汪志義 任家潮 肖明雅 谷林強

摘要：研究了國六標(biāo)準(zhǔn)柴油機SCR系統(tǒng)催化器轉(zhuǎn)化效率的影響因素，運用AVL Boost仿真軟件對催化器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程進行了數(shù)值仿真和實驗驗證。結(jié)果表明：在DOC+DPF+SCR+ASC系統(tǒng)中，SCR催化器最佳反應(yīng)溫度在220～500 ℃，催化器轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上，SCR催化器不同程度的老化也對NOx轉(zhuǎn)化效率有一定影響。在排氣中適當(dāng)增加NO2濃度，可以提高催化器轉(zhuǎn)化效率，但NO2濃度占比要控制在50%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：柴油機;轉(zhuǎn)化效率;溫度;NO2

0 引言

柴油機因具有動力性強、燃油經(jīng)濟性好以及維修成本低等優(yōu)點而被廣泛運用于工程裝備中。但是，隨著柴油機的廣泛運用，空氣污染狀況加劇，汽車尾氣中的氮氧化物是形成光化學(xué)煙霧的主要因素之一[1]。因此，國家制定和出臺了一系列政策，其中國六標(biāo)準(zhǔn)是目前世界上最嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)之一。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對SCR催化器轉(zhuǎn)化效率影響因素做了大量研究。焦運景等[2]研究了SCR載體結(jié)構(gòu)對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。Chong[3]等研究了常用鐵-沸石和V2O5-WO3/TiO2催化劑在不同操作條件下的NOx還原和N2O排放性能。Juny[4]等人研究了柴油機在不同發(fā)動機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速運行條件下，組合催化劑的氮氧化物和N2O排放情況。Singh[5]等研究表明，CACSx-Mn/Ce和CO-ACSx-Mn/Ce催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率更依賴于金屬負(fù)載的重量百分比參數(shù)，如孔徑、孔結(jié)構(gòu)和表面積。Heeb[6]等研究了組合式柴油顆粒過濾器系統(tǒng)對活性氮化合物排放的影響。

本文針對國六標(biāo)準(zhǔn)柴油機DOC+DPF+SCR+ASC的復(fù)合后處理系統(tǒng)，通過數(shù)值仿真方式，研究了國六標(biāo)準(zhǔn)柴油機的SCR載體溫度、不同程度載體的老化及NO2的濃度占比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，為國六標(biāo)準(zhǔn)柴油機的后處理系統(tǒng)推廣提供理論依據(jù)。

1 反應(yīng)機理

柴油機氧化催化轉(zhuǎn)化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以一些貴金屬作為催化劑，將發(fā)動機尾氣中的HC和CO氧化以降低HC和CO的排放。盡管PM中的碳煙很難被氧化，但可以有效氧化掉PM中的SOF部分來降低微粒的排放[7]。此外，DOC可以把尾氣中的NO氧化成NO2，這樣可以提高SCR轉(zhuǎn)化效率。經(jīng)過DOC后的尾氣進入DPF中，主要發(fā)生載體壁面上碳煙的熱氧化反應(yīng)和催化氧化反應(yīng)。DOC通過尿素噴射計量閥噴射尿素?zé)峤獬蒒H3與尾氣中的NOx反應(yīng)，生成無害氣體。其反應(yīng)主要為：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+2NO→4N2+6H2O（2）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O（3）

4NH3+3O2→2N2+6H2O（4）

上述反應(yīng)式中，式（1）～式（4）表示的是NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng)，被稱為主反應(yīng)。在發(fā)動機尾氣中NO占總氮氧化物含量的90%左右，因此式（1）又被稱為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)。而式（2）是3個反應(yīng)中反應(yīng)速率最快的，因此被稱為快反應(yīng)。式（3）的反應(yīng)速率最慢，因此被稱為慢反應(yīng)，式（4）是可能在催化器載體內(nèi)發(fā)生的副反應(yīng)[8]。

2 數(shù)值仿真模型

本文運用AVL Boost軟件對柴油機DOC+SCR后處理系統(tǒng)的反應(yīng)模型進行數(shù)值模擬，其中DOC系統(tǒng)的反應(yīng)速率方程和化學(xué)動力學(xué)參數(shù)采用Koltsakis[9]所提出的模型。在DOC的反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率分別為rCO和rC3H6。

尾氣經(jīng)過DOC反應(yīng)進入DPF后，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)速率計算基于阿倫尼烏斯公式[10]。

