影响尿素scr后处理系统性能的因素

影响尿素scr后处理系统性能的因素

0尿素scr系统由于其良好的动力性和油耗性能，该汽车座被广泛使用，汽车座的co和hc排放量大于汽车座。但是柴油机NOx和PM的排放却是一个难题。2010年中国将实施国-Ⅳ排放标准,国-Ⅴ排放标准的实施也被提上日程。因此有效降低柴油机NOx和PM的排放是发动机领域的一个主要研究方向。其中,选择性催化还原(SCR)后处理技术是目前柴油机控制NOx的主要技术手段之一。SCR的主要原理是向排气管中摄入一定量的还原剂,在催化剂的作用下,还原剂与排气中的NOx发生氧化还原反应,生成无害的气体排出,达到降低NOx排放的目的。尿素(Urea)作为氨气(NH3)的载体,因具有无毒、无味、稳定等优点成为车用柴油机SCR技术的首选还原剂。商业上称符合DIN700070标准的32.5%的尿素水溶液为“AdBlue·”。选用AdBlue为还原剂的SCR系统称为尿素SCR后处理系统。目前,国外相关研究机构已对尿素SCR系统做了大量的研究和开发工作,并且推出了很多商业化的产品。国内对SCR的研究刚刚起步。本文使用自主开发的尿素SCR系统(包括硬件部分及控制部分),在发动机台架上进行试验研究。主要研究了喷嘴形式和喷射方向、喷射位置和剂量、辅助喷射空气的压力、催化剂温度以及储氨能力对尿素SCR性能的影响。同时还研究了SCR催化剂对NO与NO2比例以及HC和CO浓度的影响。1试验安装和方法1.1scr控制器的工作原理图1为试验用尿素SCR后处理系统,主要由硬件系统和控制系统组成。其中,SCR控制器通过CAN总线从柴油机ECM获得柴油机转速和喷油量(或油门位置)信号,检测催化剂前后温度信号,确定发动机所处工况。根据柴油机所处工况下所对应的NOx排放量及催化剂温度确定SCR所需要的尿素水溶剂量,并发出控制信号给计量单元喷射出定量的尿素水溶液。通过计算机对SCR控制器进行控制,按照所需的剂量强制喷射尿素水溶液。SCR催化剂(144×270,4.39L,钒基)由国内某催化剂公司提供。1.2发动机及柴油图2为试验台架示意图。其中,尿素SCR后处理系统由北京理工大学自主开发;所用测试仪器参数如表1所示;所用发动机为奥铃BJ493ZLQ1型柴油机(参数见表2),该柴油机采用BOSCH高压共轨供油系统,ECM由北京理工大学开发。所用柴油为北京市售国-Ⅳ(硫含量低于50×10-6)标准柴油。试验用尿素水溶液(AdBlue)由北京化学试剂研究所提供。1.3排气污染物转化率通过改变影响尿素SCR性能的各种因素,对催化剂前后的污染物浓度进行采集和分析,从而得到其变化规律。排气污染物的转化率,即表征了经过催化转化器后所测气体浓度变化的大小。所测气体成分的转化率定义为:式中,ηi为排气污染物i在催化剂中的转化率;C(i)in和C(i)out分别为排气污染物i在催化剂入口处和出口处的浓度。2试验结果与分析2.1不同喷嘴的nox转化率保持柴油机工况一定,尿素水溶液的喷射剂量和辅助压缩空气压力一定,通过采用不同形式的尿素喷嘴和喷射方向(见表3)研究喷嘴对NOx转化效率的影响。柴油机固定在2100r/min、187N·m工况点,此时催化剂入口温度Tc=448℃,空速SV=47850h-1。随后控制计量单元喷入适量尿素溶液并记录催化剂前后NOx浓度。图3为该工况下采用不同喷嘴的NOx转化率情况,喷嘴与催化剂前端的距离为排气管管径的5倍(l=5d)。可以看出,所有喷嘴的NOx转化率都随着NH3与NOx浓度比例(CNH3/CNOx)的提高而提高。但当CNH3/CNOx超过1后,转化率较高的喷嘴其转化率基本不再上升,而转化率较低的喷嘴其转化率仍然上升。几种喷嘴中,NOx转化率最高的为C4喷嘴,即径向4孔0.5mm的喷嘴。在448℃的催化剂温度下,尿素水溶液的脱水、热解和水解反应已经很充分,故转化率主要取决于尿素的雾化和分布情况。可见径向多孔喷射更有利于尿素在空间的分布。2.2不同温度和空速下的nox转化率在排气管上选取两个喷射点(l=5d和l=10d)和两个不同温度(催化剂前温度)的工况点(使用喷嘴C4,辅助空气压力0.2MPa)。其中,高温点温度为448℃,空速为47850h-1;低温点温度为338℃,空速为31507h-1。图4为不同温度和空速下,喷射位置对NOx转化率的影响。可以看出,催化剂前温度为448℃时,l=10d处的转化率略高于l=5d处的转化率,但差别不大(5%以内)。