柴油機選擇催化還原過濾器技術(shù)研究進展

（1-合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院安徽合肥230009 2-安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

·綜述·

柴油機選擇催化還原過濾器技術(shù)研究進展

邱松林1滕勤1馬標2

（1-合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院安徽合肥230009 2-安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心）

基于歐VI排放法規(guī)中柴油機排放測試方法和NOx與PM的限值，說明選擇性催化還原過濾器（SCRF/SDPF）技術(shù)應(yīng)用的必要性。通過分析SCRF與SCR+DPF結(jié)構(gòu)上的差別，指出SCRF應(yīng)用中需要解決的問題。從結(jié)構(gòu)參數(shù)出發(fā)，討論了SCRF中各種DPF載體材料和不同SCR催化劑配方的特性。針對基于數(shù)值模擬的性能分析，介紹了不同的SCRF建模思想和相應(yīng)的模型預(yù)測結(jié)果。根據(jù)SCRF的性能描述，闡述了PM氧化、NOx還原及其之間相互作用的影響因素，并對SCRF的研究進行了總結(jié)與展望。

柴油機選擇性催化還原過濾器氮氧化物還原顆粒物氧化

引言

柴油機的HC、CO排放量只有汽油機的幾十分之一，但NOx的排放量卻比汽油機高很多，微粒PM（Particulate Matter）排放更是汽油機的30～50倍，因此，柴油機排氣凈化主要針對NOx和PM。由于NOx與PM排放呈此消彼長的趨勢，僅憑機內(nèi)凈化技術(shù)難以使兩者同時降低，必須輔之以排氣后處理技術(shù)。然而，無論是輕型還是中、重型柴油機，很難做到通過機內(nèi)凈化將其中一種污染物控制到排放限值以下，再采用尾氣后處理方法降低另外一種，這就需要以更高效的方式來凈化PM和NOx。

在稀燃條件下，降低NOx排放的后處理技術(shù)主要有稀薄NOx捕集LNT（Lean NOxTrap）和選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）。LNT系統(tǒng)的優(yōu)點是體積小，但吸附能力較弱，使用的貴金屬多，在中、重型柴油機上的應(yīng)用受到限制，故適用于輕型柴油機。SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率可達95%，燃油經(jīng)濟性好，發(fā)動機控制簡單，因此，SCR被視為最合適的商用降氮技術(shù)[1]。目前，PM過濾方式主要有顆粒氧化催化轉(zhuǎn)化器POC（Particulate oxidation catalyst）和柴油微粒過濾器DPF（Diesel Particulate Filter），DPF的過濾效率通常為85%～99.5%，而POC的過濾效率只能達到30%～80%，急加速狀態(tài)下還可能出現(xiàn)負的過濾效率，因此，DPF被認為是當前過濾PM最有效的手段[2]。目前柴油機后處理系統(tǒng)的主流配置是將獨立的后處理裝置順序級聯(lián)，但這種方式存在兩個主要問題，一是占用體積大，給車上布置帶來一定的困難。二是SCR布置在DPF下游，致使SCR低溫起燃慢，在冷啟動時，NOx轉(zhuǎn)化效率偏低。因此，在排氣系統(tǒng)中封裝獨立的大體積SCR催化器和DPF面臨著諸多困難。為了實現(xiàn)催化劑性能、效率和成本之間的多重均衡，通過將SCR催化劑涂覆在DPF上，把SCR與DPF集成為一個功能單元，是一個可行的技術(shù)方案，這種系統(tǒng)通常被稱為SCRF或SDPF[3-4]。SCRF一般用于輕型柴油機，例如，搭載EA288柴油機的大眾輕型車。

本文基于歐VI法規(guī)中新的排放認證方法以及對柴油機NOx和PM限值的討論，對比傳統(tǒng)的DPF+ SCR與SCRF在系統(tǒng)布置和結(jié)構(gòu)上的差別，總結(jié)SCRF結(jié)構(gòu)參數(shù)、SCR催化劑類別和涂層量的研究結(jié)果，介紹SCRF的建模思想和根據(jù)數(shù)值計算與試驗研究得到的NOx轉(zhuǎn)化效率、PM氧化及其之間的相互作用關(guān)系，展望SCRF技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1排放法規(guī)對廢氣后處理的新要求

