎呈線性關系。氨存儲量對NOx轉化效率的影響非常大。這是由于在低溫時催化劑活性限制了反應速率，導致反應較慢，隨著氨存儲量的增大，有更多的氨參與到反應中來，加快了反應速率，從而使NOx轉化效率提高。隨著溫度的升高，催化劑活性逐漸提高，NOx轉化效率對氨存儲量的依賴程度降低。

在400 ℃時，噴射開始后NOx轉化效率在20 s即達到最大值，此時對應的氨存儲量為1.4 g，隨著尿素噴射的持續(xù)，氨存儲量增加，但NOx轉化效率并沒有得到提高，氨存儲量大約到8.8 g時出現氨泄漏。因此，在低溫時氨存儲對NOx轉化效率影響很大，氨存儲越大，NOx轉化效率越高；相比于低溫時氨存儲對NOx轉化效率的影響，高溫時催化劑還原反應速率加快，氨存儲對NOx轉化效率的影響較小，350 ℃時氨存儲對NOx轉化效率的影響已經很小，400 ℃時氨存儲量對NOx幾乎沒影響。

3.3 冷啟動WHTC循環(huán)下SCR初始氨存儲量對NOx轉化效率的影響

在冷啟動WHTC循環(huán)中，前600 sSCR（選擇性催化還原）系統(tǒng)的入口溫度通常低于200 ℃，此時SCR催化劑處于非活性狀態(tài)，基本不發(fā)生NOx轉化反應。當SCR入口溫度超過200 ℃后，催化劑逐漸進入活性區(qū)間，表現出較高的NOx轉化效率。低溫條件下SCR系統(tǒng)的氨存儲行為對NOx轉化效率的影響尤為顯著，這一規(guī)律在穩(wěn)態(tài)試驗中得到了明確驗證。冷啟動條件下，SCR初始氨存儲狀態(tài)對WHTC循環(huán)的NOx排放具有重要影響［18］。

如圖5所示，不同初始氨存儲狀態(tài)下，WHTC循環(huán)中NOx排放表現出明顯差異。由于前600 s內SCR入口溫度較低，催化劑反應活性不足，此階段的NOx排放主要取決于SCR系統(tǒng)中存儲氨的釋放及參與反應的能力。在空氨狀態(tài)下，SCR系統(tǒng)內幾乎無氨供應，NOx無法得到有效轉化，導致前600 s內NOx排放量較高。而在滿氨狀態(tài)下，儲存的氨可以在低溫下逐步釋放并參與脫硝反應，即使SCR入口溫度尚未達到完全活性區(qū)間，系統(tǒng)仍可實現一定的NOx轉化，從而顯著降低此階段的NOx排放量。

4 結語

本研究為柴油車低排溫工況下SCR系統(tǒng)性能優(yōu)化及NOx排放控制提供了關鍵數據和理論支持，具有重要的應用價值和研究意義。具體結論如下：

a.溫度和空速對氨存儲的影響：隨著溫度升高和空速增大，SCR催化劑的氨存儲能力顯著下降。高溫條件下，氨分子的脫附速率增加，導致有效存儲量降低；高空速條件下，氣體停留時間縮短，削弱了催化劑的吸附能力。

b.氨存儲對NOx轉化效率的影響：低溫工況下，氨存儲量對NOx轉化效率的影響顯著。氨存儲量越大，參與反應的氨越多，轉化效率越高；而高溫工況下，催化劑活性增強，NOx轉化效率對氨存儲量的依賴性減弱。

c.WHTC循環(huán)中初始氨存儲的作用：冷啟動階段（SCR入口溫度低于200 ℃），初始氨存儲狀態(tài)是影響NOx排放的重要因素。高初始氨存儲量可彌補低溫階段催化劑活性不足，提高NOx轉化效率，顯著降低冷啟動排放。

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作者簡介：

熊力，男，1989年生，講師，研究方向為新能源汽車技術。

基金項目：黃岡職業(yè)技術學院科學研究課題“純電動汽車熱泵系統(tǒng)關鍵性能仿真研究”（2024C2011105）