分子筛型SCR对车用柴油机排放改善的试验研究

张琳， 景晓军， 刘欣源, 李腾腾

(1. 中国汽车技术研究中心, 天津 300300； 2. 中国北方发动机研究所(天津), 天津 300400)

分子筛型SCR对车用柴油机排放改善的试验研究

张琳1， 景晓军1， 刘欣源2, 李腾腾1

(1. 中国汽车技术研究中心, 天津 300300； 2. 中国北方发动机研究所(天津), 天津 300400)

商用车柴油机多采用DOC+SCR的后处理系统来满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的要求，而不同类型SCR的催化特性对最终污染物排放影响也不同。试验获取了一支铜基分子筛型SCR，基于1台2.8 L柴油机和一支钒基SCR，运行了车用柴油机稳态循环(ESC)和瞬态排放循环(ETC)，研究并分析了其对柴油机污染物的减排特性。结果表明，相较于钒基SCR，运行ETC循环时分子筛型SCR对发动机NOx和PM排放的减排效率分别提升19%和33%；分子筛型SCR对NOx的低温转化效率更高，且由于对排气流量不敏感，在高空速工况下其转化效率显著高于钒基SCR；分子筛型SCR对颗粒物个数的减排效率弱于钒基SCR，达7%以上，容易将大质量颗粒物分解为小质量颗粒物；两种SCR均对CO和HC具有一定的减排效果，减排率可达20%左右。

选择性催化还原； 柴油机； 排放控制； 转化效率； 分子筛； 催化剂

氮氧化合物(NOx)和颗粒物(PM)是柴油机的主要排放污染物，由于两者此消彼长的关系，单纯靠机内净化技术使柴油机排放难以满足日益严格的排放法规[1-2]。通过机内和机外净化技术相结合来降低柴油机污染物排放已成为必然。为了满足国Ⅳ和国Ⅴ排放标准的要求，国内的商用车小排量柴油机一般采用柴油氧化型催化剂(DOC)与选择性催化还原转化器(SCR)相结合的后处理系统。

SCR技术是在催化剂作用下，应用尿素溶液水解释放的NH3来还原NOx，从而降低排气中NOx含量。众多研究表明，SCR的催化转化效率与催化剂特性、排气温度、空速、氨氮比等因素密切相关，其中起燃温度是评价催化剂特性的重要指标[3-5]。目前国内市场上的SCR多为钒基催化剂，这种催化剂的起燃温度在250 ℃左右。但国内商用车柴油机有很大一部分时间在中小负荷工况运转，且市区中怠速工况较多，实际排气温度很低。这种情况下原有的SCR系统催化转化效率降低，后处理下游排气中的NOx含量难以符合法规要求[6]。因此开发低温催化性能更好的SCR系统成为尾气净化技术研究的重点之一。

分子筛是结晶态的硅酸盐或硅铝酸盐，由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成孔径为分子大小的孔道，只有直径比孔径小的分子才能进入。分子筛型催化剂面容比大且具有更加出色的低温催化性能，因此受到了广泛关注[7]。但到目前为止，对分子筛型催化剂的研究多在稳态模拟试验台上进行，基于真实发动机工况和排放测试循环的研究并不多见。

本研究获取了结构尺寸相同的钒基SCR和铜基分子筛型SCR各一支，并基于1台2.8 L共轨增压柴油机分别运行了ESC和ETC排放试验循环。基于稳态和瞬态的数据结果，分析了分子筛型SCR的减排特性及其影响因素。

1 试验装置和试验方法

试验选取了1台直列4缸、四冲程、水冷商用车柴油机作为研究对象，排气后处理系统采用DOC+SCR方式布置。发动机主要参数和SCR参数见表1和表2，其中ZSCR代表分子筛型SCR，VSCR代表钒基SCR，试验过程中均采用同一DOC。

试验设备包括交流电力测功机系统、AVL AMA i60气态污染物分析仪、AVL SPC472颗粒物取样系统以及AVL 489凝结式颗粒计数器，试验装置布置见图1。利用本装置可以测定发动机排气中的CO2，CO，HC，NOx等组分，也可以评价发动机排气中颗粒物质量和颗粒物数量的水平。

表1 发动机技术参数

表2 SCR后处理系统参数

图1 发动机排放测试系统布置

试验完全按照强制性国家标准GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限制及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》的要求进行。对装备有同一DOC的柴油机分别安装钒基SCR和分子筛型SCR进行稳态(ESC)和瞬态(ETC)排放试验循环[8]。每次试验前，调整发动机标定点处试验边界条件(见表3)，使不同试验的边界条件完全一致。试验过程中采用市售国Ⅴ标准柴油，且试验过程中对发动机ECU不作任何改变。

表3 试验边界条件

2 试验结果及分析

对安装不同后处理系统的发动机分别进行排放试验循环，并计算NOx(氮氧化合物),CO(一氧化碳),HC(总碳氢),PM(颗粒物质量)和PN(颗粒物数量)等主要污染物加权比排放量(比排放量计算按照标准GB 17691中的要求进行)，结果见表4。

