汪朝強(qiáng) ，于 飛 ，常仕英 ，賴慧龍 ，馬江麗 ，楊冬霞 ，張仲春

（1.昆明貴研催化劑有限責(zé)任公司，云南昆明650106；2.昆明貴金屬研究所）

近年來， 盡管新能源汽車在中國乃至全球機(jī)動車市場比較活躍，占比也逐漸增加。然而柴油機(jī)憑借較好的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性和耐久性，在未來很長的一段時間內(nèi)有著無可替代的優(yōu)勢［1］。 相比于 CO、HC化合物，NOx（氮氧化合物）和PM（細(xì)顆粒物）更難以處理，主要因?yàn)椴裼蜋C(jī)排放的 NOx和PM 存在此消彼長 （trade-off） 的關(guān)系， 且選擇性催化還原（Selective catalytic reduction，SCR）催化劑在 CDPF 的下游，與催化劑接觸溫度較低，不利于NOx的轉(zhuǎn)化。因此，氮氧化物脫除（De-NOx）成為近年來著重討論的科研熱點(diǎn)，隨著排放法規(guī)的逐漸加嚴(yán)，依靠內(nèi)燃機(jī)自身的進(jìn)化技術(shù)和目前主流的DOC+CDPF+SCR+ASC 后處理系統(tǒng)，很難應(yīng)對國六b（“國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”）及以上的排放法規(guī)，在法規(guī)逐漸嚴(yán)格的同時， 還需應(yīng)對低溫或冷啟動條件下降低NOx的排放， 這將對后處理系統(tǒng)的熱能管理、結(jié)構(gòu)以及各催化單元組合提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 SCRF催化劑是將SCR 催化劑涂層涂覆到DPF 載體上，這樣相當(dāng)于將SCR 催化單元前移， 提高了NOx與SCR 催化劑接觸溫度， 有利于NOx轉(zhuǎn)化效率提升。將在應(yīng)對國六及以上的法規(guī)和低溫冷啟動De-NOx發(fā)揮重要作用，SCRF 在歐美市場已經(jīng)廣泛應(yīng)用，由于中國對內(nèi)燃機(jī)排放后處理系統(tǒng)認(rèn)識和起步都比較晚，SCRF 在中國應(yīng)用較少，實(shí)際路況運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)不足，為此加強(qiáng)中國對SCRF 認(rèn)識與研究勢在必行。

本文通過排放法規(guī)的演變升級趨勢， 討論未來法規(guī)對后處理系統(tǒng)的影響，結(jié)合SCRF 載體、涂層及其特性和SCRF 的建模與仿真等方面闡述目前國內(nèi)外SCRF 的研究現(xiàn)狀， 并對未來SCRF 的應(yīng)用前景做了展望。

1 未來排放法規(guī)趨勢對后處理系統(tǒng)的影響

在全球法規(guī)不斷演變升級過程中，NOx和PM的排放逐漸成為重點(diǎn)關(guān)注對象： 美國從Tier3 法規(guī)開始著重限制NOx和PM 的排放，Tier4 法規(guī)要求在Tier3 的基礎(chǔ)上 NOx降低 76%，PM 降低 70%［2］；歐盟也從歐Ⅴ開始著重限制 NOx和 PM 的排放，在WHSC 循環(huán)工況下，歐Ⅵ法規(guī)在歐Ⅴ的基礎(chǔ)上，NOx降低了80%，PM 排放降低了50%，并且對排放顆粒數(shù)（PN）提出要求：PN 排放不超過 6.0×1011個/kW［3］；中國柴油機(jī)排放法規(guī)基本參照歐洲法規(guī)制定，因此，國六和歐排放限值上很接近。 但結(jié)合測試程序和國內(nèi)實(shí)際道路路況，實(shí)際上，國六排放法規(guī)要比歐六更加嚴(yán)厲［4］。 國六法規(guī)分為國六a 和國六b 兩個階段實(shí)施， 國六 a 階段：NOx的排放限值為 60 mg/km，PM排放限值為4.5 mg/km， 國六b 階段：NOx的排放限值為 35 mg/km，約為國六 a 階段的 1/2，PM 和 PN 無變化。