CNH3/CNOx小于1时,这种差别比CNH3/CNOx大于1时明显。但是温度为338℃时,两种位置的差别比较明显(30%左右),并且CNH3/CNOx大于1时,NOx转化率随着CNH3/CNOx的增大而继续提高。可以看出,温度较低时,加大喷射前的距离可以延长尿素在排气中的热解时间和温度,同时也说明了在温度较低时尿素的分解率控制了NOx转化率。因此在布置尿素喷射点时,尽量靠近柴油机排气口而远离催化剂入口。2.3低温温度和反应时间的影响由图3和图4可看出,当CNH3/CNOx小于1时,随着尿素剂量的增大,转化效率也逐渐变大。当CNH3/CNOx大于等于1时,高温时的转化率基本不随尿素量的增多而提高,这是由于该温度下尿素热解、水解反应比较充分,多余的尿素只会造成NH3的滑失。而在低温时,尿素热解、水解的不充分,尿素量的增多会增加NH3的生成总量,但也会有较多没有分解的尿素吸附在催化剂或管壁上,或随排气排入大气。因此温度较低时,不能只依靠增加尿素的摄入量提高转化率,这样会增加尿素的泄漏。而在高温时,也不能过量摄入尿素,过量尿素不但不能提高转化率,反而会造成NH3的泄漏,造成新的污染。因此要保证尿素完全分解后生成的NH3与排气中NOx排放的比例不超过1∶1为宜,最多不要超过1.2∶1。2.4空气压力和过滤效率柴油机在固定工况运转,改变辅助喷射空气的压力,研究不同压力对转化效率的影响(l=5d,CNH3/CNOx=1)。图5为两组不同的喷嘴在两种柴油机工况下的情况。由图5a可看出,在高空速下,4孔0.5mm径向喷射的喷嘴C4,空气压力由0.1MPa提高到0.2MPa时,NOx转化效率提高了25%,而压力继续增大到0.6MPa期间,NOx转化率的变化很小;2孔1mm轴向喷射的喷嘴C1,空气压力由0.1MPa提高到0.6MPa期间,NOx转化率逐渐增大;2孔1mm径向喷射的喷嘴C1,空气压力由0.1MPa提高到0.6MPa期间,NOx转化率先是增加,在0.3MPa时出现峰值,随后迅速降低。这主要是因为孔径较小时,空气压力的增大会改善雾化效果,但这种效果随着压力的增大而逐渐减小;孔径较大时,如果是径向喷射,空气压力的增大虽会部分改善雾化效果,但是大孔径的喷嘴导致喷束较细长,在大压力下容易使液滴喷溅到管壁上而影响与排气的混合,因此压力过大反而使得转化率降低。孔径较大时,如果是轴向喷射,就不会造成喷束溅壁现象,因此随着压力的增大转化率会提高。由图5b可知,在低空速下,情况有些不同。4孔φ0.5mm径向喷射的喷嘴C4,空气压力由0.1MPa提高到0.2MPa时,NOx转化率稍有提高。继续增大空气压力,转化率有所降低。这主要是因为此时排气流速和流量较低,增大空气压力使尿素溶液更容易喷溅到管壁上。2孔φ1mm轴向喷射的喷嘴C1的情况与高空速下类似。而2孔φ1mm径向喷射的喷嘴C1的最佳喷射压力在0.1MPa,但其他压力下变化不明显,主要也是与喷射溅壁有关。过高的空气压力(>0.5MPa)还增加了密封系统的负担,甚至造成少量的泄漏。综合而言,对于孔径较小的径向喷射喷嘴,0.2MPa的空气辅助压力较为合适。2.5不同转速下nox转化率的变化柴油机在固定转速下运转,通过改变不同的扭矩而获得不同的排气温度(使用喷嘴C4,l=5d,CNH3/CNOx=1)。但由于该发动机为增压发动机,扭矩的改变使得涡轮的转速发生改变,因此即使在相同的转速下,进气量和油耗一样会随着扭矩的增大而增大,这就使得排气流量发生了改变,实际空速并不能固定。但是这种工况下温度因素仍然是NOx转化效率的主导。图6为尿素喷射前催化剂的温度对NOx转化率的影响曲线。可以看出,两个不同转速下的NOx转化率随温度变化的趋势基本一致,即温度由350℃升高到400℃左右,NOx转化率迅速提高了30%。温度继续升高,转化率增加幅度有所减少。而达到相同排气温度时,低转速工况下的空速要小于高转速的空速,而此时转化效率也是低空速的要稍高,但趋势一致。由于催化剂本身性能的原因,起燃温度过高,造成了该柴油机低温工况的转化效率较低。另外,尿素水溶液脱水过程要吸收热量,析出的尿素固体要在133℃以上才会大量热解。因此温度如果过低,不但催化剂达不到相应的起燃温度,而且尿素也无法完全分解成实际上的还原剂NH3。此时向温度很低的催化剂喷射尿素溶液只会造成尿素的泄漏而起不到降低NOx的作用。在控制策略制定时,需要设定排气和催化剂的限定温度,即低于这个温度,尿素SCR系统是不能工作的。