表4 各试验循环污染物比排放量

2.1 对NOx排放的影响

SCR的目标污染物是NOx，因此研究了分子筛型SCR对NOx的减排特性。从试验结果可以发现，分子筛型SCR对柴油机NOx的减排效果相较于钒基SCR更加显著(见图2)。

图2 不同后处理系统下游NOx排放对比

对于稳态ESC试验循环，钒基SCR的加权NOx转化效率约为75%，而分子筛型SCR的加权NOx转化效率达到了81%，净化能力提升约6%；对于瞬态ETC试验循环，钒基SCR的加权NOx转化效率约为59%，而分子筛型SCR的加权NOx转化效率达到了78%，分子筛型SCR对NOx的净化能力高19%左右。结果同时表明，两种SCR在运行瞬态ETC循环时对NOx的转化效率相较于运行稳态ESC循环时均有所降低，且钒基SCR对NOx转化效率的降低程度更加明显，降低约16%。表明ETC工况抑制了钒基SCR转化性能，但对于分子筛型SCR转化性能的抑制作用并不显著。当运行ETC试验循环时，分子筛型SCR对NOx净化能力的优势更加显著。

按照式(1)计算得到ESC循环和ETC循环的平均涡后排温分别为305 ℃和260 ℃，ETC循环整体较低的排气温度限制了SCR的催化性能，因此造成运行ETC循环时，分子筛型SCR和钒基SCR的NOx转化效率均有所降低。

(1)

将ESC循环中十三工况点的NOx转化效率分别按照涡后排气温度和排气流量递增的趋势显示在图3中，可以发现NOx转化效率并非随其中任一变量呈现单调增减的规律。怠速工况下发动机并不喷射尿素，按照式(2)分别计算除怠速工况外其余12个工况下NOx转化效率与排气温度和排气流量之间的相关系数(见图4)。

(2)

式中:γ为相关系数；X为排气温度或排气流量；Y为NOx转化效率；Cov(X,Y)为协方差；D(X)和D(Y)分别为X和Y的方差。

相较于钒基SCR，在试验工况范围内，分子筛型SCR的NOx转化效率与排气温度的正相关关系更加显著；而钒基SCR的NOx转化效率与排气流量则具备一定的反相关关系。可以推测，排温较高且排气流量较大的工况，即高速大负荷工况，分子筛型SCR的NOx催化转化性能有更加优于钒基SCR的趋势。

图3 不同排温和排气流量时的NOx转化效率

图4 NOx转化效率与排气温度和流量的相关系数

如图5所示，在较低转速(1 900 r/min)工况下，钒基SCR的NOx转化效率要高于分子筛型SCR。但是在更高转速工况下，由于更大的排气流量导致较大空速，使得SCR触媒与NOx接触时间减少，催化转化效率降低，分子筛型SCR受此影响更小，因此在较高转速工况下，分子筛型SCR的催化性能要优于钒基SCR，即分子筛型SCR的催化速率更高。

按照式(3)计算得到ESC循环和ETC循环的平均排气流量分别为336 kg/h和273 kg/h。即对于钒基SCR，运行ETC循环时，由于较低的空速更有利于改善其催化效率，从而使其与分子筛型SCR性能接近。但根据前文分析，运行ETC循环时分子筛型SCR的催化性能优势却更加显著，由此得出结论，排气温度的降低对钒基SCR的催化效率限制更强，即分子筛型SCR的低温催化性能要显著优于钒基SCR。

(3)

图5 ESC各工况对应的NOx转化效率

综上所述，分子筛型SCR的NOx催化转化效率在较低排温工况下显著优于钒基SCR，且由于其更高的催化转化速率，随着转速和负荷的提高，这种优势有愈加明显的趋势。

2.2 对颗粒物排放的影响

相关研究表明，SCR对可溶性有机物和干炭烟均具有一定的减排作用[9]。通过试验也发现，SCR在降低NOx的同时，对颗粒物也有一定的削减作用(见图6)。加装钒基SCR后，运行ESC循环和ETC循环时，颗粒物质量分别降低约9%和16%；而更换分子筛型SCR后，运行ESC循环和ETC循环时，颗粒物质量分别降低约44%和33%。相比于钒基SCR，换装分子筛型SCR后，运行ESC和ETC循环时，颗粒物个数分别升高了11%和7%。

图6 不同循环的颗粒物质量和个数比排放量

图7示出分子筛型SCR和钒基SCR运行ESC循环时各稳态工况点的平均排气颗粒物数量浓度。在任意工况下，安装钒基SCR的发动机排气颗粒物数量浓度均相对较低。

图7 ESC循环13工况点颗粒物数量浓度

尽管两种SCR对颗粒物均具有一定的过滤作用，但无论是稳态循环还是瞬态循环，由于更大的面容比和转化效率，分子筛型SCR对颗粒物质量的减少更加显著。且结合颗粒物个数测试结果可以推断，相较于钒基SCR，发动机排气经过分子筛型SCR后质量较大的颗粒物权重减少更为明显，分子筛型SCR更容易将较大的颗粒分解为数量更多的较小颗粒。

