柴油机DOC+SCR系统NOx转化效率影响因素研究

陈 韬，谢 辉，高国有，王 维，回 春

（1.天津大学 机械工程学院，天津 300072；2.中国汽车技术研究中心，武汉 430056）

柴油机DOC+SCR系统NOx转化效率影响因素研究

陈 韬1,2，谢 辉1，高国有2，王 维2，回 春2

（1.天津大学 机械工程学院，天津 300072；2.中国汽车技术研究中心，武汉 430056）

为了研究柴油机DOC+SCR系统NOx转化效率的影响因素，利用AVL Boost仿真软件对催化器的化学反应过程进行了数值仿真及试验验证。结果表明，建立的仿真计算模型能很好地模拟DOC+SCR系统的催化反应过程。DOC+SCR系统中，NOx的最佳转化温度范围为280℃～500℃，在最佳反应温度范围内，排气流量对DOC+SCR系统的NOx转化效率基本没有影响，前置DOC在保证排气中NO/NO2的比例不同时，NOx转化效率都能保持在较高水平，排气中NO2占比的增加对NOx转化效率的提升作用非常小。

柴油机；DOC+SCR；NOx；转化效率

日前，北京已对重型柴油车全面实行京五排放标准，由此可见，我国的排放法规日益严格，柴油机仅靠燃烧优化等机内控制技术已难以满足欧Ⅳ、欧Ⅴ等排放法规的要求[1]，因此，高效的后处理技术成为柴油机必须采用的排气控制手段。目前，我国主要存在两条柴油机后处理技术路线，一条是机内控制颗粒（Particle Matter，PM）排放，同时采用选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）控制NOx排放；另一条是机内控制NOx排放，同时采用废气再循环技术（Exhaust Gas Recycling，EGR）和柴油机颗粒捕集技术（Diesel Particulate Filter，DPF）控制PM排放[2-3]。SCR技术由于其具有油耗低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点，已经成为国Ⅴ柴油发动机的首选排放技术路线[1]，国内潍柴、玉柴、康明斯等发动机厂家正积极研发SCR系统，以满足今后越来越严格的环保标准要求。

引用格式：

SCR技术是利用还原剂氨基和烃基等来将尾气中的NOx还原为N2，其中尿素作为氨（NH3）的载体，因其性能和使用的便利性被广泛应用于车用柴油机上。尿素SCR的主要工作过程是向柴油机排气中喷入适量的尿素水溶液，经过一系列的热解水解过程，尿素分解成SCR 所需的NH3，并在催化剂存在的条件下与排气中的NOx发生氧化还原反应，生成无害气体[4-5]。近年来，国内外研究人员已经对尿素SCR后处理系统的结构特性[6-7]、化学反应原理[1,6,8-9]、试验特性[10-13]、转换效率[13-14]、失效机理[15-16]等作了大量的研究，SCR技术的应用也日益成熟。但随着排放法规越来越严格，汽车排气污染物的排放限值也越来越低，单一的后处理装置已难以满足未来排放法规的要求，集成的复合后处理系统成为未来后处理系统的发展趋势。在复合后处理系统中，影响后处理系统转换效率的因素将会发生改变。本文基于柴油机DOC+SCR复合系统，通过数值仿真的方式研究排气流量、温度和成分浓度等对NOx瞬态转化效率的影响，为DOC+SCR复合后处理系统的推广应用提供理论依据。

1 DOC+SCR反应机理

柴油机氧化型催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）是以铂（Pt）、钯（Pd）等贵金属作为催化剂，催化氧化柴油机排气中的SOF、HC和CO等有害气体，从而达到减少发动机污染物排放的目的。此外， DOC还能将尾气中的NO转化为NO2，提高尾气中NO2的浓度，有利于SCR系统中NOx的转化，其反应机理主要为：

