中重型柴油机SCR系统集成匹配研究

任贵峰， 王国莹， 付海燕， 仲蕾， 程秀围， 任庆霜， 贾晓亮

(1. 陕西北方动力有限责任公司， 陕西 宝鸡 721300； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400；3. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)



中重型柴油机SCR系统集成匹配研究

任贵峰1， 王国莹2， 付海燕2， 仲蕾2， 程秀围2， 任庆霜2， 贾晓亮3

(1. 陕西北方动力有限责任公司， 陕西 宝鸡 721300； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400；3. 装甲兵驻616厂军事代表室， 山西 大同 037036)

针对高紧凑高效清洁柴油机的开发，选取了SCR后处理技术路线，为了实现国Ⅴ的排放指标要求，分别进行了SCR催化剂及催化器载体的分析与匹配，SCR尿素喷射系统的匹配标定研究，并通过三维仿真分析方法以及尿素喷射水解、热解和化学反应动力学理论完成了喷射管路布置方式的优化设计及SCR系统转化效率的计算与验证。通过发动机台架试验验证了通过上述方法匹配的SCR系统可以满足国Ⅴ的排放指标要求。

中重型柴油机； 选择性催化还原； 集成； 匹配

由于我国中重型车运输业及工程机械行业燃油消耗大幅增长，而石油资源相对短缺，因此，研制开发了高紧凑型高效清洁NE840柴油机。为了使柴油机满足国Ⅴ排放法规，需要辅助采用有效的后处理技术。由于采用尿素-SCR(Selective Catalytic Reduction)后处理系统的发动机具有一定的节油优势，所以NE840柴油机后处理技术采用了SCR路线[1]。SCR后处理技术主要包括SCR催化器技术、尿素喷射系统技术以及尿素喷射系统DCU控制器技术。SCR后处理技术在美国、欧洲、日本已经非常成熟，在国内近几年也发展迅猛。国内外对SCR系统匹配集成技术的主要研究可分成三个方面：一是不同种类催化剂和不同类型催化器的集成；二是尿素喷射的雾化混合及水解、热解、蒸发对柴油机SCR系统转化效率的影响；三是SCR尿素喷射系统与控制器的集成控制。

在催化剂方面，Gianguido Ramis，Daniel Chatterjee，James W. Girard等人进行了不同催化剂的催化器特性研究[2-4]，结果表明Fe基等沸石催化剂在发动机低温工况下具有较好的转化效率，但抗S性差，而钒基催化剂技术成熟，可靠性高，并具有较宽的高NOx转化效率温度窗口。Gekas等人对SCR与氧化催化器(DOC)的匹配进行了研究[5]，测试结果显示预氧化剂对改善催化剂低温活性的影响并不明显，转化效率与催化剂的成分和载体的结构有关，如果用相同体积大小的SCR催化剂代替预氧化剂，同样可以达到相似的转化效果。Gang Guo等人对新型SCR储氨再生催化器[6]进行了研究，Phil Blakeman对SCR匹配氨氧化器进行了研究[7]，结果表明新型SCR储氨再生催化器较复杂，控制过程也较复杂，在保证NOx不变的情况下改变氨氮比，可以减少NH3泄漏峰值。

对SCR系统转化效率机理的研究一般采用三维模拟仿真技术，如Johann C. Wurzenberger，Calabrese J L等人通过建立SCR模型，采用热分解模型和水解模型来模拟氨气的产生，利用化学反应动力学模型预测SCR入口处NOx的转化效率及氨气分布的均匀指数[8-10]。在SCR尿素喷射系统与控制器的集成控制方面，国外发动机厂商和研究机构已就SCR喷射装置、控制策略集成作了大量的研究[11-12]。国内对SCR系统进行了一些应用和试验研究[13-14]，部分企业和大学也做了SCR装置的开发，但是大都数产品在可靠性和精度控制方面还需要进一步完善。

基于国内外关于SCR系统集成匹配的研究成果和研究方法，本研究从NE840发动机的特性和排放要求出发，以产品的应用为目标，完成SCR系统催化器的匹配，利用前期开发的SCR控制器实现了对某尿素喷射系统的匹配标定，并在此基础上利用Ambrazon-Sirignano蒸发模型以及Birkhold等人提出的反应速率方程完成喷射管路设计优化和SCR系统转化效率计算，并在发动机台架上完成了SCR系统集成匹配试验验证。

1 SCR催化器的匹配

根据国内催化器的研究状况，催化器的匹配有两种方案，即单独SCR催化器方案和DOC+SCR方案，两种方案匹配合理，都可以实现国Ⅴ排放要求[5]。本研究采用单独SCR催化器的匹配方案。NE840柴油机主要参数见表1。NOx原机排放见图1。ESC十三工况NOx比排放量达到了11.2 g/(kW·h)，在中高转速(1 300～2 000 r/min)及中高扭矩(550～1 100 N·m)下，NOx排放较高(13～16 g/(kW·h))，此时对应的涡后温度为360～500 ℃(见图2)，排气从涡后到催化器，不考虑排气管的保温作用，温度会下降20～35 ℃。

