基于国六标准的柴油机SCR系统催化器转化效率影响因素研究

汪志义 任家潮 肖明雅 谷林强

摘要：研究了国六标准柴油机SCR系统催化器转化效率的影响因素，运用AVL Boost仿真软件对催化器内的化学反应过程进行了数值仿真和实验验证。结果表明：在DOC+DPF+SCR+ASC系统中，SCR催化器最佳反应温度在220～500 ℃，催化器转化效率达到95%以上，SCR催化器不同程度的老化也对NOx转化效率有一定影响。在排气中适当增加NO2浓度，可以提高催化器转化效率，但NO2浓度占比要控制在50%以内。

关键词：柴油机;转化效率;温度;NO2

0 引言

柴油机因具有动力性强、燃油经济性好以及维修成本低等优点而被广泛运用于工程装备中。但是，随着柴油机的广泛运用，空气污染状况加剧，汽车尾气中的氮氧化物是形成光化学烟雾的主要因素之一[1]。因此，国家制定和出台了一系列政策，其中国六标准是目前世界上最严格的污染物排放标准之一。近年来，国内外很多学者对SCR催化器转化效率影响因素做了大量研究。焦运景等[2]研究了SCR载体结构对NOx转化效率的影响。Chong[3]等研究了常用铁-沸石和V2O5-WO3/TiO2催化剂在不同操作条件下的NOx还原和N2O排放性能。Juny[4]等人研究了柴油机在不同发动机负荷和转速运行条件下，组合催化剂的氮氧化物和N2O排放情况。Singh[5]等研究表明，CACSx-Mn/Ce和CO-ACSx-Mn/Ce催化剂的NOx转化效率更依赖于金属负载的重量百分比参数，如孔径、孔结构和表面积。Heeb[6]等研究了组合式柴油颗粒过滤器系统对活性氮化合物排放的影响。

本文针对国六标准柴油机DOC+DPF+SCR+ASC的复合后处理系统，通过数值仿真方式，研究了国六标准柴油机的SCR载体温度、不同程度载体的老化及NO2的浓度占比对NOx转化效率的影响，为国六标准柴油机的后处理系统推广提供理论依据。

1 反应机理

柴油机氧化催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以一些贵金属作为催化剂，将发动机尾气中的HC和CO氧化以降低HC和CO的排放。尽管PM中的碳烟很难被氧化，但可以有效氧化掉PM中的SOF部分来降低微粒的排放[7]。此外，DOC可以把尾气中的NO氧化成NO2，这样可以提高SCR转化效率。经过DOC后的尾气进入DPF中，主要发生载体壁面上碳烟的热氧化反应和催化氧化反应。DOC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。其反应主要为：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O（2）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O（3）

4NH3+3O2→2N2+6H2O（4）

上述反应式中，式（1）～式（4）表示的是NH3选择性还原NOx的SCR反应，被称为主反应。在发动机尾气中NO占总氮氧化物含量的90%左右，因此式（1）又被称为标准反应。而式（2）是3个反应中反应速率最快的，因此被称为快反应。式（3）的反应速率最慢，因此被称为慢反应，式（4）是可能在催化器载体内发生的副反应[8]。

2 数值仿真模型

本文运用AVL Boost软件对柴油机DOC+SCR后处理系统的反应模型进行数值模拟，其中DOC系统的反应速率方程和化学动力学参数采用Koltsakis[9]所提出的模型。在DOC的反应过程中，反应速率分别为rCO和rC3H6。

尾气经过DOC反应进入DPF后，发生的化学反应速率计算基于阿伦尼乌斯公式[10]。

SCR系统中NOx和NH3的每个氧化还原反应包括3个不同的涂层表面反应，速率方程和化学动力学参数采用Winkler所提出的模型。其中主式（1）的反应速率为rSCR，1，式（2）的反应速率为rSCR，2，式（3）的反应速率为rSCR，3，式（4）的反应速率为rSCR，4。

3 实验验证

本文在1台排量为1.968 L的四缸增壓中冷、功率为80 kW、标定转速为3 200 r/min的电控高压共轨缸内直喷柴油机上进行实验，原机装配DOC+DPF+SCR+ASC可满足国六排放标准。实验采用AVL SCHNEIDER电力测功机、AVL 642燃烧分析仪、AVL质量流量计7351 CST、AVL燃油温控系统753CH以及若干传感器，用来验证所提出数值仿真模型的合理性和准确性。柴油机后处理技术主要参数如表1所示。

