胡杰　周帆亮　王天田　侯獻軍

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

?

柴油機Urea-SCR催化器儲氨量計算*

胡杰1,2周帆亮1,2王天田1,2侯獻軍1,2

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430070；2.汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

【摘要】針對Urea-SCR催化器儲氨量計算問題，提出基于催化器下游NOx變化規(guī)律的計算方法，并分析對比其與質(zhì)量守恒法的準(zhǔn)確程度。在AVL臺架上開展儲氨特性試驗并分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，添藍(lán)溶液不足時，質(zhì)量守恒法計算結(jié)果為負(fù)數(shù)且添藍(lán)溶液過噴時其計算結(jié)果遠(yuǎn)大于變化規(guī)律法；相比質(zhì)量守恒法，變化規(guī)律法排除了HC與NOx的反應(yīng)以及添藍(lán)溶液的沉淀與結(jié)晶對計算結(jié)果的影響，誤差減少10 %。

?自然科學(xué)基金項目（51406140）及國際合作項目(2012DFA11180)資助。湖北省自然科學(xué)基金重點項目“輕型柴油車噴油助燃再生顆粒捕集器理化特性及控制策略研究”（2013CFA104）資助。

主題詞:柴油機Urea-SCR催化器儲氨量計算

1　前言

柴油機國IV階段排放法規(guī)的正式實施標(biāo)志著Urea-SCR技術(shù)在重型柴油車上進入大規(guī)模應(yīng)用階段。由于氨能夠在催化劑表面吸附或脫附，如果不能準(zhǔn)確得到實時儲氨量，則會給添藍(lán)控制過程帶來諸多不確定性，瞬態(tài)工況下將出現(xiàn)NOx轉(zhuǎn)化效率不足或者氨泄漏現(xiàn)象[1～3]。同時，催化器儲氨狀態(tài)不明，則難以對低溫儲氨量進行控制，使得催化器轉(zhuǎn)化性能的可利用性降低。

本文在實際發(fā)動機排氣條件下，研究能夠準(zhǔn)確計算穩(wěn)態(tài)工況下Urea-SCR催化器儲氨量的方法，對比分析質(zhì)量守恒法和變化規(guī)律法，并通過試驗驗證質(zhì)量守恒法和變化規(guī)律法的計算結(jié)果。

2　Urea-SCR儲氨機理與反應(yīng)過程

2.1 Urea-SCR儲氨機理

Urea-SCR催化器的工作原理是氨與NOx在催化劑的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，主要遵循Eley-Rideal機理和Langmuir-Hinshelwood機理[4～6]，且基于大量試驗結(jié)果認(rèn)為釩基Urea-SCR催化劑上的反應(yīng)主要遵循Eley-rideal機理[7]。該機理認(rèn)為，氣態(tài)氨進入Urea-SCR催化器后吸附到催化器表面而形成吸附態(tài)的氨，如式（1）所示；吸附態(tài)的氨能與氣態(tài)NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且將NOx催化轉(zhuǎn)化為氮氣。

其中，θ表示Urea-SCR催化器上的活性位。Urea-SCR催化器的儲氨能力直接受活性位的數(shù)目影響，活性位越多，Urea-SCR催化器儲氨量與儲氨速率越大，反之則越小。當(dāng)Urea-SCR催化器上活性位仍有剩余時，催化器能夠持續(xù)吸附排氣中的氨，反應(yīng)朝右側(cè)進行；變工況時，當(dāng)Urea-SCR催化器的儲氨量大于當(dāng)前最大儲氨量時，Urea-SCR催化器發(fā)生脫附效應(yīng)，反應(yīng)朝左側(cè)進行。

2.2尿素的分解與水解

在Urea-SCR系統(tǒng)中，從添藍(lán)溶液轉(zhuǎn)化為氨包含以下步驟[8]：噴射入排氣管中的添藍(lán)溶液在高溫作用下迅速脫水蒸發(fā)，變?yōu)楣腆w尿素；1 mol固體尿素?zé)峤鉃? mol氨和1 mol異氰酸；1 mol異氰酸發(fā)生水解反應(yīng)，生成1 mol氨。因此，1 mol尿素完全分解可產(chǎn)生2 mol氨。

