大型柴油机高氮氧化物转化率的排放控制系统的研发

【美】 M.Naseri R.Conway H.Hess C.Aydin S.Chatterjee

0 前言

为满足针对大型柴油机的氮氧化物（NOx）排放要求和法规，选择性催化还原（SCR）被证明是一种有效的解决方案。随着改善燃油经济性的需求增加，人们要求提高SCR系统对NOx的减排能力，可以允许发动机排出更多的NOx。这将挑战当前的后处理设计，包括柴油机氧化催化器（DOC）、催化碳烟过滤器（CSF）和SCR单元。一种方法是采用涂覆SCR的柴油机颗粒滤清器（SCRF®）代替CSF，保持直通式SCR。通过使用高孔隙度直通载体，涂覆比当今标准涂覆量更高的活性涂料，下游SCR工作也可以获得改善。该设计不仅可以改善低温时的NOx转化效率（因为SCRF单元接近涡轮出口），而且增加了SCR活性位可以置于整个系统内，而无需增加外形尺寸，从而获得很高的NOx转化效率。SCRF技术需要高孔隙度过滤装置，以便获得更高的催化剂涂覆量来提高催化性能和耐久性。这些高孔隙度过滤器须具有良好的热机械性能，能经受整个寿命期系统多次主动再生过程。

前期研究表明，SCRF催化剂具有很高的NOx转化能力［1～5］。研究下游直通SCR催化器，以证明高NOx还原效率可以通过将大量活性催化材料置于高孔隙度和高孔道密度的直通式载体上来获得［6～8］。本研究中把SCRF单元与下游高孔隙度SCR催化剂相结合以实现NOx高转化效率，并对此给出评价结果。在NOx原始排放较高的发动机上评价了性能。在标准的瞬态FTP循环中对这些系统的NOx转化能力进行了评估。同时，评价了不同的控制策略以了解还原剂投放策略和热管理对NOx转化效率的影响。

1 试验

本研究使用了4个系统，包括将DOC、CSF和SCR置于2个标准载体（基准系统）上，将DOC、涂有SCR的DPF（SCRF单元）和SCR置于1个标准载体上，将DOC、SCRF单元和1份高孔隙度、高孔道密度SCR催化剂置于1个标准载体上，最后将DOC、SCRF单元、1份高孔隙度、高孔道密度SCR催化剂和1份氨泄漏催化剂（ASC）置于1个标准载体上。采用铜-沸石SCR催化剂技术，用于SCRF、标准SCR和高孔隙度高孔道密度SCR系统。系统配置如图1所示。不同载体的细节和时效条件如表1所示。SCR试验使用了2个孔道密度不同的高孔隙度载体（HPS）。

如表1所示，用作基准系统的CSF载体为1块NGK堇青石，孔道密度每平方英寸200cpsi、壁厚12mil①为了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定单位——编注。，而本研究采用的SCRF组件载体为1块NGK堇青石，型号C650，孔道密度300cpsi，壁厚12mil。用于SCR催化剂的标准载体是1块400cpsi，壁厚4mil的NGK堇青石，而SCR使用的2个高孔隙度高孔道密度载体（HPS）采用孔道密度分别为900cpsi、600cpsi和壁厚为3mil、4mil的NGK堇青石。DOC在试验前经过500℃熟化处理4h，CSF经过700℃时效处理，而SCRF组件、SCR、ASC则在650℃时进行热液时效处理以仿真现场时效。热液时效处理中有10%的水。

表1 催化剂参数

测试是使用1台2007年款柴油机进行的。发动机规格如表2所示。本研究中EGR被关闭，结果NOx排放量达到大约5.6g／（hp·h）。通过空气辅助泵grundfos输送尿素并喷入。将1台6in静态混合器置于喷嘴后和SCRF单元前，以确保废气与尿素混合良好，且分布均匀。

本研究使用的测功器是Horiba 800hp交流电力测功器。进气气流用Sierra空气流量计测量，量程为0～2 400kg／h，满刻度精度为±1%。发动机原始排放使用Horiba MEXA 7500D双工作台（CO、HC、NOx）分析仪测量，其满刻度精度为±1%。系统总排放量使用1台傅里叶变换红外光谱仪（MKS型2030HS）测量。使用Setra 206型压力传感器监控DPF背压。使用K型热电偶测量系统温度。

表2 发动机规格

通过大型载货车冷态FTP试验以确定系统性能。在研究的不同部分使用了冷态和热态循环。瞬态循环期间平均 NH3-NOx比（ANR）为1.2～1.3。应该指出的是，本研究冷态FTP保温时间为3h，这样做是为了节省试验时间。研究表明，大约3h的后处理保温会得到与冷态FTP条件下8h保温相同的进口温度，后者可使发动机冷却液和润滑油回到室温。2种保温方法之间在FTP循环的开始250s内差别不到8°。SCR进口温度比较如图2所示。

