蔡威
广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林537000
摘要：汽车工业的快速发展不仅促进了经济和社会的发展，也给环境保护和能源供应带来了巨大的压力。光化学烟雾、酸雨、空气霾等环境问题突出。同时，在人口密集的城市地区，人体健康受到威胁，这与汽车尾气排放密切相关。
关键词：油机；NOx排放；选择性催化还原；数值模拟；SCR混合器；
一种柴油机SCR效率远程在线监控及优化方法，包括SCR效率测量信号的采集及信号的监控优化过程，信号采集部分采用TBOX远程终端设备将ECU和云端连接，在云端将变量配置设置好下发给TBOX进行测量信号采集；数据上传至云端，对数据监控分析优化；对于转速、油量、扭矩、车速、环境温度、水温、进气量、SCR效率实时值基础变量持续记录保存，并实时输出SCR效率实测值图形供在线监控；同时SCR效率云数据用来反哺优化台架标定；对于包括SCR温度、SCR上游NOx值、SCR下游NOx值、上下游NOx释放状态、废气流量、尿素喷射量、NH3存储值、发动机运行模式、SCR效率实测值、SCR效率限值在内的SCR效率诊断用变量持续记录保存，当SCR效率诊断使能条件满足后，自动输出鲁棒性图形。
一、SCR系统工作原理
尿素选择性催化还原技术基本原理是将一定量尿素溶液雾化喷入排气管中，尿素溶液在高温排气中热解和水解生成还原剂氨气(NH3)，氨气(NH3)在催化剂的作用下与废气中的NOx发生选择性催化还原反应，生成氮气和水，从而降低柴油机NOx排放。概括起来，主要的反应经下面两步完成：第一步，还原剂的生成。将尿素溶液以喷雾的形式喷入到尾气管中后排气后，由于排气温度较高，导致尿素液滴中水分先蒸发，直至产生固体或熔化的尿素(熔点为132℃)，随后尿素热解为氨气和异氰酸(HNCO)，异氰酸在气相中非常稳定，V205-Ti02催化剂对化学反应有催化作用，能够促进氰酸的进一步水解。第二步，发生在催化剂上的SCR化学反应可以简化如下3个总包反应：反应式为NH3选择性还原NOx的反应。在柴油机排气中氮氧化物排放主要是NO(含量约为90％)，SCR催化器内主要进行的反应是式反应，反应被称为标准SCR反应。相关研究表明，N02的含量增加可以提高反应速率，当V(N02)N(NOx)≈50％时反应速率最快，反应被称为快速SCR反应，该反应在较低温度下反应速率较高，在较低温度下的反应速率是标准SCR反应的17倍。但是将N02提高到50％以上，可能发生反应。该反应的速率在最低，不利于NOx转化效率的提高。氨气氧化副反应，由于还原剂氨气的减少会影响NOx的转化，降低转化效率。反应会产生硫酸铵和硫酸氢铵，当使用高硫柴油时，排气中含有大量S02，当温度低于250"C会生成副产物硫酸铵和硫酸氢铵，沉积在催化剂表面降低其活性，在300。C以上容易分解。因此在合理控制排气温度的同时，使用低硫柴油是避免此现象发生的关键。在排气温度为100—200"C时硝酸铵会以固体或熔融态沉积在催化剂孔隙中，使催化剂钝化，反应效率降低。采用适当措施可以减少这种现象的发生：将排气温度控制在200。C以上，生成的硝酸铵会分解。另一方面优化尿素喷射策略，合理控制尿素喷射量，可以防止硝酸铵的生成。
二、SOR催化器工作性能研究
1.催化剂。催化剂是SCR催化器的核心，主要有两类：钒基催化剂和沸石类分子筛催化剂，沸石催化剂又分为铜基沸石催化剂和铁基沸石催化剂。不同SCR催化剂的转化效率对比。钒基催化剂广泛应用于工业脱硝，制备技术较为成熟，具有良好的催化活性，其活性温度窗口为300-400℃，NOx转化效率可达90％以上，但在柴油机上存在高温活性差和易氧化硫的问题。沸石分子筛型催化剂是目前研究较热的一种催化材料，具有良好的吸附性能和灵活性。
其中铜基沸石的催化能力较强，活性温窗广，特别是低温活性较强，适用于排温较低的发动机(低于200℃)，铁基沸石的催化能力较弱，活性窗口较窄，仅在高温活性较强，适合于排温较高的发动机。沸石类催化剂的水热稳定性差，且沸石价格较高。