2017年9月將實施的Euro6c輕型發(fā)動機排放限值，對汽油機和柴油機來說都是一個挑戰(zhàn)。除了新歐洲駕駛循環(huán)NEDC（New European Driving Cycle）外，法規(guī)新增了全球輕型汽車測試循環(huán)WLTP（World Light Vehicle Test Procedure）和實際駕駛排放RDE（Real Driving Emission）測試循環(huán)。與采用穩(wěn)定測試工況點的NEDC不同，WLTP更多地采用接近真實駕駛狀態(tài)的多變工況，而RDE則要求采用便攜式排放測試系統(tǒng)PEMS（Portable Emission Measurement System）對車輛多種工況行駛過程測量。在WLTP測試循環(huán)下，NOx和PM的排放限值分別降低至80 mg/km和5 mg/km。美國標準更加嚴格，對于輕型車，根據(jù)加州空氣資源委員會頒布的低排放車輛排放標準（LEV III），到2025年要求PM降低90%以上，下降至0.625 mg/km[5]。

2016年6月，環(huán)保部發(fā)布的國VI征求意見稿，同時借鑒了美國和歐洲標準，與國V相比，國VI排放限值總體上將加嚴50%以上，并增加了PN的限值，分6a和6b兩個階段實施。如圖1所示，國VI將采用WLTP和RDE測試循環(huán)，6a階段PM和NOx的限值分別為60 mg/km和4.5 mg/km，6b階段NOx的限值更加嚴格，只有歐VI的1/3[6]。

圖1 國V和國VI認證及限值

為了達到排放限值，必須考慮冷啟動時的催化器性能以覆蓋整個駕駛工況，Euro6c規(guī)定SCR催化劑起燃時間必須縮減至3～4 min。美國Tier3法規(guī)更嚴格，要求起燃時間為2 min或更短。但當前的DPF和SCR催化劑布置離發(fā)動機太遠，達到起燃溫度通常需要10～12 min，難以保證在更短時間內(nèi)達到起燃溫度，低溫啟動的排放差。因此，有必要改進現(xiàn)有的催化器，集多種尾氣凈化功能于一體。

2SCRF與SCR+DPF結(jié)構(gòu)的比較

DPF中PM的過濾現(xiàn)象、碳煙過濾層中的PM氧化和多孔介質(zhì)的中SCR反應(yīng)如圖2所示。與傳統(tǒng)的DPF+SCR不同，SCRF是一個過濾PM的壁流式結(jié)構(gòu)，SCR催化劑涂覆在DPF通道內(nèi)壁，其所用的SCR催化劑配方與傳統(tǒng)SCR催化劑類似，但需要優(yōu)化過濾器涂覆層以減少壓降和提高轉(zhuǎn)化效率。

圖2 傳統(tǒng)的DPF和SCR與SCRF結(jié)構(gòu)

如圖3所示，SCRF的布置與傳統(tǒng)的DPF+SCR有所不同，在Euro6b體系的歐洲主流解決方案中，DOC可能是發(fā)動機下游的第一臺后處理裝置，隨后是DPF，其尾端與SCR催化器前端相距50～60 cm，過長的距離將會導(dǎo)致SCR催化器起燃時間增加。

圖3 傳統(tǒng)的柴油機尾氣后處理系統(tǒng)布置（DOC+DPF+SCR）

如圖4所示，當SCRF與DOC之間的距離縮短至10 cm時，其起燃速度顯著提高，而且SCR載體的取消使系統(tǒng)體積明顯減小，但混合長度的減少不利于SCR催化器中NH3的均勻分布，會限制整體NOx催化性能。為此，需要改進尿素供給策略和混合器的設(shè)計，以便使尿素更快蒸發(fā)水解[7]。

圖4 SCRF系統(tǒng)布置（DOC+SCRF）

3SCRF結(jié)構(gòu)參數(shù)

當前，SCRF由于背壓高、熱老化嚴重，限制了其在重型車上的應(yīng)用。SCRF系統(tǒng)的性能主要取決于DPF載體過濾材料、SCR催化劑配方及其特性。因此，為了擴展其應(yīng)用范圍，在提高系統(tǒng)性能的同時，既能承受DPF再生時的高溫，又不增加排氣壓降，成為SCRF結(jié)構(gòu)參數(shù)研究的重點。

3.1 DPF載體過濾材料及其特性

SCRF的工作環(huán)境較為惡劣，DPF載體容易熔化或破損，需要依據(jù)應(yīng)用場合和材料特性來選擇載體。目前，載體材料有陶瓷和金屬兩大類，最具有應(yīng)用前景的是堇青石（Cd）、碳化硅（SiC）、針狀莫來石（ACM）、鈦酸鋁（AT）和合金泡沫（AF），各種材料的微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由于Cd具有較低的熱容量、更快的起燃速度和更低的流通阻力，因此適合于重型車[8]。而SiC具有更高的材料強度、熱容量和熱導(dǎo)率，可承受較高的溫度，AT能夠涂覆大量的SCR催化劑，并將壓降和PM限值保持在與DPF+SCR相當?shù)乃?，因此可用于輕型車[9]。

