柴油机SCR系统NOx转化率影响因素的研究

王军， 季亮， 董彦， 王兴华， 王静， 何涛

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

柴油机SCR系统NOx转化率影响因素的研究

王军， 季亮， 董彦， 王兴华， 王静， 何涛

(江苏大学汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

利用计算流体动力学的方法对柴油机SCR尿素水溶液喷雾分解和催化剂表面的化学反应过程进行了数值模拟，结合SCR台架试验，探究了氨氮比、温度、空速和喷嘴安装位置对NO转化率的影响。结果表明：当氨氮比在0.6～2.0时，NO转化率随氨氮比的升高呈先升后降趋势，氨氮比为1.2时的NO转化率较高；当催化剂温度在300～500 ℃时，NO转化率随温度的升高呈先升高后趋于稳定的变化趋势，温度达450 ℃时基本稳定；空速在13 000～21 000 h-1时，NO转化率随空速升高逐渐降低；随着喷嘴与催化剂距离的增加，NO转化率逐渐增加，当喷嘴与催化剂距离大于450 mm时，NO转化率逐渐趋于稳定。

柴油机； 选择性催化还原； 转化效率； 数值模拟

柴油机主要排放污染物为氮氧化物(Nitrogen oxides，NOx)和颗粒物 (Particulate matter，PM)，随着我国排放标准的快速推进，单独依靠柴油机机内净化技术已不能满足日益严格的排放法规要求。选择性催化还原(Selective catalytic reduction，SCR)作为降低柴油机NOx排放、满足国Ⅳ及以上排放法规的必要技术手段之一，具有可进一步优化缸内燃烧，降低油耗等优势[1-2]。

国内外科研人员对SCR技术进行了深入研究。辛喆等[3]对催化器载体表面的化学过程进行了数值模拟和试验验证，研究了温度、NO2的体积分数以及NO2和NOx的体积比对NOx转化率的影响。帅石金等[4]通过仿真与试验相结合的方法，研究了催化剂的特性和还原剂的喷射控制策略，优化了喷嘴布置位置和喷孔数目。Ming Chen等[5]通过数值模拟方法对还原剂在催化器前喷雾特性、蒸发现象及SCR催化器内部流动与催化反应进行了研究。Reggie Zhan等[6]设计了一种新型混合器，通过试验证明可提高SCR系统的NOx转化率，减少NH3泄漏。

本研究利用AVL Fire软件建立了SCR反应模型，综合考虑了尿素水溶液的喷射、雾化、热解和水解，催化剂载体表面化学反应等过程，对SCR系统进行了数值模拟，并结合SCR台架试验研究了不同氨氮比、温度、空速以及喷嘴安装位置条件时，SCR系统对柴油机NO转化率的影响规律，为进一步优化柴油机SCR系统提供理论依据。

1 SCR催化器模型

1.1 几何模型

SCR催化器系统结构示意图及计算网格见图1。

图1 SCR催化器结构参数及计算网格

催化器系统中排气管直径为70 mm，喷嘴由3个直径为0.5 mm的喷孔构成，3孔水平布置，中间孔轴线顺沿排气管中心线，3孔轴线水平夹角为45°，喷嘴插入排气管深度为35 mm，与催化剂前端面距离为500 mm。SCR催化剂为钒基催化剂，催化剂直径为202 mm，长度为155 mm，孔密度为62 孔/cm2，壁厚为0.13 mm。图1b为几何模型的Hypermesh网格划分图，将此网格模型导入AVL Fire软件后处理模块中进行SCR系统模拟仿真。

1.2 计算模型及边界条件

尿素水溶液喷射过程模拟采用离散液滴模型(DDM)，利用拉格朗日方程跟踪离散液滴的运动；湍流运动过程采用k-ε湍流模型，湍流流动过程遵循能量守恒、动量守恒及质量守恒；SCR催化器内部流动特性采用多孔介质模型进行模拟[7-9]。考虑到尿素水溶液液滴在喷射过程中经历了破碎、湍流扰动、变形、碰撞聚合和碰壁等一系列的物理变化过程，喷雾模型中加入了二次破碎模型、湍流分散模型、碰壁模型和粒子相互作用模型等。

根据试验测量值设定入口质量流量和温度，湍动能为进口平均速度平方的5%，特征长度为进口直径的10%。入口气体组分体积分数按台架试验测量值进行设置，出口设置为静压边界条件，压力为0.1MPa[10-11]。

2 柴油机SCR台架试验

2.1 试验装置

柴油机SCR系统台架试验布置见图2，主要包括柴油机、测功机、SCR系统尿素喷射控制系统、NOx传感器、温度传感器等。为降低PM对尿素喷嘴堵塞和SCR催化剂失活的影响，延长催化剂使用寿命，在SCR催化剂上游加装了柴油颗粒过滤器(DPF)。发动机型式为直列、水冷、四冲程、干式，其主要技术参数见表1[12]。

图2 SCR系统台架试验布置

缸径/mm80排量/L1．809行程/mm90标定功率/kW29压缩比18∶1标定转速/r·min-13000

2.2 试验验证

试验时，固定柴油机转速，通过增加负荷以提高柴油机排气温度，依据柴油机不同工况的NO排放折算出尿素喷射量，使氨氮比保持为1。由于柴油机排气中NOx的主要成分为NO，占90%以上，故将NO视为NOx。当空速为19 000 h-1，喷嘴距离催化剂500 mm时，NO的体积分数及转化率随排气温度的变化规律见图3。由图3可见，当排气温度由300 ℃上升到450 ℃时，NO试验和模拟转化率均提高了约17%，模拟值与试验值相差最大约为4%，两者趋势大致相同,故所建SCR模型可靠合理。

