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    中重型柴油機(jī)SCR系統(tǒng)集成匹配研究

    2015-03-21 02:42:22任貴峰王國(guó)瑩付海燕仲蕾程秀圍任慶霜賈曉亮
    車用發(fā)動(dòng)機(jī) 2015年6期
    關(guān)鍵詞:催化器排氣管柴油機(jī)

    任貴峰, 王國(guó)瑩, 付海燕, 仲蕾, 程秀圍, 任慶霜, 賈曉亮

    (1. 陜西北方動(dòng)力有限責(zé)任公司, 陜西 寶雞 721300; 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400;3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室, 山西 大同 037036)

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    中重型柴油機(jī)SCR系統(tǒng)集成匹配研究

    任貴峰1, 王國(guó)瑩2, 付海燕2, 仲蕾2, 程秀圍2, 任慶霜2, 賈曉亮3

    (1. 陜西北方動(dòng)力有限責(zé)任公司, 陜西 寶雞 721300; 2. 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400;3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室, 山西 大同 037036)

    針對(duì)高緊湊高效清潔柴油機(jī)的開發(fā),選取了SCR后處理技術(shù)路線,為了實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ的排放指標(biāo)要求,分別進(jìn)行了SCR催化劑及催化器載體的分析與匹配,SCR尿素噴射系統(tǒng)的匹配標(biāo)定研究,并通過三維仿真分析方法以及尿素噴射水解、熱解和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論完成了噴射管路布置方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)及SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算與驗(yàn)證。通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了通過上述方法匹配的SCR系統(tǒng)可以滿足國(guó)Ⅴ的排放指標(biāo)要求。

    中重型柴油機(jī); 選擇性催化還原; 集成; 匹配

    由于我國(guó)中重型車運(yùn)輸業(yè)及工程機(jī)械行業(yè)燃油消耗大幅增長(zhǎng),而石油資源相對(duì)短缺,因此,研制開發(fā)了高緊湊型高效清潔NE840柴油機(jī)。為了使柴油機(jī)滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī),需要輔助采用有效的后處理技術(shù)。由于采用尿素-SCR(Selective Catalytic Reduction)后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)具有一定的節(jié)油優(yōu)勢(shì),所以NE840柴油機(jī)后處理技術(shù)采用了SCR路線[1]。SCR后處理技術(shù)主要包括SCR催化器技術(shù)、尿素噴射系統(tǒng)技術(shù)以及尿素噴射系統(tǒng)DCU控制器技術(shù)。SCR后處理技術(shù)在美國(guó)、歐洲、日本已經(jīng)非常成熟,在國(guó)內(nèi)近幾年也發(fā)展迅猛。國(guó)內(nèi)外對(duì)SCR系統(tǒng)匹配集成技術(shù)的主要研究可分成三個(gè)方面:一是不同種類催化劑和不同類型催化器的集成;二是尿素噴射的霧化混合及水解、熱解、蒸發(fā)對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響;三是SCR尿素噴射系統(tǒng)與控制器的集成控制。

    在催化劑方面,Gianguido Ramis,Daniel Chatterjee,James W. Girard等人進(jìn)行了不同催化劑的催化器特性研究[2-4],結(jié)果表明Fe基等沸石催化劑在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫工況下具有較好的轉(zhuǎn)化效率,但抗S性差,而釩基催化劑技術(shù)成熟,可靠性高,并具有較寬的高NOx轉(zhuǎn)化效率溫度窗口。Gekas等人對(duì)SCR與氧化催化器(DOC)的匹配進(jìn)行了研究[5],測(cè)試結(jié)果顯示預(yù)氧化劑對(duì)改善催化劑低溫活性的影響并不明顯,轉(zhuǎn)化效率與催化劑的成分和載體的結(jié)構(gòu)有關(guān),如果用相同體積大小的SCR催化劑代替預(yù)氧化劑,同樣可以達(dá)到相似的轉(zhuǎn)化效果。Gang Guo等人對(duì)新型SCR儲(chǔ)氨再生催化器[6]進(jìn)行了研究,Phil Blakeman對(duì)SCR匹配氨氧化器進(jìn)行了研究[7],結(jié)果表明新型SCR儲(chǔ)氨再生催化器較復(fù)雜,控制過程也較復(fù)雜,在保證NOx不變的情況下改變氨氮比,可以減少NH3泄漏峰值。

