柴油機SCR技術(shù)的應(yīng)用探究

王成成+曹杰+張繼云+梁甫+牟爽+陳永艷

摘要：指出了隨著我國道路運輸?shù)牟粩喟l(fā)展和能源的日益緊缺，柴油機由于具有負荷大、比油耗低、熱效率高、堅固耐用、經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)點，使其受到更多人的青睞。探析了目前柴油機排放所產(chǎn)生的環(huán)境問題，闡述了目前有關(guān)汽車尾氣排放污染控制的研究及各自的優(yōu)點與不足。主要分析了SCR技術(shù)的突出優(yōu)點，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及在應(yīng)用中有待解決的一些問題及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：車用尿素；選擇性催化還原技術(shù)；尿素沉積

中圖分類號：TK42

文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1674-9944（2016）22-0155-04

1引言

21世紀(jì)以來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長，人民生活水平得到普遍提升，我國汽車保有量飛速上升。與此同時，汽車對環(huán)境的污染和人身健康的危害日益凸顯。柴油機由于采用壓燃式點火，壓縮比較汽油機大很多，同時，柴油熱值高的理化特性決定了其在未來具有廣闊前景，使其發(fā)展重心由軍工轉(zhuǎn)向民用，由水陸通航轉(zhuǎn)向其他諸多領(lǐng)域，且所占比重日趨增長。

2013年2月6日，國務(wù)院召開會議研究確定油品升級的相關(guān)事宜。根據(jù)會議要求，我國將于2014年底及2017年底分別完成汽、柴油國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)以及國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的過渡。氮氧化物（NOx）是大氣污染物中主要污染物之一，也是柴油機排放主要污染物。目前，根據(jù)研究分兩種辦法解決：優(yōu)化燃燒+SCR路線，EGR+DOC+EPFL路線。其中選擇性催化還原（SCR）技術(shù)因能滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)中對NOx排放量的限制而被普遍采用。應(yīng)用該項技術(shù)，能夠使燃燒系統(tǒng)與燃油噴射系統(tǒng)得到有效優(yōu)化，降低機油消耗。以發(fā)動機內(nèi)凈化技術(shù)和排放后處理系統(tǒng)為主體的SCR技術(shù)的應(yīng)用普及，將大幅度降低尾氣中NOx的排放量。隨著國家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，污染物排放法規(guī)也必定越來越嚴(yán)格，新型能源的開發(fā)利用和尾氣排放的改善處理，也定會促使相關(guān)技術(shù)的不斷普及和完善，SCR技術(shù)將得到更加廣泛的實際運用與推廣。

2SCR技術(shù)的基本原理

如圖1所示，催化器前部的氧化觸媒將尾氣中的NOx氧化為NO2；催化器中部的尿素噴射裝置噴射尿素水溶液在催化劑作用下與氧化后尾氣中的氮氧化物進行氧化還原反應(yīng)，降低尾氣中氮氧化物含量；反應(yīng)未進行或進行不徹底的剩余產(chǎn)物在反應(yīng)器末端媒介作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨馀c水最終排放。尿素催化還原的基本原理是：在汽車排放的尾氣中通過一個電控計量單元連續(xù)均勻噴射尿素水溶液，溶液經(jīng)過加熱管路蒸發(fā)熱解，經(jīng)過一系列催化反應(yīng)，加速氮氧化物的還原反應(yīng)，同時抑制還原劑的氧化反應(yīng)，最終生成純凈的氮氣和水。選擇催化還原過程中化學(xué)反應(yīng)方程式催化NOx總量反應(yīng)式：

3SCR后處理系統(tǒng)

如圖2為試驗用后處理系統(tǒng)，主要由柴油機電控系統(tǒng)和相關(guān)的硬件組成。CAN總線將ECU從各傳感器中獲取的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷及溫度信號傳遞給SCR控制器，確定發(fā)動機所處的工況。根據(jù)所處工況調(diào)取ECU中存儲的實驗測定尾氣中NOx和催化劑溫度確定的所需尿素水溶液量，信號給計量單元經(jīng)過液—氣混合閥通過位于催化器中部的噴嘴噴射出定量溶液。由汽車電控系統(tǒng)控制SCR控制器，從而實現(xiàn)后處理系統(tǒng)在不同工況下都能噴射出適量的尿素水溶液[2]。

4車用SCR技術(shù)研究狀況

4.1國外研究現(xiàn)狀

國外對SCR技術(shù)的研究較早，研究的方面也十分廣泛，因此在技術(shù)方面較國內(nèi)也更加成熟。為了應(yīng)對日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，歐洲的很多重型柴油機上已經(jīng)普遍安裝了SCR系統(tǒng)。

