中重型柴油機SCR系統集成匹配研究

任貴峰， 王國瑩， 付海燕， 仲蕾， 程秀圍， 任慶霜， 賈曉亮

(1. 陜西北方動力有限責任公司， 陜西 寶雞 721300； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400；3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

?

中重型柴油機SCR系統集成匹配研究

任貴峰1， 王國瑩2， 付海燕2， 仲蕾2， 程秀圍2， 任慶霜2， 賈曉亮3

(1. 陜西北方動力有限責任公司， 陜西 寶雞 721300； 2. 中國北方發動機研究所(天津)， 天津 300400；3. 裝甲兵駐616廠軍事代表室， 山西 大同 037036)

針對高緊湊高效清潔柴油機的開發，選取了SCR后處理技術路線，為了實現國Ⅴ的排放指標要求，分別進行了SCR催化劑及催化器載體的分析與匹配，SCR尿素噴射系統的匹配標定研究，并通過三維仿真分析方法以及尿素噴射水解、熱解和化學反應動力學理論完成了噴射管路布置方式的優化設計及SCR系統轉化效率的計算與驗證。通過發動機臺架試驗驗證了通過上述方法匹配的SCR系統可以滿足國Ⅴ的排放指標要求。

中重型柴油機； 選擇性催化還原； 集成； 匹配

由于我國中重型車運輸業及工程機械行業燃油消耗大幅增長，而石油資源相對短缺，因此，研制開發了高緊湊型高效清潔NE840柴油機。為了使柴油機滿足國Ⅴ排放法規，需要輔助采用有效的后處理技術。由于采用尿素-SCR(Selective Catalytic Reduction)后處理系統的發動機具有一定的節油優勢，所以NE840柴油機后處理技術采用了SCR路線[1]。SCR后處理技術主要包括SCR催化器技術、尿素噴射系統技術以及尿素噴射系統DCU控制器技術。SCR后處理技術在美國、歐洲、日本已經非常成熟，在國內近幾年也發展迅猛。國內外對SCR系統匹配集成技術的主要研究可分成三個方面：一是不同種類催化劑和不同類型催化器的集成；二是尿素噴射的霧化混合及水解、熱解、蒸發對柴油機SCR系統轉化效率的影響；三是SCR尿素噴射系統與控制器的集成控制。

在催化劑方面，Gianguido Ramis，Daniel Chatterjee，James W. Girard等人進行了不同催化劑的催化器特性研究[2-4]，結果表明Fe基等沸石催化劑在發動機低溫工況下具有較好的轉化效率，但抗S性差，而釩基催化劑技術成熟，可靠性高，并具有較寬的高NOx轉化效率溫度窗口。Gekas等人對SCR與氧化催化器(DOC)的匹配進行了研究[5]，測試結果顯示預氧化劑對改善催化劑低溫活性的影響并不明顯，轉化效率與催化劑的成分和載體的結構有關，如果用相同體積大小的SCR催化劑代替預氧化劑，同樣可以達到相似的轉化效果。Gang Guo等人對新型SCR儲氨再生催化器[6]進行了研究，Phil Blakeman對SCR匹配氨氧化器進行了研究[7]，結果表明新型SCR儲氨再生催化器較復雜，控制過程也較復雜，在保證NOx不變的情況下改變氨氮比，可以減少NH3泄漏峰值。

對SCR系統轉化效率機理的研究一般采用三維模擬仿真技術，如Johann C. Wurzenberger，Calabrese J L等人通過建立SCR模型，采用熱分解模型和水解模型來模擬氨氣的產生，利用化學反應動力學模型預測SCR入口處NOx的轉化效率及氨氣分布的均勻指數[8-10]。在SCR尿素噴射系統與控制器的集成控制方面，國外發動機廠商和研究機構已就SCR噴射裝置、控制策略集成作了大量的研究[11-12]。國內對SCR系統進行了一些應用和試驗研究[13-14]，部分企業和大學也做了SCR裝置的開發，但是大都數產品在可靠性和精度控制方面還需要進一步完善。

基于國內外關于SCR系統集成匹配的研究成果和研究方法，本研究從NE840發動機的特性和排放要求出發，以產品的應用為目標，完成SCR系統催化器的匹配，利用前期開發的SCR控制器實現了對某尿素噴射系統的匹配標定，并在此基礎上利用Ambrazon-Sirignano蒸發模型以及Birkhold等人提出的反應速率方程完成噴射管路設計優化和SCR系統轉化效率計算，并在發動機臺架上完成了SCR系統集成匹配試驗驗證。

