柴油机空气辅助式SCR 试验研究分析

和志高，杨树启，郭宇辰，杨辉，施世泽

（1.671006 云南省 大理市 滇西应用技术大学；2.678400 云南省 德宏傣族景颇族自治州 云南省德宏职业学院；3.010018 内蒙古自治区 呼和浩特市 内蒙古农业大学）

0 引言

柴油机以其高效节能、耐用可靠等优点，成为现代交通运输、工程建设等领域的主流动力[1]，然而柴油机运行过程中会产生大量的氮氧化合物（NOX）、颗粒物（PM），其中NOX是造成光化学烟雾的重要来源[2]。随着排放法规越来越严格，优化发动机缸内工作和加装缸外后处理装置成为了排放净化的最佳选择。目前控制柴油机NOX排放净化主流机内有废气再循环（EGR）技术，机外有选择性催化还原技术（SCR）等，SCR 技术以其高效、稳定及可靠的特点，成为我国减少柴油机NOX排放最主要的技术之一[3]。

在柴油机NOX排放控制的应用中，空气辅助式SCR 技术通过在SCR 尿素喷射中引入适量空气，提高了尿素雾化和蒸发效果[4]。空气注入有助于扩散尿素喷雾，增加O2浓度，提高尿素的蒸发效率和均匀性，进而提高SCR 系统的NOX转化效率[5]。O2与NH3一起参与反应，增大催化剂表面的活性氧物种浓度，促进反应速率和催化效率[6]。空气辅助式SCR 可以在更宽的温度范围内实现NOX的高效转化，尤其是在低温条件下可大幅提高催化剂的NOX转化效率，减小温度对SCR 系统的影响，增强了适用性[7]。另外，尿素/NOX的当量比过高会造成NH3的逃逸，过低则会导致SCR反应效率减小，无法达到排放控制目标。通过精准调节尿素/NOX的当量比，可以实现更高效的NOX转化率和更少的HN3排放[8]。在实际应用中，尿素/NOX的当量比通常控制在1.0～1.2，不同的柴油机和SCR 催化剂也会有所差异[9]，因此在柴油机空气辅助式SCR试验研究过程中，精准确定最佳的尿素/NOX的当量比非常重要[10]。

通过以D30 国IV 柴油机加装后处理系统DOC+CDPF+SCR 进行台架试验，测试不同工况发动机加装后处理系统的排放，研究后处理系统的工作特性。本文主要以后处理系统中SCR 为研究对象，通过对SCR 的不同转速及扭矩工况进行研究，对比分析SCR 的工作特性及NOX的转化效率，研究其在不同温度、不同尿素/NOX当量比对NOX转化效率的影响规律。

1 SCR 反应机理

当发动机排气温度达到催化剂起活温度时，将32.5%尿素水溶液通过喷射器以雾状的形式进入尾气中，经过喷雾、蒸发热解、混合及水解等过程后生成NH3，并在催化剂的催化作用下发生催化还原反应和氧化反应，最终将发动机尾气中的NOX还原成为NH3和H2O。SCR 反应区域示意图如图1 所示。

图1 SCR 反应区域示意图Fig.1 Schematic diagram of SCR reaction zone

对SCR 催化器中的化学反应机理进行分析，按照反应进行的先后顺序可将主要的反应分为水解反应（式（1））、SCR 催化还原反应（式（2）—式（4））及NH3的氧化反应（ASC）（式（5）—式（8））3 部分。具体反应方程式[11-13]为

国VI 排放法规中，为防止NH3泄露造成新的污染，在SCR 催化器后端需要增加氧化氨气的反应装置（ASC），ASC 反应的主要方程式[14]为

2 试验设备与试验方案

2.1 试验设备

以D30 四缸直列式高压共轨柴油发动机为研究对象，加装后处理DOC+CDPF+SCR 进行台架试验。重点研究发动机在不同工况及尿素/NOX当量比下气助式SCR 系统进行NOX的转化效率。后处理系统中SCR 载体涂覆的催化剂为钒基催化剂（V2O5-WO3/TiO2）。发动机主要技术参数如表1所示，后处理系统催化剂载体相关参数如表2 所示，试验后处理技术路线图2 所示。

