影響柴油機Urea-SCR催化器轉化效率的因素分析

李旭南

(廣西玉柴動力股份有限公司，廣西 玉林 537000)

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影響柴油機Urea-SCR催化器轉化效率的因素分析

李旭南

(廣西玉柴動力股份有限公司，廣西 玉林 537000)

為了能夠更好地分析影響SCR催化器氮氧化物轉化效率的根本因素，筆者充分運用數值仿真與試驗方法，對SCR催化器載體表面的催化還原反應進行分析與探討，以期獲得更多的內部化學反應信息，從而在設計與優化SCR催化器上提供有益的參考建議。

柴油機Urea-SCR系統；SCR催化器；轉化效率；因素分析

因為柴油機工況復雜多變且在排氣溫度、尾氣流量、污染物濃度等方面具有較大的波動性，因此，進一步做好車載SCR技術，確保SCR催化劑轉化效率的穩定性具有十分重要的現實意義。

1 柴油機Urea-SCR系統

圖1為某型號柴油機Urea-SCR后處理系統示意圖，通過該結構示意圖可以清楚看到，空壓機和空氣罐能夠為壓縮空氣計量泵提供足夠的空氣，計量泵則發揮著對尿素溶液進行運送、控制噴射量的重要作用。在作業過程中，其基本流程為:電控單元在計量泵的控制下，將尿素從尿素泵中抽出，經加壓、過濾、噴射等環節的處理，與壓縮后的空氣進行混合，后通過噴嘴直接噴入到排氣管內。可將熱電偶傳感器分別布置在SCR催化的上游與下游位置，以此實施檢測SCR催化器的溫度，測量其是否得以發生反應。將Adblue傳感器安裝在尿素罐之上則是為了對尿素中的溫度、質量、液位進行實時監測。將NOX、NH3傳感器加裝在SCR控制系統的前后端以此檢測發動機在排放過程中NOX、NH3的濃度。

1.發動機 2.尿素罐 3.尿素液位傳感器 4.壓縮空氣 5.空氣泵 6.計量泵 7.噴射控制單元 8.儀表盤 9.NH3傳感器 10、15.NOx傳感器 11、16.溫度傳感器 12.SCR催化器 13.混合器 14.噴嘴圖1 Urea-SCR后處理系統示意圖Fig.1 Urea-SCR post-process system

2 SCR催化器CFD建模

眾所周知，現如今SCR催化器的載體結構主要呈現出方形孔道蜂窩狀，普通的SCR催化器所擁有的孔數大概在4 500～5 000。所以，如若模擬整個SCR催化器載體之內的化學反應過程，實際的計算量過于巨大。因此，筆者簡化了計算所需模型，選擇了SCR催化器載中單獨一個孔作為建模基準，并且假設尾氣在進入催化載體前期，就已經順利完成了霧化過程，進行了均勻混合。

在CFD建模過程中，首先應該考慮的重要因素就是所造成的壓力損失。催化器內所發生的催化還原反應以及發生催化還原反應過程中各個物質能量之間的轉換，其基本參數如下:進氣流量0.24 kg/s，在不考慮回流的前提下出口邊界就是壓力出口；進口氣體組分別為:NOX=1 000*10-6，O2=10%，H2O=2%，CO2=8%，CO=5*10-6，N2為平衡氣體；時間屬性為穩態；化學反應模型主要層流有限速率模型。

3 模擬與試驗計算結果

為了能夠對建模本身的正確性進一步實施驗證，從而制定出最為科學、合理的建模參數，筆者實施了發動機臺架試驗，表1為某試驗發動機在空速40 000 h-1時試驗工況所得的相關測試數據。

