柴油機NH₃–SCR脫硝系統瞬態工況運行的仿真研究

中圖分類號：TK42.5 文獻標志碼：B 文章編號：00-2222（2025）04-005-08

隨著全球環境污染問題越來越嚴重，各國政府和一些國際組織對汽車和船舶等機械尾氣排放的限制越來越嚴格[]。柴油機因具有高扭矩、低油耗的特點，在商用車輛、重型機械以及船舶上得到了廣泛應用，但其排放的顆粒物和氮氧化物占比很大，對大氣環境造成了嚴重的影響[2]。根據《中國移動源環境管理年報 （2023）?，2022 年全國機動車排放一氧化碳（CO）743.0萬t、碳氫化合物（HC）191.2萬t、氮氧化物（ Δ[NO_x] ）526.7萬t、顆粒物（PM5.3萬 t^[3] 。其中，柴油車 NO_x 排放量超過總量的 80% 。 NO_x 是形成光化學煙霧和酸雨的主要物質之一，不僅會對植物和建筑造成破壞[4，還會刺激人體呼吸道，引起咳嗽、胸悶，甚至破壞人體免疫系統和神經系統等。隨著運輸業的發展，柴油機保有量持速增長，尾氣污染問題越來越嚴重，故各國出臺了日益嚴格的排放標準，如中國從2021年7月1日開始實施國六標準，船舶 NO_x 排放也從2016年開始執行TierIⅢ標準。因此，高效氮氧化物減排技術已經成為當前柴油機排放控制研究的熱點。

目前，主要減排技術包括廢氣再循環（EGR）[5]、可變供油定時[6、渦輪增壓[以及降低燃燒溫度和改進燃燒過程[8]。這些技術的 NO_x 減排效果均不理想。選擇性催化還原（SCR）是一種氮氧化物還原率高、工作溫度低的后處理技術[9]，是目前最成熟的柴油機尾氣后處理技術之一，它在催化劑的作用下選擇性地將氮氧化物還原成氮氣和水，從而降低尾氣中氮氧化物含量。SCR還原劑的種類很多，其中氨基因其還原效率最高而到了廣泛應用（稱為 NH₃?SCR 技術）。

影響SCR系統的主要因素包括催化劑、反應器結構（如孔密度）等設計參數和尿素噴射量、排氣溫度、流量等運行參數。戴姆勒公司（A.G.DAIM-LER）將SCR系統與尿素水溶液噴射系統以及相關的排放控制軟件結合，進行SCR系統集成化設計，優化了尿素噴射控制和催化器材料，使 NO_x 排放量減少，滿足EuroVI標準。沃爾沃公司（VolvoTrucks）通過優化催化器的內部設計，配合高精度的動態尿素噴射控制技術，實現了 NO_x 的高效還原，同時提升了燃油效率。康明斯公司（Cummins）的SCR技術結合了精確的尿素噴射控制系統以及高效催化劑，使 NO_x 排放量減少，滿足EPA2010及其他更新的排放要求。此外，X.TIAN等[1o通過建立尿素水溶液的蒸發和水解模型，以及在模型中引人尿素水溶液顆粒運動方程研究小顆粒的位移，得到更加合適的尿素水溶液噴嘴與催化劑的距離，使液體顆粒的蒸發更充分，從而提高SCR系統的效率。C.OZGUR和K.AYDIN[1將SCR系統運用在燃燒乙醇-柴油混合燃料的柴油機上，使用含5%～15% 醇類的低硫柴油進行六缸渦輪增壓柴油機全負荷試驗，發現SCR系統可以降低 NO_x 排放，其中使用含 15% 甲醇的柴油時， NO_x 的排放量降低最多，達到 43.43% 。T.T.ZHANG等[12]在 Ce/ TiO₂ 催化劑中摻入鈥（Ho），發現 Ce/TiO₂ 催化劑在空速 60 000h^-1 以下的低溫活性和在 200° 以下時的 H₂O 和 SO₂ 耐受程度明顯提高， NH₃ -SCR系統氧化還原性能也得到提升。B.M.YANG[13]運用流量分析方法，優化了SCR混合器和管道的設計，并進行了其對廢氣流量和背壓影響的試驗，發現裝置改進前后SCR均勻性指數分別為 96.1% 和97.4% ，提高了排氣在SCR入口的均勻性。

