劉興龍，王軍，王奉雙，王遠(yuǎn)景

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061)

隨著城市發(fā)展和科技水平的提升，政府對重型柴油車環(huán)保要求逐步提高：我國2013年7月實施了國四階段排放標(biāo)準(zhǔn)，2017年1月實施了國五階段排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，2021年7月1日計劃實施國六6a排放階段標(biāo)準(zhǔn)，2023年7月1日計劃實施國六6b排放階段標(biāo)準(zhǔn)[2]。國六后處理與國五后處理的區(qū)別不只是對污染物量上的控制區(qū)別，更有質(zhì)的區(qū)別：國五柴油機(jī)的后處理系統(tǒng)僅采用選擇性催化還原器(selective catalytic reduction，SCR)，即可滿足發(fā)動機(jī)的排放法規(guī)限值要求；國六后處理系統(tǒng)需要借助氧化型催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)、顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)與SCR三者系統(tǒng)作用，既保證非常低的NOx排放值，又保證DPF的積炭再生循環(huán)，才能長期達(dá)到發(fā)動機(jī)的排放法規(guī)限值要求[3-7]。SCR后還增加氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)用于處理尿素過量噴射產(chǎn)生的NH3泄漏。國四、國五后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式較為簡單，主要區(qū)別為噴嘴布置在排氣管路上抑或集成到后處理裝置上[8-9]，國六后處理系統(tǒng)普遍采用噴嘴集成的方式。在對后處理系統(tǒng)排放的數(shù)值分析方面，一維仿真計算和二維仿真計算兩種方式并存，業(yè)內(nèi)主流的仿真評價方案是計算典型工況點(diǎn)催化劑前端截面的氣流速度均勻性和氨分布均勻性數(shù)據(jù)[10-16]。本研究在一款13 L國六柴油機(jī)上利用仿真計算、氨分布試驗、排放性能試驗等方法研究了影響國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)NOx排放的因素，為該后處理系統(tǒng)的設(shè)計仿真優(yōu)化提出了評價標(biāo)準(zhǔn)及驗證方法。

1 研究對象

1.1 后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

圖1示出常見國六后處理系統(tǒng)各催化處理單元的布置順序，張俊等[17]通過試驗方法驗證了該構(gòu)型方案在實現(xiàn)DPF的連續(xù)被動再生方面的優(yōu)勢和較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。為配套不同的車型，后處理系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)通常設(shè)計為桶式或箱式，箱式結(jié)構(gòu)主要配套大載量重型卡車，以滿足其緊湊型布置的需求：各催化單元來回折返布置在箱式結(jié)構(gòu)中；SCR設(shè)計為兩路并行的結(jié)構(gòu)，可充分利用空間、縮小尺寸(見圖2)。并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)在混合器后分成完全相同的兩路SCR，兩路SCR氣流特性的一致性將對NOx排放產(chǎn)生較大影響。

圖1 國六后處理系統(tǒng)各催化單元布置順序

圖2 國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.2 研究問題

選用1臺排量為13 L的國六重型柴油機(jī)為研究對象，發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。在國六試驗臺架上進(jìn)行了排放性能試驗，試驗布置見圖3。

表1 發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖3 國六后處理系統(tǒng)排放性能試驗臺架布置

試驗用測功機(jī)為西門子電力FC200(600 kW)測功機(jī)；試驗用分析儀為日本HORIBA MEXA—7500DEGR氣體分析儀和AVL 472排放顆粒采集儀。

在排放試驗中發(fā)現(xiàn)，相同試驗條件下，兩種僅混合器不同的國六后處理系統(tǒng)(催化劑及其他結(jié)構(gòu)無任何變化)NOx排放值在WHSC循環(huán)中差異較大，在WHTC循環(huán)差異小，這應(yīng)是穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)比瞬態(tài)工況點(diǎn)更能夠體現(xiàn)后處理器催化能力的原因。試驗結(jié)果見表2，雖然排放結(jié)果都滿足國家排放限值，但兩者排放值的相對偏差高達(dá)253%。兩混合器的差異主要是混合器1僅采用一組圓周旋流片與擴(kuò)口結(jié)構(gòu)混合尿素與尾氣，而混合器2在第一組圓周旋流片后面取消擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，增加了一組不同結(jié)構(gòu)的旋流片，形成雙旋流結(jié)構(gòu)。

