氨分布对柴油机并联式SCR后处理系统NOx排放的影响

刘兴龙，王军，王奉双，王远景

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力空气净化科技有限公司，山东 潍坊 261061)

随着城市发展和科技水平的提升，政府对重型柴油车环保要求逐步提高：我国2013年7月实施了国四阶段排放标准，2017年1月实施了国五阶段排放标准[1]，2021年7月1日计划实施国六6a排放阶段标准，2023年7月1日计划实施国六6b排放阶段标准[2]。国六后处理与国五后处理的区别不只是对污染物量上的控制区别，更有质的区别：国五柴油机的后处理系统仅采用选择性催化还原器(selective catalytic reduction，SCR)，即可满足发动机的排放法规限值要求；国六后处理系统需要借助氧化型催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)与SCR三者系统作用，既保证非常低的NOx排放值，又保证DPF的积炭再生循环，才能长期达到发动机的排放法规限值要求[3-7]。SCR后还增加氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)用于处理尿素过量喷射产生的NH3泄漏。国四、国五后处理系统结构形式较为简单，主要区别为喷嘴布置在排气管路上抑或集成到后处理装置上[8-9]，国六后处理系统普遍采用喷嘴集成的方式。在对后处理系统排放的数值分析方面，一维仿真计算和二维仿真计算两种方式并存，业内主流的仿真评价方案是计算典型工况点催化剂前端截面的气流速度均匀性和氨分布均匀性数据[10-16]。本研究在一款13 L国六柴油机上利用仿真计算、氨分布试验、排放性能试验等方法研究了影响国六并联式SCR后处理系统NOx排放的因素，为该后处理系统的设计仿真优化提出了评价标准及验证方法。

1 研究对象

1.1 后处理系统结构型式

图1示出常见国六后处理系统各催化处理单元的布置顺序，张俊等[17]通过试验方法验证了该构型方案在实现DPF的连续被动再生方面的优势和较好的燃油经济性。为配套不同的车型，后处理系统封装结构通常设计为桶式或箱式，箱式结构主要配套大载量重型卡车，以满足其紧凑型布置的需求：各催化单元来回折返布置在箱式结构中；SCR设计为两路并行的结构，可充分利用空间、缩小尺寸(见图2)。并联式SCR后处理系统在混合器后分成完全相同的两路SCR，两路SCR气流特性的一致性将对NOx排放产生较大影响。

图1 国六后处理系统各催化单元布置顺序

图2 国六并联式SCR后处理系统结构示意

1.2 研究问题

选用1台排量为13 L的国六重型柴油机为研究对象，发动机及后处理系统主要参数见表1。在国六试验台架上进行了排放性能试验，试验布置见图3。

表1 发动机及后处理系统的主要参数

图3 国六后处理系统排放性能试验台架布置

试验用测功机为西门子电力FC200(600 kW)测功机；试验用分析仪为日本HORIBA MEXA—7500DEGR气体分析仪和AVL 472排放颗粒采集仪。

在排放试验中发现，相同试验条件下，两种仅混合器不同的国六后处理系统(催化剂及其他结构无任何变化)NOx排放值在WHSC循环中差异较大，在WHTC循环差异小，这应是稳态工况点比瞬态工况点更能够体现后处理器催化能力的原因。试验结果见表2，虽然排放结果都满足国家排放限值，但两者排放值的相对偏差高达253%。两混合器的差异主要是混合器1仅采用一组圆周旋流片与扩口结构混合尿素与尾气，而混合器2在第一组圆周旋流片后面取消扩口结构，增加了一组不同结构的旋流片，形成双旋流结构。

表2 排放性能试验结果

2 影响NOx排放的仿真分析研究

2.1 速度均匀性仿真分析

速度均匀性是混合废气通过催化剂截面的均匀性参数，它代表着混合废气与催化剂接触时的气流一致性水平。选择13 L国六发动机的标定点(最大废气流量点)进行稳态CFD仿真。对图2中的各个功能单元进行3D建模，经Hypermesh V13.0划分网格形成图4所示的数值模型，采用Fluent计算每个后处理催化剂前端面的气流速度均匀性，结果如图5、图6所示。对比图5、图6可知，两个后处理系统的SCR前端面速度均匀性都在0.97以上，处于较好水平。在该工况点进行了废气的质量流量分布计算，结果如图7所示。通过图7a和图7b对比，确认2个后处理系统的废气质量流量分布基本相当。

图4 后处理系统数值模型

图5 混合器1后处理系统各载体前端面速度均匀性

图6 混合器2后处理系统各载体前端面速度均匀性

图7 SCR后处理系统的废气质量流量分布

经CFD仿真计算，确认两后处理系统废气速度均匀性和废气质量流量分布都在合理范围内，废气流量特性不足以导致两后处理系统总成的WHSC循环排放结果的差异。

2.2 氨分布均匀性仿真分析

尿素喷射至混合器后热解为NH3，与废气混合均匀，混合气体流动到催化剂，催化剂前端面的NH3分布均匀性对SCR催化剂的催化反应有着至关重要的意义。图8、图9示出不同混合器后处理系统的SCR前端面NH3均匀性计算结果对比。由图可见，两后处理系统的NH3均匀性相差在2%以内，且处于较高水平，不足以影响后处理系统总成的WHSC循环排放结果。

