基于国Ⅵ柴油机SCR系统NOx转化效率影响因素研究

常啸天, 程晓章, 朱博文, 王 浩, 邢晓通

(合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

内燃机为世界带来了现代物质文明,在经历了一个多世纪的飞速发展后,仍然没有达到顶峰。其中,柴油机凭借良好的经济性、动力性以及低油耗、低二氧化碳排放等优点,在社会各个领域中得到广泛应用[1]。然而,制约柴油机发展的主要因素是其带来愈发严重的环境污染问题。柴油机排放的污染物主要包括氮氧化物(NOx)、颗粒物、一氧化碳、气态碳氢化合物等,给人们的生产生活带来巨大的危害[2]。

随着世界各国对能源及环境问题愈发重视,政府也针对汽车尾气这一重要污染源采取了相应的管控措施。2019年7月1日国Ⅵ排放标准正式开始实施,这对柴油机尾排污染问题提出了更加严格的要求[3]。通过优化缸内设计进行机内净化以及使用单一的后处理技术已经无法满足国Ⅵ排放法规的要求,需要设计更加高效可靠的后处理技术路线以达到进一步降低污染物排放的目的。目前,国Ⅵ主流的后处理技术中主要包含的排气后处理装置有柴油氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、柴油颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF))和选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)器[4],后处理技术路线是DOC+DPF+SCR+氨气氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。其中,选择性催化还原系统是处理NOx主要工具。其核心部件分为SCR催化器、控制系统、尿素箱、尿素泵、尿素喷嘴,SCR 上下游排温传感器以及SCR上下游NOx传感器[5-6]。

近年来,国内外关于NOx转化效率影响因素的研究很多。文献[7]研究了在稳定工况条件下,不同催化剂温度对NOx转化效率的影响。采用不同催化剂时,NOx转化效率均随温度的变化而变化,当排气温度升高时,NOx转化效率先升高后降低;文献[8]研究了 SCR 催化箱温度对 NOx转化效率与氨气泄漏量之间的关系,由于氨氧化速率极高,导致400 ℃时的氨气泄漏远远低于200 ℃时的泄漏;文献[9]基于AVL BOOST软件进行柴油机SCR催化剂尺寸优化设计,得到了最优的载体体积以及界面布置形式、层数和高度等参数;文献[10]研究了Cu-Fe复合SCR催化剂的脱硝性能,结果表明Cu基SCR催化剂的低温性能优于Cu-Fe复合SCR催化剂,说明催化剂的选择也是研究SCR系统转化效率的一个重要因素。

本文通过建立系统的数值模型,设计实验方案进行验证,研究国Ⅵ后处理路线下排气温度、进气流量、NO2占比以及空气组分对 NOx瞬态转化效率的影响,为复合型后处理系统技术路线的研究提供了理论和试验依据。

1 系统建模

1.1 模型假设条件

由于受实验以及环境约束,为了满足计算精度,对后处理系统的建模进行理想条件假设。

(1) 系统外界环境如温度、空气湿度、气压均保持恒定,假设为标准大气压,室温25 ℃。

(2) 为了便于计算,所有气体均视为理想气体,假设为不可压缩流体,所有气体的状态参数仅为温度t的函数。

(3) 将催化器系统材料视为刚体,且密封性良好。

(4) 假设气体在模型中进行稳定流动。

1.2 化学反应机理

SCR系统的反应机理是应用尿素转氨技术通过喷射计量阀向排气管内喷射尿素,在经过一系列复杂的水解热解反应后生成NH3,用NH3作为还原剂与排气中的NOx发生反应,最终生成无害气体。其反应过程可以简化为:

(1)

(2)

(3)

(4)

在以上反应过程中,(1)～(2)式表示NH3选择性还原NOx的SCR反应,称为主反应。一般发动机尾气中NO占NOx总含量的90%左右,因此(1)式又被称为标准反应;(2)式在反应过程中反应速率最快,被称为快反应;(3)式的反应速率最慢,被称为慢反应;(4)式是在催化器载体上可能发生的副反应。

1.3 化学反应模型

本文使用AVL BOOST软件对柴油机SCR系统的反应模型进行数值模拟,SCR系统中NOx和NH3的氧化还原反应速率方程和化学动力学参数采用文献[11-12]所提出的模型。

(1)式的反应速率rSCR,1为:

(5)

(2)式的反应速率rSCR,2为:

(6)

(3)式的反应速率rSCR,3为:

(7)

(4)式的反应速率rSCR,4为:

(8)

其中:K为各反应的频率因子;E为各反应的活化温度;c为气体浓度;tS为载体温度;K和E的下标1,2……5分别为反应的各个基元反应过程。

2 实验布置及模型验证

2.1 实验布置

为了验证数值模型的准确性和合理性,设计使用直列式高压共轨增压发动机进行台架实验,实验用发动机的参数见表1所列，实验测试设备见表2所列。

表1 发动机参数

表2 实验设备

2.2 实验方法

实验方法是安装好发动机实验台架后,在排气管安装DOC+DPF+SCR后处理系统总成。后处理系统总成结构参数见表3所列。

表3 后处理总成主要结构参数

首先将发动机充分预热,保持催化剂空速为42 000 h-1左右的工况,在操作台架上调整转速和油门,使排气温度达到210 ℃,以此作为初始温度,记录下原排数据;待温度稳定后开始喷射尿素,用设备记录下其他排放数据;然后再次调整转速和油门,使排气温度达到230 ℃;重复上述试验步骤,使排气温度以每次20 ℃的增幅逐渐升高至530 ℃。台架布置示意图如图1所示。