表1 NE840柴油机主要参数

由于SCR铂金催化剂在高温下对于NOx的选择性较差，Cu，Fe沸石催化剂抗硫性能差，而V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)催化剂在260～450 ℃都有较高的转化效率，所以SCR催化器选取了V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)作为催化剂。

催化器载体目数、壁厚、体积是催化器设计的关键参数。其中载体必须让排气顺利通过，不使排气背压过分增大，以免损害发动机的性能；但载体必须有足够的长度，因为催化反应取决于反应物的分压，所以当污染物逐渐耗尽时反应速率不断下降，为了获得足够的总转化效率，流道不能太短。从目前产业化的角度考虑，SCR催化器载体按孔密度分两种，即62 孔/cm2和93 孔/cm2。62 孔/cm2的载体背压较低，93 孔/cm2的载体几何面积较大，转化效率较高。根据发动机的性能要求，需尽量降低排气系统的背压，从而降低燃油消耗率、输出高的升功率，所以选取了0.15 mm壁厚、62 孔/cm2的SCR催化器载体。

为了实现国Ⅴ排放要求，在发动机所有工况范围内，催化器平均转化效率要达到82.5%以上。根据经验值，催化器的体积按发动机排量的3倍进行匹配，选取催化器的长度为300 mm[15]。

2 SCR尿素喷射系统的匹配标定

NE840柴油机采用的是无压缩空气尿素喷射系统，可实现最大0.6 MPa的喷射压力。开发的SCR控制器为开环控制系统。在没有反馈控制的前提下，尿素喷射量的精确控制变得更加重要，同时喷射量的精确控制需要稳定的系统压力作为保证，而压力稳定则需要尿素泵驱动电机占空比与喷嘴开启占空比的协调匹配，所以需要对喷嘴流量特性以及尿素泵电机特性进行标定。此外，为了保证尿素喷射系统及SCR系统工作的可靠性，还需要对尿素喷射系统升压、稳定、检测、回流、清空等工作过程参量进行标定。尿素喷射系统标定试验装置示意见图3。

系统在设定压力下的喷嘴流量特性见图4。喷嘴喷射量与喷射占空比呈精确的线性关系，该特性简化了SCR系统标定过程。根据该特性设计的喷射量计量控制策略见图5。

在相同目标压力下，尿素泵电机驱动占空比与喷嘴开启占空比之间也呈正比例关系(见图6)，SCR系统压力的调节是基于该特性曲线+PID调节的方式确定。

对系统压力阶跃响应特性进行测试，确定工作特性阈值，得出合理的系统工作特性曲线(见图7)。由图7可见，尿素喷射系统工作过程基本上可以分成七部分[16]。通过参量调整，SCR系统启动时间需30 s，压力稳定时间小于20 s，停机系统清空时间40 s。

3 喷射管路设计与催化器匹配验证

3.1 喷射管路设计

柴油机SCR系统向排气管中喷入适量的尿素水溶液，尿素水溶液经过蒸发、热解、水解过程得到NH3，NH3在催化器中催化剂的作用下选择性地将NOx还原成N2，从而降低尾气中NOx的含量。尿素在排气管路内的喷雾混合对NOx的转化效率及催化器的寿命都起着重要作用。一个合理的排气管路设计包括一定喷射压力下优化的喷嘴安装角度、位置及排气管结构。优化的排气管路应能保证喷雾液滴的径向分布均匀性和排气管表面不会积液过多，因为当排气管表面积液过多时，如果排气管温度降低到关键温度(250 ℃)以下，形成的较厚壁膜将会结晶，形成有毒气体三聚氰胺的风险增加；同时液滴分布不均匀会导致局部区域NH3分布过多从而造成NH3泄漏，而在一些NH3稀薄区域则会造成NOx转化率过低，此外，长时间NH3分布不均匀还会导致催化剂老化，从而影响催化剂的整体性能。

根据NE840柴油机整体布置要求设计的增压器出口端排气管结构见图8。由于排气管弯管上游空间有限，尿素喷射点如果在排气弯管上游，只能布置到距离弯管较近的位置。在该位置尿素喷射系统喷射0.4 s时，排气管内壁形成的液膜和喷雾形态见图9。由于尿素溶液喷雾会在弯管处聚积湿壁，易形成结晶，所以SCR尿素喷嘴布置在排气弯管下游，布置方案见表2。

基于AVL Fire软件平台模拟恒定排气背压和排气温度下SCR系统的工作过程。模型主要由两部分组成，包括涡轮增压器后的排气管部分及SCR催化器箱。其中SCR催化器箱又由混合腔、SCR催化器、排气腔三部分组成。

表2 SCR尿素喷嘴位置布置方案

柴油机排气混合气在SCR催化器中的化学反应动力学过程包括排气管中尿素水溶液的喷射过程，尿素水溶液的蒸发、水解、热解及排气在SCR催化器中的催化转化。尿素喷射为多成分的蒸发模型和热解过程。SCR尿素溶液喷雾过程初始阶段尿素喷嘴打开，尿素水溶液以一定喷射压力和夹角从喷孔喷出，该过程主要受尿素喷射系统的影响；随后在排气的作用下尿素液滴蒸发生成尿素蒸气，尿素蒸气热解生成等摩尔的氨气和异氰酸，该阶段可通过SCR蒸发模型及化学反应动力学模型[8]进行模拟。其中喷雾锥角和喷射初始速度通过喷雾试验确定。

