國六Cu基SCR耐硫性能的實驗研究

桂橫海 左宗國 劉屹

摘要： 本文針對Cu基SCR在整車上的使用環(huán)境，以及中國市場目前的燃油品質(zhì)，驗證含硫柴油對于SCR的排放劣化趨勢，并根據(jù)國六SCR的性能開發(fā)需求，進行高溫脫硫操作，驗證SCR的性能恢復能力。整套驗證系統(tǒng)包括國六柴油發(fā)動機、尿素噴射系統(tǒng)、催化器、排放設備等。國六柴油發(fā)動機原機排放滿足工程目標，噴射系統(tǒng)的尿素供給單位為氣助式方案，催化器包括DOC、DPF、混合器、Cu基SCR，尿素溶液濃度為32.5%，排放設備型號為AVL FTIR，實驗結果能夠滿足分析需求。

Abstract： Based on the use environment of Cu-based SCR in vehicles and the current fuel quality in the Chinese market， this paper verifies the emission degradation trend of sulfur diesel for SCR， and carries out high-temperature desulfurization operation to verify the performance recovery ability of SCR according to the performance development requirements of CN6 SCR. The whole verification system includes CN6 diesel engine， urea injection system， catalytic converters， emission equipment， etc. The urea supply unit of the injection system was gas-assisted solution. The catalytic converters included DOC， DPF， mixer and Cu-based SCR. The concentration of urea solution was 32.5%， the emission equipment model is AVL FTIR， and the experimental results can meet the analysis requirements.

關鍵詞： 柴油機;選擇性催化還原;耐硫性能;排放

Key words： diesel engine;SCR;sulfur tolerance;emission

中圖分類號：TK421.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0057-03

0? 引言

隨著汽車排放法規(guī)的日益嚴格，SCR系統(tǒng)被認為是降低柴油機氮氧化物排放的有效機外控制手段。我國地域遼闊，市場燃油品質(zhì)參差不齊，一直以來都有不少卡友在使用小油，所謂小油其實就是中石化、中石油之類的正品柴油以外的私營柴油。由于監(jiān)管部門對私營柴油的監(jiān)管缺乏，油品差異巨大，油價相對中石化與中石油來說也要便宜不少，具有一定程度的誘惑力。特別是近年來公路運輸行業(yè)的低迷，運價奇低的情況下，小油成為眾多卡友不二之選，特別是以一些小作坊提供的“小油”其含硫量嚴重超標，硫是導致SCR催化劑中毒的重要原因之一，會使SCR轉(zhuǎn)化效率大大降低，從而引發(fā)OBD報錯，致使整車限扭、限速，而車輛廠家往往會因為司機私加“小油”而拒保。因此Cu基SCR對于耐硫的能力非常重要，是其關鍵的性能指標之一。

1? 臺架耐硫試驗方案

驗證SCR耐硫能力，主要通過發(fā)動機尾排變化趨勢，以及SCR轉(zhuǎn)化效率的恢復能力來判斷，因此在驗證方案的設計中要考慮發(fā)動機、噴射系統(tǒng)、催化器、設備四個部分。發(fā)動機供油采用含硫量100ppm柴油，通過WHTC循環(huán)進行耐硫試驗，循環(huán)往復，每一個小循環(huán)以尾排NOx達到1.2g/kWh為目標，共驗證10個循環(huán)，每個小循環(huán)結束之后，均將發(fā)動機運轉(zhuǎn)模式由Normal模式調(diào)整至RGN模式，再生提高排氣溫度，達到脫硫的目的，試驗過程中通過AVL FTIR采集NOx及NH3等氣體排放，通過每個小循環(huán)的排放變化得出排放劣化趨勢，通過10個小循環(huán)之后的尾排來驗證SCR恢復能力，相關試驗在電力測功機臺架進行，如圖1臺架試驗圖所示。

2? 驗證系統(tǒng)各部分方案介紹

2.1 發(fā)動機系統(tǒng)方案

試驗所用發(fā)動機為國內(nèi)知名柴油機品牌最新國六量產(chǎn)發(fā)動機，采用電控、水冷EGR技術，帶旁通閥高效增壓器：增壓器響應速度快，提供充足的進氣量，燃燒更加充分。采用電控高壓共軌燃油噴射技術，噴油壓力大，壓力均衡，霧化更均勻，燃燒更充分，省油經(jīng)濟。萬有特性經(jīng)濟油耗區(qū)范圍寬，最低燃油耗比同類產(chǎn)品節(jié)省5%以上。采用內(nèi)冷油腔活塞及冷卻噴嘴設計，大幅降低熱負荷，機油消耗大幅降低。發(fā)動機原排狀態(tài)均滿足國六開發(fā)工程目標，發(fā)動機外觀如圖2發(fā)動機圖所示，發(fā)動機原排信息如表1發(fā)動機原排所示。