隨著法規(guī)的越來越嚴(yán)格， 加之未來柴油內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的不斷升級和完善， 柴油機(jī)的燃油效率和熱能利用率越來越高，相應(yīng)地尾氣排放溫度也逐漸降低，對廢氣后處理的要求也越來越高，挑戰(zhàn)越來越大。依靠當(dāng)前主流的DOC+CDPF+SCR+ASC 后處理系統(tǒng)，以應(yīng)對未來的排放法規(guī)無法滿足排放要求， 改進(jìn)的后處理系統(tǒng)一定會比當(dāng)前的后處理系統(tǒng)更為復(fù)雜，成本更高。 同時，為了更好地利用排放尾氣的熱能，改進(jìn)的后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上會更加緊湊。 付細(xì)平等［5］發(fā)明了一種輕型柴油車緊湊型后處理筒式封裝結(jié)構(gòu)，該發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，能滿足較小的布置安裝空間，熱散失較少，有助于柴油氧化催化器DOC 的起燃及SCRF 的碳煙再生，緊湊混合單元旋流效果明顯、尿素與氣流混合效果優(yōu)異、尿素液滴破碎充分、發(fā)生尿素結(jié)晶風(fēng)險較小。 而SCRF 可以很好地解決后處理結(jié)構(gòu)緊湊、輕量化、降低成本以及更優(yōu)的熱管理等問題，為此，SCRF 將在應(yīng)對國六b 及以上法規(guī)發(fā)揮重要作用。

為了更好地闡述SCRF 系統(tǒng)的優(yōu)勢， 本文將主流的DOC+CDPF+SCR+ASC 后處理系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱為CDPF 系統(tǒng)）和DOC+SCRF+SCR+ASC（以下統(tǒng)稱為SCRF 系統(tǒng)）做了對比，二者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1。 由圖 1 可見，與 CDPF 系統(tǒng)相比，SCRF 系統(tǒng)可以縮短SCR 催化劑活性涂層與渦后的距離，相比于CDPF 系統(tǒng)平均溫度可以提高 15 ℃左右［6］，這在提高NOx的轉(zhuǎn)化效率，尤其是在應(yīng)對低溫或冷啟動方面發(fā)揮重要作用；SCRF 催化劑需在DPF 載體上涂覆大量的SCR 活性涂層，而DPF 載體的涂層負(fù)載量對背壓影響較大，通過良好的涂覆工藝可以使SCRF系統(tǒng)初始背壓與CDPF 系統(tǒng)相當(dāng)， 但隨著碳載量增加，SCRF 系統(tǒng)壓差增加更明顯， 當(dāng)碳載量超過3 g/L后，背壓顯著增加［6］，因此再生頻次相對較高；在SCRF 催化劑當(dāng)中存在相當(dāng)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其中主要存在NH3、碳煙與NO2的競爭反應(yīng)，但NH3與NO2屬于氣氣反應(yīng)，而NO2與碳煙屬于氣固反應(yīng)，通過化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可知， 氣氣反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于氣固反應(yīng)， 上游 DOC 產(chǎn)生的 NO2優(yōu)先與 NH3反應(yīng)，SCRF的碳煙氧化的效率遠(yuǎn)低于CDPF［7］，同時對上游DOC的 NO2轉(zhuǎn)化效率要求更高。 因此，雖然 SCRF 在De-NOx具有突出的優(yōu)勢， 但同時對上游DOC 的NO2轉(zhuǎn)化能力提出更高的挑戰(zhàn)。

圖1 CDPF 系統(tǒng)與SCRF 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 SCRF 載體

前文提到，隨著碳載量的增大，SCRF 系統(tǒng)的背壓增長明顯。 影響背壓的除了和涂層負(fù)載及工藝有關(guān)外， 載體本身也產(chǎn)生很重要的影響。 要同時限制NOx和PN 的排放，對用于SCRF 的載體提出很高的要求。 這些材質(zhì)的過濾器產(chǎn)品種類繁多，目前，已經(jīng)成熟用于SCRF 的載體材質(zhì)有碳化硅（SiC）、堇青石（Cd）、鈦酸鋁（AT）、莫來石（ACM）和泡沫合金（AF）［8］。表1 是以上材質(zhì)的特征及其適用性， 它們各有各自的優(yōu)點(diǎn)和特性， 可以根據(jù)其特性以及運(yùn)用環(huán)境選擇合適的載體。 用于SCRF 的載體主要設(shè)計(jì)參數(shù)是壁厚、孔結(jié)構(gòu)、孔密度、熱導(dǎo)率和孔徑大小。 SCRF 的NOx轉(zhuǎn)化性能最主要影響因素是催化涂層的負(fù)載量，考慮到背壓的限值，需要載體具有較高的孔隙率和平均孔徑才能負(fù)載較多的催化劑涂層。PN 過濾效率主要取決于顆粒過濾器的性能，而在此水平上，催化劑涂層的負(fù)載只有很小的正影響。