與SiC和Cd相比，ACM的優(yōu)點是具有高孔隙率和高機械完整性。制備過程中，可以通過調(diào)整孔徑和孔隙率來涂覆大量的催化劑，實現(xiàn)低壓降和高效的NOx轉(zhuǎn)化。超高孔隙率ACM載體涂覆催化劑前、后的試驗表明，與最先進的無催化劑涂層DPF相比，涂覆125 g/L Al2O3的SCRF催化器NOx還原效率高于93%，而壓降則相當。與無涂層64%孔隙率的ACM相比，80%孔隙率的ACM同樣具有非常高的NOx還原效率，壓降同樣并未增加。涂覆170 g/Lγ-鋁的75%孔隙率ACM僅比無催化劑涂層的標準64%孔隙率ACM排氣背壓略微升高[10]。

圖5 過濾器材料的微觀結(jié)構(gòu)

AF具有比表面積大、熱容低、導(dǎo)熱快等特點，合金骨架的機械強度高，可大大改善過濾材料的耐振性能。合金泡沫具有較大的孔徑和孔隙率，因此微粒的沉降發(fā)生在過濾器的整個空間內(nèi)，而不是局限于特定通道的壁面。當SCRF中過濾PM內(nèi)層選用800 μm的AF，涂覆SCR催化劑的中間和外層分別選用1 200 μm和3 000 μm的AF時，對于經(jīng)500℃處理30min后的SCRF，發(fā)動機ESC試驗表明，NOx還原效率和PM過濾效率分別高于75%和50%；尿素連續(xù)噴射的350℃穩(wěn)態(tài)試驗下，可同時實現(xiàn)NOx還原與被動再生，SCRF壓降達到穩(wěn)定狀態(tài)[11]。

影響過濾器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是孔隙率、孔徑、孔密度和孔的形狀。SCRF需要解決的一個主要問題是壓降，壓降的增加會導(dǎo)致發(fā)動機熱效率降低。高孔隙率有利于減小壓降，但會使載體熱穩(wěn)定性降低，目前普遍采用的載體孔隙率為64%～80%，平均孔尺寸為15～25 um[12]。對于涂覆銅沸石基SCR催化劑的壁流式碳化硅SCRF，當過濾孔形狀分別為方形200 cpsi、方形400 cpsi、六邊形400 cpsi時，過濾孔形狀對SCRF性能影響的模擬計算表明[13]：隨著孔密度的增大，PM氧化性能有所提高，同時SCRF載體比表面積、過濾孔的水力直徑和SCRF內(nèi)部的傳質(zhì)系數(shù)均增大，因而NH3的吸附覆蓋度增加，NOx轉(zhuǎn)化效率將隨之提高。六邊形400 cpsi NOx轉(zhuǎn)化效率約為94.4%，而方形孔200 cpsi的僅為77.7%，因此，增大孔密度和采用六邊形孔可以提高NOx的轉(zhuǎn)化效率。

3.2 SCR催化劑配方及其特性

由于SCRF的SCR催化劑涂敷在DPF載體上，承受DPF再生時產(chǎn)生的高溫，因此要求SCR催化劑熱穩(wěn)定性、熱耐久性好，對DPF的再生影響最小，而且PM的加載對其性能影響要小。不同的SCR催化劑成分和涂層加載量，催化能力也不同。目前研究最多的是釩基催化劑、Cu-沸石催化劑。

釩基催化劑具有抗硫性，無需主動再生以除硫和恢復(fù)SCR的性能，HC和PM的氧化也不會影響釩基催化劑的活性。在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)循環(huán)下，釩基催化劑均表現(xiàn)出突出的NOx還原效率。在非道路測試循環(huán)下，涂覆釩基催化劑的SCRF NOx轉(zhuǎn)化效率可達到70%，經(jīng)歷50 h的500℃老化后，NOx還原效率仍略有提升[14]。

研究表明，Cu-沸石催化劑具有良好的熱耐久性和NOx還原性能，可以使用強制碳煙再生來解決潛在的硫中毒。穩(wěn)態(tài)工況下，涂覆Cu-沸石SCR配方的SCRF能夠在很寬的溫度窗內(nèi)達到90%以上的NOx轉(zhuǎn)化效率[15]。即使在SCRF主動再生、入口溫度為560～630℃時，轉(zhuǎn)化效率也能達到70～90%。此外，在800℃和1 000℃下再生后，SCRF的NOx轉(zhuǎn)化效率不會明顯降低[16]。

