重型柴油机双SCR系统结构参数优化研究

谷林强

摘要：为了研究国六重型柴油机选择性催化还原（SCR）系统性能影响因素，文章运用实验方式对催化器的长度、孔的数目以及壁厚进行了试验验证。结果表明：在相同的横截面积下，催化器的长度越短，SCR系统性能较好;孔数目的多少取决于排气背压增加的限值，它的变化使NOx转化效率及压力损失相互矛盾，相互制约。载体壁厚越薄，发动机性能越优秀，但壁厚的减小必需使催化器载体满足强度、热应力及制造工艺的要求。

Abstract： In order to study the influencing factors of the performance of the selective catalytic reduction （SCR） system  of the National Six Heavy Diesel Engine， the length of the catalyst， the number of holes， and the wall thickness were experimentally verified by experiments. The results show that： under the same cross-sectional area， the shorter the length of the catalyst， the better the performance of the SCR system; the number of holes depends on the limit of the increase in exhaust back pressure， and its changes make the NOx conversion efficiency and pressure loss mutually contradictions and mutual constraints. The thinner the carrier wall thickness， the better the engine performance， but the reduction of the wall thickness must make the catalyst carrier meet the requirements of strength， thermal stress and manufacturing process.

关键词：柴油机;长度;孔数目;壁厚

Key words： diesel engine;length;number of holes;wall thickness

0  引言

柴油机因具有其独特的优势广泛运用，然而柴油机尾气中的氮氧化物参与光化学烟雾和酸雨的形成而危害极大[1]。随着国家对排放要求日益严格，仅仅依靠优化缸内燃烧过程已经不能满足排放标准了，需要辅以后处理系统。

尿素选择性催化还原技术（Urea selective catalytic reduction，Urea-SCR）是当今世界公认降低NOx排放最有效的技术之一。到目前为止，大量的学者对影响转化效率做了大量的研究。文献[2]将计算流体力学与化学反应动力学相结合，对催化转化器内尿素喷雾和NOx还原等过程进行了研究，发现喷嘴位置、喷雾角度和管道设计都会影响液滴分布、碰壁及流动均匀性。文献[3]模拟研究了一个带预氧化催化剂的Urea-SCR系统，建立了一个SCR催化器的单通道二维模型，并假设喷入模型中的尿素水溶液完全蒸发和分解且均匀地分布在通道前端，釆用二维边界层方程计算通道内的流动，模拟结果与试验结果偏差较小。文献[4]分别采用了二维和三维CFD软件对催化转化器内部流场进行稳态模拟，结果表明：三维模型能更好的体现SCR反应器内部的流动分离现象，且催化器橫截面上的速度分布场与测量值较为吻合。此外，还分别分析了反应器的进口管形状、扩压管锥角、载体的几何形状、载体位置及出口形状等因素对催化剂载体入口截面上速度分布均匀性的影响，并以流动均匀性指标评价各结构的优劣。模拟结果表明，为了使催化剂内流动更为均匀分布，催化转化器的进口前不应有任何弯管。

国六柴油机复合后处理系统针对重型柴油机而采用双SCR串联的箱式后处理。通过实验的方式研究了催化器的长度、孔数目、壁厚对SCR催化器性能影响为SCR催化器的设计和优化提供依据。

1  系统介绍

发动机试验台架如图1所示，SCR系统主要包括：尿素箱、尿素喷射控制单元、各类传感器等。其基本原理为：通过电控单元将定量的尿素水溶液喷射到排气管中，尿素水溶液在高温下蒸发成颗粒，尿素颗粒通过热解和水解生成氨气，氨气在SCR催化剂的作用下[5]，与NOx充分混合均匀后，生成氮气和水，使排放达标。

2  雙SCR系统介绍

2.1 双SCR系统

研究对象为重型柴油机的SCR系统，双SCR系统结构示意如图2所示。

2.2 催化器性能评价指标

对于一个给定的催化器，我们可以从催化器的转化效率以及压力损失指标去评价一个催化器性能的优劣[6]。

催化器的转化效率：在试验中在SCR催化器的上游和下游都安装了测量尾气中的NOx的传感器。可以利用传感器测量的NOx的数值去计算催化器的转化效率。 一般可以表示为 DeNOx：

