排气温度、排气流量和海拔高度对SCR系统NOx转化率和NH3泄漏量的影响研究*

2021-04-14毕玉华聂学选刘少华申立中彭益源

汽车工程 2021年3期

毕玉华，聂学选，刘少华，肖奔，王鹏，申立中，彭益源

（1. 昆明理工大学，云南省内燃机重点实验室，昆明 650500；2. 昆明云内动力股份有限公司，昆明 650500）；

前言

柴油机的主要排放污染物是氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM），二者由于生成机理的不同呈此消彼长的关系［1］。机内净化技术已无法满足日益严格的排放要求，必须依靠机内与机外净化技术的协调配合才能有效控制二者排放［2］。选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）技术是专门用于减少柴油机NOx排放的机外手段，技术成熟且效率高，已被广泛使用［3-6］。我国地形地势复杂，海拔高度在1 000 m 以上的面积占到58%，2 000 m 以上的面积占到33%［7-8］，即将实施的国六排放法规严格规定了不同海拔下汽车排放污染物限值［9］。柴油机在高原地区运行时由于高原地区空气稀薄，含氧量低，循环进气量少，会使柴油机缸内燃烧恶化，进而导致其动力性、经济性和排放性能都有不同程度的下降［10-11］。由于柴油机在不同海拔下运行时排气温度和排气流量不同，二者的变化会对NOx转化效率和NH3泄漏量产生重要影响，因此研究不同海拔下SCR 性能的影响因素与规律，对SCR 控制策略的优化具有重要意义。

国内外学者针对海拔变化对柴油机产生的影响进行了许多有针对性的研究，Kosmadakis 等［12］通过自主研发的大气模拟系统研究了不同大气压力环境对柴油机动力性和排放性的影响，结果表明柴油机的转矩和微粒排放都随海拔的升高而变差。申立中等［13-14］利用大气模拟系统较为全面地研究了自然吸气、增压柴油机和增压中冷柴油机的燃烧过程、动力性、经济性和排放性能随海拔变化的规律。同时，对SCR 系统性能的影响因素也有大量的研究。Park等［15］研究SCR 催化箱温度对NOx转化效率与氨泄漏量之间的关系，结果发现由于高的NOx转化速率导致400 ℃时的氨泄漏远远低于200 ℃时的泄漏，说明NH3与NOx在不同的温度下反应程度不同。王静等［16］研究了不同排气温度对SCR 性能的影响，结果表明，排气温度会影响SCR 系统内的液滴分布和催化剂人口还原剂分布，进而对NOx转化效率产生重要影响。陈韬等［17］探究了NOx转化效率的影响因素，结果表明：NOx的最佳转化温度范围为280～500 ℃，在该温度范围内，排气流量对DOC+SCR 系统的NOx转化效率基本没有影响。Han 等［18］研究表明，随着空速的增加，低温下NOx还原率的降低更为明显，高温下空速对NOx还原率的影响要比在低温下弱得多。王军等［19］探究了氨氮比、温度和空速对NOx转化率的影响。Hanse 等［20］的试验结果表明，催化剂温度越低，储氨效果越好。综上所述，国内外学者针对海拔变化对柴油机性能影响研究较多，对SCR 性能的研究也较为广泛，而针对不同海拔下柴油机SCR性能的影响报道较少。

本文中以满足国五排放标准的高压共轨柴油机为研究对象，依托AVL 试验台架和尾气采集分析设备，结合大气模拟系统，分别在80、90 和100 kPa 大气压力下进行了柴油机性能和排放试验，并对排气温度、排气流量和海拔高度变化对NOx转化效率和NH3泄漏量的影响展开研究，为柴油机SCR 系统在高原环境下应用提供试验依据。

1 试验方案设计

1.1 测试设备

试验所用的发动机是一台满足国五排放标准的高压共轨直列四缸柴油机，其主要技术参数如表1所示，SCR载体参数如表2所示。

表1 柴油机基本参数

表2 SCR主要参数

台架设备仪器主要有：AVL PUMA OPEN V1.5测控系统，AVL 交流电力测功机，AVL 753C 柴油质量流量计，AVL 735S 柴油温控系统，AVL AMA i60（用于测量SCR 前端HC、CO、NOx、O2等排放），AVL FTIR i60 傅里叶红外光谱分析仪（用于测量SCR 后端NOx与NH3泄漏），上海同圆测试设备有限公司生产的大气模拟装置（用于调节大气压力、温度、湿度），广州赛维换热设备有限公司生产的排气温度冷却器（用于调节排气温度），冷却设备附带有电磁阀和循环泵。台架布置示意图如图1所示。