Urea-SCR是通过尿素中的NH3来还原排气中的NOx，其催化还原反应十分复杂，主要的反应机理为：

上述反应式中，式（4）～（6）表示的是NH3选择性地还原NOx的SCR反应，被称为主反应。因为在发动机尾气中NO占总氮氧化物含量的90%左右，因此式（4）又被称为标准反应；式（5）是3个反应中反应速率最快的，被称为快反应；式（6）的反应速率最慢，被称为慢反应；式（7）是可能在催化器载体内发生的副反应[6,17]。

已有的研究表明，发动机的排气温度、浓度、空速以及NH3浓度等对SCR的转换效率有很大的影响。在DOC+SCR后处理系统中，DOC将通过催化氧化排气的中SOF、HC和CO，将一部分NO转化为NO2，导致排气温度、浓度、空速等发生改变，影响SCR的转化效率。

2 数值仿真模型

DOC+SCR后处理集成系统基于AVL Boost软件定义的反应模型进行数值模拟，其中DOC系统的反应速率方程和化学动力学参数采用成熟的普遍接受模型，其主要来源于文献[18]和文献[19]，在DOC的反应过程中，式（1）和式（2）的反应速率分别为rCO和rC3H6。

式中：K为各反应的频率因子；E为各反应的活化温度，kJ/mol；y为气体浓度，mol/L；Ts为载体温度，K；K和E的下标1，2，…，5为反应的各个基元反应过程。

式（3）的反应速率rNO为：

式中：keq.1为DOC中NO氧化在2NO+O2↔2NO2反应形式下的频率因子；patm为大气压力，Pa；R为普适气体常数。

SCR系统中NOx和NH3的每个氧化还原反应包括3个不同的涂层表面反应，速率方程和化学动力学参数采用成熟的普遍接受模型，主要来源于文献[20]和文献[ 21]，式（4）的反应速率rSCR,4为：

式（5）的反应速率rSCR,5为：

式（6）的反应速率rSCR,6为：

3 试验验证

为了验证数学模型的合理性和计算结果的准确性，需要进行对比试验。试验所用的DOC+SCR系统连接在发动机的排气管路上，发动机采用最大功率92 kW和最大转速410 r/min的柴油发动机。发动机试验台架的系统结构如图1所示。试验采用AVL排气分析仪对排气的污染物成分进行分析，分别在图1所示的取样点对发动机尾气进行取样，将取样点1获得的排气成分浓度作为数值模拟的初始计算条件，取样点2获得的排气数据作为后处理系统的试验结果。DOC与SCR的主要结构参数见表1。

图1 发动机台架试验示意图

表1 DOC与SCR主要结构参数

为了便于计算，发动机保持在稳态工况下运行，确保排气成分保持不变，同时通过图1所示的排气控制阀控制排气流量的变化，通过加热装置控制进入DOC+SCR后处理系统的排气温度。计算过程采用台架试验的测量数据作为计算的初始和边界条件。

图2为DOC与SCR系统在排气流量为13 g/s的稳态工况下，排气温度从150 ℃上升至550 ℃的过程中，排气中NOx质量浓度变化的试验和计算结果对比。随着温度的升高， NOx浓度显著下降，SCR转化效率明显上升，排气温度在225 ℃～400 ℃时，SCR进入最佳反应温度区间，其转化效率较高，NOx浓度开始缓慢降低；当温度达到400℃后，SCR转化效率开始降低，此时NOx浓度又开始缓慢上升。由图2可知，计算模型仿真得到的排气中NOx浓度变化趋势与试验结果基本一致，由此表明，建立的计算模型能较为准确地预测DOC与SCR系统的反应过程。

