基于國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究分析

程曉章, 錢 賽, 劉長波, 管金彪, 王 浩, 邢曉通

(合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

全球變暖導(dǎo)致全球范圍內(nèi)氣候劇烈變化和生態(tài)系統(tǒng)失衡,因此,廢氣排放法規(guī)包括汽車行業(yè)法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格。在內(nèi)燃機(jī)中,柴油發(fā)動機(jī)因其動力性強(qiáng)、燃油效率高而被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。柴油機(jī)主要排放污染物為氮氧化物(NOx)和顆粒物(particulatr malter,PM),而僅依靠燃燒優(yōu)化等機(jī)內(nèi)控制技術(shù)已難以滿足國Ⅵ排放法規(guī)的要求,因此高效的后處理技術(shù)成為柴油機(jī)必須采用的排氣控制手段[1]。

目前,柴油機(jī)應(yīng)用廣泛且較為成熟的排氣后處理系統(tǒng)路線主要為柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)+柴油顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)+選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)系統(tǒng)+氨氧化催化器(ammonia slip catalyst,ASC)。DOC主要用來凈化尾排氣中的HC、CO、可溶有機(jī)物SOF和NO,同時提高下游催化器的轉(zhuǎn)化效率;DPF是用來降低排氣中的PM;ASC是通過催化氧化作用降低排氣中未參與尾氣催化而泄露的NH3。

尿素SCR技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的降低柴油機(jī)NOx排放的方法之一。排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格對SCR系統(tǒng)提出了更高的性能要求,結(jié)構(gòu)更緊湊和更高的NOx催化轉(zhuǎn)化效率是目前SCR系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。NH3的分布均勻性是影響SCR系統(tǒng)性能和NOx催化轉(zhuǎn)化效率的重要因素。長時間NH3的分布不均勻會導(dǎo)致催化劑老化程度不均勻,從而影響催化劑的壽命和SCR系統(tǒng)的性能。NH3分布不均勻還會導(dǎo)致局部區(qū)域NH3過多而造成NH3泄漏,在NH3稀少區(qū)域則造成NOx轉(zhuǎn)化效率過低。尿素液滴蒸發(fā)分解效率也是影響SCR系統(tǒng)NOx催化轉(zhuǎn)化效率的一個非常重要的因素[2],若尿素液滴沒有蒸發(fā)分解完全,則易在金屬表面和催化劑載體表面形成結(jié)晶,嚴(yán)重時會堵塞SCR系統(tǒng),導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力性下降。

SCR系統(tǒng)中,混合器是提高NH3分布均勻性和尿素液滴蒸發(fā)分解效率的一種有效裝置[3]。混合器一方面通過產(chǎn)生渦流和湍流來促進(jìn)NH3和尾氣的混合,另一方面通過提高尿素液滴蒸發(fā)速率和促進(jìn)液滴二次破碎來改善尿素溶液的分解和霧化效果[4]。

本文通過搭建后處理試驗(yàn)臺架,對后處理系統(tǒng)背壓、溫度損失和NH3傳感器偏差進(jìn)行測試,研究了不同混合器和NH3存儲量對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響,同時分析了尿素結(jié)晶和排放限值問題。

1 SCR選擇性催化還原系統(tǒng)

1.1 SCR系統(tǒng)模型

SCR系統(tǒng)核心組件主要分為SCR催化劑、電控系統(tǒng)、尿素箱、尿素泵、尿素噴嘴、混合器、SCR上游和下游排氣溫度傳感器以及SCR上游和下游NOx傳感器等[5]。SCR催化器是NH3和NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場所,尿素噴嘴將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%尿素水溶液噴射到排氣管中,尿素水溶液在高溫下發(fā)生熱解和水解,NH3在催化劑的作用下與NOx發(fā)生還原反應(yīng),將NOx還原成N2和H2O。SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 催化器表面化學(xué)反應(yīng)

在催化器載體內(nèi),NH3將選擇性地與尾氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成無害氣體N2和H2O,尾氣中氧含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NOx與NH3,所以反應(yīng)是在富氧環(huán)境下發(fā)生的[6]。催化器載體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)主要為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

