论文部分内容阅读
摘要： 本文针对Cu基SCR在整车上的使用环境，以及中国市场目前的燃油品质，验证含硫柴油对于SCR的排放劣化趋势，并根据国六SCR的性能开发需求，进行高温脱硫操作，验证SCR的性能恢复能力。整套验证系统包括国六柴油发动机、尿素喷射系统、催化器、排放设备等。国六柴油发动机原机排放满足工程目标，喷射系统的尿素供给单位为气助式方案，催化器包括DOC、DPF、混合器、Cu基SCR，尿素溶液浓度为32.5%，排放设备型号为AVL FTIR，实验结果能够满足分析需求。
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.
关键词： 柴油机;选择性催化还原;耐硫性能;排放
Key words： diesel engine;SCR;sulfur tolerance;emission
中图分类号：TK421.5 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0057-03
0 引言
随着汽车排放法规的日益严格，SCR系统被认为是降低柴油机氮氧化物排放的有效机外控制手段。我国地域辽阔，市场燃油品质参差不齐，一直以来都有不少卡友在使用小油，所谓小油其实就是中石化、中石油之类的正品柴油以外的私营柴油。由于监管部门对私营柴油的监管缺乏，油品差异巨大，油价相对中石化与中石油来说也要便宜不少，具有一定程度的诱惑力。特别是近年来公路运输行业的低迷，运价奇低的情况下，小油成为众多卡友不二之选，特别是以一些小作坊提供的“小油”其含硫量严重超标，硫是导致SCR催化剂中毒的重要原因之一，会使SCR转化效率大大降低，从而引发OBD报错，致使整车限扭、限速，而车辆厂家往往会因为司机私加“小油”而拒保。因此Cu基SCR对于耐硫的能力非常重要，是其关键的性能指标之一。
1 台架耐硫试验方案
验证SCR耐硫能力，主要通过发动机尾排变化趋势，以及SCR转化效率的恢复能力来判断，因此在验证方案的设计中要考虑发动机、喷射系统、催化器、设备四个部分。发动机供油采用含硫量100ppm柴油，通过WHTC循环进行耐硫试验，循环往复，每一个小循环以尾排NOx达到1.2g/kWh为目标，共验证10个循环，每个小循环结束之后，均将发动机运转模式由Normal模式调整至RGN模式，再生提高排气温度，达到脱硫的目的，试验过程中通过AVL FTIR采集NOx及NH3等气体排放，通过每个小循环的排放变化得出排放劣化趋势，通过10个小循环之后的尾排来验证SCR恢复能力，相关试验在电力测功机台架进行，如图1台架试验图所示。
2 验证系统各部分方案介绍
2.1 发动机系统方案
试验所用发动机为国内知名柴油机品牌最新国六量产发动机，采用电控、水冷EGR技术，带旁通阀高效增压器：增压器响应速度快，提供充足的进气量，燃烧更加充分。采用电控高压共轨燃油喷射技术，喷油压力大，压力均衡，雾化更均匀，燃烧更充分，省油经济。万有特性经济油耗区范围宽，最低燃油耗比同类产品节省5%以上。采用内冷油腔活塞及冷却喷嘴设计，大幅降低热负荷，机油消耗大幅降低。发动机原排状态均满足国六开发工程目标，发动机外观如图2发动机图所示，发动机原排信息如表1发动机原排所示。
2.2 喷射系统方案
尿素泵、滤清器、控制单元、传感器等零部件集成在一起，称为尿素供给单元，系统根据催化器温度（200～560℃）和发动机工况（非怠速，有扭矩输出），确认满足喷射条件并进入喷射状态，喷射尿素时，SCR系统电控单元实时计算出尿素喷射量，并驱动尿素供给单元中的尿素计量泵从尿素箱抽取相应量的尿素水溶液与压缩空气混合后，经喷射管将混合物送到尿素喷射单元，喷入排气管。此套喷射系统在试验前已完成喷射数据标定工作，DCU数据已经定型，尾排均满足国六法规要求，且保留较大余量，喷射系统关键部件，尿素供给单元如图3尿素供给单元示意图所示。 2.3 后处理系统方案
