基于国Ⅵ标准柴油机SCR系统性能试验研究分析

程晓章, 钱 赛, 刘长波, 管金彪, 王 浩, 邢晓通

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

全球变暖导致全球范围内气候剧烈变化和生态系统失衡,因此,废气排放法规包括汽车行业法规的要求越来越严格。在内燃机中,柴油发动机因其动力性强、燃油效率高而被广泛地应用于各个领域。柴油机主要排放污染物为氮氧化物(NOx)和颗粒物(particulatr malter,PM),而仅依靠燃烧优化等机内控制技术已难以满足国Ⅵ排放法规的要求,因此高效的后处理技术成为柴油机必须采用的排气控制手段[1]。

目前,柴油机应用广泛且较为成熟的排气后处理系统路线主要为柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)系统+氨氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。DOC主要用来净化尾排气中的HC、CO、可溶有机物SOF和NO,同时提高下游催化器的转化效率;DPF是用来降低排气中的PM;ASC是通过催化氧化作用降低排气中未参与尾气催化而泄露的NH3。

尿素SCR技术是目前应用最广泛的降低柴油机NOx排放的方法之一。排放法规的日趋严格对SCR系统提出了更高的性能要求,结构更紧凑和更高的NOx催化转化效率是目前SCR系统的发展趋势。NH3的分布均匀性是影响SCR系统性能和NOx催化转化效率的重要因素。长时间NH3的分布不均匀会导致催化剂老化程度不均匀,从而影响催化剂的寿命和SCR系统的性能。NH3分布不均匀还会导致局部区域NH3过多而造成NH3泄漏,在NH3稀少区域则造成NOx转化效率过低。尿素液滴蒸发分解效率也是影响SCR系统NOx催化转化效率的一个非常重要的因素[2],若尿素液滴没有蒸发分解完全,则易在金属表面和催化剂载体表面形成结晶,严重时会堵塞SCR系统,导致发动机动力性下降。

SCR系统中,混合器是提高NH3分布均匀性和尿素液滴蒸发分解效率的一种有效装置[3]。混合器一方面通过产生涡流和湍流来促进NH3和尾气的混合,另一方面通过提高尿素液滴蒸发速率和促进液滴二次破碎来改善尿素溶液的分解和雾化效果[4]。

本文通过搭建后处理试验台架,对后处理系统背压、温度损失和NH3传感器偏差进行测试,研究了不同混合器和NH3存储量对NOx转化效率的影响,同时分析了尿素结晶和排放限值问题。

1 SCR选择性催化还原系统

1.1 SCR系统模型

SCR系统核心组件主要分为SCR催化剂、电控系统、尿素箱、尿素泵、尿素喷嘴、混合器、SCR上游和下游排气温度传感器以及SCR上游和下游NOx传感器等[5]。SCR催化器是NH3和NOx发生化学反应的场所,尿素喷嘴将质量分数为32.5%尿素水溶液喷射到排气管中,尿素水溶液在高温下发生热解和水解,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。SCR系统结构示意图如图1所示。

图1 SCR系统结构示意图

1.2 催化器表面化学反应

在催化器载体内,NH3将选择性地与尾气中的NOx发生还原反应生成无害气体N2和H2O,尾气中氧含量远远高于NOx与NH3,所以反应是在富氧环境下发生的[6]。催化器载体内发生的反应主要为:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

反应式(1)表示尿素热分解产物异氰酸在催化剂表面与水蒸气发生水解反应生成NH3和二氧化碳。反应式(2)～反应式(5)表示NH3选择性还原NOx的SCR反应。由于在发动机排气中NO为主要氧化物(含量约为90%),反应式(2)被称为标准SCR反应;研究表明，NO2的存在可以提高反应速率,当NO2与NOx体积比约为50%时反应速率最快,因此反应式(3)被称为快速SCR反应;当NO2与NOx体积比继续增大时,反应式(4)所示的缓慢SCR反应占主导作用,NOx转化效率降低[7];反应式(5)为NH3氧化反应,以防止NH3泄漏。

2 试验系统

2.1 试验台架搭建

试验基于某公司Q28国Ⅵ高压共轨柴油机。在试验中心进行发动机台架搭建,并加装集成式后处理系统,如图2所示。

试验用发动机的参数见表1所列,发动机进气方式为增压中冷，供油系统形式为高压共轨。

检验仪器设备见表2所列,后处理结构参数见表3所列。

(a) 发动机台架

表1 发动机参数

表2 检验用仪器设备

表3 后处理结构参数

2.2 后处理传感器打点布置示意图

按技术要求对后处理系统进行打孔,安装压力、温度、NOx传感器,采样接头,用于后续试验。各传感器打点布置示意图如图3所示。

图3 后处理传感器打点布置示意图

3 试验内容

3.1 排气背压测试

加装后处理系统后,排气背压发生变化,需对不同工况点背压进行测试,在满油门情况下将转速从1 600 r/min提升至额定转速2 800 r/min。通过压力传感器可测得各部件的最大压力损失,经过DOC压力损失为3.4 kPa,经过DPF压力损失196.0 kPa,最后通过SCR+ASC压力损失为10.0 kPa,后处理系统总背压为33.0 kPa,小于评估标准的40 kPa,系统背压满足试验要求。后处理系统背压如图4所示。