2.载体。载体又称担体(support)，主要用于支持催化剂，使催化剂具有特定的物理性状，而载体本身一般并不具有催化活性。载体应该具备足够的力学性能和耐热性，足够大的微观表面积等特点。载体的种类主要有多孔颗粒状载体、蜂窝金属载体和蜂窝陶瓷载体三种。车用催化器载体目前大多数采用蜂窝结构，颗粒状载体由于热容大，阻力大、易磨损，已经基本被淘汰：蜂窝金属载体排气具有良好的机械强度和耐热性能，体积小，便于设计，但成本较高；堇青石(2A120s·2MgO·5S102)具有制造成本低，热膨胀系数小、优异的抗热冲击能力等优点，因此，一般选择堇青石为催化器陶瓷载体的制造原材料。为了增大蜂窝载体的几何表面积，并降低其热容量和气流阻力，随着加工工艺的发展，催化剂载体的几何结构也在不断改进。影响载体性能的主要几何特性参数主要有孔隙率(cpsi)和壁厚。孔隙率是载体正面每单位面积的蜂窝孔数。孔隙率越大，内表面积越大，可涂层量就越多，有利于转化效率的提高。载体的壁厚是指孔与孔之间载体壁的厚度。壁厚小，有利于排气流动，降低排气背压。因此，载体的选择标准是更薄壁厚和越多的孔隙率。在高温催化条件下，薄壁载体比高孔隙率的标准壁载体性能会更好。目前中重型柴油机使用的SCR催化器载体目数／壁厚最常用的规格为300／6和400／7两种，完全可以达到中重型柴油机后处理催化器的性能要求。SCR催化器载体的体积大约为发动机总排量的2．0一2．5倍。
3.催化器的封装。壳体对催化剂和载体等进行外包装，也称之为催化器的封装。根据在整车上的布置方式不同，常用的SCR催化器可分为桶式和箱式两种模型，桶式SCR催化器内一般只有一块催化剂，气流沿催化剂孔道直线流动，桶式催化器一般体积较小，结构紧凑，便于在整车上的安装布置，主要用于有较小布置空间的城市客车及轻型卡车等。箱式SCR催化器有多个空腔组成，每个通道内各含有一块催化剂，在催化器中排气的流向是绕行的，催化器的空速较小，SCR转化效率较高，有良好的消音效果。但由于体积较大，需要大的安装布置空间，适用于中重型商用车等。
4.催化器的性能指标与工作特性。催化器的性能指标和工作特性主要由NOx转化效率、空速、起燃温度、催化器耐久性及流动特性等指标评价。（1）转化效率。(2)流动特性。催化器的流动特性是指催化转化器内部排气流动参数分布(速度，压力，温度)特征。其影响主要体现在压力损失和气流均匀性。催化转化器会给发动机排气系统增加阻力，加大排气背压，导致发动机的动力性和经济性恶化，据统计催化转化器的压力损失约占发动机整个排气系统的压力损失的30-40％。因此减少压力损失是设计催化器的一个重要方面。一般要求催化转化器的流动阻力不超过5kPa。催化器的流动阻力主要由载体的细小孔道引起的沿程阻力和扩张段收缩段及其他部件如SCR混合器等引起的局部阻力组成。由于催化器入口为扩张管结构，气流会在会发生壁面分离，致使气流集中在催化剂中心区域，催化剂入口端面速度分布不均匀，这种现象会使催化剂中心温度过高，冲击损伤，使催化剂内部受力不均，劣化加快，降低了催化器的转化效率，减少了使用寿命。同时尿素热解的不充分和与排气混合不均匀会造成催化剂入口还原剂的分布不均，造成载体内部NH3分布出现局部过量或者不足，引起氨气的泄漏和低的NOx转化效率。
总之，解决尿素沉积的方法和措施主要有：在排气管壁面外包绝热保温材料，减少排气通过排气管的散热损失，但此方法会增加排气系统的制造成本；通过在发动机台架和整车上试验检查尿素沉积的情况并进行改进；在尿素喷嘴处安装SCR混合器，加快尿素的蒸发热解，改善尿素与排气的混合，对SCR排气管路进行优化设计，减少尿素液滴撞壁现象，降低尿素沉积的风险。
参考文献：
[1]王航，关于一种柴油机SCR效率远程在线监控及优化方法.2019.
[2]刘宏宇，油机排放控制技术研究现状与发展趋势.2019.