控制排放中NO2体积分数提高SCR效率的研究

闫立冰，任宪丰，陈文淼,张雷波，张娟，胡金金

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司发动机研究院，山东潍坊 261040)

0 引言

柴油机具有动力性强、油耗低的优势，在中重型车辆上得到广泛的应用。随着社会对环境保护的重视，柴油机的污染问题越来越突出[1-2]。选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术具有较好的排放法规继承性和对硫不敏感等诸多优点[3-4]，我国满足国四、国五排放法规的商用车柴油机多采用SCR技术路线。SCR内部化学反应较为复杂[5-7]，NOx反应速率与NO和NO2的体积分数有密切关系，氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)会影响SCR上游的NO2体积分数，在中高负荷时造成SCR上游NO2体积分数高于NO，降低SCR的反应速率。本文中提出废气旁通的方法，通过电磁阀控制流经DOC内部的废气，保证SCR上游的NO2体积分数不超过50%，消除SCR慢反应，保证SCR的反应速率。

1 原理分析

1.1 DOC反应原理分析

氧化反应方程式为：

2NO+O2→2NO2，2CO+O2→2CO2，4HC+5O2→4CO2+2H2O。

(1)

图1 DOC中NO2转换效率与温度的关系曲线

DOC能够氧化废气中的HC、NO和CO[8]，其中HC和CO被氧化为无害物质CO2和H2O，而NO被氧化为NO2、NO2在SCR中被还原。DOC的氧化效率与温度密切相关，其中NO2氧化效率与温度的对应关系如图1所示。由图1可知，当DOC的温度在350 ℃左右时，氧化作用最强，随着温度升高或降低，其氧化作用逐渐减弱。

1.2 SCR反应原理分析

1.2.1 尿素水解反应

尿素水解反应化学方程式为：

(NH2)2CO+H2O→2NH3+CO2

。

(2)

尿素溶液分解成有效的NH3需要经过3个过程：1)尿素液滴的水汽蒸发，变成固态或熔融态；2)熔融态的尿素在排气管中分解成等量的NH3和HNCO；3)HNCO在SCR催化器中非常容易水解成NH3和CO2。化学方程式(2)即为3个过程的总反应，该反应为吸热反应，需要排气温度达到200 ℃以上时才能进行。

1.2.2 标准反应

标准反应化学方程式为：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

。

(3)

稀燃柴油机原始排放NOx中，NO2的体积分数小于30%，因此标准反应为SCR的主要反应。

1.2.3 快反应

快反应化学方程式为：

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

,

(4)

式(4)的反应速度约为式(3)的10倍[9]，称为快反应。从式(4)可以看出，NO和NO2是按照1:1的比例进行反应。

1.2.4 慢反应

慢反应化学方程式为：

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

,

(5)

废气中NO完全消耗，只剩NO2的情况下，SCR内部按照式(5)进行反应，该反应比式(3)(4)慢很多。

1.2.5 氨的吸附与解吸附反应

氨的吸附和解吸附主要在催化剂表面[10]进行，NH3分子吸附到催化剂活性中心位，和气态的NO和NO2反应。吸附过程化学方程式为：

NH3+S→NH3(ads)

,

(6)

解吸附过程化学方程式为：

NH3(ads)→S+NH3

,

(7)

式中：S为催化剂中的活性中心位；NH3(ads) 为被吸附的氨。

2 方案制定

2.1 总体结构介绍

后处理设备包括DOC和SCR，其总体结构如图2所示。其中DOC主要起氧化作用，将NO氧化为NO2，为SCR的反应提供供给料；SCR的主要作用是将废气中的NOx还原为N2。一般小负荷工况下，经过DOC氧化后废气中的NO2的体积分数小于50%，此时由于快反应的反应速度快，因此首先进行式(4)的快反应，待废气中的NO2消耗完毕后，进行式(3)对应的标准反应。在中高负荷点的时候，由于DOC氧化作用增强，DOC下游废气中NO2的体积分数可能会超过50%，此时在式(4)对应的快反应完成后，废气中的NO2会继续与氧气和NH3进行慢反应，整体上将SCR的转换效率拉到一个相对较低的水平。

图2 后处理系统示意图

设计的主要思路为尽可能保证快反应，抑制慢反应，尤其在中高负荷点经过DOC氧化后废气中的NO2体积分数超过50%时，通过控制DOC两端的比例电磁阀，将部分原排气中的废气不经过DOC直接引入到SCR，保证SCR上游NO2的体积分数控制在50%，从而整体提高SCR的转换效率。

2.2 控制方案设计

2.2.1 DOC前NO2的体积分数

发动机原排气中的NO2占NOx的体积分数与发动机工况密切相关，一般工程上常通过发动机转速和喷油量查脉谱得到。此外，如果发动机配置EGR阀，还需要考虑EGR对原排气中NO2体积分数的影响，工程上一般通过EGR阀开度查脉谱对原排气中NO2体积分数进行修正。

2.2.2 流经电磁阀的气体流量

气体一部分通过旁通管路，一部分通过DOC，2部分气体在DOC下游会合，经过旁通管路的气体没有经过氧化，气体成分不会变化，经过DOC的气体由于氧化作用，造成NO2的成分增加。另外,电磁阀开度会影响经过旁通管路的气体流量，因此在涉及控制方案时还需要考虑电磁阀开度。