與此同時，國內學者也對SCR技術展開了一系列的研究。帥石金等[14]利用CFD模擬了柴油機SCR工作過程，并研究了設計參數對 NO_x 還原效率的影響規律，為SCR催化器的設計改進提供了數據支持。姜磊等[15的臺架試驗表明，尿素噴嘴與催化劑距離較近時，轉化效率比較低，而距離增大時，轉化效率較高；同時發現SCR催化劑對 NO₂ 比例和HC、CO濃度比較敏感。唐韜等[16]研究了柴油機SCR系統尿素的分解特性，評估了溫度、流量、噴射速度等參數對尿素分解產物和還原效率的影響，指出可以通過優化尿素噴射系統（如噴嘴的位置）及控制排氣溫度和流量來提高尿素分解的效率。

上述研究表明，改善缸內工作過程與后處理系統之間的兼顧配合是目前提高發動機熱效率與減排效果的最佳方式。本研究基于GT-Power對一款四缸柴油機的本體和 NH₃ -SCR脫硝系統進行仿真和試驗研究：首先根據臺架試驗數據搭建準確的柴油機模型和 NH₃ -SCR脫硝系統模型，然后通過對比試驗數據和仿真數據對模型進行驗證，最后通過模擬研究在冷起動和熱起動工況下發動機負荷、速度、溫度以及尿素噴射量等參數對 NH₃ -SCR系統脫硝效率的影響。

1試驗與仿真設置

1.1發動機臺架試驗

試驗所用電力測功機為HoribaDynas3LI250（精度 ±1.0% FS），測試對象為一臺四缸渦輪增壓中冷高壓共軌柴油機，其主要參數見表1，尾氣后處理系統參數見表2。本試驗遵循中國國家標準GB17691—2018[17]，試驗過程簡述如下。

（1）按圖1所示安裝和連接發動機及各系統。在一個穩固的試驗臺架上安裝好試驗柴油機及測量設備等，連接柴油機的燃油、進氣、排氣、冷卻管路系統，并將測功機、油耗儀、流量計、溫度/壓力傳感器、尾氣分析儀等傳感器/測量系統與柴油機連接，確保正確連接及密封性良好。

表1柴油機主要參數

表2后處理系統參數

續表

圖1試驗裝置實物圖及系統布置示意

（2）發動機動力輸出與測功機聯軸器的對中調試。由于固定不良會引起發動機抖動、非正常晃動、性能差并伴有異響，所以需要對發動機和測功機進行對中。對中時，緩慢轉動曲軸，高精度千分表置于軸外圈校核，使得曲軸和測功機端連接同軸度在0.05mm 以內。

（3）環境條件控制。保持環境溫度 25° 左右，壓力 100kPa 。

（4）冷起動測試。直接冷機狀態（潤滑油、冷卻液和后處理系統的溫度為 20～30° ）起動發動機，并嚴格按WHTC循環運行，見圖2。

（5）熱浸處理。運行冷起動循環后，立即進行（10±1 ）min的熱浸期，此階段為熱起動循環作準備。

（6）熱起動循環測試。熱浸期結束后，再次起動發動機并按WHTC循環運行一次。

（7）數據采集與記錄。在冷/熱起動WHTC循環運行中，采集并記錄各參數，包括運行參數和性能參數。運行參數包括進/排氣溫度，進/排氣流量，冷卻液/潤滑油溫度等；性能參數包括油耗量（采用AVL7351CST測量）、CO、 CO₂ 、 NO_x 、HC、 NH₃ 等尾氣氣體成分（通過采樣系統HoribaCVS-ONE后經HoribaMEXA-7200D測量）、PM（采用Sarto-riusCPA2P-F對循環值進行稱重）。最后，從發動機ECU讀取尿素噴射量，為柴油機后處理系統的性能仿真提供數據。

