排氣溫度、排氣流量和海拔高度對SCR系統NOx轉化率和NH3泄漏量的影響研究*

畢玉華，聶學選，劉少華，肖 奔，王 鵬，申立中，彭益源

（1. 昆明理工大學，云南省內燃機重點實驗室，昆明 650500；2. 昆明云內動力股份有限公司，昆明 650500）；

前言

柴油機的主要排放污染物是氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM），二者由于生成機理的不同呈此消彼長的關系［1］。機內凈化技術已無法滿足日益嚴格的排放要求，必須依靠機內與機外凈化技術的協調配合才能有效控制二者排放［2］。選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術是專門用于減少柴油機NOx排放的機外手段，技術成熟且效率高，已被廣泛使用［3-6］。我國地形地勢復雜，海拔高度在1 000 m 以上的面積占到58%，2 000 m 以上的面積占到33%［7-8］，即將實施的國六排放法規嚴格規定了不同海拔下汽車排放污染物限值［9］。柴油機在高原地區運行時由于高原地區空氣稀薄，含氧量低，循環進氣量少，會使柴油機缸內燃燒惡化，進而導致其動力性、經濟性和排放性能都有不同程度的下降［10-11］。由于柴油機在不同海拔下運行時排氣溫度和排氣流量不同，二者的變化會對NOx轉化效率和NH3泄漏量產生重要影響，因此研究不同海拔下SCR 性能的影響因素與規律，對SCR 控制策略的優化具有重要意義。

國內外學者針對海拔變化對柴油機產生的影響進行了許多有針對性的研究，Kosmadakis 等［12］通過自主研發的大氣模擬系統研究了不同大氣壓力環境對柴油機動力性和排放性的影響，結果表明柴油機的轉矩和微粒排放都隨海拔的升高而變差。申立中等［13-14］利用大氣模擬系統較為全面地研究了自然吸氣、增壓柴油機和增壓中冷柴油機的燃燒過程、動力性、經濟性和排放性能隨海拔變化的規律。同時，對SCR 系統性能的影響因素也有大量的研究。Park等［15］研究SCR 催化箱溫度對NOx轉化效率與氨泄漏量之間的關系，結果發現由于高的NOx轉化速率導致400 ℃時的氨泄漏遠遠低于200 ℃時的泄漏，說明NH3與NOx在不同的溫度下反應程度不同。王靜等［16］研究了不同排氣溫度對SCR 性能的影響，結果表明，排氣溫度會影響SCR 系統內的液滴分布和催化劑人口還原劑分布，進而對NOx轉化效率產生重要影響。陳韜等［17］探究了NOx轉化效率的影響因素，結果表明：NOx的最佳轉化溫度范圍為280～500 ℃，在該溫度范圍內，排氣流量對DOC+SCR 系統的NOx轉化效率基本沒有影響。Han 等［18］研究表明，隨著空速的增加，低溫下NOx還原率的降低更為明顯，高溫下空速對NOx還原率的影響要比在低溫下弱得多。王軍等［19］探究了氨氮比、溫度和空速對NOx轉化率的影響。Hanse 等［20］的試驗結果表明，催化劑溫度越低，儲氨效果越好。綜上所述，國內外學者針對海拔變化對柴油機性能影響研究較多，對SCR 性能的研究也較為廣泛，而針對不同海拔下柴油機SCR性能的影響報道較少。

本文中以滿足國五排放標準的高壓共軌柴油機為研究對象，依托AVL 試驗臺架和尾氣采集分析設備，結合大氣模擬系統，分別在80、90 和100 kPa 大氣壓力下進行了柴油機性能和排放試驗，并對排氣溫度、排氣流量和海拔高度變化對NOx轉化效率和NH3泄漏量的影響展開研究，為柴油機SCR 系統在高原環境下應用提供試驗依據。

