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原文传递重型柴油机SCR系统应用技术研究

论文题名：	重型柴油机SCR系统应用技术研究
关键词：	重型柴油车;SCR系统;尿素沉积物;热重-红外联用技术;催化剂载体
摘要：	柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势，在中/重型车辆上得到了广泛的应用。随着对环境保护重视程度的增加，柴油车的污染问题也越来越突出，重型柴油车尤其显著。资料表明，在我国虽然重型柴油车占总量的15％左右，但其NOx和PM排放量占机动车总排放量的60％以上。目前，我国在商用车柴油机满足国Ⅳ、国Ⅴ排放法规技术路线中，倾向于采用SCR技术作为满足未来更严格排放要求的主要技术措施。但是，尽管国内研究机构和相关企业已经开展了柴油机SCR技术的研究，实际应用中仍以引进国外技术为主，核心技术掌握在国外相关厂家手中，围绕SCR技术应用过程中存在或出现的问题还缺乏系统的研究，与国外相比还存在较大的差距。北京、上海提前实施国Ⅳ排放标准以来，频繁出现城市公交车装用的SCR系统在一些低速低温工况下不起作用、尿素溶液在排气管路内部形成沉积物等一系列问题，实际运行过程中车辆NOx排放并未达到预期目标。可见，对于稳定、高效SCR技术和装置的研究已成为我国在该技术推广和应用方面的主要瓶颈。本文围绕效率发挥、尿素沉积、低温应用、催化剂耐久性等几个影响尿素SCR技术应用的关键问题开展研究。　　首先，对尿素沉积、催化剂劣化等影响SCR系统工作稳定性的因素进行了分析，通过试验研究了尿素沉积物的组成和影响因素，以及燃油含硫量对催化剂耐久性的影响。SCR系统中会发生复杂的物理和化学反应过程，尿素液滴在分解为氨气的同时，也生成氰酸、缩二脲、三聚氰酸等中间产物，本文采用热重-红外联用技术，确定了结晶结石等沉积物的主要成分为尿素和三聚氰酸;结合应用中出现的问题分析了SCR系统中喷嘴孔附近、下游排气管道内和催化剂载体前端等处沉积物形成的原因，结构不合理造成流动组织不善、局部低温、大液滴雾化不良着壁和蒸发分解不足等因素是存在的主要问题。针对这些问题提出了一体式喷嘴座结构改进方案，通过发动机台架试验和整车道路运行试验考核结果表明，该方案能够有效减少尿素沉积物的形成，同时可降低ETC循环NOx排放6％。通过试验研究了排气温度和尿素喷射速率对尿素沉积物生成量的影响，优化了尿素喷射控制策略。提出了SCR催化器耐久性评价测试方法，通过劣化系数反映耐久性试验前、后催化器性能的变化，设定了劣化系数判定界限，并考察了燃油硫含量对SCR催化剂耐久性能的影响。通过燃用国Ⅱ柴油的1000h台架耐久性试验和2万公里车辆道路试验考核结果表明，SCR钒基催化剂对燃油品质适应性强，用劣化系数评价催化剂耐久性的方法是可行的。　　以重型商用车SCR系统为研究对象，提出了一种紧耦型的SCR系统布置方案，并通过CFD分析，对具体结构进行了优化。通过喷嘴座固定位置处的变径和锥面结构将尿素喷嘴集成在SCR催化转化器入口端，在催化转化器内部利用大直径直管来增强局部气流扰动强度，促进尿素溶液与排气气流充分混合，混合管顶端封闭，使气流沿圆周方向的穿孔管溢出，然后再经过带有穿孔结构的载体前支撑板导入到催化剂前端面。由于尿素液滴混合段处于SCR催化转化器内部，四周充满高温气体，可以有效避免热量的散失，同时，由于混合管直径较大，并且喷嘴倾斜布置，尿素喷射起始点至对面壁面的距离大于尿素喷雾的喷射贯穿距离，可以有效防止尿素液滴喷射到对面管壁上;顶端封闭的混合管设计，促使气流沿穿孔管流出，在混合管内部大尺度的涡流对混合起主导作用，而当气流通过管壁上的混合孔时，微尺度的湍流对混合起主导作用，二者的结合有效缩短了对混合距离长度的要求，使结构设计更紧凑;此外，催化剂前支撑板采用穿孔结构，通过大尺度涡流与微尺度湍流的结合可以有效促进尿素溶液在排气中的均匀混合，提高进入载体前端面混合气的分布均匀性，有利于催化剂效率的充分发挥。发动机台架试验结果表明，在ESC测试循环下，本设计方案可比原结构方案提高NOx转化效率17.7％，在ETC测试循环下，提高NOx转化效率21.6％，5万公里整车道路试验结果证明该方案能够有效解决SCR系统中存在的结晶结石和沉积物问题。　　针对SCR催化剂载体床温具有滞后性的特点，在发动机试验台架上研究了尿素喷射系统瞬态工况下尿素喷射延迟对柴油机排放性能的影响，分析了不同尿素喷射延迟控制策略和延迟时间对NOx转化效率和NH3逃逸量的影响。NOx还原反应的速率与催化剂温度直接相关，适宜的温度、恰当的时刻、喷入适量的尿素溶液是确保系统效能发挥的基本条件，但由于催化剂载体的热容特性导致其床温随柴油机工况的变化具有相应的滞后性，如不考虑这一特性的影响，当柴油机由低排温工况快速过渡到高排温工况时，易导致氨逃逸量过多，造成二次污染，反之，则不利于NOx还原效率的充分发挥。针对这一特点，引入一阶系统上升和下降延迟特性函数，试验结果表明合理的延迟策略有利于催化剂催化效能的充分发挥，能够有效降低发动机瞬态试验工况下的NOx排放，同时又可以有效控制NH3逃逸，降低尿素消耗量。　　最后，针对北京第五阶段排放标准（京Ⅴ）中的WHTC测试循环的试验要求，以控制车辆低速低负荷工况下NOx排放超标问题为目标，开展了系统的试验研究工作。分析了改善装配SCR系统的柴油机低温低负荷下现有排放控制措施的优势和不足，在此基础上提出了通过采用进气节流阀装置来减少低工况下发动机进气量，促进缸内燃烧温度升高，从而提升排气温度的技术方案。对于SCR系统，排气温度低于250℃时，催化剂活性较低，低于200℃时，尿素将不能被正常转化为氨气。通过试验测试结果表明，WHTC冷启动循环中，59.3％工况点的排气温度低于200℃，WHTC热启动测试循环中，52.7％工况点的排气温度低于200℃，这些工况下尿素喷射系统处于关闭状态;热启动和冷启动的排气温度基本均在280℃以下，普通钒基催化剂在此温度区间内活性低，不利于柴油机NOx排放的降低。本文通过台架试验对比了采用进气节流阀技术方案和采用前置DOC技术方案在WHTC测试循环下对发动机NOx排放控制和燃油消耗量的影响，结果表明，进气节流阀开度对排气温度影响较大，在WHTC测试循环中通过对应工况下节流阀开度的合理选取，能够显著提高各工况下的排气温度，实现有利于降低NOx排放的理想温度范围。从两种技术方案的结果对比看，进气节流阀技术方案具有明显的优势，能够将WHTC测试循环的NOx排放加权值降低41.5％，对燃油消耗量的影响也较小。
作者：	张纪元
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	李国祥;孙少军
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文