釩基催化劑和Cu-沸石催化劑性能差異的研究可以分別在發(fā)動機臺架上和實驗室反應(yīng)器中進行。反應(yīng)器測試表明，當溫度低于300℃和NO2含量較低（NO2/NOx=0.1）時，釩基催化劑比Cu催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率高很多；當NO2含量高（NO2/NOx＞0.1）時，雖然釩基催化劑的低溫NOx轉(zhuǎn)化效率顯著提高，但仍比Cu催化劑低得多。當溫度為200～450℃時，隨著NO2含量的增加，Cu-沸石催化劑的轉(zhuǎn)化效率可達到90%以上，發(fā)動機臺架試驗與反應(yīng)器試驗結(jié)果基本一致。當溫度低于300℃和NO2/NOx較小時，Cu-沸石催化劑的NOx轉(zhuǎn)化效率高于釩基催化劑。在熱NRTC循環(huán)下，溫度和NO2含量增加時，效率差別變小。在怠速工況下，釩基催化劑的性能優(yōu)于Cu-沸石催化劑[17]。

輕型車的排氣溫度低、碳煙含量高，需要強制碳煙再生解決潛在的催化劑硫中毒，因而具有耐熱性的Cu-沸石催化劑更為適用。重型車的排氣溫度和NOx/PM均較高，由于高抗硫性和所需的燃油經(jīng)濟性，可以采用被動碳煙再生，故釩基SCR催化劑更合適。

SCRF對催化劑涂覆要求很高，如果涂覆不均勻，在催化劑涂覆量大的地方流動阻力大，流經(jīng)的氣流少，催化劑的活性位點不能得到充分利用。SCR催化劑涂覆量較少時（如60 g/L），SCR催化劑完全進入微孔內(nèi)。而SCR催化劑涂覆量大時（如150 g/L），SCR催化劑可能無法進入微孔，只能進入一部分較大尺寸的孔內(nèi)或留在DPF通道內(nèi)[18]。

除了材料的特性，催化器的制備工藝也至關(guān)重要。60%或更高孔隙率載體的缺點是機械強度顯著降低，但在高多孔碳化硅材料基礎(chǔ)上通過雙層涂覆技術(shù)可以有效解決這一問題。第一層采用納米顆粒涂層，用來增強載體的機械強度和改善催化性能，從而減少第二涂層的加載量。第二涂層是活性層，用于NOx的選擇性催化還原[19]。

4SCRF建模與模擬計算

計算機模擬已經(jīng)成為后處理系統(tǒng)設(shè)計的重要手段，可得到試驗無法獲取的SCRF系統(tǒng)內(nèi)部信息，在短時間內(nèi)進行廣泛的變參數(shù)研究，揭示SCRF系統(tǒng)內(nèi)部流體運動與反應(yīng)規(guī)律，比純粹的試驗、“試驗試錯”方法更有效。此外，模擬計算可以減少SCRF系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本，不僅可以用來優(yōu)化催化器的尺寸、過濾器載體類型等，而且可以用來優(yōu)化SCR涂層加載和分配（例如涂層是在進口還是在出口通道）以獲得高NOx轉(zhuǎn)化率，保持涂層負載量最小，降低材料成本并限制排氣壓降。目前，用于模擬計算的SCRF模型是一個物理模型，由于SCRF內(nèi)部幾何形狀和物理化學(xué)過程復(fù)雜，存在沿通道方向和壁面方向的質(zhì)量擴散和熱量傳遞，是一個復(fù)雜的三維流場，因此，SCRF模型并非通流式SCR模型和壁流式DPF模型的簡單疊加，而是根據(jù)研究內(nèi)容，綜合考慮不同的假設(shè)，以減少計算量。

為了分析PM過濾和NOx還原之間的相互作用，假設(shè)質(zhì)量傳遞只出現(xiàn)在進口通道、過濾器壁面和出口通道上，僅考慮質(zhì)量守恒，忽略反應(yīng)過程的熱傳遞，8個SCR反應(yīng)全部發(fā)生在過濾器壁內(nèi)，PM通過熱氧化和NO2輔助氧化，NH3存儲位點數(shù)未知。由數(shù)學(xué)方程描述化學(xué)反應(yīng)速率、過濾器壁面和碳煙餅層PM過濾和氧化過程、PM加載對氣體從氣流擴散到催化劑活性位點的影響。仿真表明，PM氧化過程通過改變NO2/NOx來影響NOx還原效率[20]。

為了研究碳煙對NH3存儲和NOx轉(zhuǎn)化效率的影響，可以基于過濾器中質(zhì)量、動量和能量平衡，采用3D傳熱傳質(zhì)的物理化學(xué)模型，包括SCR和DPF中全部的反應(yīng)機理和反應(yīng)速率方程。假設(shè)SCRF中包含三個存儲位點：具有較高存儲能力和較低解吸附活化能的NH3存儲位點，具有較低存儲能力和較高解吸附活化能的NH3存儲位點，以及沉積NH4NO3的獨立存儲位點。模型不考慮PM中存儲的NH3，但包括H2O吸附，以考慮沸石結(jié)構(gòu)中H2O的冷凝和蒸發(fā)對SCRF性能的影響，設(shè)定層內(nèi)物質(zhì)反應(yīng)-擴散現(xiàn)象發(fā)生在涂層和PM層中[21]。