图1 台架布置示意图

使用排放分析仪对排气的污染物成分进行分析,分别在不同取样点进行取样,得到的排气成分浓度作为数值模拟初始计算的边界条件,通过测量的原排和尾排数据计算出NOx的转化效率。根据实验测量数据与数值模型结果进行分析比对,结果如图2所示。从图2可以看出，数值模型仿真得到的NOx浓度随排气温度升高的变化趋势与实验结果吻合。由此证明,建立的数值模型能够较为准确地预测此柴油机后处理的反应过程。

图2 NOx浓度的模拟值与试验值对比

3 结果与分析

3.1 排气温度对NOx的转化效率影响

排气温度是影响NOx转化效率的一个非常重要的因素,决定了催化器内部催化剂的活性。排气温度过高会导致催化器内部催化剂失活,使其无法正常与尾气中的NOx反应,NOx排放随之增加。

保持催化剂空速在42 000 h-1工况，NOx转化效率随排气温度的变化规律如图3所示。从图3可以看出,随着排气温度升高,NOx转化率呈现先升高后降低的趋势。

图3 排气温度对NOx转化效率的影响

当排气温度低于310 ℃时,NOx转化效率较低,这主要是由于排气温度较低时尿素水溶液雾化质量差，尿素不能较充分热解、水解生成氨与NOx反应，而且在低温情况下SCR催化剂活性非常低，难以与氮氧发生反应;排气温度在310～490 ℃区间时，催化器转化效率能够达到95 %以上,符合国六催化器转化效率的标准。在最佳反应温度范围内SCR中的反应以快反应为主导,而当温度超490 ℃后,SCR的转化效率会降低。这主要是由于发生了NH3的氧化反应,即NH3与氧气进行反应生成了氮气和水；另一方面,NH3与NO2之间的慢反应以及排气温度较高也会造成催化剂的活性降低,降低了NOx转化效率。

3.2 进气流量对NOx转化效率的影响

进气流量对NOx转换效率的影响如图4所示。由图4可知：在最佳反应温度内,进气流量对NOx的转化效率几乎没有影响；只有在排气温度较低时,进气流量增加会使NOx转化效率大幅度降低。

图4 进气流量对NOx转化效率的影响

通过计算模型可知,当柴油机的排气温度低于300 ℃时,转换效率受空速的影响很大。因此,为了有效提高转化效率,在低温作业时必须增大催化器体积,降低进气流量,从而减少NOx的排放量。

3.3 NO2占比对NOx转化效率的影响

研究表明,NO2在NOx中的占比也是NOx转化效率的重要影响因素。因为DOC以铂(Pt) 、钯(Pd)等贵金属作为催化剂，通过氧化反应将发动机排气中NO氧化为NO2,快速SCR的反应速率要比标准SCR的反应速率快得多,所以适当提高发动机尾气中NO2的浓度含量可提高SCR催化器的转化效率[13]。

NO2占比对NOx转化效率的影响如图5所示。由图5可知,催化剂空速保持在42 000 h-1时,随着NO2含量的增加,NOx转化效率有所提高,但尾气中的NO2体积分数达到一定值时,催化器的转化效率会下降。

推测当排气温度保持恒定,NO2与NOx的体积百分比在40%～60%之间时NOx转化效率能够达到峰值。这是由于当NO2物质的量超过NO时,NO2会与NH3发生慢反应,此时NOx转化效率将不受NO2影响。

图5 NO2占比对NOx转化效率的影响

3.4 不同氧气质量分数对NOx转化效率的影响

氧气是SCR反应中的主要反应物,氧气质量分数的多少直接影响着后处理系统的整个反应过程。在NO2和NO的可逆反应中,氧气质量分数直接影响NO与NO2相互转化速率，从而影响NOx转化效率。

氧气质量分数对NOx转化效率的影响如图6所示。从图6可以看出，当催化剂空速保持在42 000 h-1含量、氧气质量分数在0%～3 %范围时,随着氧气质量分数的增加,且温度越高,NOx转化效率越高。这主要是由于氧气和NO反应生成NO2，有利于NOx被还原以及氧分子在载体表面上的吸附和传递；当氧气质量分数进一步提高时,氧分子在催化剂活性位上的吸附已经达到饱和,氧气质量分数对NOx转化效率基本无影响。

图6 氧气质量分数对NOx转化效率的影响

4 结 论

本文基于AVL BOOST软件建立了一维数值模型,研究了发动机的排气温度、进气流量、NO2占比和氧气质量分数对SCR催化器转化效率的影响，能在一定程度上分析并预测NOx转化效率的变化趋势,具体分析结果如下:

(1) 试验过程中,排气温度在一定范围内,SCR系统能够实现高效转化NOx,本文中柴油机的最佳转化温度为310 ～490 ℃,经检测,在此范围内,尾排中NOx含量极低,能够满足国Ⅵ排放法规的要求。

(2) 在最佳转化温度范围内,温度是NOx转化效率的主要影响因素,进气流量对NOx转化效率几乎没有影响。但在低温条件下,温度不再是主导因素。当排气温度保持21 ℃时,随着进气流量持续升高,NOx转化效率从72 %下降至40 %。

(3) 保持同一工况下,NO2在NOx中的占比低于50 %时,NO2占比越高,NOx转化效率越高,NO2占比在45 %～55 %之间取得最高的转化效率。在SCR前加装DOC和DPF能够使部分NO氧化，从而提高NO2占比,达到更好的净化效果，但应加以控制,才能有效提高NOx转化效率。在实际实验过程中,加装DOC和DPF后的转化效率反而比仅使用SCR催化器的NOx转化效率低,排查后推测是由于加长排气管路后排气温度下降所导致的。

(4) 氧气质量分数在0%～3%的范围内对NOx转化效率具有促进作用，且排气温度越高,促进转化效果越明显；超过3 %以后,氧气质量分数对NOx转化效率几乎没有影响。