实验方法：保持空速在40 000 h-1（h-1是空速单位，指在规定的条件下，单位时间单位体积催化剂处理的气体量）左右，在操作台架上调整转速和油门，使SCR入口温度达到180 ℃。用设备记录下原始尾气排放，等到温度稳定后开始喷射尿素，直到氨泄漏量达到10-5，用设备记录下现在的尾气排放及各项数据。再次调整转速和油门，使SCR入口温度达到200 ℃，重复以上实验步骤，分别记录下实验数据并进行分析计算。计算过程采用台架试验的测量数据作为计算的初始条件和边界条件。排气温度上升的过程中，排气中NOx浓度变化的实验和计算结果对比如图1所示，计算模型仿真得到的排气中NOx浓度变化趋势与试验结果基本一致，由此表明，建立的计算模型能较为准确地预测此柴油机后处理系统的反应过程。

4 实验结果及分析

图2显示了NOx转化效率随温度的变化规律。温度低于200 ℃时，NOx转化效率较低。随着温度的升高，转化效率也随着升高，在220～500 ℃转化效率达到95%以上。在最佳反应温度范围内，SCR中的反应以快反应式（2）为主导，NOx的转化效率几乎达到了100%。而当温度超过500 ℃时，SCR的转化效率会有所降低，主要是因为此时SCR中的化学反应将以副反应式（4）为主导，导致NOx的转化效率迅速降低[11]。

图3显示了SCR载体的不同程度老化对NOx转化效率的影响。新鲜载体在整个温度范围内都要优于其他两个载体的转化效率，新鲜载体在超过500 ℃高温情况下，下降速率要小于两个不同程度老化的催化器，且在750 ℃下连续工作16 h的催化器下降速率最快。在650 ℃下连续工作50 h的老化载体在整个温度范围内都要优于在750 ℃下连续工作16 h的老化载体，但是转化效率相差不大。这2个老化的SCR载体只有在极小的温度范围内NOx转化效率达到95%，主要原因是在持续的高温条件下，SCR载体上的催化剂已部分失活，很难与尾气中的NOx反应，从而使转化效率下降。

根据已有的研究结论表明，发动机排气中NO2/NOx比例是影响SCR转化效率的重要因素，适当提高发动机尾气中NO2的浓度含量，可提高SCR催化器的转化效率，而发动机排气中NO2/NOx的比例一般小于10%[12]。在SCR系统中前置的DOC能将排气中的NO氧化为NO2，在DPF中NO2会参加化学反应，含量降低，发生可逆反应生成NO2。因此，排气中NO2/NOx比例对后处理系统（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx转化效率的影响也会发生相应的变化。

图4为NO2与NO浓度比对后处理系统（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx转化效率的影响，随着发动机排气中NO2浓度含量的增加，NOx转化效率明显提升。当NO2浓度占比为35%时，NOx转化效率比NO2浓度占比为0%时有所增加，主要是因为排气中NO2/NOx比例能够很好地满足SCR催化转化要求。然而，当NO2浓度占比65%时，NOx转化效率要比NO2浓度占比为35%时有所降低，这是因为NO2/NOx比例超过50%时，式（3）成为主要的反应，反应速率最慢。因此，过量增加NO2浓度占比会影响SCR转化效率。

5 结语

（1）在柴油机DOC+DPF+SCR+ASC系统中，NOx转化效率的最佳反应温度区间为220～500 ℃，其转化效率达到95%以上，NOx排放满足国六标准。

（2）前置的DOC+DPF可以在尾气中适当增加进入SCR的NO2浓度，从而提高SCR催化转化效率。在汽车尾气中不同比例的NO2浓度，都能保证NOx转化效率维持在较高水平，但要满足国六排放标准，应当将NO2浓度控制在50%以内。

（3）SCR载体老化也会对NOx转化效率有一定影响，应尽可能使载体在最佳反应温度区间内工作，避免SCR载体在高温下工作造成催化剂失活，使得转化效率降低。

[参考文献]

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收稿日期：2020-08-14

作者简介：汪志义（1964—），男，安徽安庆人，高级工程师，研究方向：柴油发动机。