内燃机学报

参数	数值
温度/℃	180，350，400
空速/h^-1	40000
氨氮比	0.5，0.8，1.0，1.2，1.4，2.0

参数	数值
温度/℃	180，350，400
空速/h^-1	40000
氨氮比	0.5，0.8，1.0，1.2，1.4，2.0

设备名称	规格型号	生产厂商
电力测功机	AVL 660kW/PUMA	AVL
油耗仪	AVL7351	AVL
进气流量计	AVL(0～1200kg/h)	AVL
颗粒排放设备	AVL472	AVL
烟度计	AVL415	AVL
气体排放设备	MEXA-7000	HORIBA

设备名称	规格型号	生产厂商
电力测功机	AVL 660kW/PUMA	AVL
油耗仪	AVL7351	AVL
进气流量计	AVL(0～1200kg/h)	AVL
颗粒排放设备	AVL472	AVL
烟度计	AVL415	AVL
气体排放设备	MEXA-7000	HORIBA

柴油机后处理系统不同基材紧耦合SCR性能研究

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刘伟达 ¹^,² , 王洪光 ¹^,² , 陈宁 ¹^,² , 韩东岳 ¹^,² , 李俊普 ¹^,² , 郑碧莹 ¹^,²

内燃机学报 | 2025,43(1): 64-71

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内燃机学报 | 2025 , 43 (1) : 64 -71

柴油机后处理系统不同基材紧耦合SCR性能研究

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刘伟达¹^,², 王洪光¹^,², 陈宁¹^,², 韩东岳¹^,², 李俊普¹^,², 郑碧莹¹^,²

作者信息

^1.内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261061

^2.潍柴动力空气净化科技有限公司，潍坊 261061

通讯作者:

陈宁，硕士研究生，工程师，chenning01@weichai.com.

作者简介:

刘伟达，硕士研究生，正高级工程师，liuwd@weichai.com.

Performance study of closed coupled SCR with different substrates in diesel engine after-treatment system

Weida Liu¹^,², Hongguang Wang¹^,², Ning Chen¹^,², Dongyue Han¹^,², Junpu Li¹^,², Biying Zheng¹^,²

Affiliations

^1.State Key Laboratory of Engine Reliability，Weifang 261061，China

^2.Weichai Power Emission Solutions Technology Company Limited，Weifang 261061，China

出版时间: 2025-01-25 doi: 10.16236/j.cnki.nrjxb.202501008

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摘要

收起

在稳态循环(WHSC)与瞬态循环(WHTC)工况条件下，基于选择性催化还原(SCR)反应机理设计了前、后级不同氨氮比(ANR)和排气温度，研究了不同基材紧耦合SCR(cc-SCR)在不同ANR和温度下的性能表现．结果表明：增压器后端增加cc-SCR可大幅提升后处理系统的NO_x转化效率；在进行紧耦合催化剂选型时，前级喷射的ANR不宜超过0.8；相较于铜基cc-SCR，钒基cc-SCR具有N₂O生成量较低的优势；在低温条件下，铜基cc-SCR的NO_x转化效率优于钒基cc-SCR，300～450℃条件下，两种基材催化剂的NO_x转化效率相当；在稳态点排气温度为180℃时，钒基＋铜基催化剂方案的NO_x总体转化效率随着ANR的增大而减小，铜基＋铜基催化剂方案的NO_x总体转化效率随着ANR的增加而增大，高温时，两种方案对NO_x的转化相当；在热态WHTC循环条件下，铜基＋铜基催化剂方案的NO_x总体转化效率随着ANR的增加而增大．

