柴油机空气辅助式SCR试验研究分析.pdf

第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.09.022柴油机空气辅助式 SCR 试验研究分析和志高1，杨树启2，郭宇辰3，杨辉1，施世泽1（1.671006 云南省 大理市 滇西应用技术大学；2.678400 云南省 德宏傣族景颇族自治州 云南省德宏职业学院；3.010018 内蒙古自治区 呼和浩特市 内蒙古农业大学）摘要 对装配气助式 SCR 系统进行不同工况下的尿素喷射量、ESC 测试的 NOX转化效率及稳定工况下的尿素/NOX当量比进行了试验研究。结果表明，相比非气助式 SCR，气助式 SCR 系统具有更高的尿素喷射压力、更好的尿素雾化和蒸发效果，表现出更好的 NOX转化效率。在稳态测试循环工况（ESC）试验中，气助式 SCR 的温度上升到 250 以上时，NOX转化效率近 95%。同时，在尿素/NOX当量比与 NOX转化效率试验中，NOX转化效率随着尿素/NOX当量比的增大而增加，当量比为2时，NOX转化效率达到最大值，但需要将尿素/NOX当量比控制在1.01.4，以避免过高的尿素/NOX当量比造成氨逃逸。关键词 尿素喷射量；NOX转化效率；尿素/NOX当量比；氨逃逸 中图分类号 TK421+.5 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0101-06引用格式：和志高,杨树启,郭宇辰,等.柴油机空气辅助式 SCR 试验研究分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(9):101-106.Study and analysis of air-assisted SCR testing for diesel enginesHE Zhigao1,YANG Shuqi2,GUO Yuchen3,YANG Hui1,SHI Shize1(1.West Yunnan University of Applied Sciences,Dali 671006,Yunnan,China;2.Dehong Vocational College,Dehong 678400,Yunnan,China;3.Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,Inner Mongolia,China)Abstract Research was conducted on the urea injection quantity under different operating conditions,the NOX conversion efficiency during ESC testing,and the urea/NOX equivalence ratio under stable conditions for assembly of gas-assisted SCR systems.The results showed that compared to non-gas-assisted SCR,air-assisted SCR systems had higher urea injection pressure,better urea atomization and evaporation effects,and better NOX conversion efficiency.In ESC testing,when the temperature of air-assisted SCR systems rose above 250 ,the NOx conversion efficiency reached nearly 95%.Meanwhile,in the test of urea/NOX equivalence ratio and NOX conversion efficiency,the NOX conversion efficiency increased as the urea/NOX equivalence ratio increased.When the equivalence ratio was 2,the NOX conversion efficiency reached its maximum value,but the urea/NOX equivalence ratio needed to be controlled in the range of 1.01.4 to avoid excessive urea/NOX equivalence ratio causing ammonia escape.Key words urea injection quantity;NOx conversion efficiency;urea/NOx equivalence ratio;ammonia escape0 引言柴油机以其高效节能、耐用可靠等优点，成为现代交通运输、工程建设等领域的主流动力1，然而柴油机运行过程中会产生大量的氮氧化合物（NOX）、颗粒物（PM），其中 NOX是造成光化学烟雾的重要来源2。