柴油機(jī)NH₃–SCR脫硝系統(tǒng)瞬態(tài)工況運(yùn)行的仿真研究

中圖分類號：TK42.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：00-2222（2025）04-005-08

隨著全球環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，各國政府和一些國際組織對汽車和船舶等機(jī)械尾氣排放的限制越來越嚴(yán)格[]。柴油機(jī)因具有高扭矩、低油耗的特點(diǎn)，在商用車輛、重型機(jī)械以及船舶上得到了廣泛應(yīng)用，但其排放的顆粒物和氮氧化物占比很大，對大氣環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[2]。根據(jù)《中國移動源環(huán)境管理年報 （2023）?，2022 年全國機(jī)動車排放一氧化碳（CO）743.0萬t、碳?xì)浠衔铮℉C）191.2萬t、氮氧化物（ Δ[NO_x] ）526.7萬t、顆粒物（PM5.3萬 t^[3] 。其中，柴油車 NO_x 排放量超過總量的 80% 。 NO_x 是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的主要物質(zhì)之一，不僅會對植物和建筑造成破壞[4，還會刺激人體呼吸道，引起咳嗽、胸悶，甚至破壞人體免疫系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等。隨著運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，柴油機(jī)保有量持速增長，尾氣污染問題越來越嚴(yán)重，故各國出臺了日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如中國從2021年7月1日開始實(shí)施國六標(biāo)準(zhǔn)，船舶 NO_x 排放也從2016年開始執(zhí)行TierIⅢ標(biāo)準(zhǔn)。因此，高效氮氧化物減排技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前柴油機(jī)排放控制研究的熱點(diǎn)。

目前，主要減排技術(shù)包括廢氣再循環(huán)（EGR）[5]、可變供油定時[6、渦輪增壓[以及降低燃燒溫度和改進(jìn)燃燒過程[8]。這些技術(shù)的 NO_x 減排效果均不理想。選擇性催化還原（SCR）是一種氮氧化物還原率高、工作溫度低的后處理技術(shù)[9]，是目前最成熟的柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)之一，它在催化劑的作用下選擇性地將氮氧化物還原成氮?dú)夂退瑥亩档臀矚庵械趸锖俊CR還原劑的種類很多，其中氨基因其還原效率最高而到了廣泛應(yīng)用（稱為 NH₃?SCR 技術(shù)）。

影響SCR系統(tǒng)的主要因素包括催化劑、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（如孔密度）等設(shè)計參數(shù)和尿素噴射量、排氣溫度、流量等運(yùn)行參數(shù)。戴姆勒公司（A.G.DAIM-LER）將SCR系統(tǒng)與尿素水溶液噴射系統(tǒng)以及相關(guān)的排放控制軟件結(jié)合，進(jìn)行SCR系統(tǒng)集成化設(shè)計，優(yōu)化了尿素噴射控制和催化器材料，使 NO_x 排放量減少，滿足EuroVI標(biāo)準(zhǔn)。沃爾沃公司（VolvoTrucks）通過優(yōu)化催化器的內(nèi)部設(shè)計，配合高精度的動態(tài)尿素噴射控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 NO_x 的高效還原，同時提升了燃油效率。康明斯公司（Cummins）的SCR技術(shù)結(jié)合了精確的尿素噴射控制系統(tǒng)以及高效催化劑，使 NO_x 排放量減少，滿足EPA2010及其他更新的排放要求。此外，X.TIAN等[1o通過建立尿素水溶液的蒸發(fā)和水解模型，以及在模型中引人尿素水溶液顆粒運(yùn)動方程研究小顆粒的位移，得到更加合適的尿素水溶液噴嘴與催化劑的距離，使液體顆粒的蒸發(fā)更充分，從而提高SCR系統(tǒng)的效率。C.OZGUR和K.AYDIN[1將SCR系統(tǒng)運(yùn)用在燃燒乙醇-柴油混合燃料的柴油機(jī)上，使用含5%～15% 醇類的低硫柴油進(jìn)行六缸渦輪增壓柴油機(jī)全負(fù)荷試驗，發(fā)現(xiàn)SCR系統(tǒng)可以降低 NO_x 排放，其中使用含 15% 甲醇的柴油時， NO_x 的排放量降低最多，達(dá)到 43.43% 。T.T.ZHANG等[12]在 Ce/ TiO₂ 催化劑中摻入鈥（Ho），發(fā)現(xiàn) Ce/TiO₂ 催化劑在空速 60 000h^-1 以下的低溫活性和在 200° 以下時的 H₂O 和 SO₂ 耐受程度明顯提高， NH₃ -SCR系統(tǒng)氧化還原性能也得到提升。B.M.YANG[13]運(yùn)用流量分析方法，優(yōu)化了SCR混合器和管道的設(shè)計，并進(jìn)行了其對廢氣流量和背壓影響的試驗，發(fā)現(xiàn)裝置改進(jìn)前后SCR均勻性指數(shù)分別為 96.1% 和97.4% ，提高了排氣在SCR入口的均勻性。

