滿足國Ⅴ及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機SCR技術(shù)

楊斌++周朝兵+陳康

摘要： 介紹了幾種柴油機NOx排放的后處理技術(shù)：組合式的后處理系統(tǒng)，被動SCR，SCRF，固態(tài)還原劑的SCR，分析了它們的優(yōu)缺點。指出隨著SCR設(shè)計理念不斷發(fā)展更新，各類型柴油機應(yīng)用的SCR后處理系統(tǒng)的選擇趨于多樣化，排放法規(guī)和經(jīng)濟成本成為了選擇SCR技術(shù)的主要因素。

Abstract： Introduce several kinds of diesel After-treatment about the NOx emission， including： integrated After-treatment， passive SCR， SCRF and solid reductant SCR， analyze their advantage and weakness. Point out that with the development of SCR design， there are more options for all types of diesel application， emission legislations and economic cost will be the main factors for choosing SCR technology.

關(guān)鍵詞： 柴油機；SCR；集成后處理；被動SCR；SCRF；固態(tài)還原劑

Key words： diesel；SCR；integrated After-treatment；passive SCR；SCRF；solid reductant

中圖分類號：TK42 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）07-0098-03

0 引言

機動車的排放已經(jīng)成為了部分大城市空氣污染的主要來源，同時也是越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)的推手。根據(jù)國家環(huán)?？偩职l(fā)布的《輕型車污染物及測量方法（中國第五階段）》，2018年1月1日起，全國范圍內(nèi)機動車將實施國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，而更嚴(yán)格的國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)也開始起草并被逐步披露了出來。柴油機的設(shè)計應(yīng)該緊跟法規(guī)的要求，加快高性能發(fā)動機和低排放的后處理技術(shù)的研究。

柴油機的NOx排放，從國Ⅳ至國Ⅴ，大約降低了43%，而從歐Ⅴ至歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，NOx排放下降了近83%左右，由此推斷，國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)必將大幅降低NOx排放水平。降低NOx排放水平是今后后處理設(shè)計的一個重要工作方向，作為柴油機處理NOx的主要技術(shù)手段，選擇性催化還原（Selective Catalyst Reduction，SCR）技術(shù)因其具有較好的氮氧化物轉(zhuǎn)化性能（deNOx），易于改裝等優(yōu)點，已成為柴油機滿足排放法規(guī)的關(guān)鍵性技術(shù)。

1 SCR系統(tǒng)的組成

SCR系統(tǒng)主要由催化器，還原劑供給噴射系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成。

SCR催化器包含了隔熱層，載體和催化劑。隔熱層的目的是保持催化劑的溫度，降低熱量的損失；載體承載催化劑，需要涂覆足夠的催化劑，在較小的背壓條件下，要保證在高溫下不易發(fā)生變形和破裂，SCR的載體一般由堇青石陶瓷制成；催化劑是SCR反應(yīng)的核心，目前主要有Vanadium基催化劑，Cu/Zeolite基催化劑，F(xiàn)e/Zeolite基催化劑。Cu/Zeolite在低溫區(qū)間內(nèi)的轉(zhuǎn)化效率更好，F(xiàn)e/Zeolite基在高溫區(qū)間有更好的表現(xiàn)，但兩種催化劑的抗S能力差。Vanadium基催化劑抗S能力強，但低溫和高溫時的轉(zhuǎn)化能力差，因其成本和性能的優(yōu)勢，Vanadium基催化劑廣泛應(yīng)用在歐Ⅳ/Ⅴ的柴油機后處理系統(tǒng)中[2]。

SCR的控制系統(tǒng)由傳感器，還原劑供給噴射系統(tǒng)，DCU組成。傳感器主要有所依賴的溫度，NOx傳感器。還原劑供給噴射系統(tǒng)由存儲罐，供給單元和噴射器組成，還原劑在供給單元內(nèi)產(chǎn)生壓力，最后由噴射器注入排氣管中。值得注意的是，由于一部分還原劑會因低溫凍結(jié)（如尿素水溶液的凝固點是-11℃），這類還原劑的供給路線需要進行保溫加熱的設(shè)計[3]。