图1 柴油机SCR试验台架示意图

1.2 排气温度和排气流量对SCR 性能影响的试验方案

排气温度和排气流量是影响SCR性能至关重要的两个因素。在关于排气温度与排气流量的研究中，大多学者是通过改变发动机工况来调节排气温度和排气流量。而发动机工况的改变会导致发动机排气组分发生改变，从而造成多因素的改变影响SCR 性能。为使试验过程更加严谨可靠，确保研究单因素对SCR的影响，引入排气温度冷却器，将其安装在尿素喷嘴与SCR载体之间，用于冷却排气温度。选择最大转矩工况，通过冷却器降低温度。排气温度和排气流量对SRC性能的影响试验均在实验室自然环境下进行，海拔高度为1 980 m，对应的大气压力为80 kPa。排气温度影响试验时，将排气流量固定在350 kg/h，为覆盖SCR 从低温到高温的性能，选择冷却所需的10 个温度点：230、260、290、320、350、380、410、440、470 和500 ℃。把冷却器安装在尿素喷嘴与SCR载体之间能保证在每个温度点下尿素水解生成的NH3量不变，使每个温度点下进入载体的氨氮比和物质组分都是相同的，唯一变量是SCR 入口温度，以此研究不同温度对SCR 性能的影响。排气流量影响试验时，调节发动机工况，使排气流量分别达到200、250、300 和350 kg/h，并运用冷却系统分别将排气温度稳定在250、300 和350 ℃，以此研究3个不同排气温度下排气流量对SCR 性能的影响规律，试验SCR与冷却器如图2所示。

图2 SCR与冷却器图

1.3 不同海拔对SCR性能影响的试验方案

研究选取3个海拔高度，各海拔所对应的大气压力分别为80、90和100 kPa。试验台架所在地海拔高度为1 980 m，对应的大气压力为80 kPa，因此采用大气模拟装置将进排气压调到90 和100 kPa。此外，测试环境的空气湿度为50%～60%，大气温度为20～28 ℃。

发动机外特性是研究发动机性能好坏的重要指标，甚至可以说外特性的好坏决定了发动机性能的优劣。外特性试验工况较为全面，从低速到高速都有覆盖，是研究发动机常采用的试验方式，因此在研究不同海拔对SCR性能影响时选择发动机外特性工况进行性能试验。将发动机、后处理装置和所需传感器正确安装，保证台架测试设备正常工作，在3 个海拔下分别进行发动机外特性试验。将AVL AMA i60 置于SCR 前端监测入口的HC、CO、NOx和O2浓度，另将AVL FTIR i60 置于SCR 后端，监测SCR 出口的NOx浓度和NH3泄漏量。

2 试验结果与分析

2.1 不同海拔下柴油机性能与排放试验

海拔高度直接影响柴油机的动力性、经济性和排放特性，进而影响SCR系统的性能。图3为3个海拔条件下柴油机外特性工况的性能和排放试验数据。从图3（a）～图3（c）中可以看出：海拔越高柴油机相同工况下转矩与功率越低，燃油消耗率越高。这是由于柴油机在高原地区运行时空气稀薄，含氧量低，循环进气量少，使柴油机缸内燃烧恶化，进而导致其动力性和经济性下降。从图3（d）和图3（e）可以看出，同一工况下，随着海拔的升高，排气温度升高，而排气流量下降。由于平原地区大气压力高，发动机进气量多，缸内燃烧充分；高原地区为改善缸内燃烧情况，为保证压比，增压器转速增加，与此同时增压器温度升高，导致进气温度越高，排温越高；相同工况下大气压力越低进气量越少，燃烧越差，排气流量自然越小；排气温度和排气流量是影响SCR性能的重要因素，两者受海拔影响较大，海拔变化对二者的影响规律是研究SCR海拔特性的关键。从图3（f）和图3（g）可以看出，在同一工况下，柴油机排气氧含量和NOx排放随海拔升高而降低，且都呈现出低速时海拔影响较大的规律，在2 000 r/min 后NOx排放和排气氧含量随转速升高而降低。NOx产生的必要条件是高温、富氧、反应时间长，NO的生成需要氧原子和氮原子在高温环境较长时间进行反应。在转速高于2 000 r/min 后，气体在缸内停留的时间缩短，造成NOx排放的降低。虽然高原时缸内燃烧温度高于平原，但氧气含量低于平原，综合分析知氧气含量对NOx产生的影响更大。从图3（h）和图3（i）可以看出，柴油机CO 和HC 排放都随海拔升高而增多。HC 和CO 都是烃类燃料不完全燃烧的产物，随着海拔升高，大气氧含量降低，过量空气系数减小，燃烧恶化，从而产生更多的HC和CO，因此海拔越高二者排放越恶劣。

