一种SCR催化器的性能研究

姚云伟 董波 唐辉映

东风汽车股份有限公司 湖北省武汉市 430000

1 概述

通过在柴油机排气管上安装有尿素计量喷射装置，在合适的工况下，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOx，排出N2，从而降低NOx的排放。因为NH3泄漏也会对大气产生污染，所以对尿素的喷射有一定的限值，这就需要对SCR催化器的性能有一定的设计要求。

一般情况下，SCR催化器性能评价主要包括温度特性、浓度特性和空速特性三个方面的评价，并且以NOx转化效率作为基准。

SCR催化器转化效率指的是发动机按照某种指定的工况运行时，催化转化器前后某种污染物排放量的变化率：

2 SCR催化器装置

2.1 SCR催化器中的化学反应

在SCR催化器中发生的主要化学反应如下：

尿素水解：(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2

NOx还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

NH3氧化：4NH3+5O2→4NO+6H2O

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液中尿素的水解、氮氧化物的还原反应和NH3的催化氧化反应。

本文中论述的SCR催化器性能是指发动机在试验台架运行时，催化器的转化效率。此次使用的SCR催化器规格如表1。

表1 试验用SCR催化器规格

2.2 试验装置

2.2.1 发动机试验台布置

图1是SCR系统试验台架布置图。试验采用的发动机是某型4缸3.0L柴油发动机。

2.2.2 尿素喷射系统

尿素喷射系统是由带有泵的电控单元（DCU）、定量供给电磁阀、喷嘴、尿素泵以及尿素箱组成。泵将尿素从尿素箱中泵出，并供给定量电磁阀，电控单元根据发动机的工况信息控制电磁阀的开度，以获得需要的尿素喷射量。

对于SCR催化器，尿素喷嘴的设计以及安装位置对于还原剂在排气系统中的分布有很大影响，进而对于催化器的转化效率有很大影响。根据设计经验以及要求，目前采用的结构以及喷嘴安装设计如下：

图1 SCR系统试验台架布置图

● 喷射方向：在排气管中央沿着排气管轴线方向喷射有利于还原剂浓度分布的均匀性。

● 喷嘴安装位置：从喷嘴到SCR催化器载体的距离经验值要大于6倍的管径。

3 SCR催化器性能

3.1 温度特性

催化器的转化效率与温度有密切关系，不同温度下催化剂的转化率是不同的。一般情况下，柴油机怠速时排气温度大约为100℃，而全负荷时排气温度能够达到500℃以上。催化器温度特性曲线见图2。

图2 SCR催化器温度特性曲线

● 从图2中可以看到，SCR催化器随着排气温度的不同，NOx转化率呈现不同的变化趋势。温度低于150℃时，转化率迅速下降，而且随着温度的降低NOx转化率也随之降低。在150～500℃之间，催化器的转化率维持在80%以上，其中200～500℃之间，转化率高达90%。

● 之所以具有这样的温度特性，是因为催化剂需要适宜的温度，低温时催化剂的活性较低，对NOx的转化率较低，而高温时，催化剂又容易被氧化，见图3。

● 发动机工况在高速、低速大负荷时，SCR催化器温度较高。

3.2 浓度特性

催化器的浓度特性，是要考察催化器对于NOx的转化率随着不同还原剂浓度与NOx浓度比例变化的规律，为催化器与整车的匹配提供依据。如果尿素喷射过少，则不能充分发挥催化剂的性能，而过多，非但不能提高NOx的转化率，反而将导致水解的的大量逃逸。

3.3 空速特性

空速被定义为每小时流过催化器的排气体积流量与催化器容积之比。它表示了反应气体在催化器中反应的时间。

发动机在不同的工况下运行，催化器的空速变化范围很大。在催化器的实际使用中，由于整车布置和热管理的原因，催化器的体积一般较小，要实现较高的转化率，这就要求催化器本身具有较好的空速特性。

催化器空速特性曲线见图4。

图4 SCR催化器空速特性曲线

从中可以看到，随着空速的增加，NOx转化率呈下降趋势。

对于这款4缸柴油发动机，转速越高，负荷越大，则空速越大，其最大空速为88200h-1。

4 NOx转化率确定方法

在确定尿素喷射系统安装结构、排气系统结构后，先进行原机的NOx排放测试，图5为原机NOx浓度分布map，然后确定尿素喷射量，并进行万有特性试验，确定SCR净化后的NOx浓度分布map，最后可以计算出NOx转化率map，见图6。

5 数据分析

综上所述，SCR催化器的性能即NOx转化效率主要由温度特性、浓度特性和空速特性决定。在确定SCR催化器性能时，需要确定SCR催化器温度分布map、SCR催化器空速map、SCR催化器浓度map以及NOx转化率map。这几个参数可以确定发动机整个工况下的SCR催化器性能表现，从而为SCR系统的选型和标定提供指导。

下面论述这3个特性之间的关系及与SCR转化效率之间的关系。设空速为X1，排气温度为X2，NOX排放浓度为X3，SCR转化效率为Y（所有数据均为发动机稳态工况下采集），可求得该发动机选用的SCR转化效率的近似计算公式为：

图5 原机NOx浓度分布map

图6 NOx转化率map

5.1 多因子与SCR转化效率之间的线性回归关系

通过以上分析，可以发现发动机的空速、N0x排放浓度、排气温度，对SCR催化器转化效率的影响很大，对采集到的相关试验数据进行线性回归检查，发现所选因子与SCR转化效率高度线性相关，即：所得SCR转化效率的计算式可以用空速、排气温度、NOX排放浓度来进行估算。

5.2 多因子中各因子影响的主次顺序

多元线性回归方程中，xi（i=1，2，3）对试验结果y都有影响，但这3个因素中，主要因素与次要因数，可用标准回归系数比较法来判断（计算过程详见附录1）

定义：

根据结果可知，NOX浓度对于SCR转化效率影响最大，其次是空速，然后是排气温度。

6 总结

从上述分析可知，影响SCR催化器的主要因素有空速、排温、NOX排放浓度，其中：

1.NOX排放浓度对SCR催化器的转化效率影响最大，这是由于根据SCR反应化学方程式，对于理论上应为1，其实也就是指NH3浓度对SCR催化器的转化效率影响最大。

2.在NH3浓度一定时，空速与SCR催化器的转化效率高度线性相关。

3.排温与SCR转化效率线性关系较差，主要原因是低温时催化剂的活性较差，对NOx的转化率较低，而高温时，催化剂被高温氧化抑制了对NOx还原反应的进行，因而转化率也有所下降。

这就要求我们在进行SCR选型时：

首先，要做原机的NOx排放浓度MAP，从而确定所选SCR催化器用的尿素泵喷射量至少要＞1.05倍的NOx最大排放浓度，1.05主要是因为NOx中有以NO2形式存在的部分，以及反应率的限制。

其次，考虑空速问题，由于空速SV=排气流量/（空气密度*催化器载体体积），排气流量为原机固有，而随着空速的增加，NOx转化率呈下降趋势，所以对于载体体积要求是在一定的空间内，载体体积尽可能做大。

最后，通过图2来选择催化器的催化剂最适工作温度，应尽量避开低温和高温时催化剂的活性较差的工作区。