后处理系统采用DOC+DPF+混合器+SCR方案，尿素在催化器上游被喷入排气管，经热解和水解反应后生成 NH3，同时，NH3被吸附在催化器的基板上。NOx与吸附在催化器基板上的NH3进行氧化还原反应生成N2和 H2O，SCR催化转化器中的反应较为复杂，但主要包括尿素分解成氨气的反应、SCR反应以及众多的副反应。其中SCR为Cu基SCR，在200～500℃范围内，SCR效率能达到90%以上，同时具有较强的氨存储能力，对标定有较大帮助。后处理系统结构及反应原理如图4所示。
2.4 排放设备系统方案
AVL FTIR为傅里叶变化红外分析仪，可以快速、连续和稳定测定分析所有具有特征光谱的气体，其具有占地面积小，重量轻，性价比高，安装和运输方便，排放设备如图5排放设备示意图所示。
3 台架验证试验及结果分析
3.1 含硫柴油规格
试验燃油按照要求使用100ppm进行试验，柴油检测及柴油检测分析报告表2所示。
3.2 耐硫循环数及尾排变化趋势
统计NOx尾排达到目标值的WHTC小循环数，从第5轮耐硫试验开始，每次以NOx尾排达到1.0g/kWh为目标（前4轮1.2g/kWh）;
从第5轮开始，NOx尾排目标值由1.2降到1.0，WHTC小循环数减少属于正常，但尾排NOx上升趋势整体呈加快趋势，相关数据如图6循环数趋势图所示。
统计每个耐硫大循环中，经过若干次预处理后的NOx排放最低值，试验类型为Hot-WHTC。
根据数据可以看出，随着耐硫试验的进行，NOx尾排呈增高趋势，增高趋势如图7尾排趋势图。
3.3 SCR耐硫后恢复能力验证
十轮耐硫循环后，各循环NOx尾排均满足法规限值要求，且有一定余量;
十轮耐硫循环后，WHTC循环NH3泄露很小，但WHSC-NH3泄露严重超标。
具体排放数据如图8 NOx尾排数据图和图9 NH3尾排数据图所示。
4 结论
针对SCR在含硫柴油环境下的使用情况，本文某車用SCR系统设计了试验系统，在台架上开展了相关试验，得出如下结论：①随着耐硫试验的进行，每轮NOx尾排达到目标值1.2/1.0g/kWh的趋势在加快;②随着耐硫试验的进行，每轮耐久循环中，起始NOx尾排能达到的最低值在逐渐增高;③十轮耐硫试验后，WHTC、WHSC、WNTE循环NOx尾排均满足法规限值要求，且留有一定余量，但WHSC循环NH3排放超标严重，NH3泄露控制出现明显劣化。
参考文献：
[1]龚金科.汽车排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005.
[2]董红义，帅石金，李儒龙，等.柴油机排气后处理技术的最新进展与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）：87-92.
[3]M. Koebel， M. Elsener， M. Kleemann. Urea-SCR： a Promising Technique to Reduce NOx？Emissions from Automotive Diesel Engines [J]. Catalysis Today. 2000（59）：335-345.
[4]佟德辉，李国祥，陶建忠，孙少军.基于Urea-SCR技术的V-W/Ti基催化剂在车用柴油机上的应用[J].内燃机工程，2009，30（4）：38-42.
[5]陶建忠，李国祥，佟德辉.基于V-W/Ti基催化剂的NH3选择催化还原NOx的实验研究[J].内燃机工程，2008，29（2）：22-25.
[6]陶建忠，李国祥，佟德辉.H2O和SO2在NH3选择性催化还原NOx过程中的影响[J].内燃机工程，2008，29（3）：56-58.