式中：CNOx，in表示SCR入口处的NOx浓度;CNOx，out表示SCR出口处的NOx浓度。

压力损失：是指SCR催化器进口和出口的压力差。内燃机利用排气冲程将缸内的废气排出，经过后处理系统达到排放标准。由于SCR催化器的结构采用的是方形孔道的蜂窝状，排气在催化器孔道内的流动是层流，所以在一定程度会对发动机的排气造成阻塞，导致发动机的经济性和动力性恶化。背压越大，造成发动机的油耗增加以及燃烧恶化[7]。

3  试验验证

试验安排在一台电控高压共轨缸内直喷重型柴油机上进行的。试验采用了AVL SCHNEIDER电力测功机，AVL 735l CST油耗仪、HORIBA MEXA-7100D排气分析仪以及温度、氮氧传感器等。后处理主要结构参数见表1所列。

选取特定的工况下，保持空速在40000h-1左右，在操作台架上调整转速和油门，使SCR入口温度达到180℃。用设备记录下原排，等到温度稳定后开始喷射尿素，直到氨泄漏量达到10ppm，用设备记录下现在的尾排及各项数据。再次调整转速和油门，使SCR入口温度达到200℃，重复以上的试验步骤，依次类推，SCR入口温度每20℃的增幅逐渐升高至550℃，分别记录下试验数据进行分析得出结果。以此类推，记录下新的SCR催化器的试验数据。后期将三个的结构参数不同的SCR催化器的试验数据对比，分析得出结果。

4  结果分析

4.1 长度对SCR性能的影响

在探究SCR催化器的结构参数对其性能的影响，SCR催化器的长度是一个很重要的结构参数。在这里探究的SCR催化器长度是将两个独立的SCR催化器视为一个整体，进行不同长度的SCR催化器性能的对比试验，从NOx转化效率和排气背压两个方面进行分析。

从图3（a）中我们可以看出随着SCR入口温度的增加，在其他的结构参数不变的前提下，只单单改变催化器的长度，随着催化器长度的增加，对转化效率影响会比较小。在NOx转化效率上升的过程中，在相同的温度下，三种不同长度的SCR催化器达到同一的NOx转化效率时，长度为L=279mm可以最快达到，其次长度为L=229mm，最后为长度L=179mm。这是因为在试验中保持空速一定的情况下，废气流量通过SCR催化器时，SCR催化器长度越长，废气通过的时间相对来说越长，这样废气与催化剂接触的时间也就越久，参与反应的时间也就是越长，更有利于除去氮氧化物，降低排放。

从图3（b）中我们可以看出长度为L=279 mm的SCR催化器在160～550℃，排气背压明显要比其他两个催化器的高很多，比长度为L=229mm的SCR催化器排气背压高出1.5kPa左右;比长度为L=179mm的SCR催化器排氣背压高出3.5kPa左右。这是因为在一定的空速情况下，随着催化器长度的增加，催化剂与尾气的接触的时间会增加，这样会更有效的除去NOx以及提高转化效率。但是随着催化器长度的增加，同样的也增大了废气流量在SCR催化器中沿程阻力[8]。

4.2 孔数目对SCR性能的影响

我们常用CPSI（cell per square inch）来表示SCR催化器中的载体的数目，即是SCR催化器载体在一个横截面积的每平方英寸的数目。

从图4（a）中我们可以看出，随着载体孔数目增加，转化效率也相应的增加。催化器的载体数目为CPSI=700的转化效率最优秀，不管在低温还在在高温的情况下。在最佳反应温度范围之内，CPSI=700的SCR催化器的NOx转化效率要比CPSI=600的催化器转化效率要大约高出1.2%，以及要比CPSI=500的催化器转化效率要大约高出2.0%。这是因为SCR催化器载体的孔数目的增加，相应的增加与尾气接触的面积，这样更有效提高转化效率，降低排放[9]。