表1 不同材質(zhì)SCRF 載體的特征及其適用性

另外， 在選取載體時孔隙率和平均孔徑也要根據(jù)排放顆粒物的大小進(jìn)行選擇。 柴油機(jī)排放的顆粒物粒徑大小分布比較寬泛，然而，不同工況和發(fā)動機(jī)源排下， 排放的顆粒物大小和濃度都有所差異。 例如，船用柴油機(jī)在低、中、高速下，排放的顆粒數(shù)量濃度分布基本均呈現(xiàn)雙峰分布形式，低、中速船機(jī)顆粒物峰值集中在30～260 nm；高速船機(jī)峰值集中在10～100 nm， 顆粒物濃度大致處于 107～108個/cm-3；低、中、高速機(jī)的顆粒物濃度最大值逐漸減小；船機(jī)大顆粒濃度相對比較高［9］。 在開發(fā)船舶或其他柴油機(jī)SCRF 催化劑時應(yīng)該考慮這些特征。 應(yīng)根據(jù)顆粒粒徑和濃度分布特性， 適當(dāng)調(diào)整載體微孔直徑或增加再生頻率。

綜上所述，SCRF 催化劑既需要高效的NOx轉(zhuǎn)化性能，又需要滿足PN 的排放目標(biāo)，因此在所用載體的選取方面也至關(guān)重要。用于SCRF 的載體，需要較高的孔隙率和較小的孔徑， 使其能在較低的背壓下負(fù)載更多的催化劑涂層，同時滿足PN 排放限值。另外，良好的導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度、較大的比表面積也是載體的重要評價指標(biāo)。碳化硅、莫來石以及泡沫合金材質(zhì)［11］的載體在SCRF 催化劑上具有較好的應(yīng)用前景。 基于此，在選擇合適的載體時，還需考慮柴油機(jī)發(fā)動機(jī)原排顆粒物大小和濃度以及實(shí)際運(yùn)行的工況。

3 催化活性涂層

SCRF 催化劑具有除去NOx和捕集并氧化顆粒物功能， 因此需要SCRF 催化劑涂層具有較好的熱穩(wěn)定性和耐久性，以防止碳煙氧化產(chǎn)生的高溫環(huán)境，使得活性物裂化嚴(yán)重或失活。 SCR 的涂層主要有3 種類型：V-SCR、Cu-SCR 和 Fe-SCR。 迄今為止，SCRF 系統(tǒng)中主要使用Cu-SCR 和V-SCR。

3.1 V-SCRF 催化劑

眾所周知，V-SCRF 催化劑具有優(yōu)異的NOx還原能力、低N2O 形成率以及耐硫性。 并且V-SCR 對HC 和 PM 氧化也有活性［12］。 這種雙重功能（氧化和還原反應(yīng)）加上在壁流式過濾器上獲得的過濾功能，可以幫助某些柴油發(fā)動機(jī)應(yīng)用達(dá)到法定的排放限值，并減少后處理系統(tǒng)的封裝體積。