[7]Stefan aus der Wiesche. Numerical heat transfer and thermal engineering of adBlue tanks for combustion engine emission reduction. Applied Thermal Engineering，27（2007）：1790-1798.
[8]W.P. Trautwein. AdBlue as a reducing agent for the decrease of NOx emissions from diesel engines of commercial vehicles， DGMK Research Report 616-1，Hamburg，2003.
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.
关键词： 柴油机;选择性催化还原;耐硫性能;排放
Key words： diesel engine;SCR;sulfur tolerance;emission
中图分类号：TK421.5 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0057-03
0 引言
随着汽车排放法规的日益严格，SCR系统被认为是降低柴油机氮氧化物排放的有效机外控制手段。我国地域辽阔，市场燃油品质参差不齐，一直以来都有不少卡友在使用小油，所谓小油其实就是中石化、中石油之类的正品柴油以外的私营柴油。由于监管部门对私营柴油的监管缺乏，油品差异巨大，油价相对中石化与中石油来说也要便宜不少，具有一定程度的诱惑力。特别是近年来公路运输行业的低迷，运价奇低的情况下，小油成为众多卡友不二之选，特别是以一些小作坊提供的“小油”其含硫量严重超标，硫是导致SCR催化剂中毒的重要原因之一，会使SCR转化效率大大降低，从而引发OBD报错，致使整车限扭、限速，而车辆厂家往往会因为司机私加“小油”而拒保。因此Cu基SCR对于耐硫的能力非常重要，是其关键的性能指标之一。
1 台架耐硫试验方案
验证SCR耐硫能力，主要通过发动机尾排变化趋势，以及SCR转化效率的恢复能力来判断，因此在验证方案的设计中要考虑发动机、喷射系统、催化器、设备四个部分。发动机供油采用含硫量100ppm柴油，通过WHTC循环进行耐硫试验，循环往复，每一个小循环以尾排NOx达到1.2g/kWh为目标，共验证10个循环，每个小循环结束之后，均将发动机运转模式由Normal模式调整至RGN模式，再生提高排气温度，达到脱硫的目的，试验过程中通过AVL FTIR采集NOx及NH3等气体排放，通过每个小循环的排放变化得出排放劣化趋势，通过10个小循环之后的尾排来验证SCR恢复能力，相关试验在电力测功机台架进行，如图1台架试验图所示。
2 验证系统各部分方案介绍
2.1 发动机系统方案
试验所用发动机为国内知名柴油机品牌最新国六量产发动机，采用电控、水冷EGR技术，带旁通阀高效增压器：增压器响应速度快，提供充足的进气量，燃烧更加充分。采用电控高压共轨燃油喷射技术，喷油压力大，压力均衡，雾化更均匀，燃烧更充分，省油经济。万有特性经济油耗区范围宽，最低燃油耗比同类产品节省5%以上。采用内冷油腔活塞及冷却喷嘴设计，大幅降低热负荷，机油消耗大幅降低。发动机原排状态均满足国六开发工程目标，发动机外观如图2发动机图所示，发动机原排信息如表1发动机原排所示。
2.2 喷射系统方案
尿素泵、滤清器、控制单元、传感器等零部件集成在一起，称为尿素供给单元，系统根据催化器温度（200～560℃）和发动机工况（非怠速，有扭矩输出），确认满足喷射条件并进入喷射状态，喷射尿素时，SCR系统电控单元实时计算出尿素喷射量，并驱动尿素供给单元中的尿素计量泵从尿素箱抽取相应量的尿素水溶液与压缩空气混合后，经喷射管将混合物送到尿素喷射单元，喷入排气管。此套喷射系统在试验前已完成喷射数据标定工作，DCU数据已经定型，尾排均满足国六法规要求，且保留较大余量，喷射系统关键部件，尿素供给单元如图3尿素供给单元示意图所示。 2.3 后处理系统方案