為了避免NO2的背部擴散促進碳煙與NOx的反應(yīng)，假設(shè)只在過濾器進口通道上過濾碳煙，SCR催化劑只涂覆在出口通道。由于涂覆催化劑導(dǎo)致出口通道尺寸變小，因此必須對壓力損失進行修正。采用CFD多孔介質(zhì)方法建立SCRF的雙通道一維模型，即建立描述混合氣分別沿通道方向和壁面方向經(jīng)過碳煙過濾層、多孔介質(zhì)層和SCR催化劑涂層后的物質(zhì)傳遞方程，以及描述多孔介質(zhì)層中壓力損失、碳煙與NO2或O2的氧化反應(yīng)和SCR反應(yīng)的方程，來研究碳煙對NOx轉(zhuǎn)化效率和NH3滑失的影響[22]。

假定模型微元由入口通道、多孔壁和出口通道組成，只考慮沿壁面方向的擴散，且只在多孔壁中進行化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)、表面存儲反應(yīng)和氣壁傳熱傳質(zhì)，不考慮氣相和壁之間的傳熱傳質(zhì)限制?；谶@些假設(shè)，模型由描述不同狀態(tài)變量的瞬態(tài)守恒方程組成，即建立進口和出口通道、氣流通過多孔壁時和氣流在載體中三種過程的瞬態(tài)質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒方程、化學(xué)反應(yīng)方程和熱值傳遞方程，得到描述SCRF的瞬態(tài)非等溫1D+1D雙通道模型，可用來研究不同空間涂層分布的影響[23]。

5SCRF性能

SCRF的性能主要用NOx還原效率、碳煙氧化效率以及它們之間的相互作用來描述，此外還包括NH3的存儲特性和壓降。這些特性可以通過模擬計算、反應(yīng)器試驗和發(fā)動機臺架試驗進行研究。

(2)傳統(tǒng)金融理財?shù)母偁??；ヂ?lián)網(wǎng)金融理財平臺與傳統(tǒng)金融理財平臺是相互補充和相互競爭的關(guān)系。一方面，傳統(tǒng)金融理財平臺的客戶主要是大中型企業(yè)，而互聯(lián)網(wǎng)金融理財平臺的客戶大多是個人和小微企業(yè)，因此互聯(lián)網(wǎng)金融理財業(yè)務(wù)其并不會對銀行構(gòu)成實質(zhì)性威脅。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)金融理財平臺除了發(fā)展個人和小微企業(yè)客戶外，還在努力爭取中型企業(yè)，不斷分流傳統(tǒng)金融業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)金融企業(yè)也采用同質(zhì)競爭戰(zhàn)略，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入互聯(lián)網(wǎng)金融業(yè)務(wù)，爭取個人和小微企業(yè)的投資理財?shù)馁Y金。

5.1 NOx還原

由于壁流式過濾器能夠濾除90%以上的PM，因此SCRF技術(shù)研究更多地關(guān)注于NOx還原效率。以DOC+SCRF+SCR為參照，采用8.9 L重型柴油機研究CSC+SCRF+SCR性能的試驗表明，應(yīng)用熱管理和有效的NH3存儲控制策略，在冷FTP瞬態(tài)循環(huán)中，NOx轉(zhuǎn)化效率可達到95%以上[24]。以單獨的SCR轉(zhuǎn)化效率為參考，配置DOC+SCRF的2.2 L柴油機試驗表明，涂層負載量、流通類型、碳煙對NOx轉(zhuǎn)化效率均有影響。FTP72工況下，40%涂層量SCRF的NOx轉(zhuǎn)化效率可達到80%以上，與通流式相比，低溫時壁流式SCRF的NOx轉(zhuǎn)化效率要低10%～20%。在SCRF后增加SCR，低溫時，NOx轉(zhuǎn)化效率比單獨的SCR增大1.5倍[25]。SCRF模擬計算也表明，隨空速增大，轉(zhuǎn)化效率降低?？账贋?0 000 h-1時，200℃時的NOx轉(zhuǎn)化效率可達到90%，而400℃時卻只有84%左右[26]。

5.2 PM過濾氧化

DPF中碳煙的氧化活性和壓降受PM負載量影響，而在SCRF中，由于SCR反應(yīng)影響PM氧化，因此還會受到SCR涂層的影響。PM氧化分為被動PM氧化和主動PM氧化。