关键词

柴油机 / 紧耦合选择性催化还原 / 转化效率 / 铜基 / 钒基 / 氨氮比

Abstract

收起

Under the engine testing conditions of world harmonized steady-state cycle(WHSC) and world harmonized transient cycle(WHTC), different ammonia nitrogen ratio(ANR) and exhaust temperature of the preceding stage and posterior stage were designed based on the selective catalytic reduction(SCR) reaction mechanism. The performance of the closed coupled SCR(cc-SCR) with different substrates at different ANR and exhaust temperatures was studied. The experiment result indicates that the addition of cc-SCR at the back of the supercharger can significantly improve the NO_x conversion efficiency of the after-treatment system. The ANR of the preceding stage injection should not exceed 0.8 when selecting cc-SCR. The advantage of the vanadium-based cc-SCR over copper-based cc-SCR is lower N₂O production. At low temperature, the NO_x conversion efficiency of the copper-based cc-SCR is superior to that of the vanadium-based cc-SCR. And at 300—450℃, the NO_x conversion efficiency of the two substrates catalysts is similar. At the steady-state operating point and exhaust temperature of 180℃, the overall NO_x conversion efficiency of the vanadium-based & copper-based catalyst program decreases as the ANR increases, while the overall NO_x conversion efficiency of the copper-based & copper-based catalyst program increases as the ANR increases. At high temperatures, the two scenarios convert NO_x equally. Under the hot cycle of WHTC, the overall NO_x conversion efficiency of the copper-based & copper-based catalyst program increases as the ANR increases.

Key words

diesel engine / closed coupled selective catalytic reduction / conversion efficiency / copper-based / vanadium-based / ammonia nitrogen ratio

引用本文

刘伟达, 王洪光, 陈宁, 韩东岳, 李俊普, 郑碧莹. 柴油机后处理系统不同基材紧耦合SCR性能研究. 内燃机学报, 2025 , 43 (1) : 64 -71 . DOI: 10.16236/j.cnki.nrjxb.202501008

Weida Liu, Hongguang Wang, Ning Chen, Dongyue Han, Junpu Li, Biying Zheng. Performance study of closed coupled SCR with different substrates in diesel engine after-treatment system[J]. Transactions of CSICE, 2025 , 43 (1) : 64 -71 . DOI: 10.16236/j.cnki.nrjxb.202501008

正文

收起

随着中国对车辆交通运输领域的低能耗、少排放和低污染等绿色出行的环境要求的提升以及国家“碳达峰”发展目标的提出，新能源汽车的发展得到社会各界的大力支持，新势力快速渗透汽车市场^[1]．而在商用车市场，尤其是重型柴油机领域，因柴油机具有的动力性、可靠性和燃油经济性在未来还存在一定的优势．但其排放的氮氧化物和颗粒物又是大气污染的主要来源之一^[2]，为了降低柴油机的有害排放物，专家学者重点研究通过机内净化技术和机外净化技术达到排放要求．Joshi等^[3]通过机内净化的技术方式，优化发动机喷油相关参数，提高了后处理的低温转化能力．楼狄明等^[4]通过耦合废气再循环(EGR)与可变喷嘴涡轮增压/可变截面涡轮增压(VNT/VGT)增压器技术，降低了NO_x排放．Barbosa^[5]论述了机外后处理技术，主要通过EGR技术和SCR技术降低NO_x．Zhang^[6]阐明了SCR与氧化型催化器(DOC)＋柴油颗粒铺集器(DPF)耦合可以满足更严格的排放要求，SCR技术的应用是降低NO_x的有效措施．Luján等^[7]基于GT-Power建立系统的热量传递模型，提出多种保温方案应用在发动机与后处理之间的排气管，结果表明：增加隔热层会减少热损失，对后处理进口温度影响较小．Ramesh等^[8]阐明了排气温度对后处理系统的转化效率有影响，指出热管理的重要性．胡广地等^[9]利用计算流体力学(CFD)仿真分析，优化后处理封装结构，降低系统压降和提高SCR入口界面的气体均匀性，提高了NO_x转化效率．排放法规不断加严，排放技术控制技术再迎挑战，无论是后处理系统升级，还是发动机原机的排放控制，都需要提前进行技术储备．因此，超低排放的控制措施及关键核心部件应用成为热门研究^[10-12]．