2.3 对CO和HC排放的影响

图8示出了安装不同类型SCR后，发动机最终CO和HC排放的变化趋势。对于ESC循环，由于经过DOC之后的CO和HC比排放量级极小，不能排除由于排放测试设备的误差造成的影响，因此选择比排放量较高的ETC循环作为分析对象。可以发现，加装两种SCR后，CO和HC比排放量均略有降低，且二者之间的减排差异非常微小(CO和HC比排放量均分别降低约19%和39%)，分子筛型SCR有微小优势。即分子筛型SCR同钒基SCR相似，均可使得一部分CO和HC(作为还原剂[10])氧化从而减少其排放。

图8 不同SCR对CO和HC排放的影响

2.4 对发动机燃油消耗率的影响

为了保证安装不同后处理系统进行排放试验时发动机原机状态一致，每次试验前均调节标定点边界参数，以排除发动机原机排放不一致引入的影响。因此在本研究中，加装SCR对发动机燃油消耗率并未产生显著的影响。图9示出安装3种后处理系统时，发动机运行ESC循环各工况点(不包括怠速点)的燃油消耗率。从图中可知在任何工况点下三者差异均很微小。当加装分子筛型SCR和钒基SCR时，发动机运行ESC循环的加权燃油消耗率分别为226.39 g/(kW·h)和226.15 g/(kW·h)，运行ETC循环的加权燃油消耗率分别为238.49 g/(kW·h)和238.78 g/(kW·h)，差异均在0.1%左右。

图9 ESC循环各工况点的燃油消耗率

3 结论

a) 分子筛型SCR相较于同级别钒基SCR具有更加出色的低温NOx催化转化性能和转化速率，ETC工况NOx转化效率提升约19%，且在研究工况内NOx催化转化性能受空速影响并不明显；

b) 分子筛型SCR和钒基SCR均可减少一部分颗粒物质量排放，但前者对PM的减排能力更加显著，且更容易将质量较大颗粒转化为较小颗粒，因此分子筛型SCR的颗粒物个数比排放量更高；

c) 两种类型的SCR均可一定程度改善柴油机CO和HC排放水平，减排率可达20%，且两种SCR的转化效率差别不大。

[1] 帅石金, 唐韬, 赵彦光,等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望[J].汽车安全与节能学报,2012,3(3):200-217.

[2] 王静,王谦,徐航,等.车用柴油机SCR系统NOx转化效率影响因素[J].内燃机学报, 2015(5):453-460.

[3] 薛冬新,侯文俊,宋希庚.SCR系统降低柴油机NOx排放的试验研究[J].车用发动机,2011(2):76-78.

[4] 张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].济南：山东大学,2013.

[5] 冯向宇.柴油机排气后处理系统应用的关键科学问题研究[D].北京：北京理工大学,2015.

[6] 孙国华,杜骞,蒲雨新.WHTC循环评价城市中柴油车尾气排放性能的适应性研究[J].小型内燃机与摩托车,2013,42(5):9-13.

[7] 赵海光,韩永强,田径,等.采用分子筛SCR催化器降低柴油机NOx排放的试验研究[J].车用发动机,2012(3):56-59，64.

[8] 中国环境科学研究院.GB 17691—2005 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法:(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)[S].北京：中国环境科学出版社, 2005.

[9] Rusch K,Hofmann L,Zuerbig J,et al.PM-Reduction by SCR-Catalyst[C]//SAE 2003 World Congress & Exhibition. Detroit：SAE，2003.

[10] 唐大学.柴油机废气排放控制技术新进展[J].内燃机,2012(5):1-4.

[编辑: 李建新]

Emission Improvement for Diesel Engine with Molecular Sieve SCR

ZHANG Lin1, JING Xiaojun1, LIU Xinyuan2, LI Tengteng1

(1. China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The combination of DOC and SCR aftertreatment system was widely used for commercial diesel engine to meet National Ⅳ and Ⅴ emission regulations. Different kinds of SCR have different influences on the final exhaust emissions significantly. The ESC and ETC tests are carried out to research the exhaust emission on a 2.8 L diesel engine with a vanadium-based SCR catalyst. The results show that NOxand PM emissions of molecular sieve SCR in ETC improve by 19% and 33% respectively compared with vanadium-based SCR. The NOxcatalytic conversion efficiency of molecular sieve SCR is obviously higher than that of vanadium-based SCR under low exhaust temperature or large exhaust flow rate conditions. However, using the molecular sieve SCR, the particulate number is 7% more than that of vanadium-based SCR and the large particle matter is easily broken up into different small particle matter. Both kinds of SCR catalysts can reduce CO and HC emissions by up to 20%.

selective catalyst reduction(SCR); diesel engine; emission control; conversion efficiency; molecular sieve; catalyst

2016-11-30;

2017-02-17

张琳(1989—)，男，硕士，工程师，从事发动机排放相关研究；zhanglin2015@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.006

TK411.5

B

1001-2222(2017)01-0030-05