Y.M.López-De Jesús 等［13］研究了涂覆有 V-SCR涂層的V-SCRF 的NOx還原和PM 氧化性能。 考察了活性涂層負(fù)載量、 ANR 和 V（NO2）/V（NOx）等參數(shù)對其的影響。 結(jié)果證實(shí)，在瞬態(tài)循環(huán)和穩(wěn)態(tài)條件下，可以獲得明顯的 NOx和 PM 降低。 通常在熱的NRTC 循環(huán)下，V-SCRF 可獲得 70%以上的 NOx轉(zhuǎn)化率，噴氨時可獲得90%以上的NOx轉(zhuǎn)化率。 還研究了碳煙負(fù)載量在3 g/L 時的被動再生。 在連續(xù)的NRTC 測試周期中，獲得了良好的被動再生。 此外，V-SCRF 獲得了良好的PN 過濾效率，同時達(dá)到了預(yù)期的2019 年歐盟非道路應(yīng)用法規(guī)目標(biāo)；P.I.Chigada等［14］還研究了碳煙氧化與SCR 活性相互作用的影響。在SCR 活性存在的情況下，當(dāng)溫度＞250 ℃時，被動碳煙再生的程度和速率顯著降低。 隨著碳煙負(fù)荷的增加，NOx轉(zhuǎn)化率增加。這是因?yàn)樘紵熍cNO2的反應(yīng)導(dǎo)致 V（NO2）/V（NOx）接近于 SCR 活性最佳值 0.5。這些對特定發(fā)動機(jī)測試的觀察結(jié)果是因?yàn)閂-SCRDPF 進(jìn)氣 NO2與 NOx體積比大于 0.5；當(dāng)溫度＜250 ℃時，NO2轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低，這歸因于在此溫度范圍內(nèi)溫度升高導(dǎo)致硝酸銨形成的速率降低，進(jìn)而導(dǎo)致NO2消耗降低。

盡管V-SCRF 催化劑具有優(yōu)異的NOx還原能力、低N2O 形成率以及抗硫性能，但其V-SCR 涂層在有限的耐熱久性方面具有嚴(yán)重的缺陷。 這意味著基于V-SCRF 催化劑的系統(tǒng)應(yīng)在較低的溫度下運(yùn)行，因此應(yīng)設(shè)計(jì)用于更高程度的NO2被動再生。 若具有良好的被動再生性能， 并要求低N2O 形成率，V-SCRF 催化劑將成為更好的選擇。 如何改善VSCRF 固有活性并提高溫度極限， 將是其未來重要的研究課題。

3.2 Cu-SCRF 催化劑

Cu 基分子篩在很寬的溫度窗口中，具有較高的NOx還原性，同時還有良好的耐熱久性，是目前極具發(fā)展前景的De-NOx催化劑，也是研究較多、應(yīng)用十分廣泛的SCR 催化劑。 然而，Cu 基分子篩的較高N2O 的選擇性和較差的耐硫性阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展，由于SO2和SO3與Cu 基分子篩催化劑表面具有強(qiáng)烈相互作用， 該催化劑必須定期脫硫。 因此，當(dāng)SCRF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于主動再生時，對Cu 基分子篩涂層來說十分有利。

許多研究表明，Cu-SCRF 能夠達(dá)到 90%以上的NOx轉(zhuǎn)化效率以及良好的碳煙氧化能力［15］。 Y.Tsukamoto 等［16］采用 Cu-ZSM5 涂覆在 DPF 載體上，研究了碳煙與NOx的相互作用以及碳煙沉積對化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)的影響，在有碳煙負(fù)載的情況下，會降低NOx的轉(zhuǎn)化效率，但影響不是很明顯，在300 ℃時碳煙開始被動再生，但再生速率緩慢。碳煙沉積會影響化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)速率，導(dǎo)致NOx轉(zhuǎn)化性能下降。Y.J.Kim 等［17］認(rèn)為 SCRF 結(jié)合 LNT 可能是滿足未來嚴(yán)格排放法規(guī)的可行解決方案之一。 為此， 其研究了Cu-ssz13 和Cu-LTA 分子篩在水熱和lean/rich 兩種老化后的高溫條件下的性能及耐受性， 經(jīng)兩種老化方法老化后， 兩者仍表現(xiàn)出優(yōu)異的NOx轉(zhuǎn)化性能，Cu-ssz13 經(jīng) lean/rich 老化后，在溫度高于 450 ℃后性能下降明顯。 在高溫區(qū) 600～700 ℃，Cu-LTA的 NOx轉(zhuǎn)化效率比 Cu-ssz13 高，lean/rich 老化后Cu-LTA 的NOx轉(zhuǎn)化性能優(yōu)勢更明顯， 這和銅離子的形態(tài)和分子篩的骨架相關(guān)。

