基于國六標準的柴油機SCR系統(tǒng)催化器轉(zhuǎn)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(tǒng)催化器轉(zhuǎn)化效率的影響因素，運用AVL Boost仿真軟件對催化器內(nèi)的化學反應過程進行了數(shù)值仿真和實驗驗證。結果表明：在DOC+DPF+SCR+ASC系統(tǒng)中，SCR催化器最佳反應溫度在220～500 ℃，催化器轉(zhuǎn)化效率達到95%以上，SCR催化器不同程度的老化也對NOx轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率，但NO2濃度占比要控制在50%以內(nèi)。

關鍵詞：柴油機;轉(zhuǎn)化效率;溫度;NO2

0 引言

柴油機因具有動力性強、燃油經(jīng)濟性好以及維修成本低等優(yōu)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(nèi)外很多學者對SCR催化器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)動機負荷和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率更依賴于金屬負載的重量百分比參數(shù)，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(tǒng)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(tǒng)，通過數(shù)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(zhuǎn)化效率的影響，為國六標準柴油機的后處理系統(tǒng)推廣提供理論依據(jù)。

1 反應機理

柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以一些貴金屬作為催化劑，將發(fā)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(zhuǎn)化效率。經(jīng)過DOC后的尾氣進入DPF中，主要發(fā)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(fā)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(nèi)發(fā)生的副反應[8]。

2 數(shù)值仿真模型

本文運用AVL Boost軟件對柴油機DOC+SCR后處理系統(tǒng)的反應模型進行數(shù)值模擬，其中DOC系統(tǒng)的反應速率方程和化學動力學參數(shù)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(jīng)過DOC反應進入DPF后，發(fā)生的化學反應速率計算基于阿倫尼烏斯公式[10]。

SCR系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)速為3 200 r/min的電控高壓共軌缸內(nèi)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(zhì)量流量計7351 CST、AVL燃油溫控系統(tǒng)753CH以及若干傳感器，用來驗證所提出數(shù)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(shù)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(guī)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(diào)整轉(zhuǎn)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(wěn)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(xiàn)在的尾氣排放及各項數(shù)據(jù)。再次調(diào)整轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)并進行分析計算。計算過程采用臺架試驗的測量數(shù)據(jù)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(tǒng)的反應過程。

4 實驗結果及分析

圖2顯示了NOx轉(zhuǎn)化效率隨溫度的變化規(guī)律。溫度低于200 ℃時，NOx轉(zhuǎn)化效率較低。隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)化效率也隨著升高，在220～500 ℃轉(zhuǎn)化效率達到95%以上。在最佳反應溫度范圍內(nèi)，SCR中的反應以快反應式（2）為主導，NOx的轉(zhuǎn)化效率幾乎達到了100%。而當溫度超過500 ℃時，SCR的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率的影響。新鮮載體在整個溫度范圍內(nèi)都要優(yōu)于其他兩個載體的轉(zhuǎn)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(xù)工作16 h的催化器下降速率最快。在650 ℃下連續(xù)工作50 h的老化載體在整個溫度范圍內(nèi)都要優(yōu)于在750 ℃下連續(xù)工作16 h的老化載體，但是轉(zhuǎn)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(nèi)NOx轉(zhuǎn)化效率達到95%，主要原因是在持續(xù)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(zhuǎn)化效率下降。

根據(jù)已有的研究結論表明，發(fā)動機排氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉(zhuǎn)化效率的重要因素，適當提高發(fā)動機尾氣中NO2的濃度含量，可提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)動機排氣中NO2/NOx的比例一般小于10%[12]。在SCR系統(tǒng)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(fā)生可逆反應生成NO2。因此，排氣中NO2/NOx比例對后處理系統(tǒng)（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉(zhuǎn)化效率的影響也會發(fā)生相應的變化。

圖4為NO2與NO濃度比對后處理系統(tǒng)（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，隨著發(fā)動機排氣中NO2濃度含量的增加，NOx轉(zhuǎn)化效率明顯提升。當NO2濃度占比為35%時，NOx轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化要求。然而，當NO2濃度占比65%時，NOx轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率。

5 結語

（1）在柴油機DOC+DPF+SCR+ASC系統(tǒng)中，NOx轉(zhuǎn)化效率的最佳反應溫度區(qū)間為220～500 ℃，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化效率。在汽車尾氣中不同比例的NO2濃度，都能保證NOx轉(zhuǎn)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(nèi)。

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

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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(fā)動機。