與此同時，國內(nèi)學(xué)者也對SCR技術(shù)展開了一系列的研究。帥石金等[14]利用CFD模擬了柴油機(jī)SCR工作過程，并研究了設(shè)計參數(shù)對 NO_x 還原效率的影響規(guī)律，為SCR催化器的設(shè)計改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支持。姜磊等[15的臺架試驗表明，尿素噴嘴與催化劑距離較近時，轉(zhuǎn)化效率比較低，而距離增大時，轉(zhuǎn)化效率較高；同時發(fā)現(xiàn)SCR催化劑對 NO₂ 比例和HC、CO濃度比較敏感。唐韜等[16]研究了柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素的分解特性，評估了溫度、流量、噴射速度等參數(shù)對尿素分解產(chǎn)物和還原效率的影響，指出可以通過優(yōu)化尿素噴射系統(tǒng)（如噴嘴的位置）及控制排氣溫度和流量來提高尿素分解的效率。

上述研究表明，改善缸內(nèi)工作過程與后處理系統(tǒng)之間的兼顧配合是目前提高發(fā)動機(jī)熱效率與減排效果的最佳方式。本研究基于GT-Power對一款四缸柴油機(jī)的本體和 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行仿真和試驗研究：首先根據(jù)臺架試驗數(shù)據(jù)搭建準(zhǔn)確的柴油機(jī)模型和 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)模型，然后通過對比試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證，最后通過模擬研究在冷起動和熱起動工況下發(fā)動機(jī)負(fù)荷、速度、溫度以及尿素噴射量等參數(shù)對 NH₃ -SCR系統(tǒng)脫硝效率的影響。

1試驗與仿真設(shè)置

1.1發(fā)動機(jī)臺架試驗

試驗所用電力測功機(jī)為HoribaDynas3LI250（精度 ±1.0% FS），測試對象為一臺四缸渦輪增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)，其主要參數(shù)見表1，尾氣后處理系統(tǒng)參數(shù)見表2。本試驗遵循中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB17691—2018[17]，試驗過程簡述如下。

（1）按圖1所示安裝和連接發(fā)動機(jī)及各系統(tǒng)。在一個穩(wěn)固的試驗臺架上安裝好試驗柴油機(jī)及測量設(shè)備等，連接柴油機(jī)的燃油、進(jìn)氣、排氣、冷卻管路系統(tǒng)，并將測功機(jī)、油耗儀、流量計、溫度/壓力傳感器、尾氣分析儀等傳感器/測量系統(tǒng)與柴油機(jī)連接，確保正確連接及密封性良好。

表1柴油機(jī)主要參數(shù)

表2后處理系統(tǒng)參數(shù)

續(xù)表

圖1試驗裝置實(shí)物圖及系統(tǒng)布置示意

（2）發(fā)動機(jī)動力輸出與測功機(jī)聯(lián)軸器的對中調(diào)試。由于固定不良會引起發(fā)動機(jī)抖動、非正常晃動、性能差并伴有異響，所以需要對發(fā)動機(jī)和測功機(jī)進(jìn)行對中。對中時，緩慢轉(zhuǎn)動曲軸，高精度千分表置于軸外圈校核，使得曲軸和測功機(jī)端連接同軸度在0.05mm 以內(nèi)。