DCU控制系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，在開環(huán)的SCR系統(tǒng)中，催化劑后的NOx傳感器僅用于OBD，不反饋信息到控制系統(tǒng)；閉環(huán)控制通過NOx傳感器實時反饋催化劑下游的NOx和NH3濃度到控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對尿素噴射量的修正。國Ⅴ以上SCR的控制的目標(biāo)是在盡可能高的NOx轉(zhuǎn)化率下，同時避免NH3的泄漏，所以控制系統(tǒng)必須是閉環(huán)的，但閉環(huán)控制需要算法計算由于NOx傳感器催化氧化NH3產(chǎn)生的誤差[4]。開環(huán)控制由于控制簡單，成本低，在一些工況穩(wěn)定的發(fā)動機上仍然能夠達到較好的排放水平。

2 達到國Ⅴ及以上的SCR技術(shù)簡介

為滿足國Ⅴ和更高的排放法規(guī)，同時降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性，許多新技術(shù)和設(shè)計被應(yīng)用到柴油機SCR后處理技術(shù)中。其中主要有集成式的后處理結(jié)構(gòu)，新穎的被動SCR設(shè)計和DPF+SCR的組合式催化器以及以固態(tài)顆粒物為還原劑的新型SCR設(shè)計。

2.1 SCR+DOC+DPF和DOC+DPF+SCR

為了同時滿足國Ⅴ對發(fā)動機PM和NOx的排放限值，主流的方法是使用廢氣再循環(huán)（EGR）降低機內(nèi)的NOx排放，然后是一個由DOC，DPF和SCR組成的后處理系統(tǒng)使內(nèi)燃機排放達到所需要的排放水平，SCR與DPF的結(jié)合有兩種不同的結(jié)構(gòu)，SCR布置在DPF上游，即DOC+SCR+DPF，或者SCR位于DPF下游，即DOC+DPF+SCR。如圖1所示[5]。

SCR+DOC+DPF這種結(jié)構(gòu)有這些優(yōu)點：首先，SCR的位置離發(fā)動機近，在冷啟動時能夠快速升溫提高轉(zhuǎn)化效率，提升整體的NOx轉(zhuǎn)化性能；其次，SCR催化劑避免了DPF再生時候的劇烈溫度變化。這使SCR催化劑有一個很大的選擇空間，還可以繼續(xù)使用低成本的Vanadium基催化劑；最后，DPF在此結(jié)構(gòu)中同樣能起到NH3滑失催化劑的作用。這種構(gòu)型的缺點是，SCR后的NOx濃度很低，使得DPF根本無法使用連續(xù)被動再生，導(dǎo)致燃油消耗增加，另外SCR催化劑會受到PM和HC的污染，導(dǎo)致性能下降。

DOC+DPF+SCR結(jié)構(gòu)主要的好處是：一，SCR能避免PM的污染；二，DPF靠近發(fā)動機，較高的排溫和DOC后較高的NO2水平可以使用被動再生，明顯減少主動再生的次數(shù)，降低了再生的油耗。但DPF前置系統(tǒng)也有如下的缺點：SCR在冷啟動期間處于一個相對較冷的位置，導(dǎo)致冷啟動NOx排放控制困難；SCR催化劑由于上游DPF再生而過熱，它會加速SCR催化劑的老化。因此，DOC+DPF+SCR構(gòu)型需要選用低溫轉(zhuǎn)化效率好和耐高溫性能強的沸石基催化劑。為了充分利用SCR催化劑的儲氨的性質(zhì)來提高deNOx性能，通常做法是在發(fā)動機特定工況下多噴尿素，這會導(dǎo)致在高溫條件下NH3泄漏的風(fēng)險上升，所以通常都需要在SCR催化劑后加裝氨氧化催化劑（ASC），將過量的NH3轉(zhuǎn)化為N2。