1 試驗方案設計

1.1 測試設備

試驗所用的發動機是一臺滿足國五排放標準的高壓共軌直列四缸柴油機，其主要技術參數如表1所示，SCR載體參數如表2所示。

表1 柴油機基本參數

表2 SCR主要參數

臺架設備儀器主要有：AVL PUMA OPEN V1.5測控系統，AVL 交流電力測功機，AVL 753C 柴油質量流量計，AVL 735S 柴油溫控系統，AVL AMA i60（用于測量SCR 前端HC、CO、NOx、O2等排放），AVL FTIR i60 傅里葉紅外光譜分析儀（用于測量SCR 后端NOx與NH3泄漏），上海同圓測試設備有限公司生產的大氣模擬裝置（用于調節大氣壓力、溫度、濕度），廣州賽維換熱設備有限公司生產的排氣溫度冷卻器（用于調節排氣溫度），冷卻設備附帶有電磁閥和循環泵。臺架布置示意圖如圖1所示。

圖1 柴油機SCR試驗臺架示意圖

1.2 排氣溫度和排氣流量對SCR 性能影響的試驗方案

排氣溫度和排氣流量是影響SCR性能至關重要的兩個因素。在關于排氣溫度與排氣流量的研究中，大多學者是通過改變發動機工況來調節排氣溫度和排氣流量。而發動機工況的改變會導致發動機排氣組分發生改變，從而造成多因素的改變影響SCR 性能。為使試驗過程更加嚴謹可靠，確保研究單因素對SCR的影響，引入排氣溫度冷卻器，將其安裝在尿素噴嘴與SCR載體之間，用于冷卻排氣溫度。選擇最大轉矩工況，通過冷卻器降低溫度。排氣溫度和排氣流量對SRC性能的影響試驗均在實驗室自然環境下進行，海拔高度為1 980 m，對應的大氣壓力為80 kPa。排氣溫度影響試驗時，將排氣流量固定在350 kg/h，為覆蓋SCR 從低溫到高溫的性能，選擇冷卻所需的10 個溫度點：230、260、290、320、350、380、410、440、470 和500 ℃。把冷卻器安裝在尿素噴嘴與SCR載體之間能保證在每個溫度點下尿素水解生成的NH3量不變，使每個溫度點下進入載體的氨氮比和物質組分都是相同的，唯一變量是SCR 入口溫度，以此研究不同溫度對SCR 性能的影響。排氣流量影響試驗時，調節發動機工況，使排氣流量分別達到200、250、300 和350 kg/h，并運用冷卻系統分別將排氣溫度穩定在250、300 和350 ℃，以此研究3個不同排氣溫度下排氣流量對SCR 性能的影響規律，試驗SCR與冷卻器如圖2所示。

圖2 SCR與冷卻器圖

1.3 不同海拔對SCR性能影響的試驗方案

研究選取3個海拔高度，各海拔所對應的大氣壓力分別為80、90和100 kPa。試驗臺架所在地海拔高度為1 980 m，對應的大氣壓力為80 kPa，因此采用大氣模擬裝置將進排氣壓調到90 和100 kPa。此外，測試環境的空氣濕度為50%～60%，大氣溫度為20～28 ℃。

發動機外特性是研究發動機性能好壞的重要指標，甚至可以說外特性的好壞決定了發動機性能的優劣。外特性試驗工況較為全面，從低速到高速都有覆蓋，是研究發動機常采用的試驗方式，因此在研究不同海拔對SCR性能影響時選擇發動機外特性工況進行性能試驗。將發動機、后處理裝置和所需傳感器正確安裝，保證臺架測試設備正常工作，在3 個海拔下分別進行發動機外特性試驗。將AVL AMA i60 置于SCR 前端監測入口的HC、CO、NOx和O2濃度，另將AVL FTIR i60 置于SCR 后端，監測SCR 出口的NOx濃度和NH3泄漏量。