（3）環(huán)境條件控制。保持環(huán)境溫度 25° 左右，壓力 100kPa 。

（4）冷起動測試。直接冷機(jī)狀態(tài)（潤滑油、冷卻液和后處理系統(tǒng)的溫度為 20～30° ）起動發(fā)動機(jī)，并嚴(yán)格按WHTC循環(huán)運(yùn)行，見圖2。

（5）熱浸處理。運(yùn)行冷起動循環(huán)后，立即進(jìn)行（10±1 ）min的熱浸期，此階段為熱起動循環(huán)作準(zhǔn)備。

（6）熱起動循環(huán)測試。熱浸期結(jié)束后，再次起動發(fā)動機(jī)并按WHTC循環(huán)運(yùn)行一次。

（7）數(shù)據(jù)采集與記錄。在冷/熱起動WHTC循環(huán)運(yùn)行中，采集并記錄各參數(shù)，包括運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)。運(yùn)行參數(shù)包括進(jìn)/排氣溫度，進(jìn)/排氣流量，冷卻液/潤滑油溫度等；性能參數(shù)包括油耗量（采用AVL7351CST測量）、CO、 CO₂ 、 NO_x 、HC、 NH₃ 等尾氣氣體成分（通過采樣系統(tǒng)HoribaCVS-ONE后經(jīng)HoribaMEXA-7200D測量）、PM（采用Sarto-riusCPA2P-F對循環(huán)值進(jìn)行稱重）。最后，從發(fā)動機(jī)ECU讀取尿素噴射量，為柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的性能仿真提供數(shù)據(jù)。

1.2 仿真設(shè)置

GT-Power采用有限體積法模擬實(shí)際流動空間，采用隱式或顯式方法計算瞬態(tài)問題。對于管路流動，該軟件忽略了橫向流動，但考慮了流體、管壁與環(huán)境之間的傳熱，提供了詳細(xì)且可靠的流動損失模型。利用該模塊對柴油機(jī) NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行仿真、分析，可以幫助理解柴油機(jī)尾氣脫硝過程的關(guān)鍵機(jī)制和影響因素。由于臺架試驗條件的限制，采集到的數(shù)據(jù)無法提供完整的邊界條件（例如排氣中 H₂O，H₂ 成分的缺乏等）用于后處理系統(tǒng)的仿真。所以本研究基于GT-Power平臺分別建立試驗發(fā)動機(jī)及其后處理裝置的仿真模型，通過發(fā)動機(jī)本體的仿真用于彌補(bǔ)臺架試驗缺失的數(shù)據(jù)，為后處理系統(tǒng)仿真提供邊界條件。此方法在本團(tuán)隊已經(jīng)得到成功應(yīng)用，用于探索尾氣后處理過程和指導(dǎo)后處理系統(tǒng)的設(shè)計及布局[18-19]

1.2.1 柴油機(jī)本體仿真

根據(jù)試驗發(fā)動機(jī)的實(shí)際布置建立GT-Power發(fā)動機(jī)本體的一維模型，包括氣缸、氣閥、渦輪增壓器、曲軸系統(tǒng)、進(jìn)排氣管路、中冷器和數(shù)據(jù)采集單元等。所需邊界條件主要包括以下內(nèi)容。

基本發(fā)動機(jī)參數(shù)，如氣缸行程、缸徑、壓縮比和點(diǎn)火順序等，見表1。

管路尺寸、進(jìn)排氣閥及升程曲線、流量系數(shù)等，通過實(shí)物測量及供應(yīng)商提供得到。

柴油機(jī)氣缸模塊采用Weibe燃燒模型和Wos-chniGT傳熱模型，模型參數(shù)中噴油量、比表面積和壁溫等從實(shí)機(jī)測量得到，圖3所示為冷熱起動工況的噴油量。

圖3冷熱起動工況噴油量

摩擦平均有效壓力（FMEP）是發(fā)動機(jī)內(nèi)部因摩擦產(chǎn)生的平均壓力損失，此參數(shù)不是本研究的重點(diǎn)，采用經(jīng)驗公式估算。