由于Urea—SCR系統(tǒng)的NOx轉(zhuǎn)化效率容易受到排氣溫度的影響，為提高Urea—SCR體系轉(zhuǎn)化效率，日立（Hitachi）公司[3]開發(fā)了一種新型的尿素噴射裝置。排氣溫度過低能影響到Urea分解為NH3的效率，進而影響NOx的轉(zhuǎn)化效率。該開發(fā)的這種電加熱裝置可以將Urea加熱，從而提高低排氣溫度下Urea的分解效率，且加熱裝置只會在排氣溫度過低時開啟，以達到更好的節(jié)能效果。

針對SCR的應(yīng)用，德國的博世（BOSCH）公司[4]開發(fā)了由噴射模塊（Dosingmodule）和定量配給模塊（Deliverymodule）組成的SCR應(yīng)用系統(tǒng)DENOXTRONIC，該系統(tǒng)有效地解決了NOx轉(zhuǎn)化效率與NH3泄漏量之間的矛盾，而且該系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足歐Ⅳ和歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)所要求的NOx的限值。該系統(tǒng)在NEDC（NewEuropeanDrivingCycle）測試循環(huán)下，NOx的最大轉(zhuǎn)化效率達65%，在美國FTP測試循環(huán)下NOx最大轉(zhuǎn)化效率高于75%，并且可以減少40%的微粒排放，節(jié)省5%的油耗。

針對計劃于2005年10月實施的歐IV標(biāo)準(zhǔn)，康明斯[5]將采用集成式排放控制系統(tǒng)IEM技術(shù)，即把發(fā)動機缸內(nèi)凈化和尾氣后處理集成在一起，實現(xiàn)“從進氣到排氣”的全過程控制。該技術(shù)采用了高效的SCR，為了使排放控制更加有效，IEM使用了電控模塊進行控制。該電控系統(tǒng)還可根據(jù)車載排放診斷系統(tǒng)（OBD）隨時監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，提醒駕駛員及時加注尿素溶液，按時對系統(tǒng)進行保養(yǎng)。為達到2007年施行的EPA最新的環(huán)保法規(guī)，梅塞德斯—奔馳公司[5]把SCR這種后處理技術(shù)運用到他們生產(chǎn)的柴油車中，并考慮把這一系統(tǒng)配置到部分的商務(wù)車中。

丹麥格倫德福斯公司[6]和托普索科技公司合作研發(fā)出卡車用新型柴油引擎催化轉(zhuǎn)化器。該裝置可節(jié)省4%的耗油量，大大降低對人體有害的納米級PM、NOx和烴的排放量。柴油難聞的氣味主要是它的成分中有未燃烴，將未燃烴去除，柴油車的工作環(huán)境將得到很大的改善。通過向汽車排出的氣體噴入尿素，尿素分解為NH3來去除NOx。NOx與NH3反應(yīng)在催化劑的表面生成沒有危害的氣體N2和水蒸汽。HC和PM被留在催化器上，但不會與噴射的尿素混在一起，對環(huán)境的污染很小。

4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對SCR技術(shù)的研究起步較晚，因此SCR技術(shù)在國內(nèi)還有些不成熟。但國內(nèi)許多的公司已經(jīng)推行出能夠滿足國Ⅳ甚至國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的SCR技術(shù)。國內(nèi)很多科研院所在SCR技術(shù)研究的各個方面也做出了巨大貢獻。

在技術(shù)方面，陳輝、覃軍[7]等人在YC6L350-40重型柴油機上加裝SCR后處理技術(shù)進行了理論及實踐研究，成功研發(fā)出國內(nèi)第一臺能夠滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機。該柴油機主要是采用了“增壓中冷+電控燃油噴射系統(tǒng)+SCR”的技術(shù)路線，即在YC6L-30的基礎(chǔ)上，采用SCR系統(tǒng)。在試驗測試循環(huán)的排放水平，完全達到了歐IV排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，是一臺真正意義上的歐Ⅳ發(fā)動機。目前，該款機型已經(jīng)進入生產(chǎn)階段[8]。

在控制策略方面，清華大學(xué)的胡靜，趙彥光等人針對重型柴油機尿素SCR后處理系統(tǒng)的控制策略進行了研究，研究了空速、催化劑溫度、催化劑對NOx的轉(zhuǎn)化效率、催化劑的NH3吸附與解吸附等催化劑特性對控制策略的影響并進行了優(yōu)化，得到最終實際需要的尿素噴射量，使重型柴油機尿素SCR后處理系統(tǒng)達到了國Ⅳ及以上的排放標(biāo)準(zhǔn)[9]。錢楓、喻方平等人運用CAN總線和各路傳感器，依據(jù)柴油機工況變化以及催化器溫度變化，根據(jù)內(nèi)部協(xié)定的穩(wěn)態(tài)分配策略以及動態(tài)修正策略，準(zhǔn)確地控制尿素噴射系統(tǒng)向排氣管中噴射尿素水溶液，從理論上實現(xiàn)了歐柴油機SCR系統(tǒng)中尿素水溶液控制器的開發(fā)。北京理工大學(xué)的姜磊，葛蘊珊等對柴油機SCR系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性進行了研究，引入復(fù)合階躍比對柴油機瞬態(tài)工況NOx的排放量進行了較好的修正，從而有效減少了氨泄漏[10]。

