重型柴油機SCR系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、柴油機由于具有動力性強、耗油率低等優(yōu)勢，在中/重型車輛上得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對環(huán)境保護重視程度的增加，柴油車的污染問題也越來越突出，重型柴油車尤其顯著。資料表明，在我國雖然重型柴油車占總量的15％左右，但其NOx和PM排放量占機動車總排放量的60％以上。目前，我國在商用車柴油機滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放法規(guī)技術(shù)路線中，傾向于采用SCR技術(shù)作為滿足未來更嚴格排放要求的主要技術(shù)措施。但是，盡管國內(nèi)研究機構(gòu)和相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開展了柴油機SCR技術(shù)的研究

2、，實際應(yīng)用中仍以引進國外技術(shù)為主，核心技術(shù)掌握在國外相關(guān)廠家手中，圍繞SCR技術(shù)應(yīng)用過程中存在或出現(xiàn)的問題還缺乏系統(tǒng)的研究，與國外相比還存在較大的差距。北京、上海提前實施國Ⅳ排放標準以來，頻繁出現(xiàn)城市公交車裝用的SCR系統(tǒng)在一些低速低溫工況下不起作用、尿素溶液在排氣管路內(nèi)部形成沉積物等一系列問題，實際運行過程中車輛NOx排放并未達到預(yù)期目標。可見，對于穩(wěn)定、高效SCR技術(shù)和裝置的研究已成為我國在該技術(shù)推廣和應(yīng)用方面的主要瓶頸。本文圍繞效

3、率發(fā)揮、尿素沉積、低溫應(yīng)用、催化劑耐久性等幾個影響尿素SCR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題開展研究。
　　 首先，對尿素沉積、催化劑劣化等影響SCR系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的因素進行了分析，通過試驗研究了尿素沉積物的組成和影響因素，以及燃油含硫量對催化劑耐久性的影響。SCR系統(tǒng)中會發(fā)生復(fù)雜的物理和化學反應(yīng)過程，尿素液滴在分解為氨氣的同時，也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物，本文采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)，確定了結(jié)晶結(jié)石等沉積物的主要成分為尿素和三聚氰

4、酸;結(jié)合應(yīng)用中出現(xiàn)的問題分析了SCR系統(tǒng)中噴嘴孔附近、下游排氣管道內(nèi)和催化劑載體前端等處沉積物形成的原因，結(jié)構(gòu)不合理造成流動組織不善、局部低溫、大液滴霧化不良著壁和蒸發(fā)分解不足等因素是存在的主要問題。針對這些問題提出了一體式噴嘴座結(jié)構(gòu)改進方案，通過發(fā)動機臺架試驗和整車道路運行試驗考核結(jié)果表明，該方案能夠有效減少尿素沉積物的形成，同時可降低ETC循環(huán)NOx排放6％。通過試驗研究了排氣溫度和尿素噴射速率對尿素沉積物生成量的影響，優(yōu)化了尿素噴

5、射控制策略。提出了SCR催化器耐久性評價測試方法，通過劣化系數(shù)反映耐久性試驗前、后催化器性能的變化，設(shè)定了劣化系數(shù)判定界限，并考察了燃油硫含量對SCR催化劑耐久性能的影響。通過燃用國Ⅱ柴油的1000h臺架耐久性試驗和2萬公里車輛道路試驗考核結(jié)果表明，SCR釩基催化劑對燃油品質(zhì)適應(yīng)性強，用劣化系數(shù)評價催化劑耐久性的方法是可行的。
　　 以重型商用車SCR系統(tǒng)為研究對象，提出了一種緊耦型的SCR系統(tǒng)布置方案，并通過CFD分析，對具體

6、結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。通過噴嘴座固定位置處的變徑和錐面結(jié)構(gòu)將尿素噴嘴集成在SCR催化轉(zhuǎn)化器入口端，在催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部利用大直徑直管來增強局部氣流擾動強度，促進尿素溶液與排氣氣流充分混合，混合管頂端封閉，使氣流沿圓周方向的穿孔管溢出，然后再經(jīng)過帶有穿孔結(jié)構(gòu)的載體前支撐板導(dǎo)入到催化劑前端面。由于尿素液滴混合段處于SCR催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部，四周充滿高溫氣體，可以有效避免熱量的散失，同時，由于混合管直徑較大，并且噴嘴傾斜布置，尿素噴射起始點至對面壁面的距離