后处理系统采用DOC+DPF+混合器+SCR方案，尿素在催化器上游被喷入排气管，经热解和水解反应后生成 NH3，同时，NH3被吸附在催化器的基板上。NOx与吸附在催化器基板上的NH3进行氧化还原反应生成N2和 H2O，SCR催化转化器中的反应较为复杂，但主要包括尿素分解成氨气的反应、SCR反应以及众多的副反应。其中SCR为Cu基SCR，在200～500℃范围内，SCR效率能达到90%以上，同时具有较强的氨存储能力，对标定有较大帮助。后处理系统结构及反应原理如图4所示。
2.4 排放设备系统方案
AVL FTIR为傅里叶变化红外分析仪，可以快速、连续和稳定测定分析所有具有特征光谱的气体，其具有占地面积小，重量轻，性价比高，安装和运输方便，排放设备如图5排放设备示意图所示。
3 台架验证试验及结果分析
3.1 含硫柴油规格
试验燃油按照要求使用100ppm进行试验，柴油检测及柴油检测分析报告表2所示。
3.2 耐硫循环数及尾排变化趋势
统计NOx尾排达到目标值的WHTC小循环数，从第5轮耐硫试验开始，每次以NOx尾排达到1.0g/kWh为目标（前4轮1.2g/kWh）;
从第5轮开始，NOx尾排目标值由1.2降到1.0，WHTC小循环数减少属于正常，但尾排NOx上升趋势整体呈加快趋势，相关数据如图6循环数趋势图所示。
统计每个耐硫大循环中，经过若干次预处理后的NOx排放最低值，试验类型为Hot-WHTC。
根据数据可以看出，随着耐硫试验的进行，NOx尾排呈增高趋势，增高趋势如图7尾排趋势图。
3.3 SCR耐硫后恢复能力验证
十轮耐硫循环后，各循环NOx尾排均满足法规限值要求，且有一定余量;
十轮耐硫循环后，WHTC循环NH3泄露很小，但WHSC-NH3泄露严重超标。
具体排放数据如图8 NOx尾排数据图和图9 NH3尾排数据图所示。
4 结论
针对SCR在含硫柴油环境下的使用情况，本文某車用SCR系统设计了试验系统，在台架上开展了相关试验，得出如下结论：①随着耐硫试验的进行，每轮NOx尾排达到目标值1.2/1.0g/kWh的趋势在加快;②随着耐硫试验的进行，每轮耐久循环中，起始NOx尾排能达到的最低值在逐渐增高;③十轮耐硫试验后，WHTC、WHSC、WNTE循环NOx尾排均满足法规限值要求，且留有一定余量，但WHSC循环NH3排放超标严重，NH3泄露控制出现明显劣化。
参考文献：
[1]龚金科.汽车排放污染及控制[M].北京：人民交通出版社，2005.
[2]董红义，帅石金，李儒龙，等.柴油机排气后处理技术的最新进展与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）：87-92.
[3]M. Koebel， M. Elsener， M. Kleemann. Urea-SCR： a Promising Technique to Reduce NOx？Emissions from Automotive Diesel Engines [J]. Catalysis Today. 2000（59）：335-345.
[4]佟德辉，李国祥，陶建忠，孙少军.基于Urea-SCR技术的V-W/Ti基催化剂在车用柴油机上的应用[J].内燃机工程，2009，30（4）：38-42.
[5]陶建忠，李国祥，佟德辉.基于V-W/Ti基催化剂的NH3选择催化还原NOx的实验研究[J].内燃机工程，2008，29（2）：22-25.
[6]陶建忠，李国祥，佟德辉.H2O和SO2在NH3选择性催化还原NOx过程中的影响[J].内燃机工程，2008，29（3）：56-58.
[7]Stefan aus der Wiesche. Numerical heat transfer and thermal engineering of adBlue tanks for combustion engine emission reduction. Applied Thermal Engineering，27（2007）：1790-1798.
[8]W.P. Trautwein. AdBlue as a reducing agent for the decrease of NOx emissions from diesel engines of commercial vehicles， DGMK Research Report 616-1，Hamburg，2003.