SCRF的PM氧化功能可以通過檢測過濾器的壓降和重量來評判。在10 h的發(fā)動機臺架試驗后，SCRF的PM負載量和壓降分別達到6.3 g/L和16 kPa，而DPF的分別為1.6 g/L和3 kPa。PM氧化速率的降低將導(dǎo)致PM在SCRF上更快積累，因此需要更高頻率的主動再生來補充[27]。當無NH3進入時，300℃足以使PM與NOx或O2開始發(fā)生氧化反應(yīng)，而PM熱氧化則需要達到400℃才開始[20]。在臺架試驗中，SCRF比CSF更快起燃，且溫度更容易上升，因此，增強了碳煙燃燒能力。然而，在SML測試期間，溫度更容易上升到高于正常水平。去除DOC則會限制PM的氧化[25]。仿真表明，再生開始于1050 s，在催化器的前部和中部迅速再生，并擴展到樣品中間，但到1 080 s時，PM氧化保持在催化器前部，而其他部分則已完全實現(xiàn)再生，整個過程需要150 s[22]。

5.3 NOx還原和PM氧化之間的相互作用

SCRF中的被動PM氧化和NOx還原都消耗廢氣中的NO2，因此它們之間存在競爭關(guān)系。SCR中的快速反應(yīng)和慢速反應(yīng)明顯會抑制被動PM氧化，有研究證明，過濾的PM對NOx還原幾乎無影響[28]。但有一些研究認為，在一定條件下，PM促進或抑制NOx還原[21]。與未使用SCRF時相比，PM加載會增加NH3存儲，但也有一些研究得出相反的結(jié)論，因此需要通過進一步研究來解釋SCRF上PM加載對NH3存儲的影響[29]。

為了阻止旁通、減輕壓降，去除SiC基Cu-沸石SCRF兩端的塞，將其碾碎得到95～106 μm的顆粒。在每個SCR反應(yīng)過程中，將70 mgCu-沸石和70 mg堇青石裝入微流反應(yīng)器，在SCR和碳煙氧化同時反應(yīng)的過程中，將50 mgCu-沸石、50 mg堇青石與5 mg炭黑混合，每個循環(huán)之后，炭黑將被燒盡，因此下一個循環(huán)需要重新加載。為了直接比較有、無碳煙的情況，兩組試驗通入不同體積流（172和241NmL/min），以確保相同的空速。恒溫穩(wěn)態(tài)試驗和程序升溫反應(yīng)分別在150～500℃和150～700℃溫度范圍內(nèi)進行。給氣配置一般是在體積分數(shù)為8%O2、5%H2O和平衡He的混合氣中通入NOx（0＜NO2/NOx＜1）以及250×10-6或500×10-6的NH3。反應(yīng)器試驗表明，與O2相比，NO2能在更低的溫度下將PM氧化成COx，但NH3的共存強烈延緩了PM氧化的開始。在低溫下，NO2與NH3優(yōu)先反應(yīng)。此外，PM的存在稍微抑制了標準與快速SCR反應(yīng)（NO2/NOx≤0.5），而當NO2過量（NO2/ NOx＞0.5）時，PM與NO2的反應(yīng)將有利于SCR反應(yīng)的進行，主要是由于NO2/NOx在0.5附近時，SCR的NOx還原效率最高。當NO2過量時，PM氧化消耗NO2，改變NO2/NOx至最優(yōu)值0.5附近[30]。

圖6 Cu-SCRF中碳煙負載對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響預(yù)測。給氣：500×10-6NOx，15%O2，空速55 km·h-1

圖7 Cu-SCRF中SCR反應(yīng)對碳煙氧化的影響預(yù)測。給氣：500×10-6NOx，15%O2，空速55 km·h-1。

將通流式SCR反應(yīng)動力學(xué)模型添加到DPF模型中，建立SCRF模型，計算NOx還原和PM氧化之間的相互作用。模型預(yù)測SCRF上PM的存在對NOx轉(zhuǎn)化效率無顯著影響，如圖6所示。然而，在較低溫度（200℃，400℃）下，SCR顯著延緩PM氧化速率，因為在低溫條件下，PM主要與NO2發(fā)生氧化反應(yīng)；但在較高溫度（450～550℃）下，SCR對PM氧化幾乎無影響，因為PM主要由O2氧化，結(jié)果如圖7所示，實驗也證實了這一點。事實上，模型預(yù)測在500℃和550℃時，由于SCR反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，加快了PM與O2的氧化速率[31]。

6總結(jié)與展望

新的排放法規(guī)對尾氣后處理系統(tǒng)提出更高的要求，SCRF取代傳統(tǒng)的DPF+SCR將成為趨勢，根據(jù)SCRF新結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能描述的研究，得到主要結(jié)論如下：

