分子篩型SCR對車用柴油機(jī)排放改善的試驗(yàn)研究

張琳， 景曉軍， 劉欣源, 李騰騰

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300； 2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400)

分子篩型SCR對車用柴油機(jī)排放改善的試驗(yàn)研究

張琳1， 景曉軍1， 劉欣源2, 李騰騰1

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心, 天津 300300； 2. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津), 天津 300400)

商用車柴油機(jī)多采用DOC+SCR的后處理系統(tǒng)來滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而不同類型SCR的催化特性對最終污染物排放影響也不同。試驗(yàn)獲取了一支銅基分子篩型SCR，基于1臺(tái)2.8 L柴油機(jī)和一支釩基SCR，運(yùn)行了車用柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)(ESC)和瞬態(tài)排放循環(huán)(ETC)，研究并分析了其對柴油機(jī)污染物的減排特性。結(jié)果表明，相較于釩基SCR，運(yùn)行ETC循環(huán)時(shí)分子篩型SCR對發(fā)動(dòng)機(jī)NOx和PM排放的減排效率分別提升19%和33%；分子篩型SCR對NOx的低溫轉(zhuǎn)化效率更高，且由于對排氣流量不敏感，在高空速工況下其轉(zhuǎn)化效率顯著高于釩基SCR；分子篩型SCR對顆粒物個(gè)數(shù)的減排效率弱于釩基SCR，達(dá)7%以上，容易將大質(zhì)量顆粒物分解為小質(zhì)量顆粒物；兩種SCR均對CO和HC具有一定的減排效果，減排率可達(dá)20%左右。

選擇性催化還原； 柴油機(jī)； 排放控制； 轉(zhuǎn)化效率； 分子篩； 催化劑

氮氧化合物(NOx)和顆粒物(PM)是柴油機(jī)的主要排放污染物，由于兩者此消彼長的關(guān)系，單純靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)使柴油機(jī)排放難以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)[1-2]。通過機(jī)內(nèi)和機(jī)外凈化技術(shù)相結(jié)合來降低柴油機(jī)污染物排放已成為必然。為了滿足國Ⅳ和國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，國內(nèi)的商用車小排量柴油機(jī)一般采用柴油氧化型催化劑(DOC)與選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器(SCR)相結(jié)合的后處理系統(tǒng)。

SCR技術(shù)是在催化劑作用下，應(yīng)用尿素溶液水解釋放的NH3來還原NOx，從而降低排氣中NOx含量。眾多研究表明，SCR的催化轉(zhuǎn)化效率與催化劑特性、排氣溫度、空速、氨氮比等因素密切相關(guān)，其中起燃溫度是評(píng)價(jià)催化劑特性的重要指標(biāo)[3-5]。目前國內(nèi)市場上的SCR多為釩基催化劑，這種催化劑的起燃溫度在250 ℃左右。但國內(nèi)商用車柴油機(jī)有很大一部分時(shí)間在中小負(fù)荷工況運(yùn)轉(zhuǎn)，且市區(qū)中怠速工況較多，實(shí)際排氣溫度很低。這種情況下原有的SCR系統(tǒng)催化轉(zhuǎn)化效率降低，后處理下游排氣中的NOx含量難以符合法規(guī)要求[6]。因此開發(fā)低溫催化性能更好的SCR系統(tǒng)成為尾氣凈化技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

分子篩是結(jié)晶態(tài)的硅酸鹽或硅鋁酸鹽，由硅氧四面體或鋁氧四面體通過氧橋鍵相連而形成孔徑為分子大小的孔道，只有直徑比孔徑小的分子才能進(jìn)入。分子篩型催化劑面容比大且具有更加出色的低溫催化性能，因此受到了廣泛關(guān)注[7]。但到目前為止，對分子篩型催化劑的研究多在穩(wěn)態(tài)模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，基于真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況和排放測試循環(huán)的研究并不多見。

本研究獲取了結(jié)構(gòu)尺寸相同的釩基SCR和銅基分子篩型SCR各一支，并基于1臺(tái)2.8 L共軌增壓柴油機(jī)分別運(yùn)行了ESC和ETC排放試驗(yàn)循環(huán)?；诜€(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析了分子篩型SCR的減排特性及其影響因素。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取了1臺(tái)直列4缸、四沖程、水冷商用車柴油機(jī)作為研究對象，排氣后處理系統(tǒng)采用DOC+SCR方式布置。發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和SCR參數(shù)見表1和表2，其中ZSCR代表分子篩型SCR，VSCR代表釩基SCR，試驗(yàn)過程中均采用同一DOC。