载体催化剂作为发动机后处理系统的核心部件，对于尾气排放控制起关键作用．DOC催化剂必须具备更好的燃油起燃能力、更高的氧化性能、更优的抗热老化及抗中毒能力^[13-14]；DPF颗粒捕集器须在任何工况下满足颗粒排放要求，且颗粒物粒径从23nm降为10nm监测范围，急需开发新型颗粒捕集器涂覆技术或新一代DPF载体材料^[15-17]；SCR催化剂必须有更高的转化效率同时兼顾N₂O排放^[18]．刘彪^[19]和Bendrich等^[20]对分子筛SCR催化剂N₂O生成机理和不同分子筛SCR子反应机理进行了深入研究．对于SCR的性能优化仍然需要继续探索，经研究发现反应气中二氧化氮和水蒸汽含量、硫化物、催化剂中活性组分的含量及价态分布都会影响到SCR催化剂的低温活性^[21-22]．

1　催化剂化学反应原理

收起

对不同基材的SCR催化剂技术及两级喷射系统进行探究，主要依据以下反应机理^[23]．

尿素水解为氨气：

(NH 2) 2 CO ＋ H 2 O → 2NH 3 ＋ CO 2

(1)

标准SCR反应：

4NH 3 ＋ 4NO ＋ O 2 → 4N 2 ＋ 6H 2 O

(2)

快速SCR反应：

2NH 3 ＋ NO ＋ NO 2 → 2N 2 ＋ 3H 2 O

(3)

慢速SCR反应：

4NH 3 ＋ 3NO 2 → 3 .5N 2 ＋ 6H 2 O

(4)

NH₄NO₃生成：

2NH 3 ＋ 2NO 2 → N 2 ＋ NH 4 NO 3 ＋ H 2 O

(5)

NH₄NO₃分解生成N₂O：

NH 4 NO 3 → N 2 O ＋ 2H 2 O

(6)

NH₄NO₃还原NO：

NH 4 NO 3 ＋ NO → N 2 ＋ NO 2 ＋ 2H 2 O

(7)

NH₃氧化生成N₂O：

4NH 3 ＋ 4O 2 → 2N 2 O ＋ 6H 2 O

(8)

NO还原生成N₂O：

4NH 3 ＋ 4NO ＋ 3O 2 → 4N 2 O ＋ 6H 2 O

(9)

钒基催化剂是以V₂O₅作为活性组分，V₂O₅通常与WO₃一起浸渍在锐钛矿型TiO₂载体上，以稳定V₂O₅并提高其热稳定性，钒基催化剂具有良好的中温活性，在300～450℃温度范围内的NO_x转化效率达90%以上．但钒基催化剂NH₃-SCR催化反应机理在反应温度和水存在对选择性仍有争议．在NO、NO₂、NH₃和O₂存在下，V-W-Ti催化剂的具体反应^[24-25]有

2NH 3 ＋ 2NO 2 → N 2 ＋ NH 4 NO 3 ＋ H 2 O

(10)

NH 4 NO 3 → NH 3 ＋ HNO 3

(11)

NH 4 NO 3 → N 2 O ＋ 2H 2 O

(12)

NH 4 NO 3 ＋ NO → N 2 ＋ NO 2 ＋ 2H 2 O

(13)

上述反应中说明了低温SCR反应中快速SCR反应快于标准SCR反应的原因，当NO₂和HNO₃同时存在时，V活性中心的重新氧化速率会得到快速提升，并且NO₂不能直接参与V活性中心的再氧化反应过程，而是形成NH₄NO₂的形式参与反应，最终被还原为N₂和H₂O．

2NO 2 → N 2 O 4

(14)

N 2 O 4 ＋ H 2 O → HONO ＋ HNO 3

(15)

HONO ＋ NH 3 → NH 4 NO 2

(16)

HNO 3 ＋ HNO 3 → NH 4 NO 3

(17)

NH 4 NO 2 → N 2 ＋ 2H 2 O

(18)