2.3 NOx還原反應(yīng)

Urea-SCR系統(tǒng)中的主要反應(yīng)有3個[9]：SCR標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)、SCR快速反應(yīng)以及SCR慢反應(yīng)。通常，只有當(dāng)排氣中的NO完全耗盡才有可能發(fā)生SCR慢反應(yīng)。大多數(shù)工況下，NO與NO2濃度比約為9∶1，因此SCR標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)與SCR快速反應(yīng)是NOx還原反應(yīng)中的占優(yōu)反應(yīng)。無論是SCR標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)還是SCR快速反應(yīng)，NO與NO2均是按照物質(zhì)的量比1∶1與氨進行反應(yīng)。

3　Urea-SCR催化器儲氨量計算

3.1質(zhì)量守恒法

質(zhì)量守恒法基于添加到Urea-SCR系統(tǒng)中的添藍(lán)溶液噴射量QUrea、參與反應(yīng)的氨的質(zhì)量流量mcov以及氨泄漏的質(zhì)量流量mslip，通過公式運算得到催化器的儲氨量。

假設(shè)添藍(lán)溶液中的尿素完全分解為氨，則可以根據(jù)噴射到排氣中的添藍(lán)溶液噴射量來計算添加到Urea-SCR系統(tǒng)中氨的質(zhì)量流量madd：式中，ρ為添藍(lán)溶液的密度，取ρ=1 090 kg/m3；ω為添藍(lán)溶液中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取ω=32.5 %；MNH3為氨的摩爾質(zhì)量，17 g/mol；MUrea為尿素分子的摩爾質(zhì)量，60 g/mol。

根據(jù)NOx還原反應(yīng)機理，排氣中的NOx與氨按物質(zhì)的量1∶1發(fā)生反應(yīng)。上下游NOx物質(zhì)的量的變化等于參與反應(yīng)的氨的物質(zhì)的量。最后經(jīng)過換算，得到反應(yīng)的氨的質(zhì)量流量mcov：式中，Qexhaust為發(fā)動機的廢氣質(zhì)量流量，單位為kg/h；CNOx-up為催化器上游的NOx濃度，單位為10-6；CNOx-down為催化器下游的NOx濃度，單位為10-6；Mexhaust為發(fā)動機尾氣的摩爾質(zhì)量，29 g/mol。

根據(jù)氨的泄漏濃度Cslip可以計算氨泄漏的質(zhì)量流量

mslip：最終得到質(zhì)量守恒法儲氨速率KNH3-con：

因此，按照質(zhì)量守恒法，結(jié)合式（2）～式（5），得到儲氨速率KNH3-con的計算公式（6）。對任意時間段進行積分，即可得到該時間段的儲氨量。

文獻[10]指出，由于NOx傳感器的交叉感應(yīng)使得催化器下游NOx傳感器在氨泄漏時的讀數(shù)偏高，應(yīng)當(dāng)進行如下修正：式中，CNOx-t為t時刻NOx傳感器的測量值；C*NOx為t時刻

真實的催化器下游NOx濃度；KCS為交叉感應(yīng)系數(shù)，其對排氣溫度有較大依賴性。

3.2變化規(guī)律法

根據(jù)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、扭矩為233 N·m、尿素噴射量為250 g/h時的催化器下游排氣組分濃度進行繪圖，如圖1所示。

圖1　催化器下游排氣組分濃度

開始噴射添藍(lán)溶液后，尿素分解生成氨，假設(shè)確定工況條件下的副反應(yīng)發(fā)生的比例和尿素沉積或結(jié)晶比例僅和尿素噴射量有關(guān)，如果不考慮載體的儲氨特性，下游的NOx濃度應(yīng)該在SCR反應(yīng)后立刻降低至相應(yīng)濃度，并保持穩(wěn)定。但圖1所示的試驗結(jié)果表明，在開始噴射后一段時間，下游NOx開始快速下降，并沒有立刻下降至這一噴射量對應(yīng)的最低水平，而是經(jīng)過一段較長的時間后才緩慢下降至最低水平。這一現(xiàn)象是由于供給的氨有一部分被催化器吸附，未完全參與SCR反應(yīng)所致，因此可以依據(jù)噴射尿素時NOx應(yīng)該達到的濃度水平和實際達到的濃度水平的差異，來評估此時的儲氨速率。