2 試驗結果與分析

2.1 不同海拔下柴油機性能與排放試驗

海拔高度直接影響柴油機的動力性、經濟性和排放特性，進而影響SCR系統的性能。圖3為3個海拔條件下柴油機外特性工況的性能和排放試驗數據。從圖3（a）～圖3（c）中可以看出：海拔越高柴油機相同工況下轉矩與功率越低，燃油消耗率越高。這是由于柴油機在高原地區運行時空氣稀薄，含氧量低，循環進氣量少，使柴油機缸內燃燒惡化，進而導致其動力性和經濟性下降。從圖3（d）和圖3（e）可以看出，同一工況下，隨著海拔的升高，排氣溫度升高，而排氣流量下降。由于平原地區大氣壓力高，發動機進氣量多，缸內燃燒充分；高原地區為改善缸內燃燒情況，為保證壓比，增壓器轉速增加，與此同時增壓器溫度升高，導致進氣溫度越高，排溫越高；相同工況下大氣壓力越低進氣量越少，燃燒越差，排氣流量自然越小；排氣溫度和排氣流量是影響SCR性能的重要因素，兩者受海拔影響較大，海拔變化對二者的影響規律是研究SCR海拔特性的關鍵。從圖3（f）和圖3（g）可以看出，在同一工況下，柴油機排氣氧含量和NOx排放隨海拔升高而降低，且都呈現出低速時海拔影響較大的規律，在2 000 r/min 后NOx排放和排氣氧含量隨轉速升高而降低。NOx產生的必要條件是高溫、富氧、反應時間長，NO的生成需要氧原子和氮原子在高溫環境較長時間進行反應。在轉速高于2 000 r/min 后，氣體在缸內停留的時間縮短，造成NOx排放的降低。雖然高原時缸內燃燒溫度高于平原，但氧氣含量低于平原，綜合分析知氧氣含量對NOx產生的影響更大。從圖3（h）和圖3（i）可以看出，柴油機CO 和HC 排放都隨海拔升高而增多。HC 和CO 都是烴類燃料不完全燃燒的產物，隨著海拔升高，大氣氧含量降低，過量空氣系數減小，燃燒惡化，從而產生更多的HC和CO，因此海拔越高二者排放越惡劣。

圖3 不同海拔下柴油機外特性測試圖

2.2 排氣溫度對SCR性能的影響

2.2.1 排氣溫度對NOx轉化效率的影響

排氣溫度是影響NOx轉化效率的重要因素，排氣溫度決定著載體內的化學反應環境溫度，影響催化劑的反應活性，準確把握溫度對SCR 的影響是研究SCR 性能的基礎。圖4 為NOx轉化效率與N2O 濃度隨溫度變化規律。由圖可見：NOx轉化效率總體呈現先增大后減小的規律；在低溫區NOx轉化效率受溫度影響較大，230-380 ℃溫度區間轉化效率從43.3%上升到86.7%；380 ℃后，NOx轉化效率隨溫度的升高而降低，整個溫度范圍內NOx轉化效率最大差值為43.4 百分點。分析其原因：低溫時尿素溶液中的水分蒸發較慢，隨著溫度的升高，水分蒸發加快，尿素的熱解和異氰酸的水解更加快速充分，分解產生更多NH3，此外溫度的上升使得催化劑活性加強，化學反應速率加快，從而NOx轉化效率提高；溫度升高至380 ℃以后NOx轉化效率降低的原因是因為進入高溫區以后催化劑的活性降低，導致化學反應變慢；加上NH3對O2的選擇性升高，且排氣中O2含量高于NOx含量，導致NH3與O2反應的幾率比NOx高，也促使NOx轉化效率降低，N2O 則是NH3與O2反應產生的副產物之一。要保證SCR 系統NOx轉化效率需要有合適的溫度控制，溫度不能過低也不能過高，過低溫度會限制SCR性能，過高溫度會使催化劑活性降低，進而降低NOx轉化效率。