设定在排气质量流量为800 kg/h,排气温度为400 ℃的稳定工况下进行尿素喷射，尿素喷射速率根据喷雾试验确定，在喷射速率恒定的条件下，喷射量由喷射时间决定。设定氨氮消耗比为1，根据原机NOx排放，计算得到尿素喷嘴喷射持续时间为0.4 s。尿素喷射0.4 s时不同喷射位置、喷射角度下的喷雾形态见图10。

由图可见，喷射角为30°时，喷雾可以均匀分布在排气管的径向，减小粒子碰排气管壁面的概率，而喷射角为45°和60°时，喷雾在排气管的分布均匀性均较差，30°喷射角的NH3在SCR催化器中分布也较均匀，有利于催化器的整体性能。0.4 s时SCR催化器前端的NH3质量分数分布云图见图11。方案1、方案2、方案3中NH3的平均质量分数明显小于方案4、方案5、方案6的质量分数，这说明喷嘴位置距离SCR催化器越长越有利于尿素热解以及氰酸的水解，所以相应SCR催化器前端的NH3质量分数也会较大。根据仿真模拟的结果选用方案4作为尿素喷嘴的布置方案。

3.2 催化器匹配验证

从ESC十三工况点中选取最大功率点Pmax，C100，B50和A25 4个稳态工况点进行SCR系统转化效率和背压的计算及试验，验证所设计的SCR催化器是否满足要求。按照方案4进行排气管和尿素喷嘴的布置，设定氨氮消耗比为1，根据原机NOx排放确定尿素喷嘴喷射时间。模拟计算结果见图12。A25工况点由于排气温度偏低导致尿素水溶液水解反应不充分，且在SCR催化器内的催化反应速率较慢，使得NOx转化效率偏低，为75.8%；Pmax工况、C100工况少部分NH3在高温下被氧化成NO，总体上NOx转化效率保持在90%左右；标定工况点Pmax的背压达到14 kPa(见图13)，满足设计背压小于15 kPa的要求。

试验中测得的实际背压均大于计算值，误差在9%以内，部分原因是计算过程中忽略了排气管道的沿程阻力损失。试验测得的NOx转化效率基本与计算结果接近，误差在4%以内。

4 SCR系统匹配试验测试

本研究的试验台架见图14。测试设备主要包括电涡流测功机、NE840柴油机、SCR后处理系统及傅里叶变换红外光谱(FTIR)排气分析仪。

通过万有特性试验标定的SCR系统随转速和扭矩变化的基本转化效率见图15，图中黑色线代表温度梯度。SCR系统的最终喷射量通过基本转化效率进行计算，再经过大气压力、进气温度、冷却水温进行修正。

按照国标GB 17691—2005进行试验测试，在控制平均NH3泄漏量低于25×10-6的条件下，NE840柴油机ESC测试结果见图16，NOx排放由原机11.2 g/(kW·h)降低到1.6 g/(kW·h)，SCR平均转化效率到达85.7%。在此基础上，NOx排放ETC试验结果为1.78 g/(kW·h)(见图17),可见该SCR系统满足国Ⅴ排放标准。

5 结束语

本研究进行了SCR催化器的选型匹配、尿素喷射系统的标定、系统管路布置以及相关模拟计算分析，并完成了SCR系统排放标定，实现了NE840柴油机满足国Ⅴ排放的要求，对SCR在柴油机上的应用具有指导作用。

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[编辑： 姜晓博]

Integration and Matching of SCR System for
Medium and Heavy Duty Diesel Engine

REN Guifeng1， WANG Guoying2， FU Haiyan2， ZHONG Lei2， CHENG Xiuwei2,
REN Qingshuang2， JIA Xiaoliang3

(1. Shaanxi North Dynamic Co., Ltd., Baoji 721300， China；
2. China North Engine Research Institute (Tianjin)， Tianjin 300400， China；
3. Military Representative Office of Armored Forces in No.616 Factory, Datong 037036, China)

For the development of highly compact, efficient and clean diesel engine, the technical route of SCR aftertreatment was selected. In order to meet China Ⅴ emission standard, the analysis and matching of SCR catalysts and catalyst substrates were respectively conducted and the calibration of urea injection system was studied. The optimized design of injection pipe layout and the calculation and verification of SCR conversion efficiency were further carried out based on 3D simulation and theory of urea hydrolysis, pyrolysis and chemical reaction kinetics. The calibrated SCR system was verified to be able to meet China Ⅴ emission requirement by the bench test.

medium and heavy duty diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); integration; matching

2015-06-18；

2015-10-28

国家高技术研究发展计划“863”计划(2012AA111709)

任贵峰(1972—)，男，研究员，硕士，主要研究方向为车用发动机排放；ymyl81@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.006

TK421.5

B

1001-2222(2015)06-0027-06