圖1中t1為開始噴射添藍(lán)溶液的時刻，t2為噴射添藍(lán)溶液后下游NOx濃度達到穩(wěn)定值CNOx-t2的時刻。將t1至t2時間段內(nèi)任一時刻記為tads，將tads時刻對應(yīng)的催化器下游NOx濃度記為CNOx-t-ads。如果不考慮載體的儲氨特性，t時刻催化器下游NOx濃度應(yīng)該為CNOx-t2。因此，t時刻催化器下游NOx的實際濃度CNOx-t-ads與穩(wěn)定值CNOx-t2的差值即是由t時刻儲氨導(dǎo)致的。由于排氣中NOx與氨按照物質(zhì)的量1∶1進行反應(yīng)，吸附階段t時刻對應(yīng)的儲氨速率KNH3-ads如式（8）所示。對t1-t2時間段進行積分，即可得到催化器吸附階段的儲氨量，對應(yīng)圖1中陰影A的面積。

t3為停止噴射添藍(lán)溶液的時刻，t4為停止噴射添藍(lán)溶液后下游NOx濃度達到穩(wěn)定值CNOx-t4的時刻。與式（8）相似，t3-t4時間段內(nèi)，脫附階段任意時刻tdes對應(yīng)的儲氨速率KNH3-des如式（9）所示。對t3-t4時間段進行積分，即可得到催化器脫附階段的儲氨量，對應(yīng)圖1中陰影B的面積。

變化規(guī)律法根據(jù)催化器下游NOx變化規(guī)律計算穩(wěn)態(tài)工況下的催化器儲氨量，當(dāng)添藍(lán)溶液過噴時，才會出現(xiàn)較為明顯的氨泄漏，此時應(yīng)用式（7）對下游NOx濃度進行修正。隨著溫度的升高，氨的副反應(yīng)增多，一部分氨并未參與SCR反應(yīng)就直接被氧化為NOx，使下游NOx濃度測量失真，也會對變化規(guī)律法的計算結(jié)果造成影響。

4　儲氨量計算試驗

4.1試驗設(shè)備

試驗用還原劑為車用標(biāo)準(zhǔn)添藍(lán)溶液，尿素質(zhì)量濃度為32.5 %。試驗用發(fā)動機為6缸直列水冷發(fā)動機，進氣方式為增壓中冷，額定功率為179 kW，最大扭矩為940 N·m。Urea-SCR催化器采用釩基催化劑，催化器載體孔道密度cpsi=400目，體積為13.5 L。試驗用燃油為國III柴油，含硫濃度為350×10-6。試驗測試設(shè)備如表1所列。

表1　試驗設(shè)備

4.2試驗方案

發(fā)動機在不噴射添藍(lán)溶液的情況下運行一段時間，充分消耗催化器中的儲氨；噴射添藍(lán)溶液，當(dāng)催化器下游NOx濃度達到一個穩(wěn)定值時，認(rèn)為催化器達到該工況、該噴射量下的飽和儲氨量。試驗共2個工況，分別是轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、扭矩為233 N·m的工況及轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、扭矩為476 N·m的工況，記為工況Ⅰ與工況Ⅱ。根據(jù)不同的添藍(lán)溶液噴射量，定義f為添藍(lán)溶液的過噴系數(shù)，當(dāng)f=1時表示該穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動機排氣中NOx與噴射的添藍(lán)溶液恰好完全反應(yīng)；f=0.5則表示該工況排氣中NOx與添藍(lán)溶液噴射量的一半恰好完全反應(yīng)。

5　試驗結(jié)果與分析

根據(jù)質(zhì)量守恒法計算儲氨速率，當(dāng)儲氨速率為正時，催化器儲氨；當(dāng)儲氨速率為負(fù)時，催化器消耗儲氨。催化器在未噴射添藍(lán)溶液時，不存在尿素噴射量，也不存在氨泄漏，此時上下游NOx濃度應(yīng)當(dāng)一致，儲氨速率為零；開始噴射添藍(lán)溶液后，儲氨速率瞬間達到最大值，隨后繼續(xù)噴射添藍(lán)溶液，儲氨量持續(xù)增加，儲氨速率逐漸降低；當(dāng)儲氨量達到該工況、該噴射量下的飽和值時，儲氨速率穩(wěn)定為零；停噴之后，儲氨速率瞬間變?yōu)樽畲筘?fù)值，表示消耗儲氨速率最大，隨后儲氨速率逐漸增大趨近于零。工況Ⅰ與工況Ⅱ下不同f的排放信息如表2和表3所列，其中NOx峰值表示不噴射添藍(lán)溶液時催化器下游NOx濃度，NOx谷值表示噴射添藍(lán)溶液后催化器下游NOx濃度達到穩(wěn)定時的濃度值。