表2 排放性能試驗結(jié)果

2 影響NOx排放的仿真分析研究

2.1 速度均勻性仿真分析

速度均勻性是混合廢氣通過催化劑截面的均勻性參數(shù)，它代表著混合廢氣與催化劑接觸時的氣流一致性水平。選擇13 L國六發(fā)動機(jī)的標(biāo)定點(diǎn)(最大廢氣流量點(diǎn))進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD仿真。對圖2中的各個功能單元進(jìn)行3D建模，經(jīng)Hypermesh V13.0劃分網(wǎng)格形成圖4所示的數(shù)值模型，采用Fluent計算每個后處理催化劑前端面的氣流速度均勻性，結(jié)果如圖5、圖6所示。對比圖5、圖6可知，兩個后處理系統(tǒng)的SCR前端面速度均勻性都在0.97以上，處于較好水平。在該工況點(diǎn)進(jìn)行了廢氣的質(zhì)量流量分布計算，結(jié)果如圖7所示。通過圖7a和圖7b對比，確認(rèn)2個后處理系統(tǒng)的廢氣質(zhì)量流量分布基本相當(dāng)。

圖4 后處理系統(tǒng)數(shù)值模型

圖5 混合器1后處理系統(tǒng)各載體前端面速度均勻性

圖6 混合器2后處理系統(tǒng)各載體前端面速度均勻性

圖7 SCR后處理系統(tǒng)的廢氣質(zhì)量流量分布

經(jīng)CFD仿真計算，確認(rèn)兩后處理系統(tǒng)廢氣速度均勻性和廢氣質(zhì)量流量分布都在合理范圍內(nèi)，廢氣流量特性不足以導(dǎo)致兩后處理系統(tǒng)總成的WHSC循環(huán)排放結(jié)果的差異。

2.2 氨分布均勻性仿真分析

尿素噴射至混合器后熱解為NH3，與廢氣混合均勻，混合氣體流動到催化劑，催化劑前端面的NH3分布均勻性對SCR催化劑的催化反應(yīng)有著至關(guān)重要的意義。圖8、圖9示出不同混合器后處理系統(tǒng)的SCR前端面NH3均勻性計算結(jié)果對比。由圖可見，兩后處理系統(tǒng)的NH3均勻性相差在2%以內(nèi)，且處于較高水平，不足以影響后處理系統(tǒng)總成的WHSC循環(huán)排放結(jié)果。

圖8 混合器1后處理系統(tǒng)的NH3均勻性

圖9 混合器2后處理系統(tǒng)的NH3均勻性

2.3 兩路SCR平均氨濃度差異計算

通過氨分布均勻性計算僅能了解單路SCR的氨分布情況，無法全面評估兩路SCR的氨分布差異。計算并聯(lián)SCR前端面的NH3加權(quán)質(zhì)量(該工況下通過截面的總質(zhì)量)進(jìn)行對比分析，可較全面地評估兩路SCR的氨分布差異情況。如圖10所示，采用混合器1后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是3.82%，采用混合器2后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差是17.5%。在混合器1內(nèi)增加一個多孔管提升氣流的混合均勻性，形成混合器3；對比采用混合器3時兩路SCR前氨濃度差異與最終NOx比排放量，進(jìn)一步驗證兩者的關(guān)系。采用混合器3后處理系統(tǒng)時兩路SCR前氨濃度的相對偏差為2%。根據(jù)計算結(jié)果對比可知，混合器1后處理系統(tǒng)和混合器3后處理系統(tǒng)的氨混合效果遠(yuǎn)優(yōu)于混合器2后處理系統(tǒng)，混合器3后處理系統(tǒng)氨混合效果略優(yōu)于混合器1后處理系統(tǒng)。

圖10 后處理系統(tǒng)兩路SCR前端面的氨濃度差異

3 NOx排放差異的試驗研究

3.1 SCR氨均勻性試驗

通過試驗測試SCR前端面的氨濃度分布，可以獲得真實的氨均勻性數(shù)據(jù)，還可以校正仿真計算結(jié)果。選擇發(fā)動機(jī)的常用工況點(diǎn)，正常噴射尿素進(jìn)行測試。氨均勻性試驗需要將后處理系統(tǒng)剖切斷面，用儀器測試氣流中氣體成分的濃度。若在SCR前剖切斷面，則因后面無載體氣壓阻力，氣流會發(fā)生較大變化；若剖切至ASC后，氨氣會被ASC催化劑吸收，測試結(jié)果將產(chǎn)生一定誤差。因此，將后處理系統(tǒng)剖切至ASC催化劑前，形成剖切斷面，取點(diǎn)進(jìn)行測試。如圖11所示，測試時，探頭深入斷面移動到圖11b對應(yīng)點(diǎn)位置，完成一個位置點(diǎn)的測試后再移動到下一個位置點(diǎn)測試，直至完成所有位置點(diǎn)的數(shù)據(jù)測試。