1 SCR催化器的匹配

根據國內催化器的研究狀況，催化器的匹配有兩種方案，即單獨SCR催化器方案和DOC+SCR方案，兩種方案匹配合理，都可以實現國Ⅴ排放要求[5]。本研究采用單獨SCR催化器的匹配方案。NE840柴油機主要參數見表1。NOx原機排放見圖1。ESC十三工況NOx比排放量達到了11.2 g/(kW·h)，在中高轉速(1 300～2 000 r/min)及中高扭矩(550～1 100 N·m)下，NOx排放較高(13～16 g/(kW·h))，此時對應的渦后溫度為360～500 ℃(見圖2)，排氣從渦后到催化器，不考慮排氣管的保溫作用，溫度會下降20～35 ℃。

表1 NE840柴油機主要參數

由于SCR鉑金催化劑在高溫下對于NOx的選擇性較差，Cu，Fe沸石催化劑抗硫性能差，而V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)催化劑在260～450 ℃都有較高的轉化效率，所以SCR催化器選取了V2O5-TiO2-WO3(Mo2O3)作為催化劑。

催化器載體目數、壁厚、體積是催化器設計的關鍵參數。其中載體必須讓排氣順利通過，不使排氣背壓過分增大，以免損害發動機的性能；但載體必須有足夠的長度，因為催化反應取決于反應物的分壓，所以當污染物逐漸耗盡時反應速率不斷下降，為了獲得足夠的總轉化效率，流道不能太短。從目前產業化的角度考慮，SCR催化器載體按孔密度分兩種，即62 孔/cm2和93 孔/cm2。62 孔/cm2的載體背壓較低，93 孔/cm2的載體幾何面積較大，轉化效率較高。根據發動機的性能要求，需盡量降低排氣系統的背壓，從而降低燃油消耗率、輸出高的升功率，所以選取了0.15 mm壁厚、62 孔/cm2的SCR催化器載體。

為了實現國Ⅴ排放要求，在發動機所有工況范圍內，催化器平均轉化效率要達到82.5%以上。根據經驗值，催化器的體積按發動機排量的3倍進行匹配，選取催化器的長度為300 mm[15]。

2 SCR尿素噴射系統的匹配標定

NE840柴油機采用的是無壓縮空氣尿素噴射系統，可實現最大0.6 MPa的噴射壓力。開發的SCR控制器為開環控制系統。在沒有反饋控制的前提下，尿素噴射量的精確控制變得更加重要，同時噴射量的精確控制需要穩定的系統壓力作為保證，而壓力穩定則需要尿素泵驅動電機占空比與噴嘴開啟占空比的協調匹配，所以需要對噴嘴流量特性以及尿素泵電機特性進行標定。此外，為了保證尿素噴射系統及SCR系統工作的可靠性，還需要對尿素噴射系統升壓、穩定、檢測、回流、清空等工作過程參量進行標定。尿素噴射系統標定試驗裝置示意見圖3。

系統在設定壓力下的噴嘴流量特性見圖4。噴嘴噴射量與噴射占空比呈精確的線性關系，該特性簡化了SCR系統標定過程。根據該特性設計的噴射量計量控制策略見圖5。

在相同目標壓力下，尿素泵電機驅動占空比與噴嘴開啟占空比之間也呈正比例關系(見圖6)，SCR系統壓力的調節是基于該特性曲線+PID調節的方式確定。

對系統壓力階躍響應特性進行測試，確定工作特性閾值，得出合理的系統工作特性曲線(見圖7)。由圖7可見，尿素噴射系統工作過程基本上可以分成七部分[16]。通過參量調整，SCR系統啟動時間需30 s，壓力穩定時間小于20 s，停機系統清空時間40 s。

3 噴射管路設計與催化器匹配驗證

3.1 噴射管路設計

柴油機SCR系統向排氣管中噴入適量的尿素水溶液，尿素水溶液經過蒸發、熱解、水解過程得到NH3，NH3在催化器中催化劑的作用下選擇性地將NOx還原成N2，從而降低尾氣中NOx的含量。尿素在排氣管路內的噴霧混合對NOx的轉化效率及催化器的壽命都起著重要作用。一個合理的排氣管路設計包括一定噴射壓力下優化的噴嘴安裝角度、位置及排氣管結構。優化的排氣管路應能保證噴霧液滴的徑向分布均勻性和排氣管表面不會積液過多，因為當排氣管表面積液過多時，如果排氣管溫度降低到關鍵溫度(250 ℃)以下，形成的較厚壁膜將會結晶，形成有毒氣體三聚氰胺的風險增加；同時液滴分布不均勻會導致局部區域NH3分布過多從而造成NH3泄漏，而在一些NH3稀薄區域則會造成NOx轉化率過低，此外，長時間NH3分布不均勻還會導致催化劑老化，從而影響催化劑的整體性能。