1.2 仿真設置

GT-Power采用有限體積法模擬實際流動空間，采用隱式或顯式方法計算瞬態問題。對于管路流動，該軟件忽略了橫向流動，但考慮了流體、管壁與環境之間的傳熱，提供了詳細且可靠的流動損失模型。利用該模塊對柴油機 NH₃ -SCR脫硝系統進行仿真、分析，可以幫助理解柴油機尾氣脫硝過程的關鍵機制和影響因素。由于臺架試驗條件的限制，采集到的數據無法提供完整的邊界條件（例如排氣中 H₂O，H₂ 成分的缺乏等）用于后處理系統的仿真。所以本研究基于GT-Power平臺分別建立試驗發動機及其后處理裝置的仿真模型，通過發動機本體的仿真用于彌補臺架試驗缺失的數據，為后處理系統仿真提供邊界條件。此方法在本團隊已經得到成功應用，用于探索尾氣后處理過程和指導后處理系統的設計及布局[18-19]

1.2.1 柴油機本體仿真

根據試驗發動機的實際布置建立GT-Power發動機本體的一維模型，包括氣缸、氣閥、渦輪增壓器、曲軸系統、進排氣管路、中冷器和數據采集單元等。所需邊界條件主要包括以下內容。

基本發動機參數，如氣缸行程、缸徑、壓縮比和點火順序等，見表1。

管路尺寸、進排氣閥及升程曲線、流量系數等，通過實物測量及供應商提供得到。

柴油機氣缸模塊采用Weibe燃燒模型和Wos-chniGT傳熱模型，模型參數中噴油量、比表面積和壁溫等從實機測量得到，圖3所示為冷熱起動工況的噴油量。

圖3冷熱起動工況噴油量

摩擦平均有效壓力（FMEP）是發動機內部因摩擦產生的平均壓力損失，此參數不是本研究的重點，采用經驗公式估算。

工況參數（如扭矩和轉速演變過程）與試驗保持一致，最后設置環境參數（如溫度、壓力、濕度等）與試驗室一致。

1.2.2 后處理系統仿真

該柴油機尾氣處理裝置包括排氣系統、DOC（diesel oxidation catalyst）、DPF（diesel particulatefilter）、尿素噴射系統、SCR、氨逃逸催化器ASC（ammoniaslipcatalyst）、控制單元和測量單元。根據臺架試驗中柴油機后處理系統實際結構，搭建后處理仿真系統，其GT-Power模型如圖4所示。根據實際管路幾何參數，以及表2中催化器的幾何參數和特性參數，設置后處理系統管路的直徑、長度、換熱系數以及催化器中各催化劑的類型、成分和微流通道密度等參數。將試驗柴油機的排放數據（如尾氣中 NO_x 、CO、 CO₂ 、HC和PM等的含量、排氣流量、溫度、尿素噴射量等）作為后處理系統仿真模型的邊界條件，并且環境溫度/壓力設置與試驗過程一致。柴油機 NO_x 原排僅考慮NO，其排放歷程見圖5，排氣流量見圖6，由于數據量龐大，其他條件不再一一列舉。

圖4后處理系統仿真GT-Power模型

對于 NH₃ -SCR系統模擬，根據其工作機理，首先需建立尿素噴射器模型及尿素熱解機理（見式（1）至式（3）），用于模擬尿素溶液噴射到 NH₃-SCR 系統后在高溫環境下熱解產生 NH₃ 的過程。試驗選擇尿素和水質量分數分別為 32.5% 和 67.5% 的混合溶液。此外，還需建立 NH₃ 與 NO_x 的化學反應模型，見式（4）至式（9）。對于DOC系統，建立其氧化反應模型，用于模擬排氣中的CO和HC在催化氧化下轉化成 H₂O 和 CO₂ 的過程。對于DPF系統，建立被動再生模型（即沉積物積累到一定程度后在高溫下燃燒）模擬PM在催化劑表面被捕捉、氧化、積累并燃燒再生的過程。對于ASC系統，建立NH₃ 氧化生成 N₂O，N₂ 和NO被氧化成 NO₂ 的過程，以及在催化劑作用下 NO_x 與 NH₃ 反應生成 N₂ 的過程，以模擬ASC系統減少氨逃逸過程。