通过电磁阀的NOx体积流量

qv1 NOx=qNOxS2k/(S1+S2k)。

(8)

通过电磁阀的NO2体积流量

qv1 NO2=qNOxφ(NO2)S2k/(S1+S2k),

(9)

式中：qNOx为原排气中NOx的体积流量；S1为DOC的截面积；S2为旁通电磁阀的截面积；k为电磁阀的开度；φ(NO2)为DOC上游NO2占NOx的体积分数。

2.2.3 流经DOC的气体流量

流经DOC的NOx体积流量

qv2NOx=qNOxS1/(S1+S2k)。

(10)

DOC中参加氧化反应的NO的体积流量

qv2NO=qNOx[S1/(S1+S2k)](1-φ(NO2))φ(NO) ,

(11)

其中φ(NO)为DOC中氧化为NO2的NO占NO总量的体积分数，工程上常通过温度和废气流量查脉谱得到。

流经DOC的气流中原有NO2的体积流量

qv2NO2=qNOxφ(NO2)S1/(S1+S2k) 。

(12)

由式(1)可知，NO消耗的体积和NO2生成的体积相同，所以DOC中氧化生成的NO2的体积流量等于式(11)中消耗的NO的体积流量。DOC后混合点之前NO2的总体积流量包含2部分，一部分为流经DOC的氧化为NO2的NO体积流量，另一部分为流经DOC的NOx中原有NO2的体积流量，因此DOC后混合点前NO2的总体积流量

qv2=qv2NO+qv2NO2=qNOx[S1/(S1+S2k)][(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]

。

(13)

2.2.4 DOC下游混合处的流量

DOC下游混合处NO2的总体积流量包含2部分，一部分为经过旁通阀的NO2体积流量，另一部分为通过DOC的NO2的体积流量。因此在DOC后混合处2部分气流的NO2总体积流量

qvNO2=qv1NO2+qv2=qNOx{[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

(14)

2.2.5 DOC后混合处NO2占NOx的体积分数

DOC的氧化反应见式(1),所以DOC后的NOx的总体积流量与发动机原排气中的NOx体积流量相同，基于这个前提，则DOC后混合处NO2的体积分数

φ= {[(1-φ(NO2))φ(NO)+φ(NO2)]S1+S2kφ(NO2)}/(S1+S2k)。

(15)

2.3 控制方案实现框图

按照式(15)实现的控制框图如图3所示。

图3 控制方案实现框图

原排气中，NOx中NO2的体积分数通过转速和喷油量查脉谱得到，EGR开度影响缸内的燃烧情况进而影响原排气中NO2的体积分数，因此，DOC上游旁通支路前废气中，NOx中NO2的体积分数还需通过EGR的修正因子进行修正。

DOC的氧化效率与温度和空速密切相关，空速反映废气在DOC中驻留的时间，空速越大，驻留时间越短，效率越低。DOC中氧化为NO2的NO体积分数通过DOC温度和空速查脉谱得到。最终得到DOC下游混合处NOx中NO2的体积分数，该变量用于闭环控制。

3 控制系统设计

设计目的为控制SCR入口废气中NO2的体积分数不超过50%，从而抑制SCR慢反应，保证较高的转换效率。通常情况下废气中NO2的体积分数可固定为50%，实际NO2的体积分数通过式(15)计算得到，采用比例、积分、微分(proportion,integral,differential,PID)闭环方式计算驱动旁通阀的控制信号。当原排气中NO2体积分数小于50%时，实际值与设定值的偏差小于0，电磁阀关闭，当原排气中NO2的体积分数超过50%时，实际值与设定值的偏差大于0，通过调节电磁阀开度控制SCR上游的NO2比例，如图4所示。

图4 控制系统框图

4 试验设备及工况

试验采用一款带DOC和SCR后处理的高压共轨电控柴油机，进气方式为增压中冷，柴油机基本参数如表1所示。试验所用排放设备如表2所示。对所选试验工况进行循环测试，试验工况如表3所示。

表1 试验用柴油机主要技术规格

表2 排放设备信息

表3 试验工况

5 效果验证

图5 优化前后SCR效率对比

在发动机中高负荷时，DOC的转换效率较高，SCR上游NOx中NO2的体积分数超过50%，此时SCR内部进行慢反应，造成SCR整体转换效率降低。若DOC两端配备有废气旁通阀，控制方案以SCR上游的NO2体积分数作为控制目标，当实际体积分数超过50%时，通过闭环控制旁通阀来降低实际体积分数，将实际值控制在设定值，从而整体提高SCR的效率。优化前后SCR效率对比如图5所示。

由图5可知,SCR温度为350～450 ℃时，带旁通阀方案的SCR效率比不带旁通阀明显提高，在SCR温度较低或较高时，由于SCR上游NO2体积分数低于50%，旁通电磁阀关闭，所以2种方案的效率没有变化。

6 结语

试验结果表明，通过闭环控制废气旁通阀，在中高负荷且DOC的温度在高效范围内时，能够抑制慢反应、促进快反应，有效的提高SCR的平均转换效率。