圖4 不同排氣溫度下NOx轉化效率與N2O濃度

2.2.2 排氣溫度對NH3泄漏量的影響

圖5 為NH3泄漏量和N2O 濃度隨溫度的變化規律。從圖中可以看出，NH3泄漏量隨著溫度的上升不斷減小，230 ℃時NH3泄漏量為348.3×10-6，到410 ℃時降至20.6×10-6，降低327.7×10-6，降幅達94%。泄漏量降低的原因是，隨著溫度的提高，催化劑活性增高，參與還原NOx的NH3增多，NOx轉化效率升高，NH3泄漏量降低。此外，溫度升高，參與的副反應增多，例如一部分NH3會被氧化成N2O，NH3在持續消耗，也使NH3泄漏量降低。但當溫度高于410 ℃之后，伴隨溫度繼續升高，NH3泄漏量略有增加。原因是SCR催化劑的儲氨能力會隨著溫度的升高而逐漸降低，進入高溫區域后，雖然NH3在參與NOx轉化和其他副反應，但由于儲氨能力下降，NH3泄漏量會略有上升。該試驗NOx轉化效率較低，而NH3泄漏量較大。原因是試驗用ECU 為批產ECU，未對控制策略進行更改，不影響變化規律，此外，尿素噴射過程中，三維流動和混合器結構等參數會影響NH3分布，從而影響轉化效率和泄漏量。

圖5 不同排氣溫度下NH3泄漏量與N2O濃度

2.3 排氣流量對SCR性能的影響

2.3.1 排氣流量對NOx轉化效率的影響

圖6為在250、300和350 ℃下NOx轉化效率隨排氣流量而變化的規律。從圖中可以看出，同一溫度下，排氣流量從200 上升到350 kg/h 區間，轉化效率呈現先升高后降低的趨勢。此外，溫度越高，排氣流量對NOx轉化效率的影響越小。排氣溫度為250 ℃時，不同排氣流量的NOx轉化效率最大相差21.5 百分點。排氣流量在200 到250 kg/h 區間轉化效率略有上升，因為當尿素噴入管路后，排氣流量適當增大帶來單位時間內的能量增加，使得NH3在載體內混合更均勻，所以轉化效率略有上升；在250到350 kg/h 區間，隨著排氣流量的繼續增大，單位載體內氣體流速過大，NH3在載體內停留的時間逐漸減少，吸附氨的量減少，導致NOx轉化效率降低。溫度升高使催化劑活性提高，隨溫度升高尿素分解成NH3的量增多，故使排氣流量對NOx轉化效率的影響變小。

2.3.2 排氣流量對NH3泄漏量的影響

圖7為溫度在250、300和350 ℃下NH3泄漏量隨排氣流量的變化規律。從圖中可看出，隨著排氣流量的增大，NH3泄漏不斷增大，而溫度越低，NH3泄漏量及其變化幅度越大，250 ℃時在整個排氣流量變化 范 圍，NH3泄 漏 量 從103.4×10-6增 大 到194.2×10-6，增加90.8×10-6；300 ℃時NH3泄漏量從78.3×10-6增加到138.6×10-6，增加60.3×10-6；350 ℃時NH3泄漏量從64.7×10-6增加到93.2×10-6，只增加28.5×10-6。分析原因：排氣流量增大帶走更多的NH3，使得NOx轉化效率降低，NH3泄漏量增大；溫度越低，NH3泄漏，是因為溫度較低時，催化劑活性不足，催化劑吸附氨的能力較弱，參與NOx轉化的NH3減少，則NH3泄漏量增加。

圖6 不同溫度NOx轉化效率隨排氣流量的變化

圖7 不同排氣流量下NH3泄漏量

2.4 不同海拔下SCR性能變化

2.4.1 不同海拔下NOx轉化效率

柴油機具有海拔特性，不同大氣壓力下進入氣缸的氣體狀態不同，導致機內燃燒和機外排放都有較大差異。為彌補海拔高度造成的性能差異，引入如增壓器等部件，但這些部件在不同海拔下表現出不一樣的特性。SCR 系統也同樣，海拔變化會使發動機的排氣組分濃度、排氣溫度和排氣流量等參數發生改變，而這些參數正是影響SCR 性能的重要因素，因此SCR也具有海拔特性。