根據NE840柴油機整體布置要求設計的增壓器出口端排氣管結構見圖8。由于排氣管彎管上游空間有限，尿素噴射點如果在排氣彎管上游，只能布置到距離彎管較近的位置。在該位置尿素噴射系統噴射0.4 s時，排氣管內壁形成的液膜和噴霧形態見圖9。由于尿素溶液噴霧會在彎管處聚積濕壁，易形成結晶，所以SCR尿素噴嘴布置在排氣彎管下游，布置方案見表2。

基于AVL Fire軟件平臺模擬恒定排氣背壓和排氣溫度下SCR系統的工作過程。模型主要由兩部分組成，包括渦輪增壓器后的排氣管部分及SCR催化器箱。其中SCR催化器箱又由混合腔、SCR催化器、排氣腔三部分組成。

表2 SCR尿素噴嘴位置布置方案

柴油機排氣混合氣在SCR催化器中的化學反應動力學過程包括排氣管中尿素水溶液的噴射過程，尿素水溶液的蒸發、水解、熱解及排氣在SCR催化器中的催化轉化。尿素噴射為多成分的蒸發模型和熱解過程。SCR尿素溶液噴霧過程初始階段尿素噴嘴打開，尿素水溶液以一定噴射壓力和夾角從噴孔噴出，該過程主要受尿素噴射系統的影響；隨后在排氣的作用下尿素液滴蒸發生成尿素蒸氣，尿素蒸氣熱解生成等摩爾的氨氣和異氰酸，該階段可通過SCR蒸發模型及化學反應動力學模型[8]進行模擬。其中噴霧錐角和噴射初始速度通過噴霧試驗確定。

設定在排氣質量流量為800 kg/h,排氣溫度為400 ℃的穩定工況下進行尿素噴射，尿素噴射速率根據噴霧試驗確定，在噴射速率恒定的條件下，噴射量由噴射時間決定。設定氨氮消耗比為1，根據原機NOx排放，計算得到尿素噴嘴噴射持續時間為0.4 s。尿素噴射0.4 s時不同噴射位置、噴射角度下的噴霧形態見圖10。

由圖可見，噴射角為30°時，噴霧可以均勻分布在排氣管的徑向，減小粒子碰排氣管壁面的概率，而噴射角為45°和60°時，噴霧在排氣管的分布均勻性均較差，30°噴射角的NH3在SCR催化器中分布也較均勻，有利于催化器的整體性能。0.4 s時SCR催化器前端的NH3質量分數分布云圖見圖11。方案1、方案2、方案3中NH3的平均質量分數明顯小于方案4、方案5、方案6的質量分數，這說明噴嘴位置距離SCR催化器越長越有利于尿素熱解以及氰酸的水解，所以相應SCR催化器前端的NH3質量分數也會較大。根據仿真模擬的結果選用方案4作為尿素噴嘴的布置方案。

3.2 催化器匹配驗證

從ESC十三工況點中選取最大功率點Pmax，C100，B50和A25 4個穩態工況點進行SCR系統轉化效率和背壓的計算及試驗，驗證所設計的SCR催化器是否滿足要求。按照方案4進行排氣管和尿素噴嘴的布置，設定氨氮消耗比為1，根據原機NOx排放確定尿素噴嘴噴射時間。模擬計算結果見圖12。A25工況點由于排氣溫度偏低導致尿素水溶液水解反應不充分，且在SCR催化器內的催化反應速率較慢，使得NOx轉化效率偏低，為75.8%；Pmax工況、C100工況少部分NH3在高溫下被氧化成NO，總體上NOx轉化效率保持在90%左右；標定工況點Pmax的背壓達到14 kPa(見圖13)，滿足設計背壓小于15 kPa的要求。

試驗中測得的實際背壓均大于計算值，誤差在9%以內，部分原因是計算過程中忽略了排氣管道的沿程阻力損失。試驗測得的NOx轉化效率基本與計算結果接近，誤差在4%以內。

4 SCR系統匹配試驗測試

本研究的試驗臺架見圖14。測試設備主要包括電渦流測功機、NE840柴油機、SCR后處理系統及傅里葉變換紅外光譜(FTIR)排氣分析儀。

通過萬有特性試驗標定的SCR系統隨轉速和扭矩變化的基本轉化效率見圖15，圖中黑色線代表溫度梯度。SCR系統的最終噴射量通過基本轉化效率進行計算，再經過大氣壓力、進氣溫度、冷卻水溫進行修正。

按照國標GB 17691—2005進行試驗測試，在控制平均NH3泄漏量低于25×10-6的條件下，NE840柴油機ESC測試結果見圖16，NOx排放由原機11.2 g/(kW·h)降低到1.6 g/(kW·h)，SCR平均轉化效率到達85.7%。在此基礎上，NOx排放ETC試驗結果為1.78 g/(kW·h)(見圖17),可見該SCR系統滿足國Ⅴ排放標準。

5 結束語

本研究進行了SCR催化器的選型匹配、尿素噴射系統的標定、系統管路布置以及相關模擬計算分析，并完成了SCR系統排放標定，實現了NE840柴油機滿足國Ⅴ排放的要求，對SCR在柴油機上的應用具有指導作用。

[1] Richard Judge，David Needham，Kenneth L Smith.Cost-effective CV Emission Solutions for Future Legislations in China and India[J].MTZ,2015(01):5-8.