表2　工況Ⅰ排放信息

利用質(zhì)量守恒法與變化規(guī)律法，將表2與表3中數(shù)據(jù)整理為儲氨速率曲線，如圖2～圖5所示。

表3　工況Ⅱ排放信息

圖2　工況Ⅰ儲氨速率曲線（質(zhì)量守恒法）

圖3　工況Ⅰ儲氨速率曲線（變化規(guī)律法）

圖4　工況Ⅱ儲氨速率曲線（質(zhì)量守恒法）

對圖2中質(zhì)量守恒法的儲氨速率曲線在48-246 s進行積分，可以獲得對應(yīng)吸附階段的儲氨量，結(jié)果為-0.258 g；變化規(guī)律法吸附階段儲氨量計算結(jié)果為0.321 g?？芍?，質(zhì)量守恒法的計算結(jié)果明顯與理論不符。

從圖2可以看出，儲氨接近飽和時，利用質(zhì)量守恒法計算得到的不同f下的儲氨速率大多為負(fù)值。未噴射添藍(lán)溶液時，催化器上游NOx濃度大于下游NOx濃度，按照質(zhì)量守恒法計算催化器儲氨量，將會對儲氨量計算造成誤差，使計算值比實際值偏小。誤差主要歸因于排氣中未燃燒的HC的作用，分析如下。

a.未燃燒完全的HC化合物與排氣中的氧發(fā)生氧化反應(yīng)，被氧化為CxHyOz類物質(zhì)，然后與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N2、H2O、CO2等物質(zhì)；

b. NO被氧化為亞硝酸鹽或者硝酸鹽，然后被HC還原。

由于發(fā)動機排氣中HC與NOx濃度直接與發(fā)動機工況相關(guān)聯(lián)，當(dāng)工況固定時，排氣中HC與NOx濃度是一定的，當(dāng)不噴射添藍(lán)溶液時，儲氨速率為-26 g/h。因此，當(dāng)工況固定時，排氣中HC對于質(zhì)量守恒法的影響可以通過標(biāo)定不同工況下催化器上下游NOx濃度來消除。

工況Ⅰ，f為0.5時，在排氣中HC的作用下，催化器上游NOx濃度均大于下游NOx濃度。假如不考慮排氣中HC與NOx的還原反應(yīng)，上下游NOx應(yīng)當(dāng)一致，吸附階段反應(yīng)的氨的質(zhì)量流量mcov應(yīng)當(dāng)為催化器上游NOx濃度CNOx-up（等于催化器下游NOx濃度CNOx-down）減去未噴射添藍(lán)溶液或者停噴添藍(lán)溶液達到穩(wěn)定值時對應(yīng)的氨的質(zhì)量流量。對反應(yīng)的氨的質(zhì)量流量mcov在t1-t2時間段上進行積分，即可得到儲氨階段反應(yīng)的氨的質(zhì)量，對應(yīng)于圖1中面積Y。由于排氣中HC與NOx發(fā)生還原反應(yīng)，實際計算時增加了面積X對應(yīng)的誤差。

根據(jù)表2與表3中的排放信息，計算得到不同工況、不同f下反應(yīng)的氨的質(zhì)量mcov以及排氣中HC帶來的計算誤差Δmcov，如表4和表5所列。

表4　工況ⅠHC誤差分析

表5　工況ⅡHC誤差分析

根據(jù)圖2～圖4以及表4和表5中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)f較小時，隨著f增大，從開始噴射添藍(lán)溶液時刻t1到催化器下游NOx達到穩(wěn)定時刻t2的時間段逐漸縮短，排氣中HC對于計算結(jié)果造成的誤差逐漸減??；當(dāng)尿素噴射量過大時，花費更長的時間使下游NOx濃度達到穩(wěn)定，排氣中HC帶來的計算誤差Δmcov雖然較大，但由于mcov也較大，基本符合隨著f增大排氣中HC對于質(zhì)量守恒法的計算結(jié)果造成的誤差逐漸減小的規(guī)律。