目前对于铜基分子筛(Cu-CHA)催化剂的活性中心仍然处于研究阶段，催化剂提供的酸中心和氧化还原中心在NH₃-SCR反应中起着重要作用．在NH₃-SCR反应过程中，铜基分子筛催化剂有两个作用是：(1)吸附和活化NH₃；(2)活性中心Cu催化NO氧化．在Cu-CHA催化剂上的NH₃-SCR反应包括4个主要反应过程^[26]：首先NH₃或NO在催化剂上吸附，然后是NH₃/NO在Cu²⁺上的活化，生成NH₄NO₂产物，最后NH₄NO₂产物分解，Cu²⁺恢复初始状态，这些反应不涉及铜基分子筛催化剂NH₃-SCR活性中心的变化．铜基分子筛催化剂可以连续在800℃高温下仍然可以保持较高的NO_x的还原性能，甚至可以短暂承受900℃的高温，铜基分子筛催化剂减少N₂O的形成，改进了N₂的选择性，同时还具有较好的抗HC能力，因而在柴油机上广泛应用．

笔者对两级喷射系统中所使用的催化剂组合类型进行评估和性能摸底，变更不同催化剂组合具有不同的排放优势，其中热门的SCR催化剂类型有铁基、钒基与铜基^[27]．铁基催化剂在高温效果转化效率较高却不能兼顾低温转化效率，故采用钒基与铜基两种基材，以期在不同的组合、不同的氨氮比(ANR)喷射下，根据排放结果数据得到最佳前/后级氨氮比分配以及前/后级SCR降低NO_x的最优比例．在策略上需要考虑整个系统的氨分配策略与被动再生能力．若前级ANR过高，导致发动机尾排中的NO_x过量消耗，则会影响后续被动再生的能力和效率；此外，过高的ANR还会引发氨泄露，泄露的氨气在柴油机氧化型催化剂中被氧化，进而导致后处理系统中N₂O生成量偏高，并为满足柴油机超低排放的要求提供解决思路．

2　试验设备及方法

收起

2.1　试验方法

由于不同基材的催化剂对柴油机排放性能的影响差异，调整不同基材SCR催化剂的组合、配比、空速以及尿素喷射量等，对排放结果进行验证．试验共涉及4个氮氧化合物监测点与两个尿素喷射点，通过不同的测点间的数据差异分析催化剂的性能表现．为了使排放结果具备更高参考价值，采取了常用的排放测试方法，即稳态单点与热态WHTC循环，按照图1流程进行方案设计．

根据控制变量原则，试验对除尿素喷射氨氮比等输入变量以外的参数进行控制，相关参数见表1，试验在发动机台架上进行，采用简易样件封装．

试验测试工况：稳态单点与热态WHTC循环，由于尿素在常温下的熔点为165℃，所以在后处理系统中对于SCR而言，并非是全温度范围都有尿素参与反应，所以对于SCR低温转化效率的研究具有重要意义^[28]．在系统中SCR的常用工况温度范围在300～450℃，此温度区间范围内SCR可发挥最大的转化效率能力．鉴于在后处理系统中的尿素起喷温度以及常用工况，选择180、350和400℃ 3个稳态测试温度．图2为试验装置示意，对应3个测试温度，前级氨氮比M₁设置为0.5、0.8和1.2共3个喷射比，后级氨氮比M₂设置为1.0、1.2、1.4和2.0共4个量值，共计72组数据．后级尿素喷射量取决于测点3测出的实时数据，保证后级催化剂的转化效率．

WHTC循环测试标准适用于总质量大于3.5×10³kg的道路车辆及其装用的柴油发动机，目的是用来进行生产一致性检查和在用符合性检查．WHTC是1800s的瞬态循环，运行特性见图3，通过不断地改变柴油发动机的转速和转矩模拟不同的行车运行工况，以期对整个柴油发动机与后处理系统而言，在全工况下满足排放法规．由于此次研究做规律性探索，故以常用工况为准，不进行冷态WHTC循环的测试．热态WHTC循环M₁设置为0.5、0.8和1.2，M₂设置为1.0、1.2和1.4，共计18组数据．

2.2　试验设备

试验所用发动机为多缸某重型柴油机，采用AVL测功机、Horiba气体分析仪等测试设备，如表2所示，发动机采用高压共轨燃油系统，采用两级喷射系统，台架布置与后处理系统构成及尿素喷射点和测点布置如图2所示．