工況參數(shù)（如扭矩和轉(zhuǎn)速演變過程）與試驗保持一致，最后設(shè)置環(huán)境參數(shù)（如溫度、壓力、濕度等）與試驗室一致。

1.2.2 后處理系統(tǒng)仿真

該柴油機(jī)尾氣處理裝置包括排氣系統(tǒng)、DOC（diesel oxidation catalyst）、DPF（diesel particulatefilter）、尿素噴射系統(tǒng)、SCR、氨逃逸催化器ASC（ammoniaslipcatalyst）、控制單元和測量單元。根據(jù)臺架試驗中柴油機(jī)后處理系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)，搭建后處理仿真系統(tǒng)，其GT-Power模型如圖4所示。根據(jù)實(shí)際管路幾何參數(shù)，以及表2中催化器的幾何參數(shù)和特性參數(shù)，設(shè)置后處理系統(tǒng)管路的直徑、長度、換熱系數(shù)以及催化器中各催化劑的類型、成分和微流通道密度等參數(shù)。將試驗柴油機(jī)的排放數(shù)據(jù)（如尾氣中 NO_x 、CO、 CO₂ 、HC和PM等的含量、排氣流量、溫度、尿素噴射量等）作為后處理系統(tǒng)仿真模型的邊界條件，并且環(huán)境溫度/壓力設(shè)置與試驗過程一致。柴油機(jī) NO_x 原排僅考慮NO，其排放歷程見圖5，排氣流量見圖6，由于數(shù)據(jù)量龐大，其他條件不再一一列舉。

圖4后處理系統(tǒng)仿真GT-Power模型

對于 NH₃ -SCR系統(tǒng)模擬，根據(jù)其工作機(jī)理，首先需建立尿素噴射器模型及尿素?zé)峤鈾C(jī)理（見式（1）至式（3）），用于模擬尿素溶液噴射到 NH₃-SCR 系統(tǒng)后在高溫環(huán)境下熱解產(chǎn)生 NH₃ 的過程。試驗選擇尿素和水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 32.5% 和 67.5% 的混合溶液。此外，還需建立 NH₃ 與 NO_x 的化學(xué)反應(yīng)模型，見式（4）至式（9）。對于DOC系統(tǒng)，建立其氧化反應(yīng)模型，用于模擬排氣中的CO和HC在催化氧化下轉(zhuǎn)化成 H₂O 和 CO₂ 的過程。對于DPF系統(tǒng)，建立被動再生模型（即沉積物積累到一定程度后在高溫下燃燒）模擬PM在催化劑表面被捕捉、氧化、積累并燃燒再生的過程。對于ASC系統(tǒng)，建立NH₃ 氧化生成 N₂O，N₂ 和NO被氧化成 NO₂ 的過程，以及在催化劑作用下 NO_x 與 NH₃ 反應(yīng)生成 N₂ 的過程，以模擬ASC系統(tǒng)減少氨逃逸過程。

NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的工作機(jī)理及反應(yīng)步驟如下。

脫水：

尿素高溫下熱解：

（NH₂）₂CO?NH₃+HNCO

HNCO水解：

HNCO+H₂O?NH₃+CO₂

還原劑在高溫下分解后生成的氨附著在催化劑表面與煙氣產(chǎn)生以下反應(yīng)：

Z+NH₃?ZNH₃，

4ZNH₃+3O₂?2N₂+6H₂O+4Z，

當(dāng)只有NO時，反應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng)：

4NO+4ZNH₃+O₂?4N₂+6H₂O+4Z

當(dāng)NO與 NO₂ 比例為 1：1 時，為快速SCR反應(yīng)：

2ZNH₃+NO+NO₂?2N₂+3H₂O+2Z

當(dāng)沒有NO或NO較少時，為慢反應(yīng)：

8ZNH₃+6NO₂?7N₂+12H₂O+8Z 以上各式中，Z為催化劑位點(diǎn)。

1.3 后處理仿真驗證

為了驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，本研究將試驗數(shù)據(jù)與仿真模型的部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。通過對比冷熱起動工況下試驗與仿真模型的瞬態(tài)尾管經(jīng)過SCR還原后的NO排放數(shù)據(jù)（如圖7、圖8所示），發(fā)現(xiàn)兩者具有較高的一致性。臺架試驗冷起動工況循環(huán)NO排放為 0.4801g/（kW?h） ，熱起動工況為0.0388g/（kW?h） ，而仿真冷起動工況循環(huán)NO排放為 0.27438/（kW?h） ，熱起動工況為0.1044g/（kW?h） 。誤差主要來源如下：GT-Power未能準(zhǔn)確反映反應(yīng)器入口流場分布的非均勻性；邊界條件（特別是非試驗測量相關(guān)組分）不夠準(zhǔn)確；化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的偏差（未考慮物種的吸附和解吸附過程）。而無論何種工況，試驗與仿真模型的NO排放變化的相位較一致，且大部分時間兩者較接近，這表明該模型可以充分反映后處理過程的真實(shí)狀態(tài)，具有較高的可信度，可用于后處理過程關(guān)鍵因素的探索，并指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)。

圖7冷起動模擬與試驗尾管NO排放歷程

2 結(jié)果與討論

2.1排氣溫度對 NO_x 還原效率的影響

NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的性能通常可用 NO_x 還原效率表示，其計算式如下：

NO_x 還原效率

處理前 NO_x 濃度一處理后 NO_x 濃度 ×100% 。處理前 NO_z 濃度

分析影響因素時，應(yīng)盡量獨(dú)立該因素。首先，結(jié)合SCR反應(yīng)器尺寸（見表2）和排氣流量（見圖6），計算得到該反應(yīng)器最大空速約為 67460h^-1 。而根據(jù)本團(tuán)隊前期研究[20]，在該空速范圍內(nèi)，空速對NO_x 還原效率的影響非常微弱。所以在討論溫度的影響時，可排除空速的影響。

冷熱起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的溫度以及 NO_x 還原效率如圖9所示。通過計算發(fā)現(xiàn)，冷起動工況下的排氣溫度和 NO_x 還原效率有較高的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.84，而熱起動工況下二者的相關(guān)性較低，相關(guān)系數(shù)僅為0.39。這說明冷起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的 NO_x 還原效率更依賴于排氣溫度。這種現(xiàn)象可能與催化劑活性隨著溫度升高而增強(qiáng)[21有關(guān)（見圖9b）。在熱起動工況，雖然也有一定相關(guān)性，但柴油機(jī)排氣溫度較高，繼續(xù)升溫對催化劑活性以及反應(yīng)速率影響不大，圖9b也說明銅基沸石催化劑的高溫活性僅微弱下降。此外，無論是冷起動還是熱起動工況，當(dāng)溫度逐漸升高， NH₃ 1SCR系統(tǒng)的 NO_x 還原效率呈現(xiàn)出先增加后穩(wěn)定的趨勢。詳細(xì)過程需要結(jié)合排氣溫度、原排濃度和反應(yīng)率歷程進(jìn)行分析。

圖8熱起動模擬與試驗尾管NO排放歷程

低，尤其是在冷起動工況下。從圖10可知（由于入口條件僅考慮NO，主要發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)），冷起動下SCR約在450s起燃，還原效率達(dá)到 50% ，此時NH₃ -SCR系統(tǒng)溫度達(dá)到 175°C ，略高于催化劑小樣試驗值 163^°C （見圖9b）；然后反應(yīng)速率逐漸升高（在系統(tǒng)溫度低于 210° 時， NO_x 還原效率較低且不穩(wěn)定），隨著循環(huán)進(jìn)行，后半階段溫度逐漸升高，催化劑活性逐漸增強(qiáng)，反應(yīng)速率加快，當(dāng)溫度達(dá)到210° 后， NO_x 還原效率開始趨于穩(wěn)定（與催化劑溫度特性吻合），600s后 NO_x 還原效率高達(dá)99.88% （至1400s左右達(dá)到最高）。在熱起動工況下，接近100s時SCR系統(tǒng)即可起燃（從圖9看到，熱起動時 100～500 s溫度更高，50s時系統(tǒng)溫度達(dá)到 240‰ ，隨后還原效率震蕩（在300s時溫度降低，導(dǎo)致 NO_x 還原效率顯著降低），約500s后穩(wěn)定，接近 100% （600s后 NO_x 平均還原效率達(dá)99.54%） 。圖10顯示熱起動循環(huán)下NO反應(yīng)率更高。對比圖7和圖8可知，熱起動循環(huán)下 NO_x 趨于穩(wěn)定的時間更早；無論是冷起動還是熱起動，尾管排放均比原排降低一個數(shù)量級以上。