NH₃ -SCR脫硝系統的工作機理及反應步驟如下。

脫水：

尿素高溫下熱解：

（NH₂）₂CO?NH₃+HNCO

HNCO水解：

HNCO+H₂O?NH₃+CO₂

還原劑在高溫下分解后生成的氨附著在催化劑表面與煙氣產生以下反應：

Z+NH₃?ZNH₃，

4ZNH₃+3O₂?2N₂+6H₂O+4Z，

當只有NO時，反應為標準SCR反應：

4NO+4ZNH₃+O₂?4N₂+6H₂O+4Z

當NO與 NO₂ 比例為 1：1 時，為快速SCR反應：

2ZNH₃+NO+NO₂?2N₂+3H₂O+2Z

當沒有NO或NO較少時，為慢反應：

8ZNH₃+6NO₂?7N₂+12H₂O+8Z 以上各式中，Z為催化劑位點。

1.3 后處理仿真驗證

為了驗證仿真模型的準確性，本研究將試驗數據與仿真模型的部分關鍵數據進行了對比。通過對比冷熱起動工況下試驗與仿真模型的瞬態尾管經過SCR還原后的NO排放數據（如圖7、圖8所示），發現兩者具有較高的一致性。臺架試驗冷起動工況循環NO排放為 0.4801g/（kW?h） ，熱起動工況為0.0388g/（kW?h） ，而仿真冷起動工況循環NO排放為 0.27438/（kW?h） ，熱起動工況為0.1044g/（kW?h） 。誤差主要來源如下：GT-Power未能準確反映反應器入口流場分布的非均勻性；邊界條件（特別是非試驗測量相關組分）不夠準確；化學反應機理的偏差（未考慮物種的吸附和解吸附過程）。而無論何種工況，試驗與仿真模型的NO排放變化的相位較一致，且大部分時間兩者較接近，這表明該模型可以充分反映后處理過程的真實狀態，具有較高的可信度，可用于后處理過程關鍵因素的探索，并指導產品研發。

圖7冷起動模擬與試驗尾管NO排放歷程

2 結果與討論

2.1排氣溫度對 NO_x 還原效率的影響

NH₃ -SCR脫硝系統的性能通常可用 NO_x 還原效率表示，其計算式如下：

NO_x 還原效率

處理前 NO_x 濃度一處理后 NO_x 濃度 ×100% 。處理前 NO_z 濃度

分析影響因素時，應盡量獨立該因素。首先，結合SCR反應器尺寸（見表2）和排氣流量（見圖6），計算得到該反應器最大空速約為 67460h^-1 。而根據本團隊前期研究[20]，在該空速范圍內，空速對NO_x 還原效率的影響非常微弱。所以在討論溫度的影響時，可排除空速的影響。

冷熱起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統的溫度以及 NO_x 還原效率如圖9所示。通過計算發現，冷起動工況下的排氣溫度和 NO_x 還原效率有較高的正相關性，相關系數為0.84，而熱起動工況下二者的相關性較低，相關系數僅為0.39。這說明冷起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統的 NO_x 還原效率更依賴于排氣溫度。這種現象可能與催化劑活性隨著溫度升高而增強[21有關（見圖9b）。在熱起動工況，雖然也有一定相關性，但柴油機排氣溫度較高，繼續升溫對催化劑活性以及反應速率影響不大，圖9b也說明銅基沸石催化劑的高溫活性僅微弱下降。此外，無論是冷起動還是熱起動工況，當溫度逐漸升高， NH₃ 1SCR系統的 NO_x 還原效率呈現出先增加后穩定的趨勢。詳細過程需要結合排氣溫度、原排濃度和反應率歷程進行分析。