表1 发动机主要参数Tab.1 Main engine parameters

表2 催化器载体主要参数Tab.2 Main parameters of catalyst carrier

图2 试验技术路线图Fig.2 Experimental technology roadmap

试验中的SCR 尿素喷射系统是一套完整的气助式喷射尿素电子控制系统，主要由空气压缩机、空气罐、尿素箱、尿素泵及控制单元（DCU）等组成。DCU 控制器通过对发动机的排气流量、排气温度和NOX排放量等检测，实现自动控制喷射，同时可以精确实现不同尿素/NOX当量比的喷射。SCR 尿素喷射系统设备型号与规格如表3 所示。

表3 SCR 系统设备型号与规格Tab.3 Model and specification of SCR system equipment

2.2 试验方案

试验在海拔1 950 m 和大气压力81 kPa 的环境下进行。研究不同转速（1 200、1 400、1 800、2 200、2 600 r/min）及其对应的转矩（100、150、200、250、300 N·m）下SCR 的转化效率，通过对比有气助和非气助2 种尿素喷射系统，并以空气辅助式尿素喷射系统为主要对象，研究SCR 系统在不同转速及扭矩工况的工作特性，并针对后处理SCR系统的排气温度、排气流量、气体组分、尿素喷射量、ESC 测试下SCR 的NOX转化效率等进行检测，以及不同排气温度和尿素/NOX当量比对NOX转化效率影响的试验研究。目的是进一步提高空气辅助式尿素喷射系统的NOX转化效率，实现对尿素喷射量的精确控制，减小氨逃逸，使SCR 系统满足国VI 排放要求。

3 试验结果与分析

3.1 不同工况下气助式SCR 尿素喷射量对比分析

图3 为不同工况下发动机排放和SCR 系统的尿素喷射量对比。由图3 可知，排气温度、排气流量及尿素喷射量随发动机转速和转矩升高而增大，因此，排气温度和排气流量是SCR 尿素喷射量的重要依据。图3（c）中，随着发动机转速和转矩升高，SCR 入口NOX排放量逐渐减少，但尿素喷射量不断增大，原因是排气温度低于200 ℃，SCR催化剂中的铂钯金属催化剂的活性较低。为提高SCR 转化效率，需要增加尿素喷射量。而当发动机转速较高时，排气温度和空速不断增大，NH3/NOX与SCR催化剂中的铂钯金属催化剂反应时间减少。为增大NOX转化效率，需要进一步增加尿素喷射量。SCR 系统电控单元（DCU）根据进口前端和后端NOX排放浓度计算SCR 转化效率，并通过转化效率目标值对SCR尿素喷射量进行自动优化控制，但尿素喷射过多会导致氨逃逸增多，或者产生尿素结晶现象。

图3 不同工况发动机排放和SCR 尿素喷射量对比Fig.3 Comparison of emissions and SCR urea injection amounts under different operating conditions for engines

3.2 非气助式和气助式SCR 系统NOX 转化效率对比分析

图4 为不同工况下非气助式SCR 系统与气助式SCR 系统前后端NOX转化效率试验对比。试验在发动机转速（1 200、1 400、1 800、2 200、2 600 r/min）及其对应的5 个转矩（100、150、200、250、300 N·m）工况下进行，对比有气助和非气助2 种尿素喷射系统，研究空气辅助式尿素喷射系统SCR 的转化效率。

图4 非气助与气助式SCR 前后端NOx 转化效率对比Fig.4 Comparison of front and rear NOx conversion efficiency for non-air-assisted and air-assisted SCR

试验结果显示，在不同工况下，气助式SCR系统NOX转化效率比非气助式SCR 系统的更高，在低负荷工况下相差近4%，在高负荷时相差近8%。原因是随着发动机负荷增大，排气温度不断升高，相比于非气助式SCR 系统，气助式SCR 系统能实现更高的尿素喷射压力，而高压空气和尿素混合喷射促进了尿素雾化和蒸发效果，产生更多NH3，也进一步增加排气中的O2含量；在大负荷、排气温度较高时，促进了SCR 的水解反应和催化还原反应，提高了NOX转化效率。

3.3 ESC 测试工况下气助式SCR 系统NOX 排放分析

图5 为ESC 测试工况下气助式SCR 前后端NOX转化效率对比，可见，ESC 测试不同工况下SCR 进口端NO/NO2比值均小于2.5，原因是后处理系统中的DOC 能够促进NO/NO2趋于1，有利于提高SCR 的转化效率。ESC 测试时，SCR 系统DCU 始终控制尿素/NOX当量比接近1。在尿素/NOX当量比为1 时，NOX转化效率平均在90%以上，13 个测试点转化效率均稳定达到了86%。当SCR进口温度高于250 ℃时，SCR 的反应速度加快，此时NOX转化效率近95%。综上可得，ESC 测试工况下气助式SCR 系统控制较为精确、反应灵敏度较好，NOX转化效率较高，表现出较好的运行稳定性。