2.2尿素噴射量對 NO_x 還原效率的影響

由式（2）、式（3）可知，尿素在高溫下迅速熱解產(chǎn)生 NH₃ 和 CO₂ ，其中 NH₃ 是 NH₃ -SCR反應(yīng)的關(guān)鍵，作為還原劑與 NO_x 進(jìn)行反應(yīng)。因此，尿素的噴射量及其熱解產(chǎn)生的 NH₃ 量直接影響 NO_x 的還原效率。由圖11可知，在冷起動工況下，循環(huán)剛開始尿素尚未噴射時， NO_x 的還原效率為0（此階段原排也較低，見圖5）。但從圖7和圖8看出，此階段 NO_x 測量值幾乎為0，可能是SCR中少量的NH₃ 存儲實(shí)現(xiàn)了 NO_x 轉(zhuǎn)化。但仿真模型中未包含NH₃ 存儲機(jī)理，故未能模擬到此現(xiàn)象，需要在后續(xù)工作中校核該機(jī)理。隨著試驗進(jìn)行，尿素噴射量增加，熱解產(chǎn)生的 NH₃ 增加（見圖12），脫硝效率迅速提高。 NH₃ 主要由式（2）所示的反應(yīng)產(chǎn)生，其反應(yīng)速率見圖13。結(jié)合圖12和圖13可知， NH₃ 含量的變化在幅值和時間上與尿素?zé)峤膺^程非常吻合。

由此可見，尿素的熱解不是限制條件，可由其噴射歷程分析SCR反應(yīng)過程。結(jié)合前文可知，冷起動在約450s時SCR系統(tǒng)才會起燃，主要是由尿素噴射時刻造成的，溫度較低是次要原因（見圖11）。這是因為在此之前 NO_x 原排非常低，無需還原劑。相比之下，在熱起動工況 NO_x 生成量更大且時間更早，所以需要更早噴射尿素（約50s開始噴射），以便更快起動SCR反應(yīng)。總體而言，尿素噴射主要由 NO_x 原排決定，并由排氣溫度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等條件修正。比如在 700s 時刻， NO_x 原排出現(xiàn)一個波峰（見圖5），尿素噴射量也對應(yīng)出現(xiàn)一個波峰（見圖11）；但在約1480s時刻， NO_x 排放達(dá)到最大，而尿素噴射量并不是最大（盡管也出現(xiàn)波峰），這可能是溫度高、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低（對應(yīng)更充分的反應(yīng)時間）造成的。

然而，有些時刻，尿素噴射量需要進(jìn)一步優(yōu)化。適量的 NH₃ 可以增強(qiáng)催化劑的活性，但過量的NH₃ 則會超出催化劑表面的附著能力，降低反應(yīng)率（與 NO_x 在催化劑表面形成選擇性競爭）并造成氨逃逸。比如在 300s 和 400s 附近，尿素噴射量較高，而后處理系統(tǒng)溫度較低，此時噴射尿素水溶液熱解產(chǎn)生的 NH₃ 超出催化劑的附著能力，降低了NO_x 的還原效率，并且導(dǎo)致氨逃逸。還比如在約1230s時，尿素噴射量過多，脫硝效率反而有所降低（影響反應(yīng)平衡方向），并導(dǎo)致氨逃逸。而且過量的尿素溶液熱解需要吸收一部分熱量，逃逸的 NH₃ 也會帶走部分熱量，導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)溫度降低，催化劑活性降低，使 NO_x 的還原效率降低。同時噴射過多的尿素也會造成資源浪費(fèi)，增加運(yùn)行成本。最終，冷熱起動下的尿素循環(huán)消耗總量分別為 _145.47g 和 169.12g 。根據(jù)反應(yīng)式（7）的配平因子， 1mol 的NO需要消耗 1mol 的 NH₃ 進(jìn)行反應(yīng)。結(jié)合圖5（NO輸入量）和圖 12（NH₃ 輸入量）可知， NH₃ 供給在絕大部分時刻能滿足反應(yīng)要求。圖10所示的反應(yīng)速率及圖11所示的NO還原效率也說明了 NH₃ 輸入量不是限制因素，尿素噴射策略基本合理。但是仍有部分工況發(fā)生 NH₃ 滑移，需要ASC進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2.3 氨逃逸