試驗(yàn)設(shè)備包括交流電力測功機(jī)系統(tǒng)、AVL AMA i60氣態(tài)污染物分析儀、AVL SPC472顆粒物取樣系統(tǒng)以及AVL 489凝結(jié)式顆粒計(jì)數(shù)器，試驗(yàn)裝置布置見圖1。利用本裝置可以測定發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的CO2，CO，HC，NOx等組分，也可以評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中顆粒物質(zhì)量和顆粒物數(shù)量的水平。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

表2 SCR后處理系統(tǒng)參數(shù)

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試系統(tǒng)布置

試驗(yàn)完全按照強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限制及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》的要求進(jìn)行。對裝備有同一DOC的柴油機(jī)分別安裝釩基SCR和分子篩型SCR進(jìn)行穩(wěn)態(tài)(ESC)和瞬態(tài)(ETC)排放試驗(yàn)循環(huán)[8]。每次試驗(yàn)前，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn)處試驗(yàn)邊界條件(見表3)，使不同試驗(yàn)的邊界條件完全一致。試驗(yàn)過程中采用市售國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)柴油，且試驗(yàn)過程中對發(fā)動(dòng)機(jī)ECU不作任何改變。

表3 試驗(yàn)邊界條件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對安裝不同后處理系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)分別進(jìn)行排放試驗(yàn)循環(huán)，并計(jì)算NOx(氮氧化合物),CO(一氧化碳),HC(總碳?xì)?,PM(顆粒物質(zhì)量)和PN(顆粒物數(shù)量)等主要污染物加權(quán)比排放量(比排放量計(jì)算按照標(biāo)準(zhǔn)GB 17691中的要求進(jìn)行)，結(jié)果見表4。

表4 各試驗(yàn)循環(huán)污染物比排放量

2.1 對NOx排放的影響

SCR的目標(biāo)污染物是NOx，因此研究了分子篩型SCR對NOx的減排特性。從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，分子篩型SCR對柴油機(jī)NOx的減排效果相較于釩基SCR更加顯著(見圖2)。

圖2 不同后處理系統(tǒng)下游NOx排放對比

對于穩(wěn)態(tài)ESC試驗(yàn)循環(huán)，釩基SCR的加權(quán)NOx轉(zhuǎn)化效率約為75%，而分子篩型SCR的加權(quán)NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了81%，凈化能力提升約6%；對于瞬態(tài)ETC試驗(yàn)循環(huán)，釩基SCR的加權(quán)NOx轉(zhuǎn)化效率約為59%，而分子篩型SCR的加權(quán)NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了78%，分子篩型SCR對NOx的凈化能力高19%左右。結(jié)果同時(shí)表明，兩種SCR在運(yùn)行瞬態(tài)ETC循環(huán)時(shí)對NOx的轉(zhuǎn)化效率相較于運(yùn)行穩(wěn)態(tài)ESC循環(huán)時(shí)均有所降低，且釩基SCR對NOx轉(zhuǎn)化效率的降低程度更加明顯，降低約16%。表明ETC工況抑制了釩基SCR轉(zhuǎn)化性能，但對于分子篩型SCR轉(zhuǎn)化性能的抑制作用并不顯著。當(dāng)運(yùn)行ETC試驗(yàn)循環(huán)時(shí)，分子篩型SCR對NOx凈化能力的優(yōu)勢更加顯著。

按照式(1)計(jì)算得到ESC循環(huán)和ETC循環(huán)的平均渦后排溫分別為305 ℃和260 ℃，ETC循環(huán)整體較低的排氣溫度限制了SCR的催化性能，因此造成運(yùn)行ETC循環(huán)時(shí)，分子篩型SCR和釩基SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率均有所降低。

(1)

將ESC循環(huán)中十三工況點(diǎn)的NOx轉(zhuǎn)化效率分別按照渦后排氣溫度和排氣流量遞增的趨勢顯示在圖3中，可以發(fā)現(xiàn)NOx轉(zhuǎn)化效率并非隨其中任一變量呈現(xiàn)單調(diào)增減的規(guī)律。怠速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)并不噴射尿素，按照式(2)分別計(jì)算除怠速工況外其余12個(gè)工況下NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度和排氣流量之間的相關(guān)系數(shù)(見圖4)。