在數(shù)值模擬方面，江蘇大學(xué)王謙[11]對Urea—SCR排氣管路中尿素水溶液蒸發(fā)霧化過程進行CFD模擬，對尿素結(jié)晶成因進行分析，通過優(yōu)化噴嘴的相關(guān)參數(shù)來減少管路結(jié)晶；同時優(yōu)化排氣管路布置來提高尿素在尾氣中濃度分布的均勻性。溫苗苗等人[12]在計算流體力學(xué)模擬仿真的基礎(chǔ)上，加入尿素-氨轉(zhuǎn)化過程和SCR反應(yīng)動力學(xué)模擬模型，成功達到了對整車SCR系統(tǒng)過程的模擬，建立了Urea—SCR系統(tǒng)三維模型，并提出SCR系統(tǒng)的評價指標(biāo)。大連理工大學(xué)的蘇慶運[13]利用FLUENT軟件并耦合化學(xué)計算模塊CHEMKIN，基于Rh催化劑表面CO-O2詳細反應(yīng)機理模型，對徑向變孔密度載體建立催化反應(yīng)模型。結(jié)果證明變孔密度載體的流動分布情況和CO轉(zhuǎn)化率優(yōu)于原載體，并且變孔密度載體的起燃溫度比原載體低，具有較好的起燃特性。

5主要存在問題

（1）SCR系統(tǒng)的反應(yīng)原理是一定濃度的尿素水溶液噴入高溫尾氣時，在催化劑的催化作用下與尾氣中的NOx發(fā)生系列反應(yīng)生成氮氣和水，從而降低尾氣中NOx的排放。但是，在此過程中存在NH3泄露與NOx轉(zhuǎn)化效率存在矛盾，造成尿素的浪費和二次污染，因此，對NH3濃度的測控和尿素濃度的精確掌握需要控制。

（2）SCR初期投入成本昂貴，尿素溶液添加站的布建投資浩大，尤其是在疆土遼闊的國家負擔(dān)較大。

（3）理想狀態(tài)下，尾氣中噴射的尿素水溶液經(jīng)過蒸發(fā)熱解等過程分解為氨氣和二氧化碳，通過氧化還原反應(yīng)將NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O，實現(xiàn)有害氣體的轉(zhuǎn)化[13]。然而，在實際過程中，尿素水溶液的分解反應(yīng)的完成受到反應(yīng)溫度的限制。當(dāng)溫度小于210℃時，SCR系統(tǒng)的催化轉(zhuǎn)化速率很低，不能正常工作發(fā)揮作用；當(dāng)溫度高于210℃時，尿素水溶液分解反應(yīng)產(chǎn)生多方向反應(yīng)，大大增加了反應(yīng)的不確定性，使得部分尿素不能分解或者不能完全分解，甚至造成NH3發(fā)生氧化反應(yīng)重新生產(chǎn)NOx。在車輛的實際使用過程中，尤其是在城市交通中，車輛的行駛速度較低，發(fā)動機轉(zhuǎn)速相對較低，實際尾氣排放溫度較低，往往達不到尿素溶液分解反應(yīng)的最佳溫度，使得SCR系統(tǒng)不能正常工作發(fā)揮作用。當(dāng)溫度一直保持較低溫度（210℃以下）時，催化轉(zhuǎn)化后處理系統(tǒng)效率往往很低甚至不起作用，導(dǎo)致實際運行過程中NOx排放超標(biāo)；同時，低溫會導(dǎo)致排氣管中尿素結(jié)晶沉積堵塞排氣管，影響SCR系統(tǒng)在城市柴油機車上的應(yīng)用推廣[14]。

6結(jié)語

目前，使用排放后處理系統(tǒng)已經(jīng)成為世界主流趨勢。SCR系統(tǒng)利用尿素水溶液對尾氣中的NOx進行處理，不僅能夠滿足國Ⅳ及以上標(biāo)準(zhǔn)，還具有對發(fā)動機結(jié)構(gòu)改動小，對當(dāng)今主流發(fā)動機具有良好繼承性，便于技術(shù)升級的簡潔連貫性，而且對相關(guān)燃油品質(zhì)要求較低，適用于我國的基本國情與正在逐步完善健全的排放法規(guī)。SCR系統(tǒng)必定會在將來得到更加廣泛的推廣應(yīng)用。

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