满足国六标准的柴油机SCR系统仿真及试验研究

程晓章, 产 贝, 吴 恒, 朱博文

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

柴油机因具有动力性强、燃油经济性好等优点被广泛运用于工程装备[1]。柴油机尾气排放主要有NOx、CO、HC和颗粒物[2],NOx排放已成为制约柴油机发展的关键。因此,如何有效地降低NOx排放是当前柴油机研究的热点和难点。随着我国排放法规越来越严格,降低柴油机的NOx排放刻不容缓,仅仅依靠优化缸内燃烧过程已经不能满足排放标准,需要辅以后处理系统。

尿素选择性催化还原(urea selective catalytic reduction,Urea-SCR)技术是目前公认的降低NOx排放的最有效技术。SCR技术由于其具有油耗低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点[3],已成为国六柴油发动机的首选排放技术路线。目前国六的主要技术路线是柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalysts,DOC)+柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+SCR+氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst,ASC)后处理系统。近年来,国内外很多学者对SCR催化器转化效率的影响因素做了大量的研究。文献[4]提出了一种SCR系统的NH3表面覆盖率的控制策略,针对有2个催化转化器的SCR系统,能够提高其NOx的转化效率，同时降低NH3泄漏;文献[5]研究了柴油机在负荷和转速下组合催化剂的NOx物和N2O排放,将V2O5-WO3/TiO2、Cu-沸石组合催化剂的结果与单独的钒基催化剂和Cu-沸石催化剂结果进行了比较;文献[6]基于AVL BOOST开展了柴油机SCR催化剂尺寸优化设计,得到了最优的载体体积以及界面布置形式、层数、高度等参数;文献[7]研究了排气温度、尿素喷射压力，尿素喷射温度对催化转化效率的影响,得出排气温度会影响SCR系统内的液滴分布和催化剂入口还原剂分布,进而对NOx转化效率产生重要影响;尿素喷射温度对于NOx转化效率影响较小，适当提高尿素的喷射压力有利于改善催化剂入口还原剂的分布和提高NOx的转化效率。

已有研究表明,发动机的排气温度、尿素喷射压力、空速以及催化剂的类型、结构等对SCR的转换效率有很大影响。本文基于国六柴油机的复合后处理系统,通过数值仿真研究了反应时间、不同O2质量分数及NO2质量占比对NOx转化效率的影响,为SCR催化器的设计和优化提供依据。

1 系统介绍

SCR系统主要包括尿素喷射系统、尿素喷射控制单元、各类传感器和催化转化器等,其基本原理如图1所示。

图1 SCR系统结构示意图

将一定量的质量分数为32.5%尿素水溶液喷射到排气管中,尿素水溶液在高温下分解为NH3和CO2,NH3在催化剂的作用下与NOx发生还原反应,将NOx还原成N2和H2O,从而降低柴油机的NOx排放。

2 反应动力学模型

SCR系统内部有很复杂的化学反应,本文所建立的反应动力学模型考虑了NH3的吸附和脱附对NOx催化还原的影响,为了简化模型未考虑尿素水解和异氣酸水解反应[8],通过尿素喷射计量阀喷射尿素热解成NH3与尾气中的NOx反应,生成无害气体。其反应机理主要为:

NH3+S↔NH3(S)

(1)

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(2)

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

(3)

8NH3+6NO2→7N2+12H2O

(4)

4NH3+3O2→2N2+6H2O

(5)

2NO+O2↔2NO2

(6)

2NH3+2NO2→N2+N2O+3H2O

(7)

(1)式中,S表示催化剂的活性位,NH3表示气相氨分子,NH3(S)表示被吸附的氨分子;(2)～(4)式表示的是NH3选择性地还原NOx的SCR反应,被称为主反应;由于在发动机尾气中NO质量占NOx的90%左右,(2)式又被称为标准反应;(3)式是3个反应中反应速率最快的,因此被称为快反应;(4)式的反应速率最慢,被称为慢反应;(5)式是可能在催化器载体内发生的副反应[9]。SCR催化器中的化学反应控制方程在AVL BOOST软件中建立的化学反应动力学模型采用Eley-Rideal机理描述各反应的速率。

3 试验验证

试验安排在一台排量为1.968 L的四缸增压中冷、功率80 kW、标定转速3 200 r/min的电控高压共轨缸内直喷柴油机上进行。排气后处理系统形式为DOC+DPF+SCR+ASC,反应剂类型为尿素水溶液,主要结构参数见表1所列。