7、大于尿素噴霧的噴射貫穿距離，可以有效防止尿素液滴噴射到對面管壁上;頂端封閉的混合管設(shè)計，促使氣流沿穿孔管流出，在混合管內(nèi)部大尺度的渦流對混合起主導(dǎo)作用，而當氣流通過管壁上的混合孔時，微尺度的湍流對混合起主導(dǎo)作用，二者的結(jié)合有效縮短了對混合距離長度的要求，使結(jié)構(gòu)設(shè)計更緊湊;此外，催化劑前支撐板采用穿孔結(jié)構(gòu)，通過大尺度渦流與微尺度湍流的結(jié)合可以有效促進尿素溶液在排氣中的均勻混合，提高進入載體前端面混合氣的分布均勻性，有利于催化劑效率的充分發(fā)

8、揮。發(fā)動機臺架試驗結(jié)果表明，在ESC測試循環(huán)下，本設(shè)計方案可比原結(jié)構(gòu)方案提高NOx轉(zhuǎn)化效率17.7％，在ETC測試循環(huán)下，提高NOx轉(zhuǎn)化效率21.6％，5萬公里整車道路試驗結(jié)果證明該方案能夠有效解決SCR系統(tǒng)中存在的結(jié)晶結(jié)石和沉積物問題。
　　 針對SCR催化劑載體床溫具有滯后性的特點，在發(fā)動機試驗臺架上研究了尿素噴射系統(tǒng)瞬態(tài)工況下尿素噴射延遲對柴油機排放性能的影響，分析了不同尿素噴射延遲控制策略和延遲時間對NOx轉(zhuǎn)化效率和NH

9、3逃逸量的影響。NOx還原反應(yīng)的速率與催化劑溫度直接相關(guān)，適宜的溫度、恰當?shù)臅r刻、噴入適量的尿素溶液是確保系統(tǒng)效能發(fā)揮的基本條件，但由于催化劑載體的熱容特性導(dǎo)致其床溫隨柴油機工況的變化具有相應(yīng)的滯后性，如不考慮這一特性的影響，當柴油機由低排溫工況快速過渡到高排溫工況時，易導(dǎo)致氨逃逸量過多，造成二次污染，反之，則不利于NOx還原效率的充分發(fā)揮。針對這一特點，引入一階系統(tǒng)上升和下降延遲特性函數(shù)，試驗結(jié)果表明合理的延遲策略有利于催化劑催化效能

10、的充分發(fā)揮，能夠有效降低發(fā)動機瞬態(tài)試驗工況下的NOx排放，同時又可以有效控制NH3逃逸，降低尿素消耗量。
　　 最后，針對北京第五階段排放標準（京Ⅴ）中的WHTC測試循環(huán)的試驗要求，以控制車輛低速低負荷工況下NOx排放超標問題為目標，開展了系統(tǒng)的試驗研究工作。分析了改善裝配SCR系統(tǒng)的柴油機低溫低負荷下現(xiàn)有排放控制措施的優(yōu)勢和不足，在此基礎(chǔ)上提出了通過采用進氣節(jié)流閥裝置來減少低工況下發(fā)動機進氣量，促進缸內(nèi)燃燒溫度升高，從而提升排

11、氣溫度的技術(shù)方案。對于SCR系統(tǒng)，排氣溫度低于250℃時，催化劑活性較低，低于200℃時，尿素將不能被正常轉(zhuǎn)化為氨氣。通過試驗測試結(jié)果表明，WHTC冷啟動循環(huán)中，59.3％工況點的排氣溫度低于200℃，WHTC熱啟動測試循環(huán)中，52.7％工況點的排氣溫度低于200℃，這些工況下尿素噴射系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài);熱啟動和冷啟動的排氣溫度基本均在280℃以下，普通釩基催化劑在此溫度區(qū)間內(nèi)活性低，不利于柴油機NOx排放的降低。本文通過臺架試驗對比了采