1）在降低尾氣后處理系統(tǒng)的體積和成本的同時，SCRF布置上更靠近柴油機，冷啟動時可以更快起燃，從而允許提高NOx的原機排放，有利于DPF被動再生，與發(fā)動機集成匹配后，燃油經(jīng)濟性得到優(yōu)化，以滿足新的排放法規(guī)的排放限值。

2）高孔隙率過濾器載體能夠增大催化劑涂層負載，有效提高SCRF的性能，高孔隙率堇青石基Cu-沸石SCRF具有較好的熱耐久性，新型材料針狀莫來石和合金泡沫也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

3）數(shù)值計算、基于反應(yīng)器和發(fā)動機臺架的試驗結(jié)果表明，SCRF具有與通流式SCR相當?shù)霓D(zhuǎn)化效率，但SCR反應(yīng)和碳煙氧化對NO2存在競爭關(guān)系和相互影響。

盡管國內(nèi)外對SCRF進行了的大量研究，但仍有許多問題亟待解決，當前SCRF的研究需要關(guān)注以下幾個方面：

1）設(shè)計新型的尿素混合器，以便尿素溶液能夠迅速分解成NH3，避免尿素的沉積。

2）研究新的SCRF載體材料和更高效的催化劑，以及新的制造工藝，增強載體機械強度。優(yōu)化SCR催化劑涂層負載量對NOx催化效率、背壓和PM氧化的影響，尋找最優(yōu)值。

3）研究SCRF熱老化和化學(xué)老化后性能的變化以及對柴油機油耗的影響。研究SCRF和柴油機綜合控制的方法。在SCRF下游增加通流式SCR催化器，進一步提高NOx轉(zhuǎn)化效率。

4）優(yōu)化SCRF模型，進一步研究尿素供給和PM再生控制策略，提高NOx的轉(zhuǎn)化效率和PM再生效率。

5）將SCRF與DOC集成為一個單元，成為三效催化器，甚至與DOC和AMOC集成到一起，成為四效催化器，進一步減小后處理系統(tǒng)的體積和成本，擴大其應(yīng)用范圍，實現(xiàn)更高效的柴油機尾氣凈化功能。

1Choi B,Lee K S.LNT/CDPF Catalysts for simultaneous removal of NOx and PM from diesel vehicle exhaust[J].Chemical Engineering Journal,2014,240(6):476-486

2George S,Heibel A.Next generation cordierite thin wall DPF for improved pressure drop and lifetime pressure drop solution [R].SAE Paper.2016-01-0940

3Fricke F,Bhardwaj O P,Holderbaum B,et al.Investigation of insulated exhaust manifolds and turbine housings in modern diesel engines for emissions and fuel consumption reduction [R].SAE Paper 2016-01-1003

4Walker A.Future challenges and incoming solutions in emission control for heavy duty diesel vehicles[J].Topics in Catalysis,2016,59(8):695-707

5Guan B,Zhan R,He L,et al.Review of the state-of-the-art of exhaust particulate filter technology in internal combustion engines[J].Journal of Environmental Management,2015,154 (3):225-258

6Johnson T.Vehicular emissions in review[J].SAE International Journal of Engines,2016,9(2):1258-1275

7Bhardwaj O,Blanco D,Krishnamurthy K,et al.Optimization of engine efficiency and diesel aftertreatment system architecture using an integrated system simulation approach[R].SAE Paper 2016-28-0227

8Iwasaki S,Mizutani T,Miyairi Y,et al.New design concept for diesel particulate filter[J].SAE International Journal of Engines,2011,4(1):527-536

9Rose D,George S,Warkins J,et al.A new generation High Porosity DuraTrapRAT for integration of DeNOx Functionalities[C].21st Aachen Colloquium Automobile and Engine Technology,Aachen,Germany.2012

10 Pyzik A,Ziebarth R,Han C,et al.High‐porosity acicular mullite ceramics for multifunctional diesel particulate filters [J].International Journal of Applied Ceramic Technology, 2011,8(5):1059-1066

11劉新勇,李廷民,張玉虎,等.合金泡沫載體SCRF產(chǎn)品開發(fā)及性能試驗研究[C]//中國汽車工程學(xué)會.2014中國汽車工程學(xué)會年會論文集.上海：中國汽車工程學(xué)會，2014：299-302

12 Tang W,Youngren D,SantaMaria M,et al.On-engine investigation of SCR on filters(SCRoF)for HDD passive applications [J].SAE International Journal of Engines,2013,6(2):862-872

13陳朝輝，張韋，陳貴升，等.新型后處理器SCRF催化去除柴油機PM和NOx的模擬計算與分析[J].內(nèi)燃機工程，2016，37(1):38-43，50

14 López Y M,Chigada P I,Watling T C,et al.NOx and PM reduction from diesel exhaust using Vanadia SCRFR[J].SAE International Journal of Engines,2016,9(2):1247-1257