这项研究的一部分包括在冷态瞬态FTP循环期间应用不同控制策略。应用这些策略是为了解氨剂量、热管理及两者的结合对系统性能的影响。在研究中考虑了几个选项。在一个选项中，冷态FTP评价了气态NH3和预饱和处理的效果；在另一个选项中，采用C100模式暖机，然后运行FTP循环检查暖机情况的效果；最后，在FTP循环中评价了暖机和NH3饱和的联合效应。

2 结果和讨论

本研究进行了2部分试验：（1）结合SCRF单元和性能较高的SCR催化剂设计了1套高效NOx还原系统，进行发动机试验以说明SCRF概念及高性能SCR与基准系统相比的性能优点；（2）在不同条件下试验了该性能较高的系统，以证明通过使用不同策略进一步提升性能水平，尤其是关于冷起动试验。第一部分试验的不同系统见表3。

表3 不同的系统布置

2.1 高NOx还原效率的系统试验

系统总NOx转化效率用1次冷态FTP循环和3次热态FTP循环（循环之间有1段20min的保温）测量。循环中使用的ANR是1.2～1.3。开始测试之前，CSF或SCRF单元进行了主动再生，以清除碳烟，然后系统冷却3h再开始FTP循环。

系统1测试用表3中的布置1作为基线，对应1个2010年典型系统的设计。在热FTP循环SCR进口的NO2／NOx比值为35%。瞬态热态FTP循环期间，用这套基准系统实现的NOx转化效率是83%左右。接下来进行系统2测试，以SCRF组件代替CSF并使用标准载体上的SCR催化剂。使用SCRF技术的系统进口处NO2／NOx比值为32%。利用布置2中的SCRF概念，NOx转化效率增加到88%。系统3显示，通过用高孔隙度／高通道密度SCR替代标准SCR可进一步提高NOx还原率。利用这个系统，热态FTP循环NOx转化效率增加到了91%。这3个系统的比较情况见图3。

应注意为了不改变试验之间的发动机排出的原始NOx排放，在SCRF系统与基准系统之间保持了相似的发动机背压。对于热态FTP循环，系统3显示的背压峰值约为8in汞柱，均值2.5in汞柱，而对照的基准系统的峰值为7in汞柱，均值为2in汞柱。

热态FTP循环试验结果表明，用SCRF单元和涂覆SCR的HPS的系统表现出非常高的NOx转化效率。该设计可在低温下改善NOx转化效率，因为SCRF部件靠近涡轮出口，因而在循环中较早就达到较高的温度。它并不增大整体尺寸，而是在整个系统中安置了较多的活性位，这也改善了NOx转化效率。实际上，系统3比基准系统少用50%的SCR催化剂（直通式载体）。

2.2 冷态FTP循环高NOx还原效率的系统策略试验

基于图3中达到的性能，应用了系统布置4进一步研究其在冷态FTP循环中的性能，以及获得高还原效率的方法。

该布置包含相同的DOC和SCRF单元。SCR部分改为900cpsi HPS载体。在另一项研究中，600cpsi和900cpsi HPS SCR单元展现出相似的性能。除了载体的变化外，使用的SCR催化剂是相同的。此外，氨泄漏催化剂也添加到最终系统中，以控制泄漏量。

布置4在冷热态FTP循环的NOx转化效率如图4所示。冷态FTP实现了大约77%的转化效率，对未来用途和预期法规来说较低。然而，热态FTP的NOx转化效率高达93%。

对冷态FTP循环NOx中转化效率低于预期值背后的原因作了检查。冷热FTP状态下SCRF单元进口、中床和出口温度的曲线如图5和图6所示。冷态FTP循环前半段温度几乎低于200℃，平均温度大约是235℃。通常的尿素投入策略为仅在SCR进口温度达200℃或以上时才喷入尿素，以避免尿素沉积物的形成。同样，在此系统中，尿素只是在SCRF组件进口温度已达到200℃和更高时才喷入。因此，冷态FTP循环前半段几乎没有尿素喷入，因而没有足够的NH3用来还原NOx。

热态FTP循环排气温度较高，如图6所示，尿素喷射在100s开始。然而有的时段在温度低于200℃时，尿素喷射也会停止。热态FTP循环平均温度大约为250℃。

冷态FTP循环发动机排出和系统排出的NOx曲线，以及温度曲线如图7所示。400s前，温度低于200℃，NOx的还原效率很低。在600s之后，还原效率迅速上升，此时排气温度高于200℃。冷态FTP循环中NH3泄漏量很低，平均只有1.0×10-6，峰值2.0×10-6，再次表明缺乏足够的NH3。