反應(yīng)式(1)表示尿素?zé)岱纸猱a(chǎn)物異氰酸在催化劑表面與水蒸氣發(fā)生水解反應(yīng)生成NH3和二氧化碳。反應(yīng)式(2)～反應(yīng)式(5)表示NH3選擇性還原NOx的SCR反應(yīng)。由于在發(fā)動機(jī)排氣中NO為主要氧化物(含量約為90%),反應(yīng)式(2)被稱為標(biāo)準(zhǔn)SCR反應(yīng);研究表明，NO2的存在可以提高反應(yīng)速率,當(dāng)NO2與NOx體積比約為50%時反應(yīng)速率最快,因此反應(yīng)式(3)被稱為快速SCR反應(yīng);當(dāng)NO2與NOx體積比繼續(xù)增大時,反應(yīng)式(4)所示的緩慢SCR反應(yīng)占主導(dǎo)作用,NOx轉(zhuǎn)化效率降低[7];反應(yīng)式(5)為NH3氧化反應(yīng),以防止NH3泄漏。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)臺架搭建

試驗(yàn)基于某公司Q28國Ⅵ高壓共軌柴油機(jī)。在試驗(yàn)中心進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架搭建,并加裝集成式后處理系統(tǒng),如圖2所示。

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)的參數(shù)見表1所列,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣方式為增壓中冷，供油系統(tǒng)形式為高壓共軌。

檢驗(yàn)儀器設(shè)備見表2所列,后處理結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3所列。

(a) 發(fā)動機(jī)臺架

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

表2 檢驗(yàn)用儀器設(shè)備

表3 后處理結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 后處理傳感器打點(diǎn)布置示意圖

按技術(shù)要求對后處理系統(tǒng)進(jìn)行打孔,安裝壓力、溫度、NOx傳感器,采樣接頭,用于后續(xù)試驗(yàn)。各傳感器打點(diǎn)布置示意圖如圖3所示。

圖3 后處理傳感器打點(diǎn)布置示意圖

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 排氣背壓測試

加裝后處理系統(tǒng)后,排氣背壓發(fā)生變化,需對不同工況點(diǎn)背壓進(jìn)行測試,在滿油門情況下將轉(zhuǎn)速從1 600 r/min提升至額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min。通過壓力傳感器可測得各部件的最大壓力損失,經(jīng)過DOC壓力損失為3.4 kPa,經(jīng)過DPF壓力損失196.0 kPa,最后通過SCR+ASC壓力損失為10.0 kPa,后處理系統(tǒng)總背壓為33.0 kPa,小于評估標(biāo)準(zhǔn)的40 kPa,系統(tǒng)背壓滿足試驗(yàn)要求。后處理系統(tǒng)背壓如圖4所示。

圖4 后處理系統(tǒng)背壓

3.2 后處理溫度損失

后處理系統(tǒng)的溫度損失為T4與T6溫度之差,T4是DOC入口處溫度,T6是SCR入口處溫度。穩(wěn)態(tài)工況時,在轉(zhuǎn)速為200 r/min、扭矩分別為8 N·m(小負(fù)荷)和400 N·m(大負(fù)荷)下測得溫度損失為54 ℃和38 ℃;在瞬態(tài)工況并且在WHTC下,冷態(tài)工況測得溫度損失為37.8 ℃,熱態(tài)工況測得溫度損失為19.2 ℃。以上滿足后處理系統(tǒng)對溫?fù)p的要求,具體如圖5所示。

圖5 后處理系統(tǒng)溫度損失

3.3 前、后NOx傳感器校對

由于需要測量NOx轉(zhuǎn)化效率,需要在后處理系統(tǒng)入口處和出口處安裝NOx傳感器,傳感器的安裝要確保氣流通過的均勻性,同時還需要對傳感器進(jìn)行校對,減小偏差,確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。前、后NOx傳感器偏差分析如圖6所示。

圖6 前、后NOx傳感器偏差

從圖6可以看出：前NOx傳感器偏差分布較均勻,上下偏差都在±4%左右；后NOx傳感器偏差主要分布在下偏差,都在4%以上。前、后傳感器誤差都在允許偏差(±5%)以內(nèi),但仍需要調(diào)整其位置,降低偏差同時使偏差分布更均勻。

3.4 NH3存儲量與NOx轉(zhuǎn)化效率之間關(guān)系

不同廢氣流量、不同溫度下NOx轉(zhuǎn)化效率同NH3存儲量(吸附并存儲在催化劑表面的NH3)之間的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著NH3存儲量增加而變大,但這種關(guān)系又受溫度和廢氣流量的影響[8]。

NOx轉(zhuǎn)化效率隨著廢氣流量增大而逐漸降低,這是由于排氣流量增大時影響催化器對NH3的吸附能力以及NH3與NOx的反應(yīng)時間。當(dāng)廢氣流量不變,SCR上游溫度在400 ℃以下時,NOx轉(zhuǎn)化效率隨著溫度的上升逐漸增加;在400 ℃以上時,轉(zhuǎn)化效率逐漸減小,原因是金屬分子篩的后處理器特性在高溫時SCR反應(yīng)會伴隨著一些副反應(yīng)且催化劑活性下降[9],造成NOx轉(zhuǎn)化效率降低,當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃甚至更高時,NOx轉(zhuǎn)化效率僅有86%左右。從NH3存儲量分析,當(dāng)SCR上游溫度上升時,NH3存儲量不斷減少,這是由于溫度升高,催化器達(dá)到一定的活性所需要的NH3存儲量越小。