兩種結(jié)構(gòu)間選擇主要取決與燃油經(jīng)濟性和冷啟動的NOx排放限制，DOC+DPF+SCR由于能夠進行DPF的被動再生，對于注重燃油經(jīng)濟性的重型柴油機而言非常重要，而就主要在市內(nèi)行駛的輕型車而言，SCR+DOC+DPF構(gòu)型能滿足冷啟動的NOx排放限值，更有利于降低城市的污染[6]。

2.2 組合式的催化器結(jié)構(gòu)（SCRF）

由于DOC+SCR+DPF或DOC+DPF+SCR都需要較大的安裝體積和復(fù)雜的控制策略，難以同時兼顧排放性，動力性和經(jīng)濟成本，也不利于家用轎車等小型車的安裝。針對這一問題，通過在多孔性的DPF壁面上涂覆SCR使在一個催化器能同時具有SCR和DPF的功能是一種可行的方案，這樣的系統(tǒng)通常被稱為SCRF（SCR Coated on DPF）。SCRF的去除PM和NOx的原理如圖2所示[7]。

在壁流式DPF基底表面，涂覆沸石基的SCR催化劑，在過濾體壁面，不僅能將PM捕集和催化氧化，又能在還原劑NH3的作用下將NOx催化還原。相對于傳統(tǒng)的后處理系統(tǒng)，SCRF能實現(xiàn)同時降低PM和NOx，還可以減小系統(tǒng)的安裝體積，降低成本。SCRF的優(yōu)勢還在于可以盡可能地靠近發(fā)動機，不僅有利于利用高溫廢氣進行PM被動再生，也有利于提高低溫時的deNOx性能。

SCRF最主要的問題是系統(tǒng)的背壓和耐久性[8]。SCR催化劑的涂覆量和積碳會增加背壓，所以必須使催化器的基底具有多孔性，在SCR催化劑涂覆量，PM積碳量和背壓間達到最佳的平衡。DPF再生時的高溫會影響SCR催化劑的耐久性，所以通常使用耐高溫性能好的沸石基SCR催化劑作為SCRF的催化劑。

2.3 LNT+SCR

LNT+SCR是一種典型的被動SCR，這種系統(tǒng)需要在廢氣中有較多HC或者LNT再生的過程中來產(chǎn)生NH3，并被下游的SCR捕獲和存儲[9]，再進行SCR反應(yīng)。通常在低溫情況下（低于200℃）時，傳統(tǒng)的SCR系統(tǒng)由于尿素水溶液分解困難，SCR的轉(zhuǎn)化效率很低，在SCR達到最佳轉(zhuǎn)化溫度前，使用LNT捕集吸收NOx，溫度適合后再進行SCR反應(yīng)。由LNT來產(chǎn)生NH3，不需要額外的還原劑供給設(shè)備。相比較于單獨的LNT，LNT+SCR不僅解決了LNT再生期間NH3的泄漏問題，而且具有更好的deNOx性能。而這種設(shè)計最矚目的優(yōu)點是LNT+SCR不需要大幅增加后處理的成本和安裝空間，具有良好的冷啟動排放，所以它可能會是小型車（包含柴油車，稀燃汽油車）的首選后處理措施。但是缺點也很明顯，LNT和SCR都對硫敏感，燃料含硫會顯著地增加LNT再生的頻率，降低耐久性。戴姆勒曾在其柴油轎車中采用過這類系統(tǒng)，但在系統(tǒng)中加入了DPF[10]。

2.4 固態(tài)顆粒物

氣態(tài)的NH3也可以通過固態(tài)顆粒物的分解得到，這些顆粒物包含了部分的銨鹽，如氨基甲酸銨（NH4COONH2），和一部分氨的金屬絡(luò)合物。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