根據(jù)工況Ⅰ與工況Ⅱ在各f下的排放數(shù)據(jù)，采用質(zhì)量守恒法和變化規(guī)律法分別計算Urea-SCR催化器吸附階段儲氨量如表6和表7所列。

表6　質(zhì)量守恒法計算得吸附階段儲氨量g

表7　變化規(guī)律法計算得吸附階段儲氨量　g

對比表6與表7中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)f為1.6時，無論是工況Ⅰ還是工況Ⅱ，質(zhì)量守恒法相對于變化規(guī)律法的計算偏差都是極大。質(zhì)量守恒法利用尿素噴射量QUrea計算添加到Urea-SCR系統(tǒng)中氨的質(zhì)量流量。在實際情況下，添加到排氣中的氨有5個去向：

a.添藍(lán)溶液噴射到排氣管管壁，形成沉淀或結(jié)晶；

b.與NOx發(fā)生SCR反應(yīng)消耗的氨；

c.發(fā)生副反應(yīng)的氨；

d.催化器載體上存儲的氨；

e.發(fā)動機排氣中泄漏的氨。

質(zhì)量守恒法考慮了上述第b、d和e項的去向，沒有考慮a和c的去向。當(dāng)添藍(lán)溶液噴射到排氣管中，部分添藍(lán)溶液來不及發(fā)生反應(yīng)，就被蒸發(fā)掉水分，附在催化器或者排氣管上，形成沉淀或結(jié)晶；而一部分添藍(lán)溶液中氨則參與副反應(yīng)。兩種情況均導(dǎo)致實際參與SCR反應(yīng)的氨比計算值要小，最終導(dǎo)致計算得到的儲氨量偏大。因此，當(dāng)f逐漸增大時，添藍(lán)溶液的沉淀與結(jié)晶現(xiàn)象增多，質(zhì)量守恒法計算結(jié)果誤差逐漸增大。

變化規(guī)律法既排除了HC與NOx的反應(yīng)對計算結(jié)果的影響，又排除了添藍(lán)溶液的沉淀與結(jié)晶對計算結(jié)果的影響，因此其計算結(jié)果比質(zhì)量守恒法更接近真實值。通過對比表6與表7可知，當(dāng)f較小時，質(zhì)量守恒法的計算結(jié)果比變化規(guī)律法的計算結(jié)果小，此時排氣中HC導(dǎo)致質(zhì)量守恒法計算結(jié)果偏小的影響占主導(dǎo)作用；當(dāng)f較大時，質(zhì)量守恒法的計算結(jié)果比變化規(guī)律法的計算結(jié)果要大，此時尿素噴射量過多，大量添藍(lán)溶液并未添加到Urea-SCR系統(tǒng)；當(dāng)f稍微大于1，例如f=1.2或f=1.3時，此時質(zhì)量守恒法與變化規(guī)律法計算結(jié)果近似。

參考文獻

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月1日。

Ammonia Storage Amount Calculation of Urea-SCR Catalyst in Diesel Engine

Hu Jie1,2, Zhou Fanliang1,2, Wang Tiantian1,2,Hou Xianjun1,2
（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automotive Parts, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070;
2. Automotive components Technology Hubei province Collaborative Innovation Center, Wuhan 430070）

【Abstract】For the calculation of ammonia storage amount of Urea-SCR catalyst, this paper proposes the calculation method based on the change law of NOxat downstream of catalyst, and compare and analyze it’s calculation accuracy with the mass conservation. The test for ammonia storage property is carried out on AVL bench, which shows that, when the AdBlue injection is insufficient, the ammonia storage amount calculated by the method of mass conservation law is negative, when the AdBlue injection is excessive, the ammonia storage amount calculated by the method of mass conservation law is much greater than the method of change law; compared with the mass conservation law, the method of change law eliminates the effect of HC and NOxreaction and Adblue’s precipitation and crystallization on that calculation results, and the error rate is reduced by 10%.

Key words:Diesel engine, Urea-SCR catalysts, Ammonia storage amount, Calculation

中圖分類號:U464.172

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）01-0019-05