结果表明，在冷态FTP循环中由于温度低于200℃，未能较早投入足够的尿素，即使是性能很高的后处理系统，也可能无法达到所需的高NOx转化效率。因此需要做额外的研究，以求提高冷态FTP NOx转化效率和利用高性能催化系统。

下面将探讨不同的选项（表4）和控制策略，对改善NOx转化效率的影响。每种情况使用的后处理系统都是表3的配置4，包含SCRF组件和在900cpsi HPS载体上涂覆Cu-SCR催化剂。基线是图7所示的冷态FTP循环用标准尿素剂量的数据。

2.2.1 选项1：气态氨的影响

在冷态FTP循环前半段温度相对于投放尿素还太低的时候喷入NH3。设计了1个侧流NH3定量给料装置，将NH3注入到主排气流中。NH3定量给料装置连接到发动机涡轮出口，少量的热排气流（约15～25kg／h）从发动机抽入侧流系统。因为该气流从涡轮出口分出进入给料器，其温度明显高于主排气流温度。尿素注入侧流反应器，在水解催化剂作用下转化为NH3。产生的NH3回流到主排气流，混合器和SCRF组件的上游。侧流NH3投料器的控制设计成从冷态FTP循环一开始就将NH3注入主排气流，直到SCRF单元进口温度达到215℃。当测试循环温度高于215℃时，主尿素投放系统被激活，开始向排气流喷入尿素。2个系统投料控制策略都设置在使整体ANR值保持在1.0左右。

表4 试验条件

图8表示该选项冷态FTP循环下SCRF单元的进口温度、发动机排出和系统排出的NOx曲线。NOx曲线以浓度水平表示，平均温度大约231℃。在290～300s后观察NOx还原效率，这是因为排气流中可较早利用NH3。系统整个循环内总NOx转化效率如图9所示。在冷态FTP循环下，因为在循环冷态部分注入了NH3，本选项NOx转化效率增加到81%。循环内平均NH3泄漏量为1.5×10-6，峰值为17.0×10-6。

NH3泄漏量，尤其是峰值泄漏量表明NH3喷射控制策略需要进行更多调整，以减少NH3泄漏。可通过将泄漏NH3氧化形成的NOx量降至最低，进一步提高总的NOx转化效率。

这项试验表明，如果在循环早期就喷入NH3，采用当前最先进的技术能够在冷态FTP循环下获得高NOx转化效率。实现这点的途径之一是在循环的低温时段使用另一种方法引入气态NH3。

2.2.2 选项2：预储NH3的效果

为了模拟较早注入气态NH3的效果，评估了在冷态FTP循环下测试开始前系统用氨饱和处理的结果。因为一些当前系统在冷态FTP循环开始前会完成预循环，预饱和试验是可行的。该预循环有利于存储NH3，以便在低温下尿素不能喷入时用于转化NOx。通过运行几个热态FTP循环来执行预饱和处理，ANR大约在1.2～1.3，直到SCRF单元和SCR被认为已经被NH3饱和处理。系统饱和后，发动机停机，系统冷却3h。之后，系统用正常尿素投入量进行1次冷态FTP测试。

图10表示冷态FTP循环SCRF单元进口温度、发动机排出和系统排出的NOx曲线。NOx曲线以浓度水平表示。和之前一样，排气温度很低，在循环前半段的大部分时间没有喷入尿素，平均温度大约是235℃。然而只在300s后才观察到NOx还原。这是由于系统（SCRF单元＋SCR）中有预饱和NH3存在。系统循环内总的NOx转化能力如图11所示。在冷态FTP循环，使用预饱和NH3策略的NOx转化效率从标准FTP循环的77%上升到86%。NH3泄漏量在这个循环内又非常低，平均只有1.0×10-6，峰值6.0×10-6。

这项试验再次表明，如果循环早期有足够的NH3，在冷态FTP循环下能够获得高得多的NOx转化效率。这个数据也强调了需要调整NH3的投入量，使得不产生太多的NH3泄漏。如果喷入足够的NH3，不仅NOx会在冷态FTP循环早期阶段转化，而且也会在循环的后半段系统变暖后阻止NOx的生成，并且泄漏的NH3会在泄漏催化剂作用下转化为NOx。2.2.3 选项3：热管理对NOx转化效率的影响

在冷态FTP循环下通过使用模拟的热管理手段提高了排气温度，以便能较早通过标准尿素投入策略提供NH3。通过使系统预热并使之暴露于C100模式下10min且尿素以ANR1.0喷入来模拟热管理策略。在C100模式下，SCRF单元进口温度大约是480℃。高温使得SCRF单元或SCR内不会有NH3，然而系统温度高于先前的研究情况。预热后发动机停机不到2min就开始FTP循环。这并不代表真正意义上的冷态FTP循环，但其目的是模拟具有应用热管理可以达到的较高温度的冷态FTP循环。使用1.2～1.3的ANR以确定瞬态循环下的系统性能。