从图4（b）中我们可以看出，随着载体孔数目增加，排气背压也相应的增加。CPSI=700的SCR催化器在随着SCR入口温度的变化，背压一直明显的高于其他两个SCR催化器。要比CPSI=600的SCR催化器的排气背压高出大约2.0kPa，要比CPSI=500的SCR催化器的排气背压高出大约4.0kPa。但是可以从中看出，当温度超过400℃的时候，CPSI=700的SCR催化器的排气背压急剧上升，远超平均背压。这显然不符合作为SCR催化器载体孔数目的要求，会造成废气气流流通不顺畅，从而进一步恶化燃烧，导致发动机性能下降。这是因为虽然试验中是保持空速一定，但是载体孔数目的增加，会导致在有限的横截面积中，更会容易导致阻塞，气流流畅不顺，进而造成了排气背压的上升[10]。

4.3 壁厚对SCR性能的影响

SCR催化器载体壁厚是指相邻的两个单孔道之间的厚度。载体壁厚决定了整个SCR催化器的硬度。一方面为了适应运输的路况，另一方面SCR催化器的工作的工况可能会长时间处于高温的工作环境中，保证不会因为高温而损坏。理论上来说，载体壁厚做的越薄越好，这样可以提升NOx转化效率和降低排气背压[11]。

从图5（a）中我们可以看出，随着载体壁厚的减少，NOx转化效率上升。这是因为SCR催化器载体壁厚的减少导致了催化器比表面积的增加，以及废气气流与催化剂接触的面积增加，势必造成了NOx转化效率上升。

从图5（b）中我们可以看出，随着催化器载体壁厚的增加，排气背压也随着上升。这是因为载体壁厚的增加，势必会导致载体的通道的直径的减少。对于一定废气量来说，通过通道的横截面积越小势必造成了气流流动的阻塞，进而导致了排气背压的升高。

5  结论

①SCR催化器的直径和长度共同构成其体积，在横截面积相同的情况下，尽可能将催化器的长度越短越好。

②SCR催化器的载体壁厚，受制于制造工艺水平。壁厚做的越薄，SCR催化器性能会比较好。

③SCR催化器的孔数目既能够有效的提高NOx转化效率，但是又会使排气背压升高，所以它们之间相互矛盾、相互制约的。

参考文献：

[1]钱叶剑.汽车构造[M].合肥：合肥工业大学出版社，2011：18-19.

[2]王谦，刘倩，罗晶，等.柴油机Urea-SCR排气管路CFD优化与NOx排放分析[J].内燃机学报，2009（6）：523-528.

[3]KUSAKA J， SUEOKA M， TAKADA K， et al. A basic study on a urea-selective catalytic reduction system for a medium-duty diesel engine[J]. International Journal of Engine Research， 2005， 6（1）：11-19.

[4]Herman Weltens， Harald Br essler， Frank Terres. Optimization of Catalytic  Converter Gas Flow Distribution by CFD Prediction[C]. SAE paper， 1993，03，0780：131-151.

[5]辛喆，张寅，王顺喜，等.柴油机Urea-SCR催化器转化效率影响因素研究[J].农业机械学报，2011，42（9）：30-34.

[6]孟令军，刘悦锋，赵文辅，李科，李立超.轻型柴油机SCR反应特性研究[J].内燃机与动力装置，2017，340（03）：6-9.

[7]张福杰.柴油机尿素SCR催化器数值模拟及结构优化研究[D].湖南大学，2012.

[8]李金海.国Ⅳ柴油机排放开发与标定研究[D].天津大学，2013.

[9]郭雅各.车用柴油机DOC/SCR系统的数值建模及试验研究[D].湖南大学，2018.

[10]陈韬，谢辉，高国有，等.柴油机DOC+SCR系统NOx转化效率影响因素研究[J].汽车工程学报，2017，7（5）：321-326.

[11]李兴民.重型柴油机SCR系统满足WHTC循环试验研究[D].大连理工大学，2014.