2.6不同催化剂响应的nox喷射特性按照催化剂的化学动力学模型,还原剂NH3是要首先吸附在催化剂表面的活性位上,还有一部分NH3吸附在催化剂非活性位上,而这一部分的NH3是不能参与NOx氧化还原反应的,因此这一部分NH3会储存在催化剂表面上(涂层或载体),这就是所谓的催化剂储氨能力。这种催化剂的储氨能力增加了柴油机瞬态工况下的控制策略制定的复杂性。柴油机固定转速为2000r/min、扭矩162N·m,此时催化剂前端温度为376℃(使用喷嘴C4,l=5d,CNH3/CNOx=1)。从0s开始计时,每10s记录一组催化剂后的NOx排放值。尿素溶液从第40s开始喷射,第170s停止喷射。试验结果如图7所示。从图7可看出,从尿素开始喷射到排出的NOx浓度基本稳定持续大约50s,记为tf。从尿素停止喷射到浓度恢复到喷射前的水平大约持续了150s,记为tr。其中,tf时间内,主要发生了NH3的吸附与氧化还原反应;而tr时间内,虽然没有新的NH3补充进来,但是储存在催化剂中的NH3在向外释放并与NOx发生了反应。从喷射开始,NOx的浓度立即随之减少,这说明氧化还原反应已经开始,同时也说明NH3在催化剂表面的吸附速度非常快。停止喷射后的tr延迟时间是开始喷射tf延迟时间的3倍多,可以认为NH3进入催化剂后一部分吸附在活性位上,一部分吸附在非活性位上,吸附在活性位上的NH3随即与气流中的NOx发生氧化还原反应被消耗,而吸附在非活性位上的NH3被储存起来。当NH3继续增多,则活性位和非活性位都出现了饱和现象,此时NOx的消耗量也达到了平衡。如果此时停止喷射尿素,则催化剂中没有新的NH3作为补充,活性位上的NH3与NOx发生反应被消耗后出现了空缺状态,此时非活性位上的NH3开始被释放并被活性位俘获和被NOx消耗,这样储存在非活性位上的NH3都会逐渐转移到活性位上被消耗掉,直到催化剂中NH3全部被消耗掉后,NOx的浓度会恢复到喷入尿素前的水平。柴油机在几个不同排气温度的稳定工况下运行,重复上面的试验,记录不同催化剂前温度下,催化剂储氨能力的大小(由tr表征),结果如图8所示。由图8可看出,当催化剂前温度较高时,tr时间缩短,而温度较低时,tr时间延长。反映出的宏观效果是催化剂的储氨能力与催化剂的温度成反比。这即与在高温时催化反应的速度比低温时快有关,还与低温时催化剂储存的NH3量更多有关。2.7不同的还原剂对催化剂抗氧化酶系统的影响当原始排气流过SCR催化剂而没有还原剂摄入时,催化剂前后的NOx总量基本保持不变,但是NOx中NO与NO2的相对含量却发生了改变。如图9所示(Cat.IN代表催化剂入口,Cat.OUT代表催化剂出口),转速为1500r/min时,柴油机在三种扭矩工况下对应三种不同的催化剂前端温度。每个催化剂温度下都测量了催化剂前后的NO和NO2的值。可以看出,温度越高,柴油机排气中的原始NO2含量就越低。这是因为NO2不稳定,燃烧室内温度较高时NO2会向NO转变,但是温度较低时这种转变会被抑制。从图9还可看出:经过SCR催化剂后,NO2的比例降低,这一点在低温情况尤其明显,这说明NO2被还原回NO。如图10所示(w/oUrea表示没有尿素摄入,w/Urea表示有尿素摄入,柱状图表示浓度,折线图表示转化率),在不同的排温下,当没有还原剂摄入时,催化剂出口处的HC含量明显降低。这说明这部分HC与NO2发生氧化还原反应,将一部分NO2还原为NO。而当有还原剂尿素喷入后(CNH3/CNOx=1),催化剂出口处的HC含量逐渐升高,但仍然低于入口处的水平。这说明在催化剂的选择性作用下,NH3与NOx发生反应的能力大于HC与NO2的反应能力。2.8没有还原剂对co图11为SCR反应对CO的影响结果。由图11可看出,在没有还原剂摄入的情况下,排气经过SCR催化剂后CO的浓度提高,温度越高这种趋势越明显。结合图9可以认为,在没有还原剂摄入的情况下,NO2或O2与排气中未燃的碳微粒(C)发生反应生成CO,而温度的升高可以促进该反应的发生。当有还原剂摄入后,CO的生成量会减少,主要是由于NH3与NOx发生反应的活性,在催化剂的作用下大于C与NO2发生反应的活性,随着温度的升高,SCR的催化还原反应活性越来越大,使得CO生成量的减少程度大于低温时的减少水平。3催化剂的用量影响(1)径向、多孔、小孔径的喷嘴有利于尿素水溶液的雾化和空间分布,可提高尿素SCR的转化效率。(2)