圖8 為外特性工況下不同海拔下SCR 的NOx轉化效率隨轉速的變化曲線。從圖中可以看出，海拔越高，NOx轉化效率越高，80和100 kPa時NOx轉化效率最大發生在最低轉速1 200 r/min，分別為89.3%和69.2%，相差20.1 百分點；其原因是隨著海拔的升高，發動機排氣溫度上升，使NOx轉化效率提高；同一海拔下，隨著轉速的升高，NOx轉化效率降低，低速時海拔變化影響顯著，中高速時影響較小。分析原因：同一海拔下，隨著轉速升高，排氣流量增大，使NH3停留在載體內時間減少，從而NOx轉化效率降低；低速時不同海拔排氣流量差異較大，因此不同海拔下NOx轉化效率差異較大，到中高速排氣流量差異很小，NOx轉化效率的差異也變小。

圖8 不同海拔下NOx轉化效率

2.4.2 不同海拔下NH3泄漏量

發動機在不同海拔下運行時排氣溫度和排氣流量不同，因此NH3泄漏量在不同海拔下也會有所差異。圖9 為不同海拔下NH3泄漏量隨轉速的變化曲線。從圖中可知，隨著轉速升高，NH3泄漏量先減小后增大，低速時NH3泄漏量海拔差異較小，中高速時差異較大。不同海拔NH3泄漏量最大差值首先發生在轉速為2 400 r/min 時，80 kPa泄漏量為16.8×10-6，100 kPa 泄漏量為71.4×10-6，相差54.6×10-6；轉速繼續提高時，不同海拔NH3泄漏量基本上同步增大，最大差值幾乎不變。分析泄漏量隨轉速的升高先減后增的原因是：SCR 儲氨能力會隨著溫度的升高而降低，溫度越高飽和儲氨量越小。從前文研究可知，外特性排氣溫度隨轉速升高先降低后升高，因此SCR儲氨能力呈相反規律，即隨轉速的升高，儲氨能力先升后降，所以NH3泄漏量隨轉速升高呈現先減少后增加的趨勢。NH3泄漏量的海拔影響差異是因為排氣流量變化的原因，海拔越高，排氣流量越小，NH3在載體內停留的時間越長，則供吸附和反應的時間越長，NH3泄漏量越低。低速時排氣流量較低，且NOx轉化效率較高，不同海拔下NH3泄漏量差異較小；中高速排氣流量快速增加，海拔越低增長越快，因此NH3泄漏量的海拔差異隨轉速的升高而加大。

圖9 不同海拔下NH3泄漏量

3 結論

（1）海拔越高，柴油機轉矩和功率越小，燃油消耗率越高，在低速時不同海拔下的柴油機性能差異更明顯；隨著海拔的升高排氣溫度升高，排氣流量下降；柴油機NOx排放和排氣氧含量隨海拔升高而降低；而CO和HC排放都隨海拔升高而增加。

（2）NOx轉化效率隨排氣溫度升高呈現先增后減的規律，230-380 ℃溫度區間NOx轉化效率從43.3%上升到86.7%，增加43.4 百分點，380 ℃后NOx轉化效率逐漸降低。NH3泄漏量隨著溫度的上升呈現下降趨勢，不同溫度下NH3泄漏量最大差值為328×10-6。

（3）NOx轉化效率隨排氣流量加大呈現先增后減的規律，在250 ℃時，不同排氣流量下NOx轉化效率最大相差21.5 百分點；NH3泄漏量隨排氣流量的加大而增加，在250 ℃時，不同排氣流量下NH3泄漏量最大差值為90.8×10-6。

（4）相同工況下，海拔越高，NOx轉化效率越高，低速時海拔高度影響顯著，中高速時影響較小。相同工況下，海拔越高，NH3泄漏量越小，低速時NH3泄漏量的海拔差異較小，中高速時差異較大。80 和100 kPa 轉化效率最大相差20.1 百分點，NH3泄漏量為最大相差54.6×10-6。