图3 不同海拔下柴油机外特性测试图

2.2 排气温度对SCR性能的影响

2.2.1 排气温度对NOx转化效率的影响

排气温度是影响NOx转化效率的重要因素，排气温度决定着载体内的化学反应环境温度，影响催化剂的反应活性，准确把握温度对SCR 的影响是研究SCR 性能的基础。图4 为NOx转化效率与N2O 浓度随温度变化规律。由图可见：NOx转化效率总体呈现先增大后减小的规律；在低温区NOx转化效率受温度影响较大，230-380 ℃温度区间转化效率从43.3%上升到86.7%；380 ℃后，NOx转化效率随温度的升高而降低，整个温度范围内NOx转化效率最大差值为43.4 百分点。分析其原因：低温时尿素溶液中的水分蒸发较慢，随着温度的升高，水分蒸发加快，尿素的热解和异氰酸的水解更加快速充分，分解产生更多NH3，此外温度的上升使得催化剂活性加强，化学反应速率加快，从而NOx转化效率提高；温度升高至380 ℃以后NOx转化效率降低的原因是因为进入高温区以后催化剂的活性降低，导致化学反应变慢；加上NH3对O2的选择性升高，且排气中O2含量高于NOx含量，导致NH3与O2反应的几率比NOx高，也促使NOx转化效率降低，N2O 则是NH3与O2反应产生的副产物之一。要保证SCR 系统NOx转化效率需要有合适的温度控制，温度不能过低也不能过高，过低温度会限制SCR性能，过高温度会使催化剂活性降低，进而降低NOx转化效率。

图4 不同排气温度下NOx转化效率与N2O浓度

2.2.2 排气温度对NH3泄漏量的影响

图5 为NH3泄漏量和N2O 浓度随温度的变化规律。从图中可以看出，NH3泄漏量随着温度的上升不断减小，230 ℃时NH3泄漏量为348.3×10-6，到410 ℃时降至20.6×10-6，降低327.7×10-6，降幅达94%。泄漏量降低的原因是，随着温度的提高，催化剂活性增高，参与还原NOx的NH3增多，NOx转化效率升高，NH3泄漏量降低。此外，温度升高，参与的副反应增多，例如一部分NH3会被氧化成N2O，NH3在持续消耗，也使NH3泄漏量降低。但当温度高于410 ℃之后，伴随温度继续升高，NH3泄漏量略有增加。原因是SCR催化剂的储氨能力会随着温度的升高而逐渐降低，进入高温区域后，虽然NH3在参与NOx转化和其他副反应，但由于储氨能力下降，NH3泄漏量会略有上升。该试验NOx转化效率较低，而NH3泄漏量较大。原因是试验用ECU 为批产ECU，未对控制策略进行更改，不影响变化规律，此外，尿素喷射过程中，三维流动和混合器结构等参数会影响NH3分布，从而影响转化效率和泄漏量。

图5 不同排气温度下NH3泄漏量与N2O浓度

2.3 排气流量对SCR性能的影响

2.3.1 排气流量对NOx转化效率的影响

图6为在250、300和350 ℃下NOx转化效率随排气流量而变化的规律。从图中可以看出，同一温度下，排气流量从200 上升到350 kg/h 区间，转化效率呈现先升高后降低的趋势。此外，温度越高，排气流量对NOx转化效率的影响越小。排气温度为250 ℃时，不同排气流量的NOx转化效率最大相差21.5 百分点。排气流量在200 到250 kg/h 区间转化效率略有上升，因为当尿素喷入管路后，排气流量适当增大带来单位时间内的能量增加，使得NH3在载体内混合更均匀，所以转化效率略有上升；在250到350 kg/h 区间，随着排气流量的继续增大，单位载体内气体流速过大，NH3在载体内停留的时间逐渐减少，吸附氨的量减少，导致NOx转化效率降低。温度升高使催化剂活性提高，随温度升高尿素分解成NH3的量增多，故使排气流量对NOx转化效率的影响变小。