圖8熱起動模擬與試驗尾管NO排放歷程

低，尤其是在冷起動工況下。從圖10可知（由于入口條件僅考慮NO，主要發生標準反應），冷起動下SCR約在450s起燃，還原效率達到 50% ，此時NH₃ -SCR系統溫度達到 175°C ，略高于催化劑小樣試驗值 163^°C （見圖9b）；然后反應速率逐漸升高（在系統溫度低于 210° 時， NO_x 還原效率較低且不穩定），隨著循環進行，后半階段溫度逐漸升高，催化劑活性逐漸增強，反應速率加快，當溫度達到210° 后， NO_x 還原效率開始趨于穩定（與催化劑溫度特性吻合），600s后 NO_x 還原效率高達99.88% （至1400s左右達到最高）。在熱起動工況下，接近100s時SCR系統即可起燃（從圖9看到，熱起動時 100～500 s溫度更高，50s時系統溫度達到 240‰ ，隨后還原效率震蕩（在300s時溫度降低，導致 NO_x 還原效率顯著降低），約500s后穩定，接近 100% （600s后 NO_x 平均還原效率達99.54%） 。圖10顯示熱起動循環下NO反應率更高。對比圖7和圖8可知，熱起動循環下 NO_x 趨于穩定的時間更早；無論是冷起動還是熱起動，尾管排放均比原排降低一個數量級以上。

2.2尿素噴射量對 NO_x 還原效率的影響

由式（2）、式（3）可知，尿素在高溫下迅速熱解產生 NH₃ 和 CO₂ ，其中 NH₃ 是 NH₃ -SCR反應的關鍵，作為還原劑與 NO_x 進行反應。因此，尿素的噴射量及其熱解產生的 NH₃ 量直接影響 NO_x 的還原效率。由圖11可知，在冷起動工況下，循環剛開始尿素尚未噴射時， NO_x 的還原效率為0（此階段原排也較低，見圖5）。但從圖7和圖8看出，此階段 NO_x 測量值幾乎為0，可能是SCR中少量的NH₃ 存儲實現了 NO_x 轉化。但仿真模型中未包含NH₃ 存儲機理，故未能模擬到此現象，需要在后續工作中校核該機理。隨著試驗進行，尿素噴射量增加，熱解產生的 NH₃ 增加（見圖12），脫硝效率迅速提高。 NH₃ 主要由式（2）所示的反應產生，其反應速率見圖13。結合圖12和圖13可知， NH₃ 含量的變化在幅值和時間上與尿素熱解過程非常吻合。

由此可見，尿素的熱解不是限制條件，可由其噴射歷程分析SCR反應過程。結合前文可知，冷起動在約450s時SCR系統才會起燃，主要是由尿素噴射時刻造成的，溫度較低是次要原因（見圖11）。這是因為在此之前 NO_x 原排非常低，無需還原劑。相比之下，在熱起動工況 NO_x 生成量更大且時間更早，所以需要更早噴射尿素（約50s開始噴射），以便更快起動SCR反應。總體而言，尿素噴射主要由 NO_x 原排決定，并由排氣溫度、發動機轉速等條件修正。比如在 700s 時刻， NO_x 原排出現一個波峰（見圖5），尿素噴射量也對應出現一個波峰（見圖11）；但在約1480s時刻， NO_x 排放達到最大，而尿素噴射量并不是最大（盡管也出現波峰），這可能是溫度高、發動機轉速低（對應更充分的反應時間）造成的。

然而，有些時刻，尿素噴射量需要進一步優化。適量的 NH₃ 可以增強催化劑的活性，但過量的NH₃ 則會超出催化劑表面的附著能力，降低反應率（與 NO_x 在催化劑表面形成選擇性競爭）并造成氨逃逸。比如在 300s 和 400s 附近，尿素噴射量較高，而后處理系統溫度較低，此時噴射尿素水溶液熱解產生的 NH₃ 超出催化劑的附著能力，降低了NO_x 的還原效率，并且導致氨逃逸。還比如在約1230s時，尿素噴射量過多，脫硝效率反而有所降低（影響反應平衡方向），并導致氨逃逸。而且過量的尿素溶液熱解需要吸收一部分熱量，逃逸的 NH₃ 也會帶走部分熱量，導致脫硝系統溫度降低，催化劑活性降低，使 NO_x 的還原效率降低。同時噴射過多的尿素也會造成資源浪費，增加運行成本。最終，冷熱起動下的尿素循環消耗總量分別為 _145.47g 和 169.12g 。根據反應式（7）的配平因子， 1mol 的NO需要消耗 1mol 的 NH₃ 進行反應。結合圖5（NO輸入量）和圖 12（NH₃ 輸入量）可知， NH₃ 供給在絕大部分時刻能滿足反應要求。圖10所示的反應速率及圖11所示的NO還原效率也說明了 NH₃ 輸入量不是限制因素，尿素噴射策略基本合理。但是仍有部分工況發生 NH₃ 滑移，需要ASC進行轉化。