随着排放法规越来越严格，优化发动机缸内工作和加装缸外后处理装置成为了排放净化的最佳选择。目前控制柴油机 NOX排放净化主流机内有废气再循环（EGR）技术，机外有选择性催化还原技术（SCR）等，SCR 技术以其高效、稳定及可靠的特点，成为我国减少柴油机 NOX排放最主要的技术之一3。在柴油机 NOX排放控制的应用中，空气辅助式 SCR 技术通过在 SCR 尿素喷射中引入适量空气，提高了尿素雾化和蒸发效果4。空气注入有助于扩散尿素喷雾，增加 O2浓度，提高尿素的蒸发效率和均匀性，进而提高 SCR 系统的 NOX转化效率5。O2与 NH3一起参与反应，增大催化剂表面的活性氧物种浓度，促进反应速率和催化效率6。空气辅助式 SCR 可以在更宽的温度范围内实现 NOX的高效转化，尤其是在低温条件下可大幅提高催化剂的NOX转化效率，减小温度对 SCR 系统的影响，增强了适用性7。另外，尿素/NOX的当量比过高会造成NH3的逃逸，过低则会导致SCR反应效率减小，收稿日期：2023-05-25102农业装备与车辆工程 2023 年无法达到排放控制目标。通过精准调节尿素/NOX的当量比，可以实现更高效的 NOX转化率和更少的 HN3排放8。在实际应用中，尿素/NOX的当量比通常控制在 1.01.2，不同的柴油机和 SCR 催化剂也会有所差异9，因此在柴油机空气辅助式 SCR试验研究过程中，精准确定最佳的尿素/NOX的当量比非常重要10。通过以 D30 国 IV 柴油机加装后处理系统DOC+CDPF+SCR 进行台架试验，测试不同工况发动机加装后处理系统的排放，研究后处理系统的工作特性。本文主要以后处理系统中 SCR 为研究对象，通过对 SCR 的不同转速及扭矩工况进行研究，对比分析 SCR 的工作特性及 NOX的转化效率，研究其在不同温度、不同尿素/NOX当量比对 NOX转化效率的影响规律。1 SCR 反应机理当发动机排气温度达到催化剂起活温度时，将32.5%尿素水溶液通过喷射器以雾状的形式进入尾气中，经过喷雾、蒸发热解、混合及水解等过程后生成 NH3，并在催化剂的催化作用下发生催化还原反应和氧化反应，最终将发动机尾气中的 NOX还原成为NH3和H2O。SCR反应区域示意图如图 1 所示。对 SCR 催化器中的化学反应机理进行分析，按照反应进行的先后顺序可将主要的反应分为水解反应（式（1）、SCR 催化还原反应（式（2）式（4）及 NH3的氧化反应（ASC）（式（5）式（8）3 部分。具体反应方程式11-13为HNCO+H2O NH3+CO2 (1)4NH3+4NO+O2 4N2+6H2O (2)4NH3+2NO+2NO2 4N2+6H2O (3)8NH3+6NO2 7N2+12H2O (4)国 VI 排放法规中，为防止 NH3泄露造成新的污染，在 SCR 催化器后端需要增加氧化氨气的反应装置（ASC），ASC 反应的主要方程式14为 4NH3+3O2 2N2+6H2O (5)4NH3+5O2 4NO+6H2O (6)4NH3+7O2 4NO2+6H2O (7)4NH3+4O2 8N2O+6H2O (8)2 试验设备与试验方案2.1 试验设备以 D30 四缸直列式高压共轨柴油发动机为研究对象，加装后处理 DOC+CDPF+SCR 进行台架试验。重点研究发动机在不同工况及尿素/NOX当量比下气助式 SCR 系统进行 NOX的转化效率。后处理系统中 SCR 载体涂覆的催化剂为钒基催化剂（V2O5-WO3/TiO2）。发动机主要技术参数如表 1所示，后处理系统催化剂载体相关参数如表2所示，试验后处理技术路线图 2 所示。