Study on NH3 Cross Sensitivity of NOx Sensor in Diesel Engine SCR System
Qian Feng, Sun Jinbo, Ma Dong, Li Peng, Zhu Neng
针对选择性催化还原（ 系统中 传感器对 的交叉敏感性问题，通过对发动机台架试验数据进行分析，研究了排气温度、氨氮比和空速个因素对传感器交叉灵敏度的影响，建立了与个影响因素相关的 催化剂反应模型，提出了一种 催化剂下游 排放水平和 泄漏量的预测方法。 仿真与发动机台架试验结果表明，该方法在一定程度上可有效预测 传感器的准确性。
SCR NH3 NOx
题，一旦 催化转换器出现 泄漏的情况，下游传感器的测量结果将高于实际值，在闭环控制策略的作
NOx
用下，系统认为催化转换器下游 排放量过高，从而
NH3
喷入更多的尿素水溶液，进而导致下游 泄漏更加严
NOx NH3
重，形成恶性循环。因此，有必要对 传感器的交叉感应特性进行深入研究。本文通过发动机台架试
NH3
验的方法研究 泄漏的影响因素及其影响特性，并建
SCR NH3 NOx
立 催化剂反应模型，以解决 泄漏引起 测量结果大于实际值的问题。
2 NOx传感器的NH3交叉敏感性
NOx 1
电化学式 传感器工作原理如图 所示。传感器
2 1 1
由 个测量室组成。第 个测量室中有 个氧泵电极
1
（非活化电极），尾气扩散至第 个测量室后，通过对氧
O2
泵施加一定的电压，尾气中的大部分 被除去，此时
NO NO2 800 ℃）
和 的化学平衡被打破，在高温（ 下发生反
2NO2→2NO+ 2O2，NO2 NO， 1
应 被还原成 同时使第 个测
NO
量室内的氧气浓度保持在一定范围内，防止 被分
2 1 1
解；第 个测量室中有 个辅助电极和 个测量电极，辅
2
助电极为非活性电极，在电压作用下继续泵氧，使第个室内的氧气浓度进一步降低，测量电极为活性电极，
Pt Rh 2NO→N2+ O2， NO
在 和 的作用下发生反应 将 还原
N2 O2， 2 O2
成 和 利用氧传感器测量第 个测量室的 浓度，
NOx O2 2
即可间接测算出尾气中 的浓度为所测 浓度的倍。[8-9]
ZrO2
由于使用 作为氧气泵的材料，当尾气中存在
NH3 NH3 ZrO2 O2
时， 会在 的作用下与 产生氧化反应。在
NH3 O2
不同的排气温度下， 与 主要发生如下反应：
2NH3+2O2→N2O+3H2O 1）
（
2NH3+2.5O2→2NO+3H2O 2）
（
2NH3+3.5O2→2NO2+3H2O 3）
（
O2
上述反应使 浓度的测量值发生变化，从而影响
NOx NH3
浓度的测量，即产生传感器的 交叉敏感性。
3 NOx传感器交叉敏感性的影响因素3.1测试方法
2测试在发动机台架上进行，测试环境如图 所示。
260 ℃ NOx
催化转换器温度为 的条件下， 传感器与
NOx NOx
气体分析仪所测 浓度以及对应的 转化效率随氨
5
氮比的变化如图 所示。由于尿素水溶液在排气时的
NH3
热解反应和水解反应不完全，使实际产生的 量低于
NH3 1 NOx
理论 生成量，故在氨氮比不小于 时， 仍然具有
1.2
较高的转化效率，并呈上升趋势；当氨氮比增加到约
NOx NOx
时， 传感器与气体分析仪所测的 浓度曲线开始
SCR NH3
分离， 催化转换器下游初步出现 泄漏现象；当
1.4 NOx
氨氮比增加到 以上时， 传感器计算出的转化效
NH3
率开始下降，催化转换器下游 泄漏情况开始加重，气体分析仪计算出的转化效率依然保持在较高水平。
NOx NH3
这是由于 传感器存在 交叉感应特性，当催化转
NH3 NOx NOx
换器下游出现 泄漏时， 传感器所测的 浓度高于实际值，其转化效率低于实际值。
NOx
温度、空速、氨氮比等因素的影响。为提高 传感器
NOx SCR
测量值的可信度，有必要建立 排放模型来预测
NOx SCR
催化器下游 排放量。研究表明[9]， 催化剂内发生的化学反应包括[10]：
标准反应：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O
快速反应：
2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O
NO2
氧化反应：
8NH3+6NO2=7N2+12H2O 6）
（孟忠伟等 [11] 的研究表明，在氧化型催化转换器
Diesel Oxidation Catalyst，DOC） NO
（ 的作用下，一部分
O2 NO2， NO2 NOx
与 发生反应生成 使 与 的比例增加，从
SCR NOx
而促进 催化剂快速反应的进行，故在计算 理
NO2 NO SCR论转化效率时，需充分考虑 与 x的比值。在
1 mol NO
标准与快速反应下， x与1 mol NH3
发生反应，
NH3 4/3 mol NH3 1 mol NO
而在 氧化反应下， 与 x发生反
SCR NO2 NOx
应。因此，假设 入口处 与 的比值为k，参与
SCR NO2 NO2
快速反应的 与 总量的比值为l，l随排气温度 Texh变化： 4） （
5） （ l=F(Texh) NH3 M( NH3)
则理论上 的需求量 为： NH3 2kl 43 1- 1-(1- M( NOx) 8）
M( = + k( l)+ k) kl （事实上，由于发动机主要工作在瞬态工况下，因此
SCR
在受某些因素影响时， 系统在尿素水解时产生的
NH3 NH3
与理论 需求量存在偏差，且催化剂活性位点在
NH3
排气温度变化的情况下表现出不同的 分子储存能力，不同空速、排气温度下，催化剂表现出不同的催化能力，两种特性可通过台架试验获得。充分考虑上述因
SCR NH3
素，得出 催化剂的 动态平衡方程为：
1 Muse + M sto + Msli = Mure + M sto Muse = M( NH3) η( NOx)
· η( NOx)= F(sv, Texh) 7） （ 9）
（
10）
（
11）
（
5结论
a. NOx
传感器氨交叉敏感性是由氨泄漏引起的，并受到排气温度、空速、氨氮比等因素的影响。当温度
NOx NH3
上升时，催化器处理 的能力先增强后下降， 的泄
NH3
漏量先减少后增加；当空速上升时，废气与 充分混
NOx NOx
合，有利于提高 转化效率，而当空速过快时， 来
NH3 NOx
不及反应就被排出催化器，导致 泄漏增加； 的转
1.2
化效率随氨氮比的增加而增加，当氨氮比增加到 时开始出现氨泄漏情况。
b. 3
基于排气温度、空速、氨氮比 种因素影响的催
NOx SCR
化器下游 浓度特性 催化器模型仿真效果在一