图3 NO转化率随排气温度的变化

3 不同参数对NO体积分数与转化率的影响

3.1 氨氮比的影响

设定空速为13 000 h-1，排气温度为350 ℃，喷嘴距离催化剂为500 mm，入口处NO体积分数为956×10-6，SCR催化器出口NO体积分数和转化率随氨氮比的变化规律见图4与图5。由图4与图5可见，随着氨氮比的增加，NO转化率呈先升高后降低的趋势，当氨氮比为1时，NO转化率可达59%，当氨氮比为1.2时，NO转化率最高，可达60%。这是由于NH3过量时，一方面NH3氧化副反应的反应速率将增大，另一方面，过量的尿素水溶液进入催化剂后会阻碍流体在多孔介质中的径向流动，造成SCR催化剂内部出现NO和NH3的分布不均现象，催化还原反应不充分，导致NO转化率降低并趋于稳定[13]。

图4 不同氨氮比时NO体积分数分布

图5 NO体积分数及转化率随氨氮比的变化

3.2 温度的影响

空速为17 000 h-1，喷嘴距离催化剂500 mm，氨氮比为1，入口处的NO体积分数为956×10-6时，SCR催化器出口NO体积分数和转化率随排气温度的变化规律见图6与图7。由图6与图7可知，温度为300 ℃时，出口处的NO体积分数为583×10-6，NO转化率为39%，此时催化剂温度较低，反应活性较差。随着温度的增加，催化剂反应活性逐渐提高，NO转化率随之上升，当温度达到450 ℃时，NO转化率逐渐稳定[14]。

图6 不同温度时NO体积分数分布

图7 NO体积分数及转化率随温度的变化

3.3 空速的影响

排气温度为400 ℃，喷嘴距离催化剂500 mm，氨氮比为1，入口处的NO体积分数为956×10-6时，SCR催化器出口NO体积分数和转化率随空速的变化规律见图8与图9。由图8与图9可见，随着空速的升高，出口处NO体积分数呈近似线性增加趋势，NO转化率呈近似线性降低趋势。当空速由13 000 h-1提高到21 000 h-1时，NO转化率由67%降低为46%。这是由于随着空速的提高，尿素水溶液在排气管中的滞留时间减少，水解和热解反应不能充分进行，NH3体积分数降低，从而导致NO转化率降低[15]。

图8 不同空速时NO体积分数分布

图9 NO体积分数及转化率随空速的变化

3.4 喷嘴安装位置的影响

空速为19 000 h-1，排气温度为400 ℃，氨氮比为1，入口处的NO体积分数为956×10-6时，SCR催化器出口NO体积分数和转化率随喷嘴安装位置的变化规律见图10与图11。由图10与图11可知，NO转化率随喷嘴与催化剂距离的减小而呈降低趋势，当喷嘴与催化剂的距离由500 mm缩短至100 mm时，出口处NO的体积分数由488×10-6增大到841×10-6，NO转化率由49%降低为12%。这是由于尿素喷嘴与催化剂距离缩短后，尿素水溶液在排气管内流动时间和空间较短，发生的热解和水解反应不充分，且水溶液粒子热解产物在催化剂内部扩展不足，使得NH3体积分数较低，不利于NO还原反应的进行。

图10 不同喷嘴安装位置时NO体积分数分布

图11 NO体积分数及转化率随喷嘴安装位置的变化

4 结论

a) 随着SCR系统氨氮比的升高，NO转化率呈先升高后降低的变化趋势；

b) 温度在300～450 ℃范围内时，NO转化率先随温度的升高而升高，当温度达到450 ℃时，NO转化率逐渐稳定；

c) 空速增大时，尿素水溶液在排气管中滞留时间以及NH3对NO的选择性催化还原反应时间变短，从而导致NO转化率降低；

d) 随着喷嘴与催化剂距离的增大，尿素水溶液在催化剂上游的热解和水解反应进行得更为充分，生成的NH3体积分数较高，NO转化率随之升高。

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[编辑： 姜晓博]

Influencing Factors of NOxConversion Efficiency for Diesel Enigne SCR System

WANG Jun， JI Liang， DONG Yan， WANG Xinghua， WANG Jing， HE Tao

(School of Automotive and Traffic Engineering， Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The spray and decomposition process of urea solution and chemical reaction process on the surface catalyst of selective catalytic reduction(SCR) system were simulated by using computational fluid dynamics(CFD) method. Combined with SCR engine test, the influences of ammonia nitrogen ratio, temperature, space velocity and urea injector position on NO conversion efficiency were researched. The experimental results show that NO conversion efficiency first increases and then decreases when the ammonia nitrogen ratio is between 0.6 and 2 and reaches the peak when the ratio is 1.2. NO conversion efficiency increases among the range of 300-450 ℃ and becomes stable when the temperature reaches 450 ℃ till to 500 ℃. At the space velocity range of 13 000-21 000 h-1, NO conversion efficiency decreases with the increase of velocity. In addition, the increase of distance between injector and catalyst will lead to the increase of NO conversion efficiency, but has little influence on it beyond 450 mm.

diesel engine； selective catalytic reduction； conversion efficiency； numerical simulation

2017-01-18；

2017-06-30

国家自然科学基金(51306074)；江苏省大学生创新创业训练计划项目(201510299069X)；江苏省普通高校研究生实践创新计划项目(SJLX15_0494)；江苏高校品牌专业建设工程项目

王军(1980—)，男，副教授，主要研究方向为发动机工作过程及排放污染物控制研究；qcwjun@ujs.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.003

TK421.5

B

1001-2222(2017)04-0011-05