    對(duì)SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率機(jī)理的研究一般采用三維模擬仿真技術(shù),如Johann C. Wurzenberger,Calabrese J L等人通過建立SCR模型,采用熱分解模型和水解模型來模擬氨氣的產(chǎn)生,利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)SCR入口處NOx的轉(zhuǎn)化效率及氨氣分布的均勻指數(shù)[8-10]。在SCR尿素噴射系統(tǒng)與控制器的集成控制方面,國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)廠商和研究機(jī)構(gòu)已就SCR噴射裝置、控制策略集成作了大量的研究[11-12]。國(guó)內(nèi)對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)行了一些應(yīng)用和試驗(yàn)研究[13-14],部分企業(yè)和大學(xué)也做了SCR裝置的開發(fā),但是大都數(shù)產(chǎn)品在可靠性和精度控制方面還需要進(jìn)一步完善。

    基于國(guó)內(nèi)外關(guān)于SCR系統(tǒng)集成匹配的研究成果和研究方法,本研究從NE840發(fā)動(dòng)機(jī)的特性和排放要求出發(fā),以產(chǎn)品的應(yīng)用為目標(biāo),完成SCR系統(tǒng)催化器的匹配,利用前期開發(fā)的SCR控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)某尿素噴射系統(tǒng)的匹配標(biāo)定,并在此基礎(chǔ)上利用Ambrazon-Sirignano蒸發(fā)模型以及Birkhold等人提出的反應(yīng)速率方程完成噴射管路設(shè)計(jì)優(yōu)化和SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率計(jì)算,并在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上完成了SCR系統(tǒng)集成匹配試驗(yàn)驗(yàn)證。

    1 SCR催化器的匹配

    根據(jù)國(guó)內(nèi)催化器的研究狀況,催化器的匹配有兩種方案,即單獨(dú)SCR催化器方案和DOC+SCR方案,兩種方案匹配合理,都可以實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放要求[5]。本研究采用單獨(dú)SCR催化器的匹配方案。NE840柴油機(jī)主要參數(shù)見表1。NOx原機(jī)排放見圖1。ESC十三工況NOx比排放量達(dá)到了11.2 g/(kW·h),在中高轉(zhuǎn)速(1 300~2 000 r/min)及中高扭矩(550~1 100 N·m)下,NOx排放較高(13~16 g/(kW·h)),此時(shí)對(duì)應(yīng)的渦后溫度為360~500 ℃(見圖2),排氣從渦后到催化器,不考慮排氣管的保溫作用,溫度會(huì)下降20~35 ℃。

    表1 NE840柴油機(jī)主要參數(shù)

    由于SCR鉑金催化劑在高溫下對(duì)于NOx的選擇性較差,Cu,F(xiàn)e沸石催化劑抗硫性能差,而V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)催化劑在260~450 ℃都有較高的轉(zhuǎn)化效率,所以SCR催化器選取了V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)作為催化劑。

    催化器載體目數(shù)、壁厚、體積是催化器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。其中載體必須讓排氣順利通過,不使排氣背壓過分增大,以免損害發(fā)動(dòng)機(jī)的性能;但載體必須有足夠的長(zhǎng)度,因?yàn)榇呋磻?yīng)取決于反應(yīng)物的分壓,所以當(dāng)污染物逐漸耗盡時(shí)反應(yīng)速率不斷下降,為了獲得足夠的總轉(zhuǎn)化效率,流道不能太短。從目前產(chǎn)業(yè)化的角度考慮,SCR催化器載體按孔密度分兩種,即62 孔/cm2和93 孔/cm2。62 孔/cm2的載體背壓較低,93 孔/cm2的載體幾何面積較大,轉(zhuǎn)化效率較高。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求,需盡量降低排氣系統(tǒng)的背壓,從而降低燃油消耗率、輸出高的升功率,所以選取了0.15 mm壁厚、62 孔/cm2的SCR催化器載體。

