柴油机SCR 载体SOF覆盖试验研究

柴油机匹配选择性催化还原(SCR)技术可满足国Ⅴ、国Ⅵ排放法规，是目前主流的技术路线。对直接安装SCR 系统的柴油机(国Ⅴ排放，柴油机＋SCR)，由于缺乏有效的SOF 去除手段，SCR 载体会因SOF 覆盖而隔离NH3在催化剂表面的吸附、解吸附反应，使NOx 转化效率持续降低，引起NOx 排放超标。基于此，笔者以满足国Ⅴ排放标准的某国产柴油机及SCR 系统为对象，进行SOF 覆盖的机理研究，以期为SOF 控制策略的开发及在SCR、DPF 控制上的应用提供参考。

01  发动机参数与试验设计

试验用柴油为国Ⅵ标准柴油。拟研究工况为中、低转速及低负荷，因而提取具有代表性的稳态15 工况点进行SOF 沉积试验, 图1 为发动机试验台架布置。(具体试验设计见参考文献[1])。


图1 发动机试验台架示意

02  发动机台架试验分析

2.1 发动机原始排放分析

2.1.1 发动机原始排放PM 成分分析

图2 为路谱工况下的PM 成分。排放测量结果显示，原机路谱工况下的PM、soot 和SOF 排放分别为0.031 4、0.014 5 和0.016 9 g/(kW·h)，加热模式(开启近后喷，设置后喷油量和喷射时刻，部分关闭节流阀，设置节流阀开度)的PM、soot 和SOF排放分别比一般模式增加29.8%、48.0%和14.0% (图2a)，但SOF 质量占比下降12.1% (图2b)，原因是加热模式下空燃比下降，燃烧恶化，导致PM 排放上升，同时排气温度升高使SOF 热解加速，因而SOF 质量占比降低。


图2 路谱工况下的PM成分

2.1.2 发动机原始排放气态HC 与SOF关系

图3 为SOF 与气态HC 排放关系。可知全工况下二者呈线性关系，相关系数为0.899 5，不同转速和负荷特性下SOF 和HC 也呈线性关系，因为气态HC 和SOF 均来自柴油，都是柴油在缸内受热但不完全燃烧的产物，理论上不完全燃烧的柴油首先热解产生气态HC，其次产生SOF。


图3 气态HC 与SOF排放关系

2.2 SCR 载体对PM 成分的捕集效率分析

对PM 的捕集效率是SCR 载体对SOF 和soot两者捕集效率的叠加，稳态15 工况点捕集效率平均值为56.9%左右。在330 ℃下运行1 h 清空SCR 箱后，连续运行8 次路谱循环工况下，对SOF 的捕集效率呈略微下降趋势，如图4 所示。原因是SOF 的热解速率与沉积量有关，路谱运行时间越长，沉积量越多，热解速率越高，对SOF 的捕集速率为沉积速率与热解速率的差值，因而对SOF 的捕集效率下降。同时，对soot 的捕集效率为正值，且呈上升趋势，说明soot 会伴随聚集态PM 被捕集，由于路谱温度平均值约为182 ℃，SOF 热解速率低，SOF 热解而释放的soot 相对少，最终对soot 的捕集效率是前者减去后者的差值，因而结果为正值。此外，对PM 的捕集效率呈略微上升的趋势。


图4 SCR 载体对PM 的捕集效率

2.3 SOF沉积量与NOx 转化效率的关系

图5 为SOF 沉积量与NOx 转化效率的关系。图5a 中，SCR 箱称重和PM 滤纸称重的SOF 沉积量分别为30.70 g 和29.41 g。在24 h 路谱工况下的前16 h，由于测量精度误差，导致SCR 箱称重与PM 滤纸称重偏差较大，随着时间和SOF 的累积，测量精度影响减小，16 h 后两者结果趋于一致。SCR 箱称重和PM 滤纸称重的SOF 沉积量分别为31.90 g 和32.82 g，如图5b所示。


图5 SOF沉积量与NOx 转化效率的关系

2.4 台架SOF热解试验分析

2.4.1NOx 转化效率恢复

图6 为各温度下进行稳态的3 工况点NOx 转化效率测量结果。稳定性最好的第3 工况点转化效率从33.6%恢复到68.6%，由于新鲜态的SCR 载体效率为68.4%，可知已经完全恢复，说明NOx 转化效率可以通过SOF 热解完全恢复，热解时间为1 h 左右，综上可知，SOF 覆盖导致的NOx转化效率降低是可逆的。


图6 SOF热解与NOx 转化效率恢复关系

2.4.2 SOF 热解动力学参数计算

图7 为台架SOF 热解与TG 热解对比。台架热解中，不同温度对应的SOF 热解成分不同，其活化能分别为39 706、48 535、68 383 和80 013 J/mol，指前因子自然对数分别为0.70、2.93、7.43 和9.81 s-1，碳链越长，热解温度越高，活化能越大，指前因子越大，活化能与指前因子自然对数呈线性关系(图7a)，验证稳态热解具备补偿效应。

与TG 热解比较，台架热解的活化能与TG 热解的相近，台架热解的比TG 热解的小约5%；指前因子自然对数差异较大，台架热解的仅为TG 热解的36%左右；台架热解的速率系数约为TG 的0.1%，如图7b 所示。因而相同质量SOF 的台架热解时间比TG的热解时间长，可能是SOF 沉积量比较大，SCR 箱的结构特征导致SOF 沉积不均匀(主要在SCR 载体前端)，减少了活化分子的有效碰撞次数，宏观表现为指前因子小，热解反应时间长。


图7 SOF台架热解与TG 热解对比

03  结论

(1)在中、低转速、低负荷工况下，SCR 载体对SOF 有显著的捕集效应，对soot 和PM 有间接的捕集效应；对SOF 的捕集效率在稳态15 工况点平均值约为73.3%。

(2) SOF 沉积覆盖在SCR 载体表面，部分或完全隔绝了NH3在催化剂表面的吸附、解吸附反应，使得其与NOx 的SCR 化学反应速率显著下降，NOx 转化效率低。

(3) 发动机台架热解SOF 试验中，SCR 上游排气温度控制为300 ℃左右，约1 h，NOx 转化效率可以恢复，热动力学参数计算结果显示，台架热解的活化能与TG 热解的相当，台架热解的指前因子自然对数仅为TG 热解的36%左右。

04  参考文献

[1]王秀雷,王志坚,李 勤,等.柴油机SCR载体SOF覆盖试验研究[J].内燃机学报,2021,(04):326-333.