以被認為是最好的固態(tài)還原劑，氨基甲酸銨為例，分解溫度在60℃左右。與尿素水溶液相比，相同質(zhì)量的氨基甲酸銨體積更小，相同質(zhì)量的氨基甲酸銨完全分解得到的NH3是完全分解的32.5%的尿素水溶液的2.36倍，能夠顯著地提高還原劑再裝填的間隔[11]。固態(tài)還原劑分解后直接形成氣態(tài)的NH3，沒有了尿素水溶液低溫分解困難和形成沉積物的問題，對于寒冷地區(qū)，還解決了尿素水溶液凍結(jié)的問題，能改善低溫工況下SCR的效率。固態(tài)還原劑存在的問題有，首先氣態(tài)NH3由于有腐蝕性，只能使用金屬容器存儲，再噴射到廢氣中，整個系統(tǒng)需要良好的密閉性和溫度控制，防止NH3泄漏和液態(tài)水的形成，明顯提高了成本。其次，尿素水溶液沒有使用完，可以通過回流管回到尿素罐中，而未使用的氣態(tài)NH3只能被氧化掉，造成還原劑的浪費[12]。

3 結(jié)論

SCR技術(shù)是輕重型柴油車和發(fā)動機滿足當(dāng)前和未來NOx排放限值的主要deNOx技術(shù)手段。集成式的SCR，被動SCR，SCRF和固態(tài)還原劑SCR的發(fā)展，豐富了SCR技術(shù)的選擇性，隨著進一步的研究與發(fā)展，這些設(shè)計在各類型車輛的安裝與提高deNOx性能上有很大的潛力。最終選擇何種SCR技術(shù)還取決于排放法規(guī)的限制，能夠承受的經(jīng)濟成本，車輛的條件和SCR技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化程度。

參考文獻：

[1]環(huán)境保護部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法：Limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles ： 中國第五階段[M]. 中國環(huán)境出版社，2013.

[2]趙堃，韓維亮，張國棟，等.柴油車SCR脫硝金屬氧化物催化劑研究進展[J].分子催化，2015，29（5）：494-504.

[3]蘇劍波，鐘玉鳴.氮氧化物排放控制技術(shù)的研究進展[J].廣東化工，2007，34（1）：56-58.

[4]侯潔，顏伏伍，胡杰，等.Urea-SCR系統(tǒng)NOx傳感器的NH3交叉感應(yīng)研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2014（3）：249-253.

[5]Vressner A， Gabrielsson P， Gekas I， et al. Meeting the EURO VI NOx Emission Legislation using a EURO IV Base Engine and a SCR/ASC/DOC/DPF Configuration in the World Harmonized Transient Cycle[C] SAE 2010 World Congress & Exhibition. 2010.

[6]Guan B， Zhan R， Lin H， et al. Review of state of the art technologies of selective catalytic reduction of NOx， from diesel engine exhaust[J]. Applied Thermal Engineering， 2014， 66（1-2）：395-414.

[7]Tang W， Youngren D， Santamaria M， et al. On-engine investigation of SCR on filters （SCRoF） for HDD passive applications[J]. 2013， 6（2）：862-872.

[8]M.Naseri，R.Conway，H.Hess，等.大型柴油機高氮氧化物轉(zhuǎn)化率的排放控制系統(tǒng)的研發(fā)[J].國外內(nèi)燃機，2015，47（5）：43-50.

[9]樓狄明，馬濱，譚丕強，等.后處理技術(shù)降低柴油機NOx排放的研究進展[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2010，39（2）：70-74.

[10]Bremm S， Pfeifer M， Leyrer J， et al. Bluetec Emission Control System for the US Tier 2 Bin 5 Legislation[J]. 2008.

[11]馬軍彥，曲大為，李君，等.車輛選擇性催化還原系統(tǒng)固態(tài)還原劑分解特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工），2015，45（6）：1804-1810.

[12]許闖力.柴油機固態(tài)選擇性催化還原氨氣定量噴射系統(tǒng)設(shè)計[D].吉林大學(xué)，2015.