2.2 噴射系統(tǒng)方案

尿素泵、濾清器、控制單元、傳感器等零部件集成在一起，稱為尿素供給單元，系統(tǒng)根據(jù)催化器溫度（200～560℃）和發(fā)動機工況（非怠速，有扭矩輸出），確認滿足噴射條件并進入噴射狀態(tài)，噴射尿素時，SCR系統(tǒng)電控單元實時計算出尿素噴射量，并驅(qū)動尿素供給單元中的尿素計量泵從尿素箱抽取相應量的尿素水溶液與壓縮空氣混合后，經(jīng)噴射管將混合物送到尿素噴射單元，噴入排氣管。此套噴射系統(tǒng)在試驗前已完成噴射數(shù)據(jù)標定工作，DCU數(shù)據(jù)已經(jīng)定型，尾排均滿足國六法規(guī)要求，且保留較大余量，噴射系統(tǒng)關鍵部件，尿素供給單元如圖3尿素供給單元示意圖所示。

2.3 后處理系統(tǒng)方案

后處理系統(tǒng)采用DOC+DPF+混合器+SCR方案，尿素在催化器上游被噴入排氣管，經(jīng)熱解和水解反應后生成 NH3，同時，NH3被吸附在催化器的基板上。NOx與吸附在催化器基板上的NH3進行氧化還原反應生成N2和 H2O，SCR催化轉(zhuǎn)化器中的反應較為復雜，但主要包括尿素分解成氨氣的反應、SCR反應以及眾多的副反應。其中SCR為Cu基SCR，在200～500℃范圍內(nèi)，SCR效率能達到90%以上，同時具有較強的氨存儲能力，對標定有較大幫助。后處理系統(tǒng)結構及反應原理如圖4所示。

2.4 排放設備系統(tǒng)方案

AVL FTIR為傅里葉變化紅外分析儀，可以快速、連續(xù)和穩(wěn)定測定分析所有具有特征光譜的氣體，其具有占地面積小，重量輕，性價比高，安裝和運輸方便，排放設備如圖5排放設備示意圖所示。

3? 臺架驗證試驗及結果分析

3.1 含硫柴油規(guī)格

試驗燃油按照要求使用100ppm進行試驗，柴油檢測及柴油檢測分析報告表2所示。

3.2 耐硫循環(huán)數(shù)及尾排變化趨勢

統(tǒng)計NOx尾排達到目標值的WHTC小循環(huán)數(shù)，從第5輪耐硫試驗開始，每次以NOx尾排達到1.0g/kWh為目標（前4輪1.2g/kWh）;

從第5輪開始，NOx尾排目標值由1.2降到1.0，WHTC小循環(huán)數(shù)減少屬于正常，但尾排NOx上升趨勢整體呈加快趨勢，相關數(shù)據(jù)如圖6循環(huán)數(shù)趨勢圖所示。

統(tǒng)計每個耐硫大循環(huán)中，經(jīng)過若干次預處理后的NOx排放最低值，試驗類型為Hot-WHTC。

根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，隨著耐硫試驗的進行，NOx尾排呈增高趨勢，增高趨勢如圖7尾排趨勢圖。

3.3 SCR耐硫后恢復能力驗證

十輪耐硫循環(huán)后，各循環(huán)NOx尾排均滿足法規(guī)限值要求，且有一定余量;

十輪耐硫循環(huán)后，WHTC循環(huán)NH3泄露很小，但WHSC-NH3泄露嚴重超標。

具體排放數(shù)據(jù)如圖8 NOx尾排數(shù)據(jù)圖和圖9 NH3尾排數(shù)據(jù)圖所示。

4? 結論

針對SCR在含硫柴油環(huán)境下的使用情況，本文某車用SCR系統(tǒng)設計了試驗系統(tǒng)，在臺架上開展了相關試驗，得出如下結論：①隨著耐硫試驗的進行，每輪NOx尾排達到目標值1.2/1.0g/kWh的趨勢在加快;②隨著耐硫試驗的進行，每輪耐久循環(huán)中，起始NOx尾排能達到的最低值在逐漸增高;③十輪耐硫試驗后，WHTC、WHSC、WNTE循環(huán)NOx尾排均滿足法規(guī)限值要求，且留有一定余量，但WHSC循環(huán)NH3排放超標嚴重，NH3泄露控制出現(xiàn)明顯劣化。

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