表1 后处理主要结构参数

试验采用电力测功机、燃烧分析仪、质量流量计、燃油温控系统以及若干传感器等,试验用的设备及其型号见表2所列。

为了验证所建模型的正确性,进行了相关的发动机台架试验。试验中过量喷射尿素,以氨泄漏0.01‰时的测量值来计算转化效率,并且每个工况点控制空速在50 000 h-1左右,按照不同的温度梯度进行试验,得到空速50 000 h-1时试验工况的数据,见表3所列。

表2 试验设备及其型号

表3 试验工况

9种工况下模拟与试验结果得到的催化器NOx转化效率如图2所示。由图2可知,计算模型仿真得到的SCR入口温度的变化趋势与试验结果基本一致,由此表明本文建立的计算模型能较为准确地预测SCR系统的反应过程。

图2 试验和模拟数据结果的对比

4 试验结果及分析

4.1 反应时间对NOx转化效率的影响

空速在50 000 h-1时,不同排温下NOx转化效率随时间的变化规律如图3所示。从图3可以看出,当温度低于180 ℃时,NOx转化效率较低;随着温度的升高,转化效率也随之升高,在180～500 ℃时转化效率在10 s内达到95%以上；温度超过500 ℃时,20 s内达到转化效率最大值,但随着反应时间的增加，NOx转化效率有所降低。在最佳反应温度范围内SCR中的反应以快反应式为主导,而当温度超过500 ℃后，SCR的转化效率会有所降低,这是由于此时SCR中的化学反应以副反应式为主导,NH3对O2的选择性突然升高,NH3与O2的接触机会远高于NOx,大部分NH3与O2发生反应,导致NOx的转化效率迅速降低[10]。

图3 反应时间对NOx转化效率的影响

4.2 不同O2质量分数对NOx转化效率的影响

空速保持在50 000 h-1时不同O2质量分数对NOx转化效率的影响如图4所示。从图4可以看出,O2质量分数wO2在0～2%的范围内,随着排气中wO2的增加，NOx的转化效率随之增大,且温度越高增加的幅度越大。这主要是由于O2与NO反应生成NO2有利于NOx被还原,有利于氧分子在载体表面上的吸附和传递[11],还有助于O2和NO反应生成NO2，更有利于NOx被还原。从图4还可以看出,随着wO2进一步增大,氧分子在催化剂活性位上的吸附已经达到饱和,wO2对NOx的转化效率基本无影响。由快速反应方程可知,快速反应不受wO2的限制,标准反应则会受wO2的影响,即系统对O2的依赖程度取决于排气中NO的含量[12]。

图4 不同wO2对NOx转化效率的影响

4.3 NO2与NOx质量比对NOx转化效率影响

已有研究表明,发动机排气中mNO2∶mNOx是影响SCR转化效率的重要因素,适当提高发动机排气中NO2的质量分数wNO2可提高SCR催化器的转化效率,而发动机排气中mNO2∶mNOx一般小于10%[13]。NO2与NOx的质量比对NOx转化效率的影响如图5所示。

图5 NO2与NOx质量比对NOx转化效率的影响

由图5可知,随着发动机排气中NO2的增加,NOx转化效率有明显的提升;当mNO2∶mNOx为35%时,NOx转化效率比该值为0%时有所增加,这是由于DOC+DPF装置可以增加进入SCR催化器的NO2,从而提升了NO2的质量分数;当mNO2∶mNOx为65%时,NOx的转化效率比该值为35%时有所降低,根据快速反应式可知mNO2∶mNOx达到50%时,NOx转化效率达到最大,而且在此情况下NO2与NH3发生慢SCR反应,速度较慢,NOx转化效率将不受NO2的影响。

5 结 论

本文基于DOC+DPF+SCR+ASC后处理系统,通过数值仿真研究了反应时间、不同wO2及NO2质量占比对NOx转化效率的影响,得出：① NOx转化效率最佳反应温度为180～500 ℃,温度越高,SCR反应速度越快,但温度超过500 ℃时转化效率会降低；② 在排气中适当增加NOx中NO2的比例可以提高NOx的转化效率,但NO2所占比例应控制在50%以内；③wO2在0～2%范围内,NOx转化效率随着wO2的增加而增大,且温度越高增加的幅度越大;但随着wO2进一步增大,NOx的转化效率基本不受影响。