3　试验结果分析

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3.1　稳态单点

3.1.1　前级转化效率

不同ANR、不同排气温度的前级单点测试结果如图4所示，M₁为0.5时，钒基和铜基SCR的转化效率均不超50%，M₁增加到0.8后，转化效率逐渐提升至75%左右．180℃工况下紧耦合铜基比紧耦合钒基转化效率高出20%左右，350℃与400℃工况下，铜基转化效率较钒基高5%～8%．结果表明，钒基与铜基的转化效率随着温度的提高有明显提升，前级紧耦合铜基的转化效率高于紧耦合钒基．

3.1.2　后级转化效率

后级的转化效率主要取决于前级氨泄漏、DOC的过氧化和原排NO_x的转化效率等^[29]．图5为紧耦合后级SCR氮氧化合物转化效率．在不同ANR、不同排气温度条件下，钒基＋铜基低温转化效率较差，铜基＋铜基低温转化效率较高，在180℃工况下，铜基＋铜基的组合氮氧化合物转化效率较钒基＋铜基高10%左右．其主要原因是钒基＋铜基组合前级的氮氧化合物转化效率较低，大量的氮氧化物泄漏到后级铜基SCR，导致在相同的铜基配置下，钒基＋铜基系统的后级转化效率较低．

在350℃和400℃工况及两种基材组合下后级转化效率差异不明显，但在前级尿素过喷的情况下，铜基＋铜基系统转化效率却略有降低，其主要原因是前级氨氮比高加上铜基较高的转化效率，导致原排中的NO_x绝大多数被消耗，后级需要处理的NO_x数量较低，铜基在较高的NO_x体积分数下具有高的转化效率，而在NO_x体积分数较低的情况下，由于化学平衡原理，被转化NO_x占比反而降低，故而前级为铜基时，ANR控制在0.8以下为宜．

3.1.3　前/后级总体转化效率

目前，通用的国Ⅵ柴油机后处理系统铜基SCR的NO_x转化效率在180℃能达到70%左右，排温在350℃和400℃条件下，均能达到99.9%以上．与图6中的数据进行对比，紧耦合钒基在180℃工况下NO_x转化效率能提升5%～10%，紧耦合铜基能提升16%～22%，紧耦合方案能有效提升后处理系统中NO_x的转化效率．中温段转化效率均在99.9%以上，与现有技术转化效率99%水平相当．钒基＋铜基组合在M₁= 1.2时，低温转化效率不升反降，其主要原因是前级尿素过喷再加上钒基的低温转化效率低，导致氨泄漏较大，如图7所示，大量的氨气经过DOC时被氧化成NO_x，产生了一定的副产物，最终呈现在总体转化效率有所降低．在尿素过喷情况下DOC中的氨气发生氧化反应为

2NH 3 ＋ 2 .5O 2 → 2NO ＋ 3H 2 O

(19)

4NH 3 ＋ 4O 2 → 2N 2 O ＋ 6H 2 O

(20)

由反应式(19)可知，在原有的废气组分中增加了额外的NO_x来源，导致后级的转化效率下降，因而整体转化效率下降．

在紧耦合后处理系统中，无论是钒基＋铜基还是铜基＋铜基的SCR技术方案，对于NO_x的转化效率都有明显的提升，钒基＋铜基的M₁不宜过高，防止过量的氨涌入DOC．

3.2　热态WHTC

3.2.1　前级转化效率

在热态WHTC循环下，重要的是考核不同工况下后处理系统的适应性．图8为WHTC循环紧耦合SCR的NO_x转化效率和出口N₂O排放．在ANR为0.5时，钒基和铜基的转化效率相当，ANR提高后，铜基的优势体现了出来，依靠较强的NO_x转化能力，铜基的转化效率较钒基高6%～8%．Jung等^[30]研究发现催化产生N₂O，铜基分子筛催化剂产生N₂O量比钒基催化剂多．由图8可知，前级系统对于N₂O的生成结果是钒基要优于铜基；不同的氨氮比下，钒基N₂O生成均控制在0.01g/(kW·h)以下，铜基N₂O的生成量是随着ANR的升高而增加．因此，降低N₂O生成量可以采用钒基催化剂．