表1 試驗工況

3.1 基于溫度對SCR催化器轉化效率所造成的影響

在對比表1中6種工況下所得的試驗結果后，得出了催化器NOX的轉換效率，如圖2所示。通過對圖2的分析可以得知，通過模擬計算與試驗結果計算所得出的數值基本上一致，因此，化學反應機理被證明是正確的。所以，模型中的反應常數可以作為本次研究的基礎參數，對SCR催化器實施進一步的研究與分析。因為在發動機尾氣之中總氮氧化物含量90%都是NO，所以，在分析NOX轉換效率時可以根據NO的濃度變換實行進一步的剖析，圖3為NO濃度對比圖。由圖3可知，隨著溫度的不斷變化，NOX的轉換效率也相應發生著變化，即:溫度高，催化劑的活性也就越高，轉換的效率也就越高，反之亦然。同時，由圖3還可得知，當溫度升高至350℃時，SCR的轉化效率也隨之達到了巔峰狀態，并且轉化效率達到80%時所需要的時間僅為0.04 S。

圖2 空速40000h-1時的試驗、模擬結果比較Fig.2 The test, simulation results comparison when airspeed at 40 000 h-1

圖3 NO濃度分布對比Fig.3 Comparison of NO concentration distribution

3.2 基于空速對SCR催化器轉化效率所造成的影響

在對SCR催化器進行設計的過程中，要重點考量空速問題，這是因為其不僅是設計催化器過程中的一個重要參數，其同時也是催化器性能評價的一個重要指標。尤其是通過建模計算可以得知，當柴油機的排氣溫度高于350℃時，轉換效率受到空速的影響較小，但當柴油機的實際排氣溫度低于350℃時，那么空速則會對轉換效率產生十分巨大的影響。因此，為了有效提高轉化效率，在低溫作業條件下必須進一步增大催化器體積，從而減少NOX的排放量。

3.3 基于NO2對NOX的轉化效率所造成的影響

正是因為總氮氧化物含量90%都是NO，所以，將尾氣中的NO2體積分數進行加大則已經成為進一步提高低溫特性的重要方法。結合上一節中的建模模型則可以計算出當溫度為250℃時，NO2/NOX的體積比，從0%～100%時NOX的轉化效率如圖4所示。由圖4可知，當NO2/NOX的體積比是1時，SCR催化劑的低溫性能將被大大提高。

圖4 空速40 000 h-1時NOX轉化效率隨NO2比例變化Fig.4 NOX conversion efficiency changes with the NO2 ratio when airspeed at 40 000 h-1

4 結語

SCR催化器的轉化效率會受到溫度的巨大影響，其中350℃是SCR催化器的最佳反應溫度。在低溫時，空速會對SCR催化器的轉化效率產生影響，此時則應該進一步增大催化器體積，從而有效降低低溫時對SCR催化器的轉化效率所帶來的影響。不斷加大NO2濃度雖然會將SCR催化器的轉換效率有所提高，但為了獲得最大效果，還必須要將NO2/NOX的體積比控制在50%以內。

[1] 辛喆，張寅，王順喜，等.柴油機Urea-SCR催化器轉化效率影響因素研究[J].農業機械學報，2011，42(09):30-34.

[2] 焦運景，紀曉靜，紀麗偉.柴油機Urea-SCR系統NOx轉化效率影響因素研究[J].柴油機設計與制造，2015，(02):16-19.

Analysis of factors affecting the conversion efficiency of diesel engine Urea-SCR catalyst

LI Xu-nan

(Guangxi Yuchai Power Co., Ltd., Yulin 537000, China)

In order to better analyze the fundamental factors influencing the nitrogen oxide conversion efficiency of SCR catalyst, the author fully uses the numerical simulation and test method to analyze and discuss the catalytic reduction of SCR catalyst carrier surface in order to obtain more internal chemical reaction information, so as to provide useful reference recommendations to the design and optimization of SCR catalyst.

Diesel engine Urea-SCR system; SCR catalyst; Conversion efficiency; Factor analysis

2017-02-21

李旭南(1984-)，男，本科，助理工程師。

TK421

A

1674-8646(2017)10-0092-02