(2)

式中:γ為相關(guān)系數(shù)；X為排氣溫度或排氣流量；Y為NOx轉(zhuǎn)化效率；Cov(X,Y)為協(xié)方差；D(X)和D(Y)分別為X和Y的方差。

相較于釩基SCR，在試驗(yàn)工況范圍內(nèi)，分子篩型SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的正相關(guān)關(guān)系更加顯著；而釩基SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣流量則具備一定的反相關(guān)關(guān)系?？梢酝茰y，排溫較高且排氣流量較大的工況，即高速大負(fù)荷工況，分子篩型SCR的NOx催化轉(zhuǎn)化性能有更加優(yōu)于釩基SCR的趨勢。

圖3 不同排溫和排氣流量時(shí)的NOx轉(zhuǎn)化效率

圖4 NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度和流量的相關(guān)系數(shù)

如圖5所示，在較低轉(zhuǎn)速(1 900 r/min)工況下，釩基SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率要高于分子篩型SCR。但是在更高轉(zhuǎn)速工況下，由于更大的排氣流量導(dǎo)致較大空速，使得SCR觸媒與NOx接觸時(shí)間減少，催化轉(zhuǎn)化效率降低，分子篩型SCR受此影響更小，因此在較高轉(zhuǎn)速工況下，分子篩型SCR的催化性能要優(yōu)于釩基SCR，即分子篩型SCR的催化速率更高。

按照式(3)計(jì)算得到ESC循環(huán)和ETC循環(huán)的平均排氣流量分別為336 kg/h和273 kg/h。即對于釩基SCR，運(yùn)行ETC循環(huán)時(shí)，由于較低的空速更有利于改善其催化效率，從而使其與分子篩型SCR性能接近。但根據(jù)前文分析，運(yùn)行ETC循環(huán)時(shí)分子篩型SCR的催化性能優(yōu)勢卻更加顯著，由此得出結(jié)論，排氣溫度的降低對釩基SCR的催化效率限制更強(qiáng)，即分子篩型SCR的低溫催化性能要顯著優(yōu)于釩基SCR。

(3)

圖5 ESC各工況對應(yīng)的NOx轉(zhuǎn)化效率

綜上所述，分子篩型SCR的NOx催化轉(zhuǎn)化效率在較低排溫工況下顯著優(yōu)于釩基SCR，且由于其更高的催化轉(zhuǎn)化速率，隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的提高，這種優(yōu)勢有愈加明顯的趨勢。

2.2 對顆粒物排放的影響

相關(guān)研究表明，SCR對可溶性有機(jī)物和干炭煙均具有一定的減排作用[9]。通過試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，SCR在降低NOx的同時(shí)，對顆粒物也有一定的削減作用(見圖6)。加裝釩基SCR后，運(yùn)行ESC循環(huán)和ETC循環(huán)時(shí)，顆粒物質(zhì)量分別降低約9%和16%；而更換分子篩型SCR后，運(yùn)行ESC循環(huán)和ETC循環(huán)時(shí)，顆粒物質(zhì)量分別降低約44%和33%。相比于釩基SCR，換裝分子篩型SCR后，運(yùn)行ESC和ETC循環(huán)時(shí)，顆粒物個(gè)數(shù)分別升高了11%和7%。

圖6 不同循環(huán)的顆粒物質(zhì)量和個(gè)數(shù)比排放量

圖7示出分子篩型SCR和釩基SCR運(yùn)行ESC循環(huán)時(shí)各穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)的平均排氣顆粒物數(shù)量濃度。在任意工況下，安裝釩基SCR的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣顆粒物數(shù)量濃度均相對較低。

圖7 ESC循環(huán)13工況點(diǎn)顆粒物數(shù)量濃度

盡管兩種SCR對顆粒物均具有一定的過濾作用，但無論是穩(wěn)態(tài)循環(huán)還是瞬態(tài)循環(huán)，由于更大的面容比和轉(zhuǎn)化效率，分子篩型SCR對顆粒物質(zhì)量的減少更加顯著。且結(jié)合顆粒物個(gè)數(shù)測試結(jié)果可以推斷，相較于釩基SCR，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣經(jīng)過分子篩型SCR后質(zhì)量較大的顆粒物權(quán)重減少更為明顯，分子篩型SCR更容易將較大的顆粒分解為數(shù)量更多的較小顆粒。

