(杭州銀輪科技有限公司，杭州 310013)

集成噴嘴式SCR性能對比研究

鄭貴聰 陸國棟 張 婷 沈彩琴 許智強

(杭州銀輪科技有限公司，杭州 310013)

介紹應用FLUENT軟件對集成噴嘴式選擇性催化還原(SCR)技術和非集成噴嘴式SCR進行流場分析，同時在發(fā)動機臺架上進行2種SCR方案轉化效率試驗、壓力損失試驗、排放循環(huán)試驗和氨泄漏試驗。分析與試驗結果表明，非集成噴嘴式SCR的速度均勻性為0.965，壓力損失為 9.75kPa，均好于集成噴嘴式SCR均勻性0.940和壓力損失11.02kPa；兩者溫度場分析結果一致和轉化效率相當，瞬態(tài)排放循環(huán)ETC結果都能滿足國家要求；但瞬態(tài)排放循環(huán)過程中集成噴嘴式SCR的氨泄漏峰值為28.1×10-6，平均值為5.7×10-6，明顯好于非集成噴嘴式SCR的氨泄漏峰值120×10-6，平均值25.7×10-6。

流場分析 氨泄漏 轉化效率 壓力損失

近年來,環(huán)境保護受到國家和各企業(yè)的高度重視，國家排放法規(guī)也不斷升級，對車用柴油機排放物的檢測也越來越規(guī)范和嚴謹。選擇性催化還原(SCR)技術是降低柴油機尾氣氮氧化物(NOx)排放的有效措施，因此SCR技術是主機廠排放升級首選的減排技術和研發(fā)方向[1-2]。但是從執(zhí)行國4排放標準的市場反饋看，把噴嘴安裝在發(fā)動機的排氣管上，無論是安裝成本、安裝要求，以及后期維護都需要很大的服務成本，整車配套企業(yè)提出把噴嘴集成在催化轉化器上，降低對排氣管的安裝要求和維護成本。所謂集成噴嘴式SCR催化轉化器就是把噴嘴集成在SCR的筒體上，安裝后會使氨氣和尾氣的混合效果下降，會對整個SCR的轉化效率帶來很大的影響，且會帶來氨泄漏，造成二次污染[3]。所謂非集成噴嘴式SCR催化轉化器就是把噴嘴安裝在發(fā)動機增壓器出口的排氣管的直管上，噴嘴離SCR入口大約0.5～1.0m左右，故也稱直管噴嘴式SCR，由于噴嘴離SCR入口有一段距離，故氨氣與尾氣的混合時間會更長，混合效果會更好，減少因為混合效果不好帶來的對SCR標定的誤差。無論噴嘴是否集成，尿素結晶一直是SCR技術研究重點和難題[4]，而集成噴嘴式的SCR由于噴嘴安裝在SCR筒體上，長度比較短，要從結構上優(yōu)化綜合考慮速度均勻度和壓力損失，增加混合效果。

本文介紹了1款集成噴嘴式的SCR催化器轉化器，優(yōu)化混合段結構，通過CFD分析對比集成噴嘴式與非集成噴嘴式SCR轉化器流程均勻性和溫度場分布，同時也在發(fā)動機臺架上對2種SCR方案進行轉化效率試驗、壓力損失試驗、氨泄漏試驗和排放循環(huán)試驗，對比兩者性能結果。

1 FLUENT仿真分析

運用FLUENT軟件分別對集成噴嘴式和非集成噴嘴式的SCR進行建模仿真計算兩者的壓力場、速度場和溫度場，結果如表1所列。

表1 仿真結果對比

從表1可知，非集成噴嘴式SCR催化轉化器的速度均勻性要好于集成噴嘴式的SCR催化轉化器，但兩者模擬計算的均勻度都能滿足≥0.9；從壓降的角度考慮，噴嘴集成在轉化器上，需要增加氣液的混合效果，優(yōu)化的混合段結構增加了壓阻，整個SCR催化器壓力損失增大，但也能滿足壓降≤15kPa的配套標準[5-6]。