Cu 基分子篩之所以在SCR 催化劑應(yīng)用中廣受關(guān)注， 是因?yàn)槠湓?80～600 ℃寬泛的溫度區(qū)間都有高效的NOx還原性能。 特別是低溫區(qū)和高溫區(qū)，低溫可以應(yīng)對冷啟動滿足排放目標(biāo)， 高溫區(qū)間則可以應(yīng)對碳煙氧化時產(chǎn)生的高溫， 而且還具有良好的耐久性。 然而不同的分子篩骨架對NOx的還原性能和熱穩(wěn)定性影響較大，Cu-LTA 擁有優(yōu)異的NOx還原性能和高熱穩(wěn)定性，具有良好的應(yīng)用前景。 但是Cu分子篩仍有不足之處， 因此改善耐硫性和降低對N2O 的選擇性將是未來Cu 基分子篩的研究熱點(diǎn)。

我們注意看這句話：對于x的每一值，y都有唯一的值與它對應(yīng).什么意思?。坎痪褪墙o一個x，就會出一個y！也就是給定一個數(shù)，就會得到另一個數(shù)！把前后兩個數(shù)依次列舉，不就是一個有序?qū)崝?shù)對嗎？據(jù)此，我們可以領(lǐng)悟到函數(shù)的本質(zhì)——不就是在某種對應(yīng)關(guān)系下得到的一對一對有序?qū)崝?shù)對嘛！對初中學(xué)生而言，我們把函數(shù)本質(zhì)解讀成這樣，解讀到這個層面，是不是很通俗易懂？學(xué)生理解起來是不是會好很多？

3.3 Fe-SCRF 催化劑

Fe-SCR 在低溫區(qū)對NOx的轉(zhuǎn)化效率較低，并且Fe-SCR 對NO2依賴性很強(qiáng)，在Fe-SCRF 內(nèi)本身就存在碳煙與NH3對NO2的競爭關(guān)系，因此對上游DOC 轉(zhuǎn)化成 NO2的要求非常高。 然而， 在高溫區(qū)Fe-SCR 對NOx的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到預(yù)期，而且Fe-SCR 在高溫區(qū)可以很好地避免NH3的氧化。

基于上述缺陷， 將單純的Fe 基分子篩用于SCRF 系統(tǒng)很難達(dá)到排放目標(biāo)。 通常添加一些稀土金屬氧化物和堿金屬等結(jié)合使用。 Ferenc Martinovic等［18］將 Fe-ZSM5 與 CeO2-ZrO2混合，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的碳酸鉀浸漬， 發(fā)現(xiàn)CeO2-ZrO2與K2CO3具有很強(qiáng)的協(xié)同作用， 鉀的添加使催化劑表面缺乏強(qiáng)的表面酸性以防止氨的吸附并抑制氨的氧化反應(yīng)。CeO2-ZrO2可以促進(jìn)NO 氧化為NO2從而增強(qiáng)碳煙氧化活性，使碳煙氧化溫度的T50 降低了170 ℃，而不會影響 NOx轉(zhuǎn)化效率。 F.Martinovic 等［19］分別用Fe-ZSM5、Cu-ZSM5 與碳煙氧化催化劑（K/CeO2-PrO2）結(jié)合研究了其間的相互作用。由于鐵基沸石對NO2/NOx比率更敏感， 因此通過K/CeO2-PrO2將NO氧化為NO2可以提高催化劑性能。 K/CeO2-PrO2分別與Fe-ZSM5、Cu-ZSM5 物理混合均能保持相當(dāng)或改善的NOx還原性能， 同時碳煙氧化溫度降低了150 ℃以上， 與 Cu-ZSM5 相比，F(xiàn)e-ZSM5 的混合物中更多的碳煙氧化催化劑產(chǎn)生了更好的性能，NOx轉(zhuǎn)化率提高了20%以上。

Fe 基分子篩類型催化劑確實(shí)需要排溫高才能實(shí)現(xiàn)高NOx轉(zhuǎn)化率。 因此，需要上游DOC 具有較高貴金屬負(fù)載率以提高SCRF 入口端NO2濃度。 這方面將整個后處理系統(tǒng)的成本推向非競爭水平，F(xiàn)e 基分子篩催化劑失去了市場利益。但是，在有效bimian較高的溫度下NH3氧化時，F(xiàn)e 基分子篩可能是作為SCRF 催化劑的選擇。 改善低溫活性和降低對NO2的依賴性才是Fe 基分子篩獲得市場青睞的關(guān)鍵。

