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柴油机被广泛应用于工程机械领域，但其氮氧化物(NOx)排放严重，仅靠机内技术已不能满足日益严格的排放法规要求，必须使用机外后处理净化技术，其中选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)装置是目前应用最为广泛的柴油机NOx净化装置。但由于工程机械具有排温变化幅度大、机械振动强等特点，在长期使用中SCR性能容易遭到破坏甚至失效，因此有必要针对工程机械特点对SCR典型失效模式进行研究。
本文结合工程机械运行工况，对SCR系统及零部件的典型失效模式进行了试验和仿真研究。试验主要包括SCR催化剂高温失活、尿素喷射量不足、尿素结晶现象、载体破损和SCR系统耐久性。仿真主要搭建了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型，探究温度、时间、空速和氨氮比等影响因素对NOx转化效率的影响规律以及NO空间分布，主要结论如下：
(1)进行了SCR催化剂的水热老化试验，探究催化剂高温失活。钒基催化剂在550℃下进行200h水热老化试验后，NOx转化效率在高温区(500℃以上)明显降低，且下降幅度随着温度的升高而增大。铜基分子筛催化剂在800℃下进行24h水热老化试验后，NOx转化效率在中低温区分界处(180-200℃)出现明显下降，且在不同NO2/NOx比例下转化效率有所不同，设置NO2/NOx比例分别为0、0.5和0.75，发现转化效率在NO2/NOx=0.5时最高，在NO2/NOx=0.75时最低，水热老化试验后，相对NO2/NOx=0.5，转化效率在NO2/NOx=0和0.75时下降更为明显。
(2)通过氨氮比试验和尿素沉积物分析，探究了尿素喷射量不足和尿素结晶引起的失效，其中尿素沉积物主要由尿素物理结晶以及相关化学反应产生。设置氨氮比分别为0.6、0.8和1，发现随着氨氮比增大，SCR系统的NOx转化效率增大，但氨泄漏量也增大。氨氮比等于0.6时，NOx转化效率主要受氨气量影响，随着转矩增大，转化效率上升至趋于稳定；氨氮比等于0.8和1时，NOx转化效率主要受温度影响，随着转矩增大先上升后下降。对尿素结晶现象进行分析，发现尿素沉积物一般出现在尿素喷嘴表面、SCR前的排气管壁以及SCR混合器前端。通过热重-红外光谱分析，发现尿素沉积物成分主要有水、尿素和三聚氰酸，水的质量分数约为65%，主要以CO(NH2)2·7H2O形式存在，尿素、三聚氰酸等有机物质量分数约为35%。
(3)进行SCR载体结构强度试验探究载体抗破损能力，对SCR系统进行整机耐久性试验和整车运行试验。载体抗压强度显示出各向异性，不同方向上抗机械振动破损能力不同；抗热震性好，可以承受温度大幅度变化而不出现破损。钒基催化剂SCR系统在进行200h整机耐久性试验后，NOx转化效率在350℃以下没有发生明显变化，在350℃以上开始出现下降趋势，且随着温度的升高，下降幅度增大。整车运行试验后，SCR载体前端部分孔道出现轻微弯曲变形和堵塞现象，边缘区域破损相对严重。
(4)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究温度、时间对转化效率的影响及NO空间分布。SCR转化效率在低温区和高温区都较低，中温区内转化效率最高，与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR转化效率主要在高温区内发生下降。通入200℃、400℃、600℃排气时，转化效率刚开始都迅速上升，温度越高，上升速率越高，随着时间进行，200℃和400℃时转化效率上升至趋于稳定，600℃时先上升后下降，最后趋于稳定。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR响应速度慢，最终转化效率降低。NO空间分布在新鲜态和老化态SCR模型中显示出了相同的规律，轴向上，200℃时NO浓度进入SCR一段位置后开始明显下降，400℃和600℃时，NO进入SCR后便开始下降；径向上，同一横截面内，中间区域NO浓度较高。
(5)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究空速对转化效率的影响。排气温度为200℃和600℃时，SCR模型转化效率随着空速的增大而降低，400℃时转化效率较高，并没有随空速发生明显变化。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR模型在各空速下转化效率都较低，400℃和600℃时，随着空速的增大，二者差值略有增大。