图12表示瞬态循环下SCRF组件进口温度、发动机排出和系统排出的NOx曲线。如图12所示，排气温度明显高于图5所示的典型冷态FTP循环。因此，尿素喷射从循环的起点开始。循环平均温度大约是263℃。由于更高的温度和较早投入尿素，系统从循环开始就可进行NOx转化。

系统的NOx转化能力如图13所示，并与之前的数据做了比较。结果表明，NOx转化效率通过实施这样的热管理策略而升高到91%，而标准冷态FTP循环下仅为77%。较高的温度和随之而来的尿素早期投放使得NOx转化效率甚至超出了NH3预饱和条件下的数值。本循环内的氨泄漏量虽然还是较低，但高于前面的试验，平均为2.0×10-6，峰值为20.0×10-6。

结果表明，冷态FTP循环下利用有效的热管理策略将有利于用SCRF技术的系统在瞬态冷循环中达到较高的NOx转化效率。

2.2.4 选项4：预存储NH3和热管理对NOx转化效率的影响

第4选项运行5个背靠背式FTP循环，喷射尿素使ANR为1.2～1.3，作为系统的预处理。完成5个循环的运行后没有关掉发动机，又用相同的ANR运行了另1个FTP循环，以确定系统的NOx还原能力。这些试验的目的是模拟NH3的预饱和，以及实施热管理，使尿素能够较早投入等试验条件。

图14表示SCRF单元进口温度、发动机排出和系统排出的NOx曲线。通过运行5个背靠背FTP循环，排气温度从循环一开始提高到200℃以上，平均温度大约268℃。同时，NH3存储在SCRF组件和SCR内，因此从循环开始就有足够的还原剂。此外，由于起始温度较高，尿素从一开始就可以使用。

如图14所示，从循环一开始就发生了NOx的还原反应。与图10相比，循环前半段几乎没有NOx排放峰值。循环中部NOx有一些高峰，这可能是由于NH3在ASC上氧化生成了NOx，NH3可能来源于系统内较高的NH3泄漏，然而，这完全可以通过进一步优化投量策略和ASC来控制。

图15比较了使用选项4时的系统NOx转化效率，显示NOx转化效率提高到96%，而选项3仅使用热管理为91%，选项2仅存储NH3为86%，选项1可用气态NH3为81%，而当前基准冷态FTP循环下为77%。正如预期，这循环中的NH3泄漏较高，平均为3.0×10-6，峰值为50.0×10-6。表5总结了所有选项下的进口温度、NOx转化效率和平均NH3泄漏量。

表5 结果总结

这些结果表明，DOC＋SCRF＋SCR＋ASC系统能够在冷态FTP循环实现超过95%的NOx转化效率。然而为实现所希望的低温还原效率，需要预存足量的NH3、实施热管理和较早使用NH3的组合。

3 结语

本文通过把DOC、SCRF单元与基于高孔隙度载体SCR技术相结合，设计了1套先进的高效NOx转化系统。与2010年的典型系统相比，该系统展示出更高的NOx转化效率，这是因为SCRF组件被置于离涡轮出口更近的位置（使得可在测试循环早期就达到较高的温度），而且系统拥有更多的活性位进行NOx转化而不会增加后处理系统的体积。然而，该先进系统在冷态FTP循环下性能仍然低于期望，为了满足未来的法规要求，这将变得越来越重要。

于是，在冷态FTP循环条件下试验了另一套相似的先进系统，评价了不同的控制策略，以了解在冷态FTP循环条件下还原剂剂量和热管理对获得较高的NOx转化效率的效果。

（1）在冷态FTP循环下用标准尿素投入剂量，NOx转化率低于期望值，因为没有还原剂来减少循环早期低温运行的NOx。

（2）在冷态FTP循环中的低温部分引入气态NH3后，NOx转化效率升高了大约4%。

（3）通过预饱和处理装置从冷态FTP循环一开始就预存NH3，使得NOx转化效率提高了约9%。

（4）通过使用1套模拟的热管理策略，使NOx转化效率比标准冷态FTP时提高了14%。

最后，通过把2种控制策略联合使用，即在循环初期表面上有足量的NH3和进行热管理，在瞬态循环中实现了高于95%的NOx转化效率。

采用一流的DOC＋SCRF＋SCR＋ASC技术能够实现非常高的NOx转化效率。然而，在冷态FTP循环条件下，由于低温和缺乏可用的NH3，仍不能充分实现潜力。通过配备当前最先进的排放控制系统，专注于测试循环早期提供气态NH3，以及提高工作温度，大型柴油机可以实现很高的NOx转化效率。

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