[2] Gianguido Ramis,Angeles Larrubia M.An FT-IR study of the adsorption and oxidation of N-containing compounds over Fe2O3/Al2O3SCR catalysts [J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical，2004,215:161-167.

[3] Daniel Chatterjee,Thomas Burkhardt,Michel Weibel.Numerical Simulation of Zeolite and V-Based SCR Catalytic Converters[C].SAE Paper 2007-01-1136.

[4] James W Girard，Clifford Montreuil,Jeong Kim,et al.Technical Advantages of Vanadium SCR Systems for Diesel NOxControl in Emerging Markets[C].SAE Paper 2008-01-1029.

[5] Pr L T Gabrielsson.Urea-SCR in automotive application[J].Topics in Catalysis,2004,28:1-4.

[6] Gang Guo，James Warner，Giovanni Cavataio,et al.The Development of Advanced Urea-SCR Systemsfor Tier 2 Bin 5 and Beyond Diesel Vehicles[C].SAE Paper 2010-01-1183.

[7] Phil Blakeman，Karl Arnby，Per Marsh，et al.Optimization of an SCR Catalyst System to Meet EUIV Heavy Duty Diesel Legislation[C].SAE Paper 2008-01-1542.

[8] Johann C Wurzenberger，Roland Wanker.Multi-Scale SCR Modeling:1D Kinetic Analysis and 3D System Simulation [C].SAE Paper 2005-01-0948.

[9] Calabrese J L，Patchett J A，Grimston K，et al．The influence of iniector operating conditions on the performance of a ureawater selective catalytic reduction system[C].SAE Paper 2000-01-2814．

[10] Seher D H E，Reichet M，Wickert S.Control strategy for NOxemission reduction with SCR[C].SAE Paper 2003-01-3362．

[11] Felix Birkhold，Ulrich Meingast,Peter Wassermann.Analysis of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx-Systems:Modeling of Two-Phase Folw and Spray/Wall-interacton[C].SAE Paper 2006-01-064.

[12] Xian Shi，Jun Deng，Zhijun Wu,et al.Effect of Injection Parameters on Spray Characteristics of Urea-SCR System [C] .SAE Paper 2013-01-1063.

[13] 陳鎮，胡靜，陸國棟，等.提高柴油機尿素SCR系統氮氧化物轉化效率的試驗研究[J].車用發動機，2010(6):81-82.

[14] 姜磊，葛蘊珊，李璞，等.柴油機尿素SCR噴射特性的試驗研究[J].內燃機工程，2010(4):30-34.

[15] 佟德輝.降低車用柴油機NOx排放的SCR技術控制策略研究[D].濟南：山東大學，2004.

[16] 劉丙善.Urea-SCR排氣后處理系統在重型柴油機中的應用[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[編輯： 姜曉博]

Integration and Matching of SCR System for
Medium and Heavy Duty Diesel Engine

REN Guifeng1， WANG Guoying2， FU Haiyan2， ZHONG Lei2， CHENG Xiuwei2,
REN Qingshuang2， JIA Xiaoliang3

(1. Shaanxi North Dynamic Co., Ltd., Baoji 721300， China；
2. China North Engine Research Institute (Tianjin)， Tianjin 300400， China；
3. Military Representative Office of Armored Forces in No.616 Factory, Datong 037036, China)

For the development of highly compact, efficient and clean diesel engine, the technical route of SCR aftertreatment was selected. In order to meet China Ⅴ emission standard, the analysis and matching of SCR catalysts and catalyst substrates were respectively conducted and the calibration of urea injection system was studied. The optimized design of injection pipe layout and the calculation and verification of SCR conversion efficiency were further carried out based on 3D simulation and theory of urea hydrolysis, pyrolysis and chemical reaction kinetics. The calibrated SCR system was verified to be able to meet China Ⅴ emission requirement by the bench test.

medium and heavy duty diesel engine; selective catalyst reduction(SCR); integration; matching

2015-06-18；

2015-10-28

國家高技術研究發展計劃“863”計劃(2012AA111709)

任貴峰(1972—)，男，研究員，碩士，主要研究方向為車用發動機排放；ymyl81@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.06.006

TK421.5

B

1001-2222(2015)06-0027-06