ΔNH₃-SCR 系統(tǒng)雖然可以有效降低 NO_x 排放，但若噴射的尿素過多，未參與反應(yīng)的氨（ NH₃ ）會排入大氣，這個現(xiàn)象稱為氨逃逸。本研究在 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的尾部加裝ASC裝置來吸收多余的氨，其反應(yīng)如式（11）所示：

4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O

冷熱起動工況下，ASC前后 NH₃ 含量分別如圖14和圖15所示。從圖15可以看到，盡管冷起動工況下尿素噴射總量比熱起動工況少，但其氨逃逸量卻更多，說明冷起動工況下尿素的利用率比熱起動工況低，特別是在1250s附近，恰好接近 NO_x 還原效率的下降時間點(diǎn) （1230s ，對應(yīng)排氣溫度下降）。對比冷熱起動工況后處理系統(tǒng)加裝ASC前后的NH₃ 排放量，可以看出，ASC系統(tǒng)幾乎可以將所有逃逸的 NH₃ 氧化，冷起動時氨逃逸的平均減少率高達(dá) 99.96% ，而熱起動工況的平均減少率為 99.67% .說明排氣尾端溫度大大下降， NH₃ 的氧化反應(yīng)較容易進(jìn)行。因此，加裝ASC裝置可以有效減少氨逃逸，降低二次污染。

3結(jié)論

a） NH₃?SCR 脫硝系統(tǒng)中 NO_x 還原效率與溫度密切相關(guān)，在冷熱起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率，但在低溫工況下，NO_x 的還原效率相對較低，當(dāng)溫度不斷升高， NO_x 的還原效率也不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到 210°C 時，還原效率迅速上升并逐漸趨于穩(wěn)定；

b）尿素噴射量與 NO_x 還原效率密切相關(guān)，尿素噴射量對 NH₃ -SCR脫硝效率的影響為先增大后減小，適量增加尿素噴射量能夠提高脫硝效率，但超過一定閾值后，過量的尿素會降低催化劑活性并導(dǎo)致氨逃逸；

c）氨逃逸率是 NH₃ -SCR脫硝系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，加裝ASC模塊可以有效降低氨的逃逸率，提高 NH₃ -SCR系統(tǒng)的整體性能，減少 NH₃?SCR 脫硝系統(tǒng)造成的二次污染，說明催化劑的選擇和布置對NH₃ -SCR系統(tǒng)的性能有較大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙震，張桂臻，劉堅，等.柴油機(jī)尾氣凈化催化劑的最新 研究進(jìn)展[J].催化學(xué)報，2008（3）：303-312.

[2] 郝兵，肖云祥，李俊.柴油機(jī)排放污染物的生成機(jī)理及 凈化研究[J].科技資訊，2014，12（6）：138-139.

[3] 中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）[EB/OL].（2023- 12-07）[2024-10-01].https：//www.mee.gov.cn/hjzl/ sthjzk/ydyhjgl/202312/t20231207_1058460.shtml.

[4] 李穎.鋼鐵燒結(jié)工藝氧化脫硝的模擬試驗及工程試驗 [D].南京：東南大學(xué)，2015.

[5] DUANX，LIUY，LIUJ，etal.Experimental and numerical investigation of the effects of low-pressure， high-pressure and internal EGR configurations on the performance，combustion and emission characteristics inahydrogen-enriched heavy-duty lean-burn natural gas SI engine[J].Energy conversion and management， 2019，195：1319-1333.

[6] YUANZ，F(xiàn)UJ，LIUQ，etal.Quantitative studyon influence factors of power performance of variable valve timing（VVT） engines and correction of its governing equation[J].Energy，2018，157：314-326.