图4 后处理系统背压

3.2 后处理温度损失

后处理系统的温度损失为T4与T6温度之差,T4是DOC入口处温度,T6是SCR入口处温度。稳态工况时,在转速为200 r/min、扭矩分别为8 N·m(小负荷)和400 N·m(大负荷)下测得温度损失为54 ℃和38 ℃;在瞬态工况并且在WHTC下,冷态工况测得温度损失为37.8 ℃,热态工况测得温度损失为19.2 ℃。以上满足后处理系统对温损的要求,具体如图5所示。

图5 后处理系统温度损失

3.3 前、后NOx传感器校对

由于需要测量NOx转化效率,需要在后处理系统入口处和出口处安装NOx传感器,传感器的安装要确保气流通过的均匀性,同时还需要对传感器进行校对,减小偏差,确保试验的准确性。前、后NOx传感器偏差分析如图6所示。

图6 前、后NOx传感器偏差

从图6可以看出：前NOx传感器偏差分布较均匀,上下偏差都在±4%左右；后NOx传感器偏差主要分布在下偏差,都在4%以上。前、后传感器误差都在允许偏差(±5%)以内,但仍需要调整其位置,降低偏差同时使偏差分布更均匀。

3.4 NH3存储量与NOx转化效率之间关系

不同废气流量、不同温度下NOx转化效率同NH3存储量(吸附并存储在催化剂表面的NH3)之间的关系如图7所示。由图7可知，NOx转化效率随着NH3存储量增加而变大,但这种关系又受温度和废气流量的影响[8]。

NOx转化效率随着废气流量增大而逐渐降低,这是由于排气流量增大时影响催化器对NH3的吸附能力以及NH3与NOx的反应时间。当废气流量不变,SCR上游温度在400 ℃以下时,NOx转化效率随着温度的上升逐渐增加;在400 ℃以上时,转化效率逐渐减小,原因是金属分子筛的后处理器特性在高温时SCR反应会伴随着一些副反应且催化剂活性下降[9],造成NOx转化效率降低,当温度达到500 ℃甚至更高时,NOx转化效率仅有86%左右。从NH3存储量分析,当SCR上游温度上升时,NH3存储量不断减少,这是由于温度升高,催化器达到一定的活性所需要的NH3存储量越小。

图7 氨存储量与NOx转化效率之间关系

发动机在实际运行中存在不同的工况,在低负荷时要适当加大尿素喷射量来增加NH3存储量,使低温时的NOx转化效率得到一定程度的提升,同时还要防止发动机从低负荷突然切换到大负荷工况下,之前存储的较多的NH3来不及消耗从而产生NH3泄漏。在高温高负荷时NH3存储量减少,这时应适当减小尿素喷射量,确保当前NH3存储量不超过最大存储量，以免发生NH3泄漏。

3.5 不同混合器对NOx转化效率的影响

混合器能够使尿素水溶液喷雾液滴与发动机尾气更加充分地混合,形成更加均匀的NH3分布,从而提高NOx的转化效率[10]。

本次试验选用了一种新型混合器与原混合器,如图8所示。

新型混合器为网状混合器,规则排列的V型楔片形成镂空的网面,促使整个截面混合器上下流动,形成紊流增加混合均匀性[11]；原混合器为隔栅混合器。不同转速、不同扭矩下2种混合器对NOx转化效率的影响如图9所示。

图8 2种混合器

图9 2种混合器NOx转化效率的对比

由图9可知，低转速工况下,2种混合器对NOx的转化效率接近,在高速高负荷工况下新型混合器相较于原混合器对NOx的转化效率有6%～12%提高,新型混合器对NOx的转化效率基本都保持在9%以上,有利于降低排放。

3.6 尿素结晶试验

在台架上进行12小时城区路谱试验,试验结束后拆卸观察结晶现象并称重(増重8.5 g),尿素结晶情况如图10所示。

喷嘴座孔安装不严导致此处存在一定的尿素结晶,其他地方结晶轻微。随着时间的增加,结晶会对后处理系统正常运行造成影响,后期将继续改进以减少结晶。

图10 尿素结晶图

3.7 排放结果分析

WHTC瞬态循环测试是国VI标准柴油车污染物排放的测试方法,它是在1 800 s内逐秒变化的瞬态工况,能准确反映发动机实际运转时的情况[12]。

通过气体分析仪采样得到WHTC循环中NOx排放,结果如图11所示。从图11中可以明显看出,相较于原机NOx排放,集成式后处理系统能显著降低发动机排气中NOx排放,在多数工况中甚至可以将NOx排放降至接近符合国六排放标准。

图11 WHTC测试循环下NOx排放

4 结 论

(1) 加装本文集成式后处理系统后的排气背压、温度损失以及NOx传感器偏差都能满足试验要求。

(2) NOx的转化效率随着NH3存储量增大而逐渐变大,但这种关系又受温度和废气流量的影响;当SCR上游温度在400 ℃以下时,NOx转化效率随着温度的上升逐渐增加,在400 ℃以上时,转化效率逐渐减小;而NOx转化效率随着废气流量增大而逐渐降低。

(3) 新型混合器相较于原混合器对NOx转化效果更好,更有利于降低排放。

(4) 尿素结晶和排放试验表明,只有尿素喷嘴座上孔处有结晶,其他地方结晶轻微。在WHTC冷态和热态循环下NOx排放测试结果符合国六标准。