2.3.2 排气流量对NH3泄漏量的影响

图7为温度在250、300和350 ℃下NH3泄漏量随排气流量的变化规律。从图中可看出，随着排气流量的增大，NH3泄漏不断增大，而温度越低，NH3泄漏量及其变化幅度越大，250 ℃时在整个排气流量变化范围，NH3泄漏量从103.4×10-6增大到194.2×10-6，增加90.8×10-6；300 ℃时NH3泄漏量从78.3×10-6增加到138.6×10-6，增加60.3×10-6；350 ℃时NH3泄漏量从64.7×10-6增加到93.2×10-6，只增加28.5×10-6。分析原因：排气流量增大带走更多的NH3，使得NOx转化效率降低，NH3泄漏量增大；温度越低，NH3泄漏，是因为温度较低时，催化剂活性不足，催化剂吸附氨的能力较弱，参与NOx转化的NH3减少，则NH3泄漏量增加。

图6 不同温度NOx转化效率随排气流量的变化

图7 不同排气流量下NH3泄漏量

2.4 不同海拔下SCR性能变化

2.4.1 不同海拔下NOx转化效率

柴油机具有海拔特性，不同大气压力下进入气缸的气体状态不同，导致机内燃烧和机外排放都有较大差异。为弥补海拔高度造成的性能差异，引入如增压器等部件，但这些部件在不同海拔下表现出不一样的特性。SCR 系统也同样，海拔变化会使发动机的排气组分浓度、排气温度和排气流量等参数发生改变，而这些参数正是影响SCR 性能的重要因素，因此SCR也具有海拔特性。

图8 为外特性工况下不同海拔下SCR 的NOx转化效率随转速的变化曲线。从图中可以看出，海拔越高，NOx转化效率越高，80和100 kPa时NOx转化效率最大发生在最低转速1 200 r/min，分别为89.3%和69.2%，相差20.1 百分点；其原因是随着海拔的升高，发动机排气温度上升，使NOx转化效率提高；同一海拔下，随着转速的升高，NOx转化效率降低，低速时海拔变化影响显著，中高速时影响较小。分析原因：同一海拔下，随着转速升高，排气流量增大，使NH3停留在载体内时间减少，从而NOx转化效率降低；低速时不同海拔排气流量差异较大，因此不同海拔下NOx转化效率差异较大，到中高速排气流量差异很小，NOx转化效率的差异也变小。

图8 不同海拔下NOx转化效率

2.4.2 不同海拔下NH3泄漏量

发动机在不同海拔下运行时排气温度和排气流量不同，因此NH3泄漏量在不同海拔下也会有所差异。图9 为不同海拔下NH3泄漏量随转速的变化曲线。从图中可知，随着转速升高，NH3泄漏量先减小后增大，低速时NH3泄漏量海拔差异较小，中高速时差异较大。不同海拔NH3泄漏量最大差值首先发生在转速为2 400 r/min 时，80 kPa泄漏量为16.8×10-6，100 kPa 泄漏量为71.4×10-6，相差54.6×10-6；转速继续提高时，不同海拔NH3泄漏量基本上同步增大，最大差值几乎不变。分析泄漏量随转速的升高先减后增的原因是：SCR 储氨能力会随着温度的升高而降低，温度越高饱和储氨量越小。从前文研究可知，外特性排气温度随转速升高先降低后升高，因此SCR储氨能力呈相反规律，即随转速的升高，储氨能力先升后降，所以NH3泄漏量随转速升高呈现先减少后增加的趋势。NH3泄漏量的海拔影响差异是因为排气流量变化的原因，海拔越高，排气流量越小，NH3在载体内停留的时间越长，则供吸附和反应的时间越长，NH3泄漏量越低。低速时排气流量较低，且NOx转化效率较高，不同海拔下NH3泄漏量差异较小；中高速排气流量快速增加，海拔越低增长越快，因此NH3泄漏量的海拔差异随转速的升高而加大。