[7] LENGL，QIUH，LIX，etal.Effects on thetransient energy distribution of turbocharging mode switching formarine diesel engines [J].Energy，2022， 249：123746.

[8] SUNX，LIUH，DUANX，etal.Effectofhydrogenenrichment on the flame propagation，emissions formation and energy balance of the natural gas spark ignition engine[J].Fuel，2022，307：121843.

[9] 李興磊，盧志民，李德波，等.基于綜合性能評價的SCR 靜態(tài)混合器優(yōu)化研究[J].動力工程學(xué)報，2023，43 （12）：1641-1648.

[10] TIANX，XIAOY，ZHOUP，etal.Optimizationof the location of injector in urea-selective catalytic reduction system[J].Journal of marine science and technology， 2015，20（2）：238-248.

[11] OZGURC，AYDINK.Effectsof SCR system on NO_x reduction in heavy duty diesel engine fuelled with dieseland alcohol blends[J].Advances in automobile engineering，2016，5（2）：1-4.

[12] ZHANG T T，YANLM.Enhanced low-temperature NH₃ -SCR performance of Ce/TiO₂ modified by ho catalyst[J].Royal society open science，2019，6 （3）：182120.

[13] YANGBM.Effect of exhaust gas flow and back pressure on urea dosing unit and pipe of SCR in industrial diesel engine[J].IJMERR，2022，11（2）：106-113.

[14] 帥石金，張文娟，董紅義，等.柴油機(jī)尿素SCR催化器 優(yōu)化設(shè)計[J].車用發(fā)動機(jī)，2007（1）：44-47.

[15] 姜磊，葛蘊(yùn)珊，李璞，等.柴油機(jī)尿素SCR后處理系統(tǒng) 排放特性試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（5）： 30-35.

[16] 唐韜，趙彥光，華倫，等.柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素水溶液 噴霧分解的試驗研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2015，36（1）： 1-5.

[17] 生態(tài)環(huán)境部.重型柴油車污染物排放限值及測量方法 （中國第六階段）：GB 17691—2018[S].北京：中國 標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018.

[18] DENGBL，CHENZT，SUNCQ，et al.Key design and layout factors influencing performance of threewaycatalytic converters：Experimental and semidecoupled numerical studyunder real-lifedriving conditions[J].Journal of cleaner production，2023， 425：138993.

[19] FENGRH，HUXL，LIGH，etal.Exploration on the emissions and catalytic reactors interactions of a non-road diesel engine through experiment and systemlevel simulation[J].Fuel，2023，342：127746.

[20]DENGBL，CAIWY，ZHANGWX，et al.Acomprehensive investigation ofEGR（exhaust gasrecirculation）effects on energy distribution and emissions of a turbo-charging diesel engine under World Harmonizedtransientcycle[J].Energy，2025，316：134506.

[21] GAOF，WANGYL，KOLLAR M，et al.A comparative kinetics study between Cu/SSZ-13 and Fe/SSZ13SCR catalysts[J].Catalysistoday，2015，258： 347-358.

Abstract：The denitrification process of NH₃ -SCR system of diesel engine was studied to clarify key factors affectingdenitrificationof dieselenginesundercomplexoperatingconditionsandtoguideSCRdevelopmentandoperation.Basedonthedataofa dieselengine operatingunder world harmonized transientcycle（WHTC），GT-Power model was builtand verified.Then the rulesandkeyinfluencingfactorsofSCRdenitrificationprocesswereexploredthroughthesimulationthatcoupledgasdynamics and chemical reaction mechanism. The results show that the NO_x reduction efficiency of NH₃ -SCR system under cold start conditionsobviously increases withtheincreaseof exhausttemperature，thereactiongraduallystabilizes when the temperature is higher than 210° ，and the average reduction efficiency is 99.88% after 6oo s.In contrast，the NO_x reduction reaction starts quickly under hot start condition and the average reduction efficiency is 99.54% after 600s ，Inaddition，the urea injection amount hasa greater impact on NO_x reduction，and too much urea injection will result in ammonia residual and hence ammonia escape.

Key words：diesel engine;selective catalytic reduction;nitrogen oxides;transient condition

[編輯：袁曉燕]