图8 混合器1后处理系统的NH3均匀性

图9 混合器2后处理系统的NH3均匀性

2.3 两路SCR平均氨浓度差异计算

通过氨分布均匀性计算仅能了解单路SCR的氨分布情况，无法全面评估两路SCR的氨分布差异。计算并联SCR前端面的NH3加权质量(该工况下通过截面的总质量)进行对比分析，可较全面地评估两路SCR的氨分布差异情况。如图10所示，采用混合器1后处理系统时两路SCR前氨浓度的相对偏差是3.82%，采用混合器2后处理系统时两路SCR前氨浓度的相对偏差是17.5%。在混合器1内增加一个多孔管提升气流的混合均匀性，形成混合器3；对比采用混合器3时两路SCR前氨浓度差异与最终NOx比排放量，进一步验证两者的关系。采用混合器3后处理系统时两路SCR前氨浓度的相对偏差为2%。根据计算结果对比可知，混合器1后处理系统和混合器3后处理系统的氨混合效果远优于混合器2后处理系统，混合器3后处理系统氨混合效果略优于混合器1后处理系统。

图10 后处理系统两路SCR前端面的氨浓度差异

3 NOx排放差异的试验研究

3.1 SCR氨均匀性试验

通过试验测试SCR前端面的氨浓度分布，可以获得真实的氨均匀性数据，还可以校正仿真计算结果。选择发动机的常用工况点，正常喷射尿素进行测试。氨均匀性试验需要将后处理系统剖切断面，用仪器测试气流中气体成分的浓度。若在SCR前剖切断面，则因后面无载体气压阻力，气流会发生较大变化；若剖切至ASC后，氨气会被ASC催化剂吸收，测试结果将产生一定误差。因此，将后处理系统剖切至ASC催化剂前，形成剖切断面，取点进行测试。如图11所示，测试时，探头深入断面移动到图11b对应点位置，完成一个位置点的测试后再移动到下一个位置点测试，直至完成所有位置点的数据测试。

图11 氨均匀性试验方案

测试探头连接至气体分析仪，记录每一个位置点的NOx浓度和NH3浓度。根据NH3对NOx的催化反应可知，NOx的反应量与NH3的参与反应量的比值为1∶1，所以，SCR前每一个位置点的氨浓度可通过式(1)计算获得，即参与催化反应的NH3加上SCR后的NH3等于SCR前的NH3。汇总所有SCR前端面位置点的氨浓度数据，经过式(2)计算获得SCR前氨均匀性数据。

C单侧SCR前端氨气=(C发动机原排NOx-C单侧SCR后端面NOx)+
C单侧SCR后端面氨气。

(1)

式中：C为气体的摩尔浓度。

(2)

3.2 单路SCR氨均匀性试验数据分析

试验获得SCR后49个位置点的NH3浓度，利用式(1)计算获得SCR前NH3浓度，绘制如图12所示云图。采用混合器1后处理系统时两路SCR前端面氨均匀性数据都是0.988，采用混合器2后处理系统时两路SCR前端面氨均匀性数据分别是0.986和0.987。图8、图9的计算结果与图12的试验结果相对偏差在3%以内，确认后处理器的实际氨均匀性较好，结合表2中WHSC循环排放结果表明：即使单路SCR氨均匀性较好，最终后处理系统的NOx比排放量也并不理想。

图12 SCR后处理系统氨均匀性试验结果

3.3 两路SCR平均氨浓度差异分析

对比两路SCR前端面平均氨浓度试验结果发现，虽然单个SCR截面上的氨均匀性较好，但是两路SCR的前端面平均氨浓度差值略大，以工况1为例，SCR1前端面平均氨浓度为979×10-6，SCR2前端面平均氨浓度为1 089×10-6。从发动机常用工况中选择高、中、低3个典型工况，进行SCR前端面平均氨浓度测试，获得SCR1平均氨浓度值距中间值的相对偏差，结果见图13。

图13 两路SCR氨均匀性在不同工况点的相对偏差

由图13可见，混合器1后处理系统的SCR前端面平均氨浓度距中间值相对偏差在5%以内，混合器2后处理系统该数据在5%～17%之间，偏差明显较大。两路SCR的平均氨浓度差异过大，导致一路SCR的氨浓度过量，尾气中NOx处理正常，但另一路SCR的氨浓度较低，尾气中NOx处理不足。两路SCR的氨浓度差异过大是导致混合器2后处理系统WHSC循环NOx排放略差的主要原因。

3.4 排放性能试验

在13 L国六发动机上对采用混合器3的后处理系统进行了WHSC循环排放试验，NOx比排放量试验结果为0.08 g/(kW·h)。对比排放试验结果与本研究氨分布差异仿真计算结果(见图14)，可见两路SCR前端面的NH3质量加权百分数相对偏差与WHSC循环排放试验结果趋势一致。

图14 NOx排放测试结果与仿真结果对比

该结果表明，国六并联式SCR后处理系统SCR前氨浓度相对偏差与NOx排放试验结果相关，可以通过该数据评估后处理系统的催化能力，其值设定为5%较为合理。

4 结论

a) 两路SCR并联的后处理系统速度均匀性和氨分布均匀性计算值都比较高(0.96～0.99之间)，但不能全面评估后处理系统催化性能；

b) 单路SCR前的氨浓度均匀性试验测试结果在0.98以上，结果较好，但两路SCR前端面的平均氨浓度差值较大，这是NOx排放略差的主要原因；

c) 氨质量加权百分数相对偏差仿真值与NOx排放试验结果相关度较高，并联式SCR后处理系统的氨质量加权百分数相对偏差的仿真计算在后处理系统产品设计中具有较大意义，建议计算标准设定为5%以内。