2.3 對CO和HC排放的影響

圖8示出了安裝不同類型SCR后，發(fā)動(dòng)機(jī)最終CO和HC排放的變化趨勢。對于ESC循環(huán)，由于經(jīng)過DOC之后的CO和HC比排放量級(jí)極小，不能排除由于排放測試設(shè)備的誤差造成的影響，因此選擇比排放量較高的ETC循環(huán)作為分析對象。可以發(fā)現(xiàn)，加裝兩種SCR后，CO和HC比排放量均略有降低，且二者之間的減排差異非常微小(CO和HC比排放量均分別降低約19%和39%)，分子篩型SCR有微小優(yōu)勢。即分子篩型SCR同釩基SCR相似，均可使得一部分CO和HC(作為還原劑[10])氧化從而減少其排放。

圖8 不同SCR對CO和HC排放的影響

2.4 對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的影響

為了保證安裝不同后處理系統(tǒng)進(jìn)行排放試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)狀態(tài)一致，每次試驗(yàn)前均調(diào)節(jié)標(biāo)定點(diǎn)邊界參數(shù)，以排除發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放不一致引入的影響。因此在本研究中，加裝SCR對發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率并未產(chǎn)生顯著的影響。圖9示出安裝3種后處理系統(tǒng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行ESC循環(huán)各工況點(diǎn)(不包括怠速點(diǎn))的燃油消耗率。從圖中可知在任何工況點(diǎn)下三者差異均很微小。當(dāng)加裝分子篩型SCR和釩基SCR時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行ESC循環(huán)的加權(quán)燃油消耗率分別為226.39 g/(kW·h)和226.15 g/(kW·h)，運(yùn)行ETC循環(huán)的加權(quán)燃油消耗率分別為238.49 g/(kW·h)和238.78 g/(kW·h)，差異均在0.1%左右。

圖9 ESC循環(huán)各工況點(diǎn)的燃油消耗率

3 結(jié)論

a) 分子篩型SCR相較于同級(jí)別釩基SCR具有更加出色的低溫NOx催化轉(zhuǎn)化性能和轉(zhuǎn)化速率，ETC工況NOx轉(zhuǎn)化效率提升約19%，且在研究工況內(nèi)NOx催化轉(zhuǎn)化性能受空速影響并不明顯；

b) 分子篩型SCR和釩基SCR均可減少一部分顆粒物質(zhì)量排放，但前者對PM的減排能力更加顯著，且更容易將質(zhì)量較大顆粒轉(zhuǎn)化為較小顆粒，因此分子篩型SCR的顆粒物個(gè)數(shù)比排放量更高；

c) 兩種類型的SCR均可一定程度改善柴油機(jī)CO和HC排放水平，減排率可達(dá)20%，且兩種SCR的轉(zhuǎn)化效率差別不大。

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[編輯: 李建新]

Emission Improvement for Diesel Engine with Molecular Sieve SCR

ZHANG Lin1, JING Xiaojun1, LIU Xinyuan2, LI Tengteng1

(1. China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300 China;2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The combination of DOC and SCR aftertreatment system was widely used for commercial diesel engine to meet National Ⅳ and Ⅴ emission regulations. Different kinds of SCR have different influences on the final exhaust emissions significantly. The ESC and ETC tests are carried out to research the exhaust emission on a 2.8 L diesel engine with a vanadium-based SCR catalyst. The results show that NOxand PM emissions of molecular sieve SCR in ETC improve by 19% and 33% respectively compared with vanadium-based SCR. The NOxcatalytic conversion efficiency of molecular sieve SCR is obviously higher than that of vanadium-based SCR under low exhaust temperature or large exhaust flow rate conditions. However, using the molecular sieve SCR, the particulate number is 7% more than that of vanadium-based SCR and the large particle matter is easily broken up into different small particle matter. Both kinds of SCR catalysts can reduce CO and HC emissions by up to 20%.

selective catalyst reduction(SCR); diesel engine; emission control; conversion efficiency; molecular sieve; catalyst

2016-11-30;

2017-02-17

張琳(1989—)，男，碩士，工程師，從事發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)研究；zhanglin2015@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.01.006

TK411.5

B

1001-2222(2017)01-0030-05