15 Lee J H,Paratore M J,Brown D B.Evaluation of Cu-basedSCR/DPF technology for diesel exhaust emission control[J]. SAE International Journal of Fuels and Lubricants,2009,1 (1):96-101

16 Cavataio G,Girard J W,Lambert C K.Cu/zeolite SCR on high porosity filters:Laboratory and engine performance evaluations[R].SAE Paper 2009-01-0897

17 Johansen K,Bentzer H,Kustov A,et al.Integration of vanadium and Zeolite Type SCR functionality into DPF in exhaust aftertreatment systems-Advantages and challenges[R].SAE Paper 2014-01-1523

18帥石金，唐韜，趙彥光，等.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2012，3（3）：200-217

19 Wolff T,Deinlein R,Christensen H,et al.Dual layer coated high porous SiC-A new concept for SCR integration into DPF [J].SAE International Journal of Materials&Manufacturing, 2014,7(3):671-681

20 Park S Y,Narayanaswamy K,Schmieg S J,et al.A model development for evaluating Soot-NOx interactions in a blended 2-way diesel particulate filter/selective catalytic reduction[J]. Industrial&Engineering Chemistry Research,2012,51(48): 15582-15592

21 Schrade F,Brammer M,Schaeffner J,et al.Physico-chemical modeling of an integrated SCR on DPF(SCR/DPF)system[J]. SAE International Journal of Engines,2012,5(3):958-974

22 Benjamin S,Roberts C.Methodology for modelling a combined DPF and SCR catalyst with the porous medium approach in CFD[J].SAE International Journal of Engines,2014,7(7): 1997-2011

23 Wurzenberger J C,Bardubitzki S,Kutschi S,et al.Modeling of catalyzed particulate filters-Concept phase simulation and real-time plant modeling on HiL[R].SAE Paper 2016-01-0969

24 Naseri M,Aydin C,Mulla S,et al.Development of emission control systems to enable high NOx conversion on heavy duty diesel engines[J].SAE International Journal of Engines,2015, 8(3):1144-1151

25 Kojima H,Fischer M,Haga H,et al.Next generation all in one close-coupled urea-SCR system[R].SAE Paper 2015-01-0994

26 Park S Y,Rutland C.Analysis of SCR performance differences caused from flow characteristics of wall flow and flow through type substrate:A simulation study[J].Chemical Engineering Science,2013,88(2):69-78

27 Tang W,Youngren D,SantaMaria M,et al.On-engine investigation of SCR on filters(SCRoF)for HDD passive applications [J].SAE International Journal of Engines,2013,6(2):862-872

28 Watling T C,Ravenscroft M R,Avery G.Development,validation and application of a model for an SCR catalyst coated diesel particulate filter[J].Catalysis Today,2012,188(1):32-41

29 Song X,Johnson J H,Naber J D.A review of the literature of selective catalytic reduction catalysts integrated into diesel particulate filters[J].International Journal of Engine Research,2015,16(6):738-749

30 Marchitti F,Nova I,Tronconi E.Experimental study of the interaction between soot combustion and NH 3-SCR reactivity over a Cu-Zeolite SDPF catalyst[J].Catalysis Today,2016, 267:110-118

31 Ahmadinejad M,Etheridge J E,Watling T C,et al.Computer simulation of automotive emission control systems[J].Johnson Matthey Technology Review,2015,59(2):152-165

Research Progress of Selective Catalytic Reduction Filter Technology for Diesel Engines

Qiu Songlin1,Teng Qin1,Ma Biao2
1-School of Automotive and Traffic Engineering,Hefei University of Technology(Hefei,Anhui,230009, China)2-Technical Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.

Based on the diesel engine emission testing methods and the limits of NOx and PM in the Euro VI emission regulations,the necessity of the application for selective catalytic reduction filter(SCRF/SDPF) technology was explained.The problems that need to be solved in SCRF application were pointed out by analyzing the differences between SCRF and SCR+DPF structure.Starting from the structural parameters,the characteristics of various DPF substrate materials and different SCR catalyst formulations in SCRF were discussed.The different SCRF modeling ideas and the corresponding model prediction results were introduced in view of the performance analysis based on numerical simulation.According to the SCRF performance description,the influence factors of PM oxidation,NOxreduction and the interaction between them were described.The study of SCRF was summarized and prospected.

Diesel engine,Selective catalytic reduction filter(SCRF),NOxreduction,PM oxidation

TK411+.24

A

2095-8234（2016）06-0084-08

2016-10-17）

邱松林（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為發(fā)動機排放控制。