從圖1～4的2個方案的截面云圖來看，非集成噴嘴式SCR的流體運動速度整體要高于集成式的，截面的分布也比較均勻，速度均勻度與優(yōu)化的結構相關，壓降和速度均勻度此消彼長，需要綜合考慮進行混合段結構的優(yōu)化和驗證；兩者的溫度場分布相差不大，都是中心往外延伸均勻分布。

圖1 非集成噴嘴式SCR均勻度

圖2 集成噴嘴式SCR均勻度

圖3 非集成噴嘴式SCR溫度場分布

圖4 集成噴嘴式SCR溫度場分布

2 臺架試驗裝置和設備

試驗發(fā)動機為某國產(chǎn)6缸柴油機，并分別將2個SCR方案安裝在發(fā)動機的尾管上進行臺架對比試驗。發(fā)動機的技術規(guī)格如表2所列。

發(fā)動機試驗所采用的設備為全進口的奧地利AVL測試設備，包括AVL排放測試設備i60/AMA4000、電力測功機、進氣空調(diào)系統(tǒng)、AVL數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氨分析儀和溫度和壓力傳感器，具體的設備參數(shù)見表3所列。試驗完全按照國標進行發(fā)動機試驗邊界條件的控制，試驗過程保證設備的一致性和精度，2種方案的進氣邊界盡可能控制一致[7]。

表2 發(fā)動機技術規(guī)格

表3 發(fā)動機測試系統(tǒng)的主要設備及參數(shù)

3 發(fā)動機臺架試驗

3.1 試驗方案

試驗主要進行穩(wěn)態(tài)試驗和瞬態(tài)排放試驗，穩(wěn)態(tài)試驗主要包括轉化效率試驗和外特性各工況點SCR壓力損失試驗。瞬態(tài)試驗主要包括ETC排放循環(huán)試驗。氨泄漏試驗貫穿于所有的試驗過程中。SCR轉化效率試驗過程中設定空速為(40000±300)h-1，不同溫度(200℃、225℃、250℃、275℃、300℃、350℃、400℃)和不同的氨氮比(0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2)下，測試催化器轉化器的轉化效率和氨泄漏。

3.2 外特性壓力損失試驗結果和分析

從圖5數(shù)據(jù)可知，集成噴嘴式SCR的外特性最大壓降為11.18kPa，而非集成噴嘴式SCR的最大壓降為9.68kPa，總體上集成在催化轉化器上噴嘴，為了增加混合效果，提高了整體SCR的壓力損失，同時壓力損失的試驗結果與FLUENT模擬的結果保持一致，模型的建立和網(wǎng)格的劃分合理和準確。

圖5 外特性壓力損失對比圖

3.3 轉化效率試驗結果和分析

取氨氮比為1.2，不同溫度下的轉化效率和氨逃逸數(shù)據(jù)進行分析，如圖6所示。集成噴嘴式SCR和非集成式SCR的轉化效率基本相當，280～350℃之間的轉化效率基本達到了100%，但集成式的轉化器的氨逃逸明顯要小于非集成式的，穩(wěn)態(tài)氨逃逸小，這樣有利于避免尿素在排氣管結晶，降低排氣管結晶的風險。

圖6 轉化效率和氨逃逸對比圖

圖7 275℃、1.2氨氮比下NOx和氨逃逸對比圖

圖8 200℃、1.2氨氮比下轉化效率和氨逃逸對比圖

為了分析各溫度下轉化效率和氨逃逸變化趨勢，選擇40000空速，溫度200℃和275℃，1.2氨氮比下，分析這兩個溫度下2種方案從不噴尿素到持續(xù)噴尿素過程NOx動態(tài)變化、轉化效率動態(tài)變化率以及氨逃逸動態(tài)變化趨勢(圖7～圖8)。從2種方案的NOx變化量和氨逃逸動態(tài)數(shù)據(jù)看，集成式SCR與非集成式的NOx減排量基本相當，轉化效率的變化趨勢基本一致，但從氨逃逸的數(shù)據(jù)看，在相同的轉化效率下，200℃下的集成式SCR的氨逃逸的峰值為94×10-6，而非集成式SCR的氨逃逸高達140×10-6，明顯要高于集成式SCR的氨逃逸。