图5 ESC 测试工况气助式SCR 前后端NOX 转化效率对比Fig.5 Comparison of front and rear NOx conversion efficiency for ESC test cycle with air-assisted SCR

3.4 稳定工况下不同尿素/NOX 当量比与NOX 转化效率分析

尿素在喷入SCR 系统之后，经过热解、水解后一部分NH3首先吸附在催化剂表面的活性位上，另一部分NH3吸附在催化剂的非活性位上。吸附在活性位上的NH3会快速与NOX发生反应，尿素/NOX当量比持续增加，吸附在活性位上的NH3会达到饱和状态，只有当停止尿素喷射，NH3含量不足的情况下吸附在非活性位上的NH3才会转移到活性位上并快速释放参与反应。本次试验选取1.0～2.0 的尿素/NOX当量比，探究尿素/NOX当量比对NOX转化效率的影响。

图6 为稳定工况下不同尿素/NOX当量比与NOX转化效率的对比。由图6 可知，在稳定工况反应温度为200 ℃、尿素/NOX当量比在1.0～1.7 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比的增大而提高；当尿素/NOX当量比大于1.4 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比增大趋于稳定，原因是尿素/NOX当量比大于1.4 时，NH3在SCR 催化器中反应中达到饱和，NH3在催化剂活性位上吸附速率达到较高水平，此时NOX转化效率达到最大值。若进一步加大尿素喷射，过高的尿素/NOX当量比可能造成氨逃逸，虽有ASC 能够有效氧化多余的NH3，但为防止NH3二次污染，根据发动机的实际工况，尿素/NOX当量比需要控制在1.0～1.4。

图6 稳定工况不同尿素/NOX 当量比NOX 转化效率对比Fig.6 Comparison of NOX conversion efficiency under different urea/NOX equivalent ratios for stable operating conditions

在尿素连续喷射30 min 与不同尿素/NOX当量比NOX转化效率对比中，试验设定为15 min 后保持尿素/NOX当量比为2，在20 min后停止尿素喷射，在开始喷射尿素时，SCR 后端NOX浓度下降较为明显，表明NH3在催化剂活性位上吸附速率较快，SCR 效率较高。在0～15 min，随着尿素/NOX当量比的增大，NOX转化效率亦增大，在15 min 当量比为2 时达到最大；在15～20 min，由于持续喷入的尿素过多，导致NH3在催化器中积累较多，影响NOX传感器的工作，表现为NOX排放升高，NOX转化效率降低；在20 min 时停止喷射尿素，而在20～25 min，储存在催化剂活性位上的NH3开始释放，非活性位上的NH3继续转移到活性位上并迅速反应，NOX传感器工作逐渐恢复正常，NOX转化效率升高；在25 min 后由于储存在活性位上的NH3被消耗，浓度开始上升，因此NOX转化效率迅速减小。

综上可得，在不同尿素/NOX当量比下气助式SCR 系统尿素控制效果良好，在当量比为2 时NOX转化效率达到最大，若当量比进一步增加，NOX转化效率反而会减小，试验表明尿素/NOX当量比不能高于1.4，尿素喷射量过高易造成氨逃逸。因此，精确控制尿素喷射量、优化尿素/NOX比例控制策略对SCR 满足国VI 排放标准非常重要。

4 结论

（1）对比非气助式SCR 系统，气助式SCR系统有更高的尿素喷射压力，更好的尿素雾化、蒸发效果，还增加了排气中的O2含量，并有效改善因排气流量增加造成的混合气不均匀程度，表现出更好的NOX的转化效率。

（2）在ESC 各工况试验中，13 个测试点转化效率稳定达到了86%，当温度上升到250 ℃以上，NOX转化效率近95%，表明气助式SCR 系统控制较为精确、反应灵敏度较好、NOX转化效率较高且稳定，为满足国VI 排放标准提供重要参考。

（3）在温度为200 ℃稳定工况下，尿素/NOX当量比与NOX转化效率试验中，尿素/NOX当量比在1～2 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比增大而提高，但当尿素/NOX当量比大于1.4 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比趋于稳定；在较长时间运行的稳定工况下，尿素/NOX当量比为2 时NOX转化效率达到最大，但为防止尿素/NOx 当量比过高而造成氨逃逸，尿素/NOX当量比需要控制在1.0～1.4。