3.4 分層與混涂涂層技術(shù)

V-SCRF、Cu-SCRF 和 Fe-SCRF 都具有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)且都存在碳煙被動再生緩慢的問題， 需根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況做出選擇。 盡管Cu-SCRF 性能優(yōu)異，但價格昂貴， 于是人們開始探索能否通過分層或混涂等方式，在不犧牲NOx轉(zhuǎn)化效率的前提下，增強(qiáng)碳煙被動再生速率以及降低催化劑涂層成本。

由于在 SCRF 中存在 NH3、 碳煙與 NO2的競爭關(guān)系，而且NH3與NO2的反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于與碳煙的氧化速率，為此，G·斯普利特澤等［20］發(fā)明了一種雙功能催化過濾器， 該專利提供的雙功能催化過濾器入口上有碳煙氧化層， 該碳煙氧化層由鈰和鋯混合或復(fù)合氧化物和過渡金屬組成， 在載體的出口端涂覆SCR 活性層，這種涂覆方式和結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將冗長的CDPF 到SCR 的距離縮短至DPF 載體的壁厚長度，具有高效的碳煙氧化速率和NOx轉(zhuǎn)化效率；S.Bensaid 等［21］研究了單獨(dú)的 Cu-CHA 和 Fe-ZSM5 催化劑層以及這兩種催化劑的串聯(lián)層對NOx轉(zhuǎn)化率和碳煙氧化的影響，其中串聯(lián)層為前后分區(qū)，二者各占50%，Cu-CHA 的低溫區(qū)的活性略優(yōu)于Cu-CHA和Fe-ZSM5 的串聯(lián)層， 明顯優(yōu)于單獨(dú)的Fe-ZSM5層；中低溫區(qū)Cu-CHA/Fe-ZSM5 串聯(lián)層與Fe-ZSM5/Cu-CHA 串聯(lián)層性能相當(dāng)， 高溫區(qū)Fe-ZSM5/Cu-CHA 串聯(lián)層優(yōu)于單獨(dú)的Cu-CHA 和Cu-CHA/Fe-ZSM5 串聯(lián)層；Cu-CHA 和 Fe-ZSM5 催化劑層以及這兩種催化劑的串聯(lián)層對碳煙的氧化性能無明顯差異。 如果對低溫性能要求不是太高， 可以通過Fe-ZSM5/Cu-CHA 類似的串聯(lián)層， 犧牲微弱的低溫性能，提高高溫區(qū)性能，同時可以降低成本。因此，通過混涂的方式，可以為實(shí)際應(yīng)用提供更多的選擇。

4 SCRF 的建模與仿真

SCRF 的建模與仿真是研究SCRF 系統(tǒng)內(nèi)部反應(yīng)規(guī)律和流體運(yùn)動的重要手段。 SCRF 系統(tǒng)存在非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，同時涉及到多種動力模型，并不是簡單的CDPF 和SCR 的結(jié)合。 SCRF 的一維反應(yīng)動力學(xué)模型包括壓降模型、灰分模型和總的反應(yīng)機(jī)理模型。 根據(jù)所建立的模型優(yōu)化所用載體材質(zhì)與參數(shù)、裝排比、再生方式、涂層選型、涂層負(fù)載量等參數(shù)使其達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)，并指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，還可以通過SCRF 建模與仿真并根據(jù)所研究的內(nèi)容進(jìn)行綜合考慮，極大地減少了后處理系統(tǒng)的開發(fā)成本和時間。