3.4 ETC排放循環(huán)試驗結果和分析

為了驗證瞬態(tài)過程中2個方案的氨泄漏變化趨勢，進行ETC排放循環(huán)，結果如表4所列，無論是集成式SCR還是非集成式SCR的ETC排放循環(huán)的NOx值都能滿足國5要求(NOx≤2g/(kW·h))[5]，且留有一定的裕度。但從氨逃逸數(shù)據(jù)看，非集成式SCR的氨逃逸的峰值高達120×10-6，平均值為25.7×10-6，不滿足法規(guī)要求氨泄漏≤25×10-6的要求。

表4 ETC排放循環(huán)結果

圖9顯示了ETC排放循環(huán)過程中的動態(tài)氨逃逸的變化趨勢，非集成式SCR在ETC循環(huán)過程中的500s左右和1400s左右出現(xiàn)峰值分別為45×10-6和120×10-6。而集成式SCR在ETC循環(huán)過程中的500s左右和1000s左右出現(xiàn)了峰值分別為9×10-6和28×10-6，集成噴嘴式SCR的氨泄漏要好于非集成式的，氨泄漏過大會造成二次污染，且增加了SCR結晶的風險。目前，很多主機廠為了降低成本而取消了氨氧化轉化器(Amox)，故氨逃逸要依靠SCR本身的反應特性來壓抑，這樣對載體、涂層和封裝的混合效果的要求更加嚴苛。

圖9 ETC排放循環(huán)氨逃逸對比圖

圖10數(shù)據(jù)對比了2個方案的ETC循環(huán)過程中催化轉化器平均溫度的動態(tài)變化情況，2個方案的溫度變化趨勢基本保持一致。

圖10 ETC排放平均溫度對比圖

4 結論

綜合仿真計算分析和發(fā)動機臺架試驗的結果來看，雖然集成噴嘴式SCR催化轉化器增加了壓力損失，但在轉化效率相同的情況下，氨逃逸明顯小于非集成噴嘴式SCR。集成噴嘴不僅使配套和維護方便，降低對排氣管的安裝要求，而且從氨逃逸的角度降低了尿素結晶的風險。

在穩(wěn)態(tài)工況下，集成噴嘴式SCR的壓力損失為11.18kPa，高于非集成噴嘴式SCR的壓力損失。在空速40000h-1，氨氮比1.2狀態(tài)下，各個溫度兩方案的穩(wěn)態(tài)轉化效率基本一致，但集成噴嘴式SCR的氨逃逸明顯低于非集成噴嘴式SCR。

2種方案ETC循環(huán)的NOx排放值滿足國家法規(guī)要求，非集成噴嘴式SCR在排放循環(huán)過程氨逃逸出現(xiàn)2次峰值，高達120×10-6，平均值為25.7×10-6，不滿足國家法規(guī)要求，而集成噴嘴式SCR平均氨泄漏為5.7×10-6滿足國標要求。后續(xù)需要進行2種方案的發(fā)動機臺架結晶試驗和整車耐久結晶試驗，定量對比分析2種方案的防結晶能力和風險。

[1] Chen L, et al. Simulation modeling and experiment to reduction of NOxemission by using SCR control System[C]. ICE 2011，4.

[2] 徐陽.面向歐三以上法規(guī)的柴油機排氣后處理技術方案[J].武漢理工大學學報： 信息與管理工程版，2006,28: 34-37.

[3] 陳鎮(zhèn)，陸國棟，趙彥光，等.集成式SCR催化轉化消聲器性能研究[J].車用發(fā)動機，2011，4.

[4] 溫苗苗.尿素選擇性催化還原系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化[D].武漢： 武漢理工大學，2009.

[5] 國家環(huán)境保護總局、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB17691—2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法[S]．北京: 中國標準出版社，2005.

[6] Helden V R, Verbeek R, Willems F, et al. Optimization of urea SCR de NOxsystem for HD diesel engines[C].SAE Paper 2004-01-0154.

[7] 陳凌珊，孫晨，騰華，等.柴油機SCR系統(tǒng)NOx催化還原反應的模擬研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2012,41: 52-54.