SCR系統(tǒng)中NOx和NH3的每個氧化還原反應(yīng)包括3個不同的涂層表面反應(yīng)，速率方程和化學(xué)動力學(xué)參數(shù)采用Winkler所提出的模型。其中主式（1）的反應(yīng)速率為rSCR，1，式（2）的反應(yīng)速率為rSCR，2，式（3）的反應(yīng)速率為rSCR，3，式（4）的反應(yīng)速率為rSCR，4。

3 實驗驗證

本文在1臺排量為1.968 L的四缸增壓中冷、功率為80 kW、標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min的電控高壓共軌缸內(nèi)直噴柴油機上進行實驗，原機裝配DOC+DPF+SCR+ASC可滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)。實驗采用AVL SCHNEIDER電力測功機、AVL 642燃燒分析儀、AVL質(zhì)量流量計7351 CST、AVL燃油溫控系統(tǒng)753CH以及若干傳感器，用來驗證所提出數(shù)值仿真模型的合理性和準(zhǔn)確性。柴油機后處理技術(shù)主要參數(shù)如表1所示。

實驗方法：保持空速在40 000 h-1（h-1是空速單位，指在規(guī)定的條件下，單位時間單位體積催化劑處理的氣體量）左右，在操作臺架上調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使SCR入口溫度達(dá)到180 ℃。用設(shè)備記錄下原始尾氣排放，等到溫度穩(wěn)定后開始噴射尿素，直到氨泄漏量達(dá)到10-5，用設(shè)備記錄下現(xiàn)在的尾氣排放及各項數(shù)據(jù)。再次調(diào)整轉(zhuǎn)速和油門，使SCR入口溫度達(dá)到200 ℃，重復(fù)以上實驗步驟，分別記錄下實驗數(shù)據(jù)并進行分析計算。計算過程采用臺架試驗的測量數(shù)據(jù)作為計算的初始條件和邊界條件。排氣溫度上升的過程中，排氣中NOx濃度變化的實驗和計算結(jié)果對比如圖1所示，計算模型仿真得到的排氣中NOx濃度變化趨勢與試驗結(jié)果基本一致，由此表明，建立的計算模型能較為準(zhǔn)確地預(yù)測此柴油機后處理系統(tǒng)的反應(yīng)過程。

4 實驗結(jié)果及分析

圖2顯示了NOx轉(zhuǎn)化效率隨溫度的變化規(guī)律。溫度低于200 ℃時，NOx轉(zhuǎn)化效率較低。隨著溫度的升高，轉(zhuǎn)化效率也隨著升高，在220～500 ℃轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上。在最佳反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，SCR中的反應(yīng)以快反應(yīng)式（2）為主導(dǎo)，NOx的轉(zhuǎn)化效率幾乎達(dá)到了100%。而當(dāng)溫度超過500 ℃時，SCR的轉(zhuǎn)化效率會有所降低，主要是因為此時SCR中的化學(xué)反應(yīng)將以副反應(yīng)式（4）為主導(dǎo)，導(dǎo)致NOx的轉(zhuǎn)化效率迅速降低[11]。

圖3顯示了SCR載體的不同程度老化對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。新鮮載體在整個溫度范圍內(nèi)都要優(yōu)于其他兩個載體的轉(zhuǎn)化效率，新鮮載體在超過500 ℃高溫情況下，下降速率要小于兩個不同程度老化的催化器，且在750 ℃下連續(xù)工作16 h的催化器下降速率最快。在650 ℃下連續(xù)工作50 h的老化載體在整個溫度范圍內(nèi)都要優(yōu)于在750 ℃下連續(xù)工作16 h的老化載體，但是轉(zhuǎn)化效率相差不大。這2個老化的SCR載體只有在極小的溫度范圍內(nèi)NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%，主要原因是在持續(xù)的高溫條件下，SCR載體上的催化劑已部分失活，很難與尾氣中的NOx反應(yīng)，從而使轉(zhuǎn)化效率下降。