圖7 氨存儲量與NOx轉(zhuǎn)化效率之間關(guān)系

發(fā)動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中存在不同的工況,在低負(fù)荷時要適當(dāng)加大尿素噴射量來增加NH3存儲量,使低溫時的NOx轉(zhuǎn)化效率得到一定程度的提升,同時還要防止發(fā)動機(jī)從低負(fù)荷突然切換到大負(fù)荷工況下,之前存儲的較多的NH3來不及消耗從而產(chǎn)生NH3泄漏。在高溫高負(fù)荷時NH3存儲量減少,這時應(yīng)適當(dāng)減小尿素噴射量,確保當(dāng)前NH3存儲量不超過最大存儲量，以免發(fā)生NH3泄漏。

3.5 不同混合器對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

混合器能夠使尿素水溶液噴霧液滴與發(fā)動機(jī)尾氣更加充分地混合,形成更加均勻的NH3分布,從而提高NOx的轉(zhuǎn)化效率[10]。

本次試驗(yàn)選用了一種新型混合器與原混合器,如圖8所示。

新型混合器為網(wǎng)狀混合器,規(guī)則排列的V型楔片形成鏤空的網(wǎng)面,促使整個截面混合器上下流動,形成紊流增加混合均勻性[11]；原混合器為隔柵混合器。不同轉(zhuǎn)速、不同扭矩下2種混合器對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響如圖9所示。

圖8 2種混合器

圖9 2種混合器NOx轉(zhuǎn)化效率的對比

由圖9可知，低轉(zhuǎn)速工況下,2種混合器對NOx的轉(zhuǎn)化效率接近,在高速高負(fù)荷工況下新型混合器相較于原混合器對NOx的轉(zhuǎn)化效率有6%～12%提高,新型混合器對NOx的轉(zhuǎn)化效率基本都保持在9%以上,有利于降低排放。

3.6 尿素結(jié)晶試驗(yàn)

在臺架上進(jìn)行12小時城區(qū)路譜試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后拆卸觀察結(jié)晶現(xiàn)象并稱重(増重8.5 g),尿素結(jié)晶情況如圖10所示。

噴嘴座孔安裝不嚴(yán)導(dǎo)致此處存在一定的尿素結(jié)晶,其他地方結(jié)晶輕微。隨著時間的增加,結(jié)晶會對后處理系統(tǒng)正常運(yùn)行造成影響,后期將繼續(xù)改進(jìn)以減少結(jié)晶。

圖10 尿素結(jié)晶圖

3.7 排放結(jié)果分析

WHTC瞬態(tài)循環(huán)測試是國VI標(biāo)準(zhǔn)柴油車污染物排放的測試方法,它是在1 800 s內(nèi)逐秒變化的瞬態(tài)工況,能準(zhǔn)確反映發(fā)動機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時的情況[12]。

通過氣體分析儀采樣得到WHTC循環(huán)中NOx排放,結(jié)果如圖11所示。從圖11中可以明顯看出,相較于原機(jī)NOx排放,集成式后處理系統(tǒng)能顯著降低發(fā)動機(jī)排氣中NOx排放,在多數(shù)工況中甚至可以將NOx排放降至接近符合國六排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 WHTC測試循環(huán)下NOx排放

4 結(jié) 論

(1) 加裝本文集成式后處理系統(tǒng)后的排氣背壓、溫度損失以及NOx傳感器偏差都能滿足試驗(yàn)要求。

(2) NOx的轉(zhuǎn)化效率隨著NH3存儲量增大而逐漸變大,但這種關(guān)系又受溫度和廢氣流量的影響;當(dāng)SCR上游溫度在400 ℃以下時,NOx轉(zhuǎn)化效率隨著溫度的上升逐漸增加,在400 ℃以上時,轉(zhuǎn)化效率逐漸減小;而NOx轉(zhuǎn)化效率隨著廢氣流量增大而逐漸降低。

(3) 新型混合器相較于原混合器對NOx轉(zhuǎn)化效果更好,更有利于降低排放。

(4) 尿素結(jié)晶和排放試驗(yàn)表明,只有尿素噴嘴座上孔處有結(jié)晶,其他地方結(jié)晶輕微。在WHTC冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)下NOx排放測試結(jié)果符合國六標(biāo)準(zhǔn)。