图2 试验和模拟计算结果对比

4 结果分析

柴油机SCR的催化转化效率受到排气温度、排气流速以及排气成分等的影响，增加了前置DOC的SCR后处理系统后，受到各因素的影响，效率会发生变化。图3为排气温度对DOC+SCR系统的NOx浓度和转化效率的影响，当温度在150 ℃～200 ℃时，由于前置DOC将排气中NO氧化为NO2，而在此温度范围内，SCR转化效率降低，因此排气中NOx浓度增加，其转化效率随之降低。随着温度的升高，SCR转化效率明显上升，在280 ℃～500 ℃的排气温度范围内，SCR转化效率均大于80%，此时SCR中的反应以快反应式（5）为主导，NOx的转化效率将达到最佳。而当温度超过500 ℃后，SCR的转化效率会急剧降低，主因是当温度超过450 ℃时，SCR中的化学反应将以副反应式（7）为主导，NH3对O2的选择性突然升高，而排气中氧气含量远远高于NOx含量，NH3和O2的接触机会远远高于NOx，大部分NH3与O2发生反应，导致NOx的转化效率迅速降低[14]。

图3 排气温度对DOC+SCR系统NOx浓度和转化效率的影响

图4 排气流量对DOC+SCR系统NOx转化效率的影响

图4 为排气流量对DOC+SCR系统NOx转化效率的影响。由图可知，在SCR的最佳反应温度280 ℃～500 ℃的范围内，排气流量对NOx转化效率的影响非常小，特别是在排气温度为400℃时，排气流量的改变对SCR的转化效率基本没有影响。而当排气温度小于280 ℃或者大于500 ℃时，SCR的NOx转化效率随着排气流量的增加而逐渐减少，主因是SCR在最佳反应温度区间内，催化还原反应的反应速率较快。此时排气温度为决定NOx转化效率的主导因素，而在最佳反应温度区间之外，排气流量对NOx转化效率的影响逐渐增加，当排气流量较小时，排气污染物与催化剂反应时间相对增加，其转化效率也随之提升。

已有的研究表明，发动机排气中NO2/NOx比例是影响SCR转化效率的重要因素，增加排气中NO2的浓度可提高SCR催化器的转化效率，而发动机排气中NO2/NOx的比例一般小于10%。由于在SCR系统中前置的DOC能将排气中的NO氧化为NO2，因此排气中NO2/NOx比例对DOC+SCR系统NOx转化效率的影响也会发生相应的变化。图5为NO2与NO浓度比对DOC+SCR系统NOx转化效率的影响，随着排气中NO2浓度占比的升高，NOx的转化效率有略微提升。当NO2浓度占比15%时，NOx转化效率比NO2浓度占比5%时提升1%左右，主因是前置DOC的存在极大地提升了排气NO2的浓度，致使排气中NO/NO2的比例能很好地满足SCR催化转化的要求，所以原始排气中NO/NO2的比例对SCR的转化效率影响很小。此外，排气温度在300 ℃～450 ℃时，NO2/NOx比例对DOC+SCR系统NOx转化效率的影响高于其它温度范围，这是因为在该温度范围内，SCR的催化反应以快速反应式（5）为主导，而快速反应式（5）对排气中NO2/NOx的比例较其它催化反应更为敏感。

图5 NO2与NO浓度比对DOC+SCR系统 NOx转化效率的影响

5 结论

（1）增加了前置DOC的SCR系统，NOx转化效率最佳反应温度区间为280 ℃～500 ℃，而单一的SCR其催化反应最佳温度范围为300 ℃～450 ℃，因此DOC+SCR系统能加宽SCR的最佳反应温度窗口。

（2）在最佳反应温度范围内，排气流量对DOC+SCR系统的催化转化效率基本没有影响，而当排气温度小于280 ℃或者大于500 ℃时，NOx转化效率随着排气流量的增加而逐渐减少。

（3）在DOC+SCR系统中，当排气中NO/NO2的比例不同时，NOx转化效率均能保持较高水平，且基本保持不变。提高排气NOx中NO2的比例，NOx转化效率的增加幅度非常微小，因此，前置DOC能保证SCR在不同发动机工况下都具有较高的转化效率。

参考文献（References）：

[1]陶泽民，宋崇林，吕刚，等. 钒基SCR催化剂动态反应特性的发动机试验研究 [J]. 内燃机学报，2009，27 (5)：417-422.TAO Zemin，SONG Chonglin，LYU Gang，et al. Experimental Research on Dynamic Response Characteristics of the Vanadium-Based SCR Catalyst on Diesel Engine[J]. Transactions of CSICE，2009，27(5)：417-422. (in Chinese)