根據(jù)已有的研究結(jié)論表明，發(fā)動機排氣中NO2/NOx比例是影響SCR轉(zhuǎn)化效率的重要因素，適當(dāng)提高發(fā)動機尾氣中NO2的濃度含量，可提高SCR催化器的轉(zhuǎn)化效率，而發(fā)動機排氣中NO2/NOx的比例一般小于10%[12]。在SCR系統(tǒng)中前置的DOC能將排氣中的NO氧化為NO2，在DPF中NO2會參加化學(xué)反應(yīng)，含量降低，發(fā)生可逆反應(yīng)生成NO2。因此，排氣中NO2/NOx比例對后處理系統(tǒng)（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉(zhuǎn)化效率的影響也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖4為NO2與NO濃度比對后處理系統(tǒng)（DOC+DPF+SCR+ASC）NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，隨著發(fā)動機排氣中NO2濃度含量的增加，NOx轉(zhuǎn)化效率明顯提升。當(dāng)NO2濃度占比為35%時，NOx轉(zhuǎn)化效率比NO2濃度占比為0%時有所增加，主要是因為排氣中NO2/NOx比例能夠很好地滿足SCR催化轉(zhuǎn)化要求。然而，當(dāng)NO2濃度占比65%時，NOx轉(zhuǎn)化效率要比NO2濃度占比為35%時有所降低，這是因為NO2/NOx比例超過50%時，式（3）成為主要的反應(yīng)，反應(yīng)速率最慢。因此，過量增加NO2濃度占比會影響SCR轉(zhuǎn)化效率。

5 結(jié)語

（1）在柴油機DOC+DPF+SCR+ASC系統(tǒng)中，NOx轉(zhuǎn)化效率的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間為220～500 ℃，其轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上，NOx排放滿足國六標(biāo)準(zhǔn)。

（2）前置的DOC+DPF可以在尾氣中適當(dāng)增加進入SCR的NO2濃度，從而提高SCR催化轉(zhuǎn)化效率。在汽車尾氣中不同比例的NO2濃度，都能保證NOx轉(zhuǎn)化效率維持在較高水平，但要滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)將NO2濃度控制在50%以內(nèi)。

（3）SCR載體老化也會對NOx轉(zhuǎn)化效率有一定影響，應(yīng)盡可能使載體在最佳反應(yīng)溫度區(qū)間內(nèi)工作，避免SCR載體在高溫下工作造成催化劑失活，使得轉(zhuǎn)化效率降低。

[參考文獻]

[1] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 焦運景，紀(jì)麗偉，封煜.柴油機Urea-SCR系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)對NOx轉(zhuǎn)化效率影響的研究[J].內(nèi)燃機，2015（4）：14-16.

[3] CHONG P C，PYO Y D，JANG Y J，et al.NOx reduction and N2O emissions in a diesel engine exhaust using Fe-zeolite and vanadium based SCR catalysts[J].Applied Thermal Engineering，2017，110：18-24.

[4] JUNG Y，SHIN Y J，PYO Y D，et al.NOx and N2O emissions over a Urea-SCR system containing both V2O5-WO3/TiO2 and Cu-zeolite catalysts in a diesel engine[J].Chemical Engineering Journal， 2017，326：853-862.

[5] SINGH S，NAHIL M A，SUN X，et al.Novel application of cotton stalk as a waste derived catalyst in the low temperature SCR-DeNOx process[J].Fuel，2013，105（5）：585-594.

[6] HEEB N V，HAAG R，SEILER C，et al.Effects of a combined Diesel particle filter-DeNOx system （DPN） on reactive nitrogen compounds emissions：A parameter study[J]. Environmental Science and Technology，2012，46（24）：13317-13325.

[7] 謝振凱.柴油機催化型顆粒捕集器再生控制策略與試驗研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

[8] 王謙，張鐸，王靜，等.車用柴油機Urea-SCR系統(tǒng)數(shù)值分析與參數(shù)優(yōu)化[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2013（4）：343-348.

[9] KOLTSAKIS G C，STAMATELOS A M.Modeling dynamic phenomena in 3-way catalytic converters[J].Chemical Engineering Science，1999，54（20）：4567-4578.

[10] 徐哲.柴油機微粒捕集器再生特性仿真研究[D].長春：吉林大學(xué)，2009.

[11] 辛喆，張寅，王順喜，等.柴油機Urea-SCR催化器轉(zhuǎn)化效率影響因素研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42（9）：30-34.

[12] 陳韜，謝輝，高國有，等.柴油機DOC+SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率影響因素研究[J].汽車工程學(xué)報，2017，7（5）：321-326.

收稿日期：2020-08-14

作者簡介：汪志義（1964—），男，安徽安慶人，高級工程師，研究方向：柴油發(fā)動機。