圖11 氨均勻性試驗方案

測試探頭連接至氣體分析儀，記錄每一個位置點(diǎn)的NOx濃度和NH3濃度。根據(jù)NH3對NOx的催化反應(yīng)可知，NOx的反應(yīng)量與NH3的參與反應(yīng)量的比值為1∶1，所以，SCR前每一個位置點(diǎn)的氨濃度可通過式(1)計算獲得，即參與催化反應(yīng)的NH3加上SCR后的NH3等于SCR前的NH3。匯總所有SCR前端面位置點(diǎn)的氨濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過式(2)計算獲得SCR前氨均勻性數(shù)據(jù)。

C單側(cè)SCR前端氨氣=(C發(fā)動機(jī)原排NOx-C單側(cè)SCR后端面NOx)+
C單側(cè)SCR后端面氨氣。

(1)

式中：C為氣體的摩爾濃度。

(2)

3.2 單路SCR氨均勻性試驗數(shù)據(jù)分析

試驗獲得SCR后49個位置點(diǎn)的NH3濃度，利用式(1)計算獲得SCR前NH3濃度，繪制如圖12所示云圖。采用混合器1后處理系統(tǒng)時兩路SCR前端面氨均勻性數(shù)據(jù)都是0.988，采用混合器2后處理系統(tǒng)時兩路SCR前端面氨均勻性數(shù)據(jù)分別是0.986和0.987。圖8、圖9的計算結(jié)果與圖12的試驗結(jié)果相對偏差在3%以內(nèi)，確認(rèn)后處理器的實際氨均勻性較好，結(jié)合表2中WHSC循環(huán)排放結(jié)果表明：即使單路SCR氨均勻性較好，最終后處理系統(tǒng)的NOx比排放量也并不理想。

圖12 SCR后處理系統(tǒng)氨均勻性試驗結(jié)果

3.3 兩路SCR平均氨濃度差異分析

對比兩路SCR前端面平均氨濃度試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然單個SCR截面上的氨均勻性較好，但是兩路SCR的前端面平均氨濃度差值略大，以工況1為例，SCR1前端面平均氨濃度為979×10-6，SCR2前端面平均氨濃度為1 089×10-6。從發(fā)動機(jī)常用工況中選擇高、中、低3個典型工況，進(jìn)行SCR前端面平均氨濃度測試，獲得SCR1平均氨濃度值距中間值的相對偏差，結(jié)果見圖13。

圖13 兩路SCR氨均勻性在不同工況點(diǎn)的相對偏差

由圖13可見，混合器1后處理系統(tǒng)的SCR前端面平均氨濃度距中間值相對偏差在5%以內(nèi)，混合器2后處理系統(tǒng)該數(shù)據(jù)在5%～17%之間，偏差明顯較大。兩路SCR的平均氨濃度差異過大，導(dǎo)致一路SCR的氨濃度過量，尾氣中NOx處理正常，但另一路SCR的氨濃度較低，尾氣中NOx處理不足。兩路SCR的氨濃度差異過大是導(dǎo)致混合器2后處理系統(tǒng)WHSC循環(huán)NOx排放略差的主要原因。

3.4 排放性能試驗

在13 L國六發(fā)動機(jī)上對采用混合器3的后處理系統(tǒng)進(jìn)行了WHSC循環(huán)排放試驗，NOx比排放量試驗結(jié)果為0.08 g/(kW·h)。對比排放試驗結(jié)果與本研究氨分布差異仿真計算結(jié)果(見圖14)，可見兩路SCR前端面的NH3質(zhì)量加權(quán)百分?jǐn)?shù)相對偏差與WHSC循環(huán)排放試驗結(jié)果趨勢一致。

圖14 NOx排放測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比

該結(jié)果表明，國六并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)SCR前氨濃度相對偏差與NOx排放試驗結(jié)果相關(guān)，可以通過該數(shù)據(jù)評估后處理系統(tǒng)的催化能力，其值設(shè)定為5%較為合理。

4 結(jié)論

a) 兩路SCR并聯(lián)的后處理系統(tǒng)速度均勻性和氨分布均勻性計算值都比較高(0.96～0.99之間)，但不能全面評估后處理系統(tǒng)催化性能；

b) 單路SCR前的氨濃度均勻性試驗測試結(jié)果在0.98以上，結(jié)果較好，但兩路SCR前端面的平均氨濃度差值較大，這是NOx排放略差的主要原因；

c) 氨質(zhì)量加權(quán)百分?jǐn)?shù)相對偏差仿真值與NOx排放試驗結(jié)果相關(guān)度較高，并聯(lián)式SCR后處理系統(tǒng)的氨質(zhì)量加權(quán)百分?jǐn)?shù)相對偏差的仿真計算在后處理系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計中具有較大意義，建議計算標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為5%以內(nèi)。