[2]李孟良，聂彦鑫，徐俊芳，等. 装配SCR系统的城市公交车NOx排放特性 [J]. 江苏大学学报，2011，32 (1)：38-42.LI Mengliang，NIE Yanxin，XU Junfang，et al. Characters of NOxEmission from Transit Bus with SCR [J].Journal of Jiangsu University，2011，32(1)： 38-42. (in Chinese)

[3]田茂军，朱红国，黄德军，等. 前置DOC对SCR系统柴油机NOx排放的影响 [J]. 车用发动机，2015，219(4)：80-84.TIAN Maojun，ZHU Hongguo，HUANG Dejun，et al. Effect of Pre-DOC on NOxEmission for SCR Diesel Engine [J]. Vehicle Engine，2015，219(4)：80-84. (in Chinese)

[4]LAMBERT C，HAMMERLE R. Technical Advantages of SCR Technologies for Light-duty and Heavy-duty Diesel Vehicle Applications [C]//SAE Technical Papers，2004-01-1292，2004.

[5]JOUBERT E，SEGUELONG T，WEINSTEIN N. Review of SCR Technologies for Diesel Emission Control：European Experience and Worldwide Perspectives [R].California：US Department of Energy Diesel Engine Emission Reduction (DEER) Conference，2004.

[6]王谦，张铎，王静，等. 车用柴油机Urea-SCR系统数值分析与参数优化 [J]. 内燃机学报，2014，31(4)：343-348.WANG Qian，ZHANG Duo，WANG Jing，et al. Numerical Analysis and Parametric Optimization on Urea-SCR System of Vehicle Diesel [J]. Transactions of CSICE，2014，31(4)：343-348. (in Chinese)

[7]郑清平，沈雅萱，张杰忠，等. 柴油机Urea-SCR喷射系统结构参数对NOx转化率的影响 [J]. 内燃机工程.2013，34(6)：31-35.ZHENG Qingping，SHEN Yaxuan，ZHANG Jiezhong，et al. Effect of Structure Parameter of Diesel Engine Urea-SCR System on NOxConversion Rate [J]. Transactions of CSICE，2013，34(6)：31-35. (in Chinese)

[8]WANG Wentao，HERREROS J M，TSOLAKIS A，et al.Increased NO2Concentration in the Diesel Engine Exhaust for Improved Ag/Al2O3Catalyst NH3-SCR Activity [J].Chemical Engineering Journal，2015，270：582-589.

[9]SUPRIYANTO，WIJAYANTI K，KUMAR A，et al.Global Kinetic Modeling of Hydrothermal Aging of NH3-SCR over Cu-zeolites[J]. Applied Catalysis B：Environmental，2015，163：382-392.

[10]姜磊，葛蕴珊，丁焰，等. 柴油机尿素SCR系统稳态及瞬态特性研究 [J]. 内燃机工程，2010，31(6)：38-42.JIANG Lei，GE Yunshan，DING Yan，et al. Study on Steady and Transient Characteristics of Urea-SCR System for Diesel Engine [J]. Transactions of CSICE，2010，31(6)：38-42. (in Chinese)

[11]姜磊，葛蕴珊，李璞，等. 柴油机尿素 SCR 后处理系统排放特性试验研究 [J]. 内燃机工程，2010，31(5)：30-35.JIANG Lei，GE Yunshan，LI Pu，et al. Study on Emission Characteristics of Urea-SCR Aftertreatment System of Diesel Engine [J]. Transactions of CSICE，2010，31(5)：30-35. (in Chinese)

[12]NASERI M，CHATTERJEE S ，CASTAGNOLA M，et al. Development of SCR on Diesel Particulate Filter System for Heavy Duty Applications [C]//SAE Technical Papers，2011-01-1312，2011.

