柴油机Cu基分子筛催化剂的特性研究

钟秋月，高延新，胡帅

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

1 引言

随着环境恶化的加剧，机动车排放法规越来越严格，发动机排放开发难度逐渐增大。柴油机的主要污染物是 NOx和PM。SCR技术已经成为柴油机为了满足国四、国五及更高排放的主要去除NOx技术。

在SCR中发生的化学反应如下：

尿素水解：

（NH2)2CO+H2O—2NH3+CO2

NOx还原：

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

催化剂作为 SCR催化器的核心组成部分，主要分为两类：一类是以V2O5-WO3-TiO2为主的钒基催化剂，另一类是Cu-ZSM-5和Fe-ZSM-5为主的分子筛催化剂。

本文通过试验对三种催化剂的性能进行对比，并单独对Cu基分子筛的催化性能进行研究。

2 试验设备

如图1所示，试验设备为装有SCR后处理系统的柴油机试验台架。

3 Cu基分子筛特性研究

3.1 不同种类催化剂的性能对比

（1）温度的影响

催化剂的催化效率会随着温度的变化而变化，因此温度是影响催化剂性能的一个重要指标。

如图2所示，Cu基分子筛与钒基催化剂和Fe基分子筛相比，低温时转化效率较高；在 400℃以上，三者均具有良好的转化效率。

但考虑到国六阶段柴油机的技术路线为 DOC+DPF+SCR，DPF再生时SCR入口温度在600℃以上，钒基SCR在550℃发生挥发，会对污染环境。因此综合低温性能和高温性能，Cu基分子筛性能最优。

图1 催化剂效率测试台架

图2 温度对催化剂的影响

（2）热老化的影响

随着排放法的加严，催化器的排放耐久性越来越受到重视。但是车辆在实际运行过程中，催化剂肯定会发生不同程度的老化，使转化效率下降。

图3 老化对催化剂的影响

图3是三种催化剂经过670℃/64h水热老化后对NOx的转化效率。如图3所示，经过水热老化后，在300℃时，铜基分子筛SCR和铁基分子筛SCR的转化效率仍可达到80%以上，效率衰减比较轻微；然而钒基SCR的老化效率却衰减到20%以下，基本失去转化功能。

3.2 Cu基分子筛的特性分析

（1）空速的影响

图4 空速对新鲜态转化效率的影响

图5 空速对老化态转化效率的影响

由图4、图5可知，随着空速的增加，NOX的转化效率逐渐降低，这是由于空速的增加导致NOx与催化剂接触的时间变短，反应不完全。尽管空速会影响NOx的转化效率，在300℃-500℃之间，三种空速下新鲜态Cu基分子筛的转化效率均可高达95%以上，而老化态Cu基分子筛的效率略有降低。

（2）新鲜态与老化态的储NH3能力对比

催化剂的储 NH3能力是衡量催化剂能力的一个重要指标。

图6 新鲜态与老化态存储能力的对比

由图6可知，Cu基分子筛的储NH3能力随着温度的升高而逐渐降低。新鲜态Cu基分子筛在250℃时可以储存2.7g/l的NH3，而老化态只能储存1.7g/l，降低了37%。但由于Cu基分子筛存储能力随着温度的升高而逐渐降低，新鲜态 Cu基分子筛存储能力衰减较快，因此在 400℃时新鲜态和老化态存储能力达到一致。

4 结论

本文通过试验数据对比，可以得出如下结论：

（1）与钒基催化剂、Fe基分子筛相比，Cu基分子筛在低温段及高温段转化效率较高。并且反应温度窗口较钒基催化剂宽。在进行老化后，Cu基分子筛较其余两种催化剂效率高。

（2）随着空速的增加，Cu基分子筛的转化效率降低，但新鲜态在 250℃-450℃转化效率仍可达到 95%以上，老化态效率略有衰减。

（3）Cu基分子筛储NH3能力随着温度的升高而逐渐降低，老化后的Cu基分子筛储NH3能力降低。

在面对国六法规时，Cu基分子筛既可以满足低温时高转化效率的要求，又可以满足DPF后高温对催化剂热老化的影响，因此在国六阶段SCR催化剂建议选择铜基分子筛。