表 1 发动机主要参数Tab.1 Main engine parameters发动机指标参数型号D30TCI缸径 行程/mm95105排量/L2.977技术形式4 缸直列、16 气门、增压中冷、高压共轨额定功率/kW/转速/(r/min)110/3 200最大转矩/(N m)/转速/(r/min)400/16002600最低燃油消耗率/(g/(kW h)208后处理路线DOC+CDPF+SCR表 2 催化器载体主要参数Tab.2 Main parameters of catalyst carrier参数数值DOCCDPFSCR载体直径/mm190.5190.5190.5载体长度/mm101.6220152.4配比0.952.081.91目数/cm-2473147催化剂铂钯（5 1）铂钯（51）V2O5WO3/TiO2涂覆量30 g/ft310 g/ft3270 g/L图 1 SCR 反应区域示意图Fig.1 Schematic diagram of SCR reaction zone尿素水溶液（NH2）2CO尿素喷射 混合器水解NH3NH3HNCONOXN2H2OSCR 催化还原反应区域热解+CAT1 CAT2 ASC发动机线路温度传感器氮氧传感器温度传感器氮氧传感器高压空气质量传感器信号温度传感器信号液位传感器信号进气管尿素供给尿素回流CAN-H线CAN-H线CAN-L线CAN-L线SCR 图 2 试验技术路线图Fig.2 Experimental technology roadmap温度传感器信号温度传感器信号发动机ECU尿素箱空气压缩机发动机DOCCDPFCAT1 CAT2 ASC尿素喷射 混合器空气罐SCR控制单元(DCU)尿素泵103第 61 卷第 9 期试验中的 SCR 尿素喷射系统是一套完整的气助式喷射尿素电子控制系统，主要由空气压缩机、空气罐、尿素箱、尿素泵及控制单元（DCU）等组成。DCU 控制器通过对发动机的排气流量、排气温度和 NOX排放量等检测，实现自动控制喷射，同时可以精确实现不同尿素/NOX当量比的喷射。SCR 尿素喷射系统设备型号与规格如表 3 所示。表 3 SCR 系统设备型号与规格Tab.3 Model and specification of SCR system equipment 组件名称型号/规格数量尿素喷射部分尿素泵07 500 mL/h1尿素喷嘴3 孔1油气分离器AS24741泵线束ITT37 针转航空，长 5 m1尿素罐总成16 L，含液位温度传感器1尿素喷射管D=6.30，2 m，非加热1尿素进液管D=9.49，1 m，非加热1尿素回液管D=7.89，1 m，非加热1PU 压缩空气管4 m 6/4 mm1温度部分PT200 温度传感器-40 +850 3PT200温度传感器线束10 m3NOX测量部分NOX传感器德国大陆(UniNOx-Sensor)2NOX传感器座SUS3042NOX传感器线束5 针+5 m12.2 试验方案试验在海拔 1 950 m 和大气压力 81 kPa 的环境下进行。研究不同转速（1 200、1 400、1 800、2 200、2 600 r/min）及其对应的转矩（100、150、200、250、300 N m）下 SCR 的转化效率，通过对比有气助和非气助 2 种尿素喷射系统，并以空气辅助式尿素喷射系统为主要对象，研究 SCR 系统在不同转速及扭矩工况的工作特性，并针对后处理 SCR系统的排气温度、排气流量、气体组分、尿素喷射量、ESC 测试下 SCR 的 NOX转化效率等进行检测，以及不同排气温度和尿素/NOX当量比对 NOX转化效率影响的试验研究。目的是进一步提高空气辅助式尿素喷射系统的 NOX转化效率，实现对尿素喷射量的精确控制，减小氨逃逸，使 SCR 系统满足国 VI 排放要求。3 试验结果与分析3.1 不同工况下气助式 SCR 尿素喷射量对比分析图 3 为不同工况下发动机排放和 SCR 系统的尿素喷射量对比。由图 3 可知，排气温度、排气流量及尿素喷射量随发动机转速和转矩升高而增大，因此，排气温度和排气流量是 SCR 尿素喷射量的重要依据。图 3（c）中，随着发动机转速和转矩升高，SCR 入口 NOX排放量逐渐减少，但尿素喷射量不断增大，原因是排气温度低于 200，SCR催化剂中的铂钯金属催化剂的活性较低。为提高SCR 转化效率，需要增加尿素喷射量。而当发动机转速较高时，排气温度和空速不断增大，NH3/NOX与SCR催化剂中的铂钯金属催化剂反应时间减少。为增大 NOX转化效率，需要进一步增加尿素喷射量。SCR 系统电控单元（DCU）根据进口前端和后端 NOX排放浓度计算 SCR 转化效率，并通过转化效率目标值对SCR尿素喷射量进行自动优化控制，但尿素喷射过多会导致氨逃逸增多，或者产生尿素结晶现象。（c）（b）（a）和志高 等：柴油机空气辅助式 SCR 试验研究分析104农业装备与车辆工程 2023 年3.2 非气助式和气助式 SCR 系统 NOX转化效率对比分析图 4 为不同工况下非气助式 SCR 系统与气助式SCR 系统前后端 NOX转化效率试验对比。试验在发动机转速（1 200、1 400、1 800、2 200、2 600 r/min）及其对应的 5 个转矩（100、150、200、250、300 N m）工况下进行，对比有气助和非气助 2 种尿素喷射系统，研究空气辅助式尿素喷射系统SCR的转化效率。