SCRF 系統(tǒng)結(jié)合了多種動力模型和非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。 L.V.Trandaf?lovic 等［22］首先研究了不同氣體存在下在DPF 和SCR 涂層過濾器上碳煙氧化的動力學(xué)模型， 發(fā)現(xiàn)這個簡化的模型無法充分描述結(jié)果。與實(shí)驗(yàn)相比，它在模擬中得出的COx峰太寬。 再利用氨氣TPD 實(shí)驗(yàn)研究氨氣存儲和碳煙的影響。 結(jié)果表明，碳煙和NH3之間存在相互作用。 為了進(jìn)一步研究，進(jìn)行了原位DRIFT 和XPS 實(shí)驗(yàn)。 將碳煙暴露于含氨氣分后，原位DRIFT 光譜顯示出胺或酰胺類（C-NH2）。 結(jié)合 SCR 模型、隨機(jī)孔模型和自由邊緣碳位點(diǎn)的氨抑制作用， 使用Cu/SSZ-13 催化劑將氨儲存/解吸， 氨氧化和氨SCR 的動力學(xué)模型調(diào)整為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該模型可以描述寬溫度范圍內(nèi)的SCR功能。采用隨機(jī)孔模型，可以得到很好的結(jié)果。 采用該模型后，氨對DPF 上的碳煙氧化有明顯的抑制作用， 而且對SCR 涂覆的過濾器也有明顯的抑制作用。 原位DRIFT 光譜表明形成了胺和/或酰胺類，這些胺和酰胺類可能阻止了煙塵的氧化。 該模型很好地描述了碳煙負(fù)載Cu/SSZ-13 樣品上的氨氣SCR活性，包括碳煙再生；杜翰斌［23］以 Cu-SCRF 系統(tǒng)為研究對象， 做了柴油機(jī)SCRF 系統(tǒng)性能影響因素的模擬研究。 采用雙吸附位機(jī)理，利用GT-POWER 軟件建立SCRF 系統(tǒng)一維反應(yīng)動力學(xué)模型，考慮了19步化學(xué)反應(yīng)，對主要物理參數(shù)做了優(yōu)化驗(yàn)證，保證建立的模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)際SCRF 系統(tǒng)的運(yùn)行情況。經(jīng)過多輪模擬和實(shí)驗(yàn)，模擬值與實(shí)測值具有較好的吻合度。

由于SCRF 系統(tǒng)可以做到同時降低NOx和PM的排放， 綜合了多孔介質(zhì)通道內(nèi)的催化氧化反應(yīng)的傳熱傳質(zhì)和氣相反應(yīng)流動等問題。因此，建立的模型需考慮SCRF 內(nèi)反應(yīng)動力學(xué)模型、流動模型、催化劑表面的吸附脫附過程、壓降模型等，結(jié)合流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算建模。此外，針對灰分以及載體結(jié)構(gòu)參數(shù)對SCRF 系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究， 可以為減少灰分對SCRF 系統(tǒng)性能影響、 載體結(jié)構(gòu)與參數(shù)優(yōu)化以及延長使用壽命提供參考。

5 結(jié)語

本文首先從未來排放法規(guī)趨勢闡述SCRF 在后處理系統(tǒng)中具有的優(yōu)勢，再從SCRF 載體、催化劑涂層技術(shù)與SCRF 的建模與仿真3 個方面綜述了SCRF 的研究現(xiàn)狀，并得到結(jié)論。

1）未來法規(guī)使后處理系統(tǒng)趨向于結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜化、高成本、熱管理合理化。 而SCRF 可以很好地解決這些問題， 將在應(yīng)對國六b 及以上法規(guī)中扮演重要角色。

2）高孔隙、良好的導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和較高的比表面積為SCRF 載體的重要指標(biāo)。碳化硅、莫來石以及泡沫合金材質(zhì)的載體在SCRF 催化劑上具有較好的應(yīng)用前景。

3）在 V-SCR、Cu-SCR 和 Fe-SCR 中，Cu 基分子篩是作為SCRF 催化劑涂層材料十分理想的材料。 其中Cu-LTA 在老化后高溫條件下具有優(yōu)異的NOx轉(zhuǎn)化效率， 可以應(yīng)對碳煙再生時產(chǎn)生的高溫環(huán)境。另外，混涂或分層涂覆的方式可以為實(shí)際應(yīng)用提供更多的選擇。

4）通過在SCR 涂層中適當(dāng)添加堿性金屬化合物和稀土金屬氧化物等，是在不犧牲NOx轉(zhuǎn)化效率的同時，改善soot 氧化效率的一種重要手段。

5）SCRF 建模與仿真是SCRF 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要手段，可以為實(shí)際應(yīng)用提供較好的參考。