[13]JOSHI S Y，KUMAR A，LUO Jinyong，et al. Combined Experimental and Kinetic Modeling Study of the Bimodal NOxConversion Pro fi le on Commercial Cu-SAPO-34 Catalyst Under Standard SCR Conditions [J]. Applied Catalysis B：Environmental，2015，165：27-35.

[14]辛喆，张寅，王顺喜，等. 柴油机Urea-SCR催化器转化效率影响因素研究 [J]. 农业机械学报，2011，42(9)：30-34.XIN Zhe，ZHANG Yin，WANG Shunxi，et al.In fl uence Factors of DeNOxBehavior in Urea-SCR Catalytic Converter of Diesel [J]. Transactions of the Chinese Society for Agriculture Machinery，2011，42 (9)：30-34. (in Chinese)

[15]商雪松，陈进生，赵金平，等. SCR脱硝催化剂失活及其原因研究 [J]. 燃料化学学报，2011，39(6)：465-470.SHANG Xuesong，CHEN Jinsheng，ZHAO Jinping，et al. Discussion on the Deactivation of SCR Denitri fi cation Catalyst and Its Reasons [J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology，2011，39(6)：465-470. (in Chinese)

[16]SEO C K，CHOI B. Physicochemical Characteristics According to Aging of Fe-zeolite and V2O5-WO3-TiO2SCR for Diesel Engines [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2015，25：239-249.

[17]WURZENBERGER J C，WANKER R. Multi-scale SCR Modeling，1D Kinetic Analysis and 3D System Simulation[C]//SAE Technical Papers，2005-01-0948，2005.

[18]KOLTSAKIS G C，STAMATELOS A M. Modeling Dynamic Phenomena in 3-way Catalytic Converters [J].Chemical Engineering Science，1999，54(20)：4567-4578.

[19]KOLTSAKIS G C，KONSTANTINIDIS P A，STAMATELOS A M. Development and Application Range of Mathematical Models for 3-way Catalysts [J]. Applied Catalysis B：Environmental，1997，12(2-3)：161-191.

[20]WINKLER C，FLÖRCHINGER P，PATIL M D，et al.Modeling of SCR DeNOxCatalyst-Looking at the Impact of Substrate Attributes[C]//SAE Technical Papers，2003-01-0845，2003.

[21]WURZENBERGER J C，WANKER R. Multi-Scale SCR Modeling，1D Kinetic Analysis and 3D System Simulation[C] //SAE Technical Papers，2005-01-0948，2005.

Study on NOxConversion Efficiency in DOC+SCR System for Diesel Engines

CHEN Tao1,2，XIE Hui1，GAO Guoyou2，WANG Wei2，HUI Chun2
（1. School of Mechanical Engineer, Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. China Automotive Technology & Research Center，Wuhan 430056，China）

In order to study the influencing factors of NOxconversion efficiency in the DOC+SCR system for diesel engines, the catalytic reaction processes were simulated by using the commercial software AVL Boost, and verified by bench tests. The results show that the optimum exhaust temperature range is 280℃～500℃ for the NOxconversion efficiency, the exhaust flow almost has no effect on NOxconversion efficiency, and the NOxconversion efficiency can be kept at a higher level for different ratios of NO/NO2. The proportion of NO2in the exhaust gas has little effects on conversion efficiency.

diesel engine；DOC+SCR；NOx；conversion efficiency

TK421.5

A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.05.02

2017-03-20 改稿日期：2017-04-10

国家自然科学基金（51276056）；中国汽车技术研究中心青年创新基金（16172307）

陈韬，谢辉，高国有，等. 柴油机DOC+SCR系统NOx转化效率影响因素研究 [J]. 汽车工程学报，2017，7(5)：321-326.

CHEN Tao，XIE Hui，GAO Guoyou，et al. Study on NOxConversion Efficiency in DOC+SCR System for Diesel Engines [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2017，7(5)：321-326. (in Chinese)

作者介绍

陈韬（1986-），男，湖南湘潭人。博士，主要从事汽车污染物排放与控制技术研究。

Tel：15084986919

E-mail：chentaoace@126.com