(6)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究氨氮比对转化效率的影响。排气温度为200℃和400℃时，随着氨氮比的增大，SCR模型转化效率上升至趋于稳定；600℃时，随着氨氮比的增大，转化效率一直缓慢上升。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR模型转化效率较低，200℃和400℃时高氨氮比下因转化效率都较高，二者差值减小，600℃时老化态SCR模型转化效率随氨氮比升高，上升速率慢，二者差值增大。
本文结合工程机械运行工况，对SCR系统及零部件的典型失效模式进行了试验和仿真研究。试验主要包括SCR催化剂高温失活、尿素喷射量不足、尿素结晶现象、载体破损和SCR系统耐久性。仿真主要搭建了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型，探究温度、时间、空速和氨氮比等影响因素对NOx转化效率的影响规律以及NO空间分布，主要结论如下：
(1)进行了SCR催化剂的水热老化试验，探究催化剂高温失活。钒基催化剂在550℃下进行200h水热老化试验后，NOx转化效率在高温区(500℃以上)明显降低，且下降幅度随着温度的升高而增大。铜基分子筛催化剂在800℃下进行24h水热老化试验后，NOx转化效率在中低温区分界处(180-200℃)出现明显下降，且在不同NO2/NOx比例下转化效率有所不同，设置NO2/NOx比例分别为0、0.5和0.75，发现转化效率在NO2/NOx=0.5时最高，在NO2/NOx=0.75时最低，水热老化试验后，相对NO2/NOx=0.5，转化效率在NO2/NOx=0和0.75时下降更为明显。
(2)通过氨氮比试验和尿素沉积物分析，探究了尿素喷射量不足和尿素结晶引起的失效，其中尿素沉积物主要由尿素物理结晶以及相关化学反应产生。设置氨氮比分别为0.6、0.8和1，发现随着氨氮比增大，SCR系统的NOx转化效率增大，但氨泄漏量也增大。氨氮比等于0.6时，NOx转化效率主要受氨气量影响，随着转矩增大，转化效率上升至趋于稳定；氨氮比等于0.8和1时，NOx转化效率主要受温度影响，随着转矩增大先上升后下降。对尿素结晶现象进行分析，发现尿素沉积物一般出现在尿素喷嘴表面、SCR前的排气管壁以及SCR混合器前端。通过热重-红外光谱分析，发现尿素沉积物成分主要有水、尿素和三聚氰酸，水的质量分数约为65%，主要以CO(NH2)2·7H2O形式存在，尿素、三聚氰酸等有机物质量分数约为35%。
(3)进行SCR载体结构强度试验探究载体抗破损能力，对SCR系统进行整机耐久性试验和整车运行试验。载体抗压强度显示出各向异性，不同方向上抗机械振动破损能力不同；抗热震性好，可以承受温度大幅度变化而不出现破损。钒基催化剂SCR系统在进行200h整机耐久性试验后，NOx转化效率在350℃以下没有发生明显变化，在350℃以上开始出现下降趋势，且随着温度的升高，下降幅度增大。整车运行试验后，SCR载体前端部分孔道出现轻微弯曲变形和堵塞现象，边缘区域破损相对严重。
(4)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究温度、时间对转化效率的影响及NO空间分布。SCR转化效率在低温区和高温区都较低，中温区内转化效率最高，与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR转化效率主要在高温区内发生下降。通入200℃、400℃、600℃排气时，转化效率刚开始都迅速上升，温度越高，上升速率越高，随着时间进行，200℃和400℃时转化效率上升至趋于稳定，600℃时先上升后下降，最后趋于稳定。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR响应速度慢，最终转化效率降低。NO空间分布在新鲜态和老化态SCR模型中显示出了相同的规律，轴向上，200℃时NO浓度进入SCR一段位置后开始明显下降，400℃和600℃时，NO进入SCR后便开始下降；径向上，同一横截面内，中间区域NO浓度较高。
(5)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究空速对转化效率的影响。排气温度为200℃和600℃时，SCR模型转化效率随着空速的增大而降低，400℃时转化效率较高，并没有随空速发生明显变化。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR模型在各空速下转化效率都较低，400℃和600℃时，随着空速的增大，二者差值略有增大。
(6)进行了新鲜态和老化态钒基催化剂SCR模型的仿真研究，探究氨氮比对转化效率的影响。排气温度为200℃和400℃时，随着氨氮比的增大，SCR模型转化效率上升至趋于稳定；600℃时，随着氨氮比的增大，转化效率一直缓慢上升。与新鲜态SCR模型相比，老化态SCR模型转化效率较低，200℃和400℃时高氨氮比下因转化效率都较高，二者差值减小，600℃时老化态SCR模型转化效率随氨氮比升高，上升速率慢，二者差值增大。