图9所示前级出口NO_x与PM生成量的比值，其主要意义在于反应后处理系统的催化再生能力，较高的比值代表系统有生成足够多的NO₂能力，这对于系统被动再生有较大优势，在M₁=1.2时，比值过小，不利于系统被动再生．由此可见，对于两级喷射系统而言，M₁选取较高数值利于主动再生为主的后处理系统，以被动再生为主的后处理系统，M₁不宜超过0.8．

3.2.2　后级转化效率

钒基＋铜基与铜基＋铜基系统相比，低ANR下转换效率相当；高ANR下，钒基较铜基转换效率稍高，总体上两者的差异不超过8%．其中在高ANR下钒基＋铜基后处理系统后级转化效率稍高，主要是由于过量的尿素喷射导致前级的氨泄漏较多，如图10所示，经过DOC处理后生成更高体积分数的NO_x，所以后级铜基处理起来会更容易达到更高的转化效率见图11，随着M₂升高NO_x转化效率相应升高．

3.2.3　前/后级总体转化效率

图12所示铜基＋铜基系统转化效率总体上较钒基＋铜基系统高3%左右，现在通用的国Ⅵ后处理系统SCR的NO_x转化效率在95%左右，在ANR为0.8以上均超过现有国Ⅵ后处理水平，ANR为0.5时钒基＋铜基系统具有较低的性能水平，相对来说铜基的转化效率比钒基高了一些，这与稳态单点的结论相符合，铜基具有更好的氨适应性，这与铜基采用的是分子筛结构有一定关系，分子筛结构可以进行储氨，相比钒基可以提前一定时间进行喷射尿素．

从N₂O生成结果来看，随着M₁的升高，N₂O明显生成量变多，根据图13所示WHTC循环后级SCR出口N₂O排放及前级钒基N₂O生成量判断，N₂O排放与前级SCR氨泄漏相关性极大，氨泄漏越高，N₂O排放越高．由此可见，DOC的强氧化性对N₂O的生成具有重要意义，未来考虑低N₂O排放、DOC的贵金属含量、配方构成以及催化选择性具有严格的挑战．

图14所示在低ANR下两套系统氨泄漏差异不大，高ANR下钒基＋铜基较铜基＋铜基氨泄漏偏高，虽然钒基对于N₂O的生成量较铜基有较大的优势，但在双级喷射系统下，ANR的配置起到至关重要的因素，钒基低温转化效率低，这造成了大量的NH₃没有参与反应，一系列连锁影响导致最终的氨泄漏量偏高，在高ANR下氨泄漏是铜基的10倍有余．

4　结论

收起

(1) 增压器后端增加紧耦合SCR有利于提高后处理系统NO_x转化效率，紧耦合铜基SCR在低温转化效率表现更优，相同工况下，铜基cc-SCR＋铜基SCR系统对NO_x的转化效率优于钒基cc-SCR＋铜基SCR系统，铜基＋铜基催化剂组合可作推荐．

(2) 热态WHTC循环结果表明，钒基SCR的N₂O生成量较低，但前级氨氮比不易过高，以免造成氨泄漏过高生成大量N₂O．

(3) 后级SCR转换效率随着前级SCR转化效率的提高而降低，前级SCR氨氮比过高，不利于后处理系统的NO_x排放控制及后级SCR催化剂性能的充分利用；紧耦合SCR对整个系统的被动再生影响较大，当M₁大于0.8后，导致前级出口NO_x与PM生成比值降低，不利于系统进行被动再生．

基金

收起

山东省重点研发计划资助项目(2022CXGC020311)

参考文献

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文献

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2025年第43卷第1期

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doi: 10.16236/j.cnki.nrjxb.202501008

接收时间：2024-04-11
首发时间：2026-11-06
出版时间：2025-01-25

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作者

出版历史

收稿日期：2024-04-11
修回日期：2024-09-19

基金

山东省重点研发计划资助项目(2022CXGC020311)

作者信息

^1.内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261061

^2.潍柴动力空气净化科技有限公司，潍坊 261061

通讯作者:

陈宁，硕士研究生，工程师，chenning01@weichai.com.

参考文献

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/nrjxb/CN/10.16236/j.cnki.nrjxb.202501008

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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