    為了實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅴ排放要求,在發(fā)動(dòng)機(jī)所有工況范圍內(nèi),催化器平均轉(zhuǎn)化效率要達(dá)到82.5%以上。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,催化器的體積按發(fā)動(dòng)機(jī)排量的3倍進(jìn)行匹配,選取催化器的長(zhǎng)度為300 mm[15]。

    2 SCR尿素噴射系統(tǒng)的匹配標(biāo)定

    NE840柴油機(jī)采用的是無壓縮空氣尿素噴射系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)最大0.6 MPa的噴射壓力。開發(fā)的SCR控制器為開環(huán)控制系統(tǒng)。在沒有反饋控制的前提下,尿素噴射量的精確控制變得更加重要,同時(shí)噴射量的精確控制需要穩(wěn)定的系統(tǒng)壓力作為保證,而壓力穩(wěn)定則需要尿素泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)占空比與噴嘴開啟占空比的協(xié)調(diào)匹配,所以需要對(duì)噴嘴流量特性以及尿素泵電機(jī)特性進(jìn)行標(biāo)定。此外,為了保證尿素噴射系統(tǒng)及SCR系統(tǒng)工作的可靠性,還需要對(duì)尿素噴射系統(tǒng)升壓、穩(wěn)定、檢測(cè)、回流、清空等工作過程參量進(jìn)行標(biāo)定。尿素噴射系統(tǒng)標(biāo)定試驗(yàn)裝置示意見圖3。

    系統(tǒng)在設(shè)定壓力下的噴嘴流量特性見圖4。噴嘴噴射量與噴射占空比呈精確的線性關(guān)系,該特性簡(jiǎn)化了SCR系統(tǒng)標(biāo)定過程。根據(jù)該特性設(shè)計(jì)的噴射量計(jì)量控制策略見圖5。

    在相同目標(biāo)壓力下,尿素泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)占空比與噴嘴開啟占空比之間也呈正比例關(guān)系(見圖6),SCR系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)是基于該特性曲線+PID調(diào)節(jié)的方式確定。

    對(duì)系統(tǒng)壓力階躍響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試,確定工作特性閾值,得出合理的系統(tǒng)工作特性曲線(見圖7)。由圖7可見,尿素噴射系統(tǒng)工作過程基本上可以分成七部分[16]。通過參量調(diào)整,SCR系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間需30 s,壓力穩(wěn)定時(shí)間小于20 s,停機(jī)系統(tǒng)清空時(shí)間40 s。

    3 噴射管路設(shè)計(jì)與催化器匹配驗(yàn)證

    3.1 噴射管路設(shè)計(jì)

    柴油機(jī)SCR系統(tǒng)向排氣管中噴入適量的尿素水溶液,尿素水溶液經(jīng)過蒸發(fā)、熱解、水解過程得到NH3,NH3在催化器中催化劑的作用下選擇性地將NOx還原成N2,從而降低尾氣中NOx的含量。尿素在排氣管路內(nèi)的噴霧混合對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率及催化器的壽命都起著重要作用。一個(gè)合理的排氣管路設(shè)計(jì)包括一定噴射壓力下優(yōu)化的噴嘴安裝角度、位置及排氣管結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的排氣管路應(yīng)能保證噴霧液滴的徑向分布均勻性和排氣管表面不會(huì)積液過多,因?yàn)楫?dāng)排氣管表面積液過多時(shí),如果排氣管溫度降低到關(guān)鍵溫度(250 ℃)以下,形成的較厚壁膜將會(huì)結(jié)晶,形成有毒氣體三聚氰胺的風(fēng)險(xiǎn)增加;同時(shí)液滴分布不均勻會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域NH3分布過多從而造成NH3泄漏,而在一些NH3稀薄區(qū)域則會(huì)造成NOx轉(zhuǎn)化率過低,此外,長(zhǎng)時(shí)間NH3分布不均勻還會(huì)導(dǎo)致催化劑老化,從而影響催化劑的整體性能。