试验结果显示，在不同工况下，气助式 SCR系统 NOX转化效率比非气助式 SCR 系统的更高，在低负荷工况下相差近4%，在高负荷时相差近8%。原因是随着发动机负荷增大，排气温度不断升高，相比于非气助式 SCR 系统，气助式 SCR 系统能实现更高的尿素喷射压力，而高压空气和尿素混合喷射促进了尿素雾化和蒸发效果，产生更多 NH3，也进一步增加排气中的 O2含量；在大负荷、排气温度较高时，促进了 SCR 的水解反应和催化还原反应，提高了 NOX转化效率。3.3 ESC 测试工况下气助式 SCR 系统 NOX排放分析图 5 为 ESC 测试工况下气助式 SCR 前后端NOX转化效率对比，可见，ESC 测试不同工况下SCR 进口端 NO/NO2比值均小于 2.5，原因是后处理系统中的 DOC 能够促进 NO/NO2趋于 1，有利于提高 SCR 的转化效率。ESC 测试时，SCR 系统DCU 始终控制尿素/NOX当量比接近 1。在尿素/NOX当量比为1时，NOX转化效率平均在90%以上，13 个测试点转化效率均稳定达到了 86%。当 SCR进口温度高于 250 时，SCR 的反应速度加快，此时 NOX转化效率近 95%。综上可得，ESC 测试工况下气助式 SCR 系统控制较为精确、反应灵敏度较好，NOX转化效率较高，表现出较好的运行稳定性。（d）图 3 不同工况发动机排放和 SCR 尿素喷射量对比Fig.3 Comparison of emissions and SCR urea injection amounts under different operating conditions for engines（a）排气流量 （b）排气温度 （c）SCR 入口 NOX排放 （d）尿素喷射量（a）（b）（c）（e）图 4 非气助与气助式 SCR 前后端 NOx 转化效率对比Fig.4 Comparison of front and rear NOx conversion efficiency for non-air-assisted and air-assisted SCR（a）转矩：100 N m （b）转矩：150 Nm （c）转矩：200 N m（d）转矩：250 N m （e）转矩：300 N m（d）105第 61 卷第 9 期3.4 稳定工况下不同尿素/NOX当量比与 NOX转化效率分析尿素在喷入 SCR 系统之后，经过热解、水解后一部分NH3首先吸附在催化剂表面的活性位上，另一部分 NH3吸附在催化剂的非活性位上。吸附在活性位上的 NH3会快速与 NOX发生反应，尿素/NOX当量比持续增加，吸附在活性位上的 NH3会达到饱和状态，只有当停止尿素喷射，NH3含量不足的情况下吸附在非活性位上的 NH3才会转移到活性位上并快速释放参与反应。本次试验选取1.02.0 的尿素/NOX当量比，探究尿素/NOX当量比对 NOX转化效率的影响。图 6 为稳定工况下不同尿素/NOX当量比与NOX转化效率的对比。由图 6 可知，在稳定工况反应温度为 200、尿素/NOX当量比在 1.01.7 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比的增大而提高；当尿素/NOX当量比大于 1.4 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比增大趋于稳定，原因是尿素/NOX当量比大于 1.4 时，NH3在 SCR 催化器中反应中达到饱和，NH3在催化剂活性位上吸附速率达到较高水平，此时 NOX转化效率达到最大值。若进一步加大尿素喷射，过高的尿素/NOX当量比可能造成氨逃逸，虽有 ASC 能够有效氧化多余的 NH3，但为防止 NH3二次污染，根据发动机的实际工况，尿素/NOX当量比需要控制在 1.01.4。在尿素连续喷射 30 min 与不同尿素/NOX当量比 NOX转化效率对比中，试验设定为 15 min 后保和志高 等：柴油机空气辅助式 SCR 试验研究分析（d）图 5 ESC 测试工况气助式 SCR 前后端 NOX转化效率对比Fig.5 Comparison of front and rear NOx conversion efficiency for ESC test cycle with air-assisted SCR（a）NO/NO2体积比 （b）进气流量和尿素喷射量（c）进口温度和 NOX转化效率 （d）SCR 前后端 NOX浓度（a）（b）（c）（b）图 6 稳定工况不同尿素/NOX当量比 NOX转化效率对比Fig.6 Comparison of NOX conversion efficiency under different urea/NOX equivalent ratios for stable operating conditions（a）不同尿素/NOX当量比NOX转化（b）稳定工况 SCR 转化效率（a）转速：1 100 r/min扭矩：90 NmSCR 入口温度：200 转速：1 100 r/min 扭矩：90 N m SCR 入口温度：200 106农业装备与车辆工程 2023 年持尿素/NOX当量比为2，在20 min后停止尿素喷射，在开始喷射尿素时，SCR 后端 NOX浓度下降较为明显，表明 NH3在催化剂活性位上吸附速率较快，SCR 效率较高。