2.3 氨逃逸

ΔNH₃-SCR 系統雖然可以有效降低 NO_x 排放，但若噴射的尿素過多，未參與反應的氨（ NH₃ ）會排入大氣，這個現象稱為氨逃逸。本研究在 NH₃ -SCR脫硝系統的尾部加裝ASC裝置來吸收多余的氨，其反應如式（11）所示：

4NH₃+3O₂?2N₂+6H₂O

冷熱起動工況下，ASC前后 NH₃ 含量分別如圖14和圖15所示。從圖15可以看到，盡管冷起動工況下尿素噴射總量比熱起動工況少，但其氨逃逸量卻更多，說明冷起動工況下尿素的利用率比熱起動工況低，特別是在1250s附近，恰好接近 NO_x 還原效率的下降時間點 （1230s ，對應排氣溫度下降）。對比冷熱起動工況后處理系統加裝ASC前后的NH₃ 排放量，可以看出，ASC系統幾乎可以將所有逃逸的 NH₃ 氧化，冷起動時氨逃逸的平均減少率高達 99.96% ，而熱起動工況的平均減少率為 99.67% .說明排氣尾端溫度大大下降， NH₃ 的氧化反應較容易進行。因此，加裝ASC裝置可以有效減少氨逃逸，降低二次污染。

3結論

a） NH₃?SCR 脫硝系統中 NO_x 還原效率與溫度密切相關，在冷熱起動工況下 NH₃ -SCR脫硝系統均能實現較高的脫硝效率，但在低溫工況下，NO_x 的還原效率相對較低，當溫度不斷升高， NO_x 的還原效率也不斷升高，當溫度達到 210°C 時，還原效率迅速上升并逐漸趨于穩定；

b）尿素噴射量與 NO_x 還原效率密切相關，尿素噴射量對 NH₃ -SCR脫硝效率的影響為先增大后減小，適量增加尿素噴射量能夠提高脫硝效率，但超過一定閾值后，過量的尿素會降低催化劑活性并導致氨逃逸；

c）氨逃逸率是 NH₃ -SCR脫硝系統的重要性能參數，加裝ASC模塊可以有效降低氨的逃逸率，提高 NH₃ -SCR系統的整體性能，減少 NH₃?SCR 脫硝系統造成的二次污染，說明催化劑的選擇和布置對NH₃ -SCR系統的性能有較大的影響。

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Abstract：The denitrification process of NH₃ -SCR system of diesel engine was studied to clarify key factors affectingdenitrificationof dieselenginesundercomplexoperatingconditionsandtoguideSCRdevelopmentandoperation.Basedonthedataofa dieselengine operatingunder world harmonized transientcycle（WHTC），GT-Power model was builtand verified.Then the rulesandkeyinfluencingfactorsofSCRdenitrificationprocesswereexploredthroughthesimulationthatcoupledgasdynamics and chemical reaction mechanism. The results show that the NO_x reduction efficiency of NH₃ -SCR system under cold start conditionsobviously increases withtheincreaseof exhausttemperature，thereactiongraduallystabilizes when the temperature is higher than 210° ，and the average reduction efficiency is 99.88% after 6oo s.In contrast，the NO_x reduction reaction starts quickly under hot start condition and the average reduction efficiency is 99.54% after 600s ，Inaddition，the urea injection amount hasa greater impact on NO_x reduction，and too much urea injection will result in ammonia residual and hence ammonia escape.

Key words：diesel engine;selective catalytic reduction;nitrogen oxides;transient condition

[編輯：袁曉燕]