    根據(jù)NE840柴油機(jī)整體布置要求設(shè)計(jì)的增壓器出口端排氣管結(jié)構(gòu)見圖8。由于排氣管彎管上游空間有限,尿素噴射點(diǎn)如果在排氣彎管上游,只能布置到距離彎管較近的位置。在該位置尿素噴射系統(tǒng)噴射0.4 s時(shí),排氣管內(nèi)壁形成的液膜和噴霧形態(tài)見圖9。由于尿素溶液噴霧會(huì)在彎管處聚積濕壁,易形成結(jié)晶,所以SCR尿素噴嘴布置在排氣彎管下游,布置方案見表2。

    基于AVL Fire軟件平臺(tái)模擬恒定排氣背壓和排氣溫度下SCR系統(tǒng)的工作過程。模型主要由兩部分組成,包括渦輪增壓器后的排氣管部分及SCR催化器箱。其中SCR催化器箱又由混合腔、SCR催化器、排氣腔三部分組成。

    表2 SCR尿素噴嘴位置布置方案

    柴油機(jī)排氣混合氣在SCR催化器中的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程包括排氣管中尿素水溶液的噴射過程,尿素水溶液的蒸發(fā)、水解、熱解及排氣在SCR催化器中的催化轉(zhuǎn)化。尿素噴射為多成分的蒸發(fā)模型和熱解過程。SCR尿素溶液噴霧過程初始階段尿素噴嘴打開,尿素水溶液以一定噴射壓力和夾角從噴孔噴出,該過程主要受尿素噴射系統(tǒng)的影響;隨后在排氣的作用下尿素液滴蒸發(fā)生成尿素蒸氣,尿素蒸氣熱解生成等摩爾的氨氣和異氰酸,該階段可通過SCR蒸發(fā)模型及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型[8]進(jìn)行模擬。其中噴霧錐角和噴射初始速度通過噴霧試驗(yàn)確定。

    設(shè)定在排氣質(zhì)量流量為800 kg/h,排氣溫度為400 ℃的穩(wěn)定工況下進(jìn)行尿素噴射,尿素噴射速率根據(jù)噴霧試驗(yàn)確定,在噴射速率恒定的條件下,噴射量由噴射時(shí)間決定。設(shè)定氨氮消耗比為1,根據(jù)原機(jī)NOx排放,計(jì)算得到尿素噴嘴噴射持續(xù)時(shí)間為0.4 s。尿素噴射0.4 s時(shí)不同噴射位置、噴射角度下的噴霧形態(tài)見圖10。

    由圖可見,噴射角為30°時(shí),噴霧可以均勻分布在排氣管的徑向,減小粒子碰排氣管壁面的概率,而噴射角為45°和60°時(shí),噴霧在排氣管的分布均勻性均較差,30°噴射角的NH3在SCR催化器中分布也較均勻,有利于催化器的整體性能。0.4 s時(shí)SCR催化器前端的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云圖見圖11。方案1、方案2、方案3中NH3的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯小于方案4、方案5、方案6的質(zhì)量分?jǐn)?shù),這說明噴嘴位置距離SCR催化器越長(zhǎng)越有利于尿素?zé)峤庖约扒杷岬乃?,所以相?yīng)SCR催化器前端的NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)較大。根據(jù)仿真模擬的結(jié)果選用方案4作為尿素噴嘴的布置方案。

    3.2 催化器匹配驗(yàn)證

    從ESC十三工況點(diǎn)中選取最大功率點(diǎn)Pmax,C100,B50和A25 4個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)進(jìn)行SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率和背壓的計(jì)算及試驗(yàn),驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的SCR催化器是否滿足要求。按照方案4進(jìn)行排氣管和尿素噴嘴的布置,設(shè)定氨氮消耗比為1,根據(jù)原機(jī)NOx排放確定尿素噴嘴噴射時(shí)間。模擬計(jì)算結(jié)果見圖12。A25工況點(diǎn)由于排氣溫度偏低導(dǎo)致尿素水溶液水解反應(yīng)不充分,且在SCR催化器內(nèi)的催化反應(yīng)速率較慢,使得NOx轉(zhuǎn)化效率偏低,為75.8%;Pmax工況、C100工況少部分NH3在高溫下被氧化成NO,總體上NOx轉(zhuǎn)化效率保持在90%左右;標(biāo)定工況點(diǎn)Pmax的背壓達(dá)到14 kPa(見圖13),滿足設(shè)計(jì)背壓小于15 kPa的要求。