在 015 min，随着尿素/NOX当量比的增大，NOX转化效率亦增大，在 15 min 当量比为 2 时达到最大；在 1520 min，由于持续喷入的尿素过多，导致 NH3在催化器中积累较多，影响 NOX传感器的工作，表现为 NOX排放升高，NOX转化效率降低；在 20 min 时停止喷射尿素，而在 2025 min，储存在催化剂活性位上的 NH3开始释放，非活性位上的 NH3继续转移到活性位上并迅速反应，NOX传感器工作逐渐恢复正常，NOX转化效率升高；在 25 min 后由于储存在活性位上的 NH3被消耗，浓度开始上升，因此 NOX转化效率迅速减小。综上可得，在不同尿素/NOX当量比下气助式SCR 系统尿素控制效果良好，在当量比为 2 时 NOX转化效率达到最大，若当量比进一步增加，NOX转化效率反而会减小，试验表明尿素/NOX当量比不能高于1.4，尿素喷射量过高易造成氨逃逸。因此，精确控制尿素喷射量、优化尿素/NOX比例控制策略对 SCR 满足国 VI 排放标准非常重要。4 结论（1）对比非气助式 SCR 系统，气助式 SCR系统有更高的尿素喷射压力，更好的尿素雾化、蒸发效果，还增加了排气中的 O2含量，并有效改善因排气流量增加造成的混合气不均匀程度，表现出更好的 NOX的转化效率。（2）在 ESC 各工况试验中，13 个测试点转化效率稳定达到了 86%，当温度上升到 250 以上，NOX转化效率近 95%，表明气助式 SCR 系统控制较为精确、反应灵敏度较好、NOX转化效率较高且稳定，为满足国 VI 排放标准提供重要参考。（3）在温度为 200 稳定工况下，尿素/NOX当量比与 NOX转化效率试验中，尿素/NOX当量比在 12 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比增大而提高，但当尿素/NOX当量比大于 1.4 时，NOX转化效率随尿素/NOX当量比趋于稳定；在较长时间运行的稳定工况下，尿素/NOX当量比为 2 时NOX转化效率达到最大，但为防止尿素/NOx 当量比过高而造成氨逃逸，尿素/NOX当量比需要控制在 1.01.4。参考文献1 秦业志.船舶吊舱式电力推进系统船机桨匹配研究 D.集美大学,2015.2 李松峰,张春化,李阳阳,等.柴油车选择性催化还原和氨逃逸催化研究进展 J.长安大学学报:自然科学版,2022,42(1):18.3 王汇龙.SCR 与 EGR 联合降低柴油机 NOx 排放仿真研究 D.上海工程技术大学,2014.4 刘旭海,王军,张建华,等.空气辅助和无空气辅助 SCR 系统排放和结晶对比 J.内燃机与动力装置,2017,34(6):5.5 叶丽华,李杰,施爱平.空气辅助式 SCR 系统非圆形喷孔喷雾速度场研究 J.农业装备与车辆工程,2022(005):060.6 华伦,赵彦光,胡静,等.空气辅助和无空气辅助 SCR 系统尿素喷雾特性的对比试验研究 J.汽车工程,2013(3):5.7 张传霞.柴油机 SCR 技术 NOx 转化效率影响因素及催化剂温度特性研究 D.北京工业大学.8 蔡忆昔,唐炜,王军,等.基于 NOx 传感器 NH3交叉感应的柴油机 Urea-SCR 的试验 J.内燃机学报,2015(5):5.9 王春霞.载体 TiO_2 对脱硝催化剂性能的影响和催化剂失活与再生研究 D.浙江大学,2013.10 吴恒,程晓章,韦伟.柴油机 SCR 系统 NOx 转化效率影响因素分析 J.合肥工业大学学报（自然科学版）,2020(008):043.11 KOEBEL M,ELSENER M.Selective catalytic reduction of NO over commercial DeNOx-catalysts:experimental determination of kinetic and thermodynamic parametersJ.Chemical Engineering Science,1998,53(4).12 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