    試驗(yàn)中測(cè)得的實(shí)際背壓均大于計(jì)算值,誤差在9%以內(nèi),部分原因是計(jì)算過程中忽略了排氣管道的沿程阻力損失。試驗(yàn)測(cè)得的NOx轉(zhuǎn)化效率基本與計(jì)算結(jié)果接近,誤差在4%以內(nèi)。

    4 SCR系統(tǒng)匹配試驗(yàn)測(cè)試

    本研究的試驗(yàn)臺(tái)架見圖14。測(cè)試設(shè)備主要包括電渦流測(cè)功機(jī)、NE840柴油機(jī)、SCR后處理系統(tǒng)及傅里葉變換紅外光譜(FTIR)排氣分析儀。

    通過萬有特性試驗(yàn)標(biāo)定的SCR系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速和扭矩變化的基本轉(zhuǎn)化效率見圖15,圖中黑色線代表溫度梯度。SCR系統(tǒng)的最終噴射量通過基本轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行計(jì)算,再經(jīng)過大氣壓力、進(jìn)氣溫度、冷卻水溫進(jìn)行修正。

    按照國(guó)標(biāo)GB 17691—2005進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,在控制平均NH3泄漏量低于25×10-6的條件下,NE840柴油機(jī)ESC測(cè)試結(jié)果見圖16,NOx排放由原機(jī)11.2 g/(kW·h)降低到1.6 g/(kW·h),SCR平均轉(zhuǎn)化效率到達(dá)85.7%。在此基礎(chǔ)上,NOx排放ETC試驗(yàn)結(jié)果為1.78 g/(kW·h)(見圖17),可見該SCR系統(tǒng)滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。

    5 結(jié)束語

    本研究進(jìn)行了SCR催化器的選型匹配、尿素噴射系統(tǒng)的標(biāo)定、系統(tǒng)管路布置以及相關(guān)模擬計(jì)算分析,并完成了SCR系統(tǒng)排放標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)了NE840柴油機(jī)滿足國(guó)Ⅴ排放的要求,對(duì)SCR在柴油機(jī)上的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

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    [編輯: 姜曉博]

    Integration and Matching of SCR System for
    Medium and Heavy Duty Diesel Engine

    REN Guifeng1, WANG Guoying2, FU Haiyan2, ZHONG Lei2, CHENG Xiuwei2,
    REN Qingshuang2, JIA Xiaoliang3

    (1. Shaanxi North Dynamic Co., Ltd., Baoji 721300, China;
    2. China North Engine Research Institute (Tianjin), Tianjin 300400, China;
    3. Military Representative Office of Armored Forces in No.616 Factory, Datong 037036, China)

    For the development of highly compact, efficient and clean diesel engine, the technical route of SCR aftertreatment was selected. In order to meet China Ⅴ emission standard, the analysis and matching of SCR catalysts and catalyst substrates were respectively conducted and the calibration of urea injection system was studied. The optimized design of injection pipe layout and the calculation and verification of SCR conversion efficiency were further carried out based on 3D simulation and theory of urea hydrolysis, pyrolysis and chemical reaction kinetics. The calibrated SCR system was verified to be able to meet China Ⅴ emission requirement by the bench test.

    medium and heavy duty diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); integration; matching

    2015-06-18;

    2015-10-28

    國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863”計(jì)劃(2012AA111709)

    任貴峰(1972—),男,研究員,碩士,主要研究方向?yàn)檐囉冒l(fā)動(dòng)機(jī)排放;ymyl81@126.com。

    10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.006

    TK421.5

    B

    1001-2222(2015)06-0027-06

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