重型柴油機(jī)滿足歐Ⅴ、歐Ⅵ排放法規(guī)的SCR后處理技術(shù)探討

王國瑩 付海燕 于紅勝 仲蕾 程秀圍 任慶霜 董江峰

（中國北方發(fā)動機(jī)研究所天津300400）

重型柴油機(jī)滿足歐Ⅴ、歐Ⅵ排放法規(guī)的SCR后處理技術(shù)探討

王國瑩 付海燕 于紅勝 仲蕾 程秀圍 任慶霜 董江峰

（中國北方發(fā)動機(jī)研究所天津300400）

研究了國外重型柴油機(jī)排放法規(guī)的技術(shù)路線，分析了SCR系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上探討了滿足歐Ⅴ以上排放法規(guī)的SCR后處理技術(shù)。指出SCR的設(shè)計理念在不斷地更新?lián)Q代，SCR的溫度窗口不斷擴(kuò)大，SCR的體積不斷縮小。發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)運(yùn)行成本也在不斷優(yōu)化。

柴油機(jī)SCR后處理混合器DOC雙SCR氨氣催化器排氣熱管理

引言

環(huán)境污染成為排放法規(guī)越來越嚴(yán)格的推手，歐盟在2008年10月已經(jīng)開始實(shí)施重型柴油機(jī)歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，2013年12月實(shí)施重型柴油機(jī)歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。美國2010年實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)高于歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。中國在面對日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題時，也緊跟國際形勢。日前，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》。根據(jù)規(guī)定，2018年1月1日起，全國機(jī)動車將全面實(shí)施國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)悉，北京市因已具備實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)的條件，將在標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布后立即執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。同時，環(huán)保部鼓勵具備燃油供應(yīng)條件的地方提前實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)。重型柴油機(jī)也將緊跟該步伐，并加快了歐Ⅴ、歐Ⅵ柴油機(jī)后處理技術(shù)的開發(fā)。

柴油機(jī)從歐Ⅳ升級到歐Ⅴ，NOx排放降低大約43%，從歐Ⅴ升級到歐Ⅵ，NOx排放降低80%；美國從US2007排放到US2010排放法規(guī)，NOx排放約降低83%；日本從2005年排放法規(guī)到2009年排放法規(guī)，NOx排放降低約65%。降低NOx是未來降低排放的一個重要工作方向。柴油機(jī)NOx后處理的技術(shù)有：選擇性催化還原技術(shù)SCR、稀燃NOx捕集技術(shù)LNT或者NAC、稀薄NOx催化LNC等。歐洲的通用協(xié)議提到，重型車生產(chǎn)商將采用組合方式（適度應(yīng)用SCR技術(shù)和輕微減少SCR劑量）達(dá)到歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)?？梢奡CR技術(shù)是未來柴油機(jī)滿足排放法規(guī)要求的關(guān)鍵技術(shù)[1，2]。

1 SCR后處理技術(shù)介紹

SCR后處理系統(tǒng)主要由尿素噴射系統(tǒng)，SCR催化器及SCR控制器組成。

SCR催化器主要分為Cu/Zeolite SCR催化器，F(xiàn)e/Zeolite SCR催化器，Vanadium SCR催化器。Cu/ Zeolite SCR催化器、Fe/Zeolite SCR催化器，抗高溫能力強(qiáng)，溫度窗口大，但是抗S能力差。國外最新研發(fā)的Vanadium SCR催化器也具有寬廣的溫度窗口，抗S能力優(yōu)于Cu/Zeolite SCR催化器和Fe/Zeolite SCR催化器，但是抗高溫能力差[3]。30 hr-1空速下Cu/ Zeolite SCR催化器與Vanadium SCR催化器抗S老化試驗(yàn)對比如圖1所示。目前Vanadium SCR催化器是一種成熟的技術(shù)，也是國內(nèi)應(yīng)用最廣的技術(shù)，未來催化器Vanadium SCR催化器將向抗高溫小型化及寬廣的溫度窗口、多功能化方向發(fā)展。例如SCR催化器結(jié)合連續(xù)再生過濾器CRT的特點(diǎn)開發(fā)的SCRT催化器，具有了SCR和DPF的雙項(xiàng)功能，并且縮小了整體催化器的體積，曼公司的歐Ⅵ柴油機(jī)機(jī)型就采用了該技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是在一個單獨(dú)的催化器中封裝涂有SCR涂層的壁面流動過濾器，該催化器（SCRT）能夠?qū)崿F(xiàn)減少NOx和過濾PM的作用。該催化器的封裝過程具有一定的難度，SCRT催化器主要的缺點(diǎn)是SCR涂層增加了流動阻力，引起了系統(tǒng)背壓，所以在過濾器上涂覆涂層的質(zhì)量要比傳統(tǒng)的直通管路的催化器的涂層質(zhì)量輕。

圖130 hr-1空速下Cu/Zeolite SCR催化器與Vanadium SCR催化器抗S老化試驗(yàn)對比圖

SCR尿素噴射系統(tǒng)中成熟的、應(yīng)用較廣泛的系統(tǒng)有BOSCH尿素噴射系統(tǒng)，以及Emitec尿素噴射系統(tǒng)。一般的尿素SCR系統(tǒng)中應(yīng)用壓縮空氣輔助尿素水噴射。正常工作時，一路空氣供給尿素水噴嘴，使尿素水溶液在噴射時霧化；另一路空氣供給尿素泵，控制尿素水溶液回流量的大小。無壓縮空氣的尿素噴射系統(tǒng)，通過噴嘴的特殊設(shè)計實(shí)現(xiàn)尿素水溶液的霧化。無壓縮空氣的SCR系統(tǒng)因其體積小、輕量化的特點(diǎn)在柴油乘用車等小型車輛上應(yīng)用較廣。

尿素SCR系統(tǒng)中尿素水溶液的控制模式有兩種：即開環(huán)控制、閉環(huán)控制。開環(huán)控制沒有任何反饋信息返回到尿素水溶液控制單元對下一步控制指令進(jìn)行修正；而閉環(huán)控制，通過快速且實(shí)時的NOx與NH3檢測，對尿素水溶液的噴射量進(jìn)行修正，如圖2、3所示。歐Ⅵ排放的NOx排放要求使得SCR后處理系統(tǒng)在盡量避免NH3滑失的前提下，最大地提高NOx的轉(zhuǎn)化效率，所以SCR控制系統(tǒng)必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，技術(shù)難題是NOx與NH3傳感器的技術(shù)水平。如圖2所示歐Ⅵ排放時，SCR系統(tǒng)后NOx傳感器信號得到的數(shù)值很難判斷主要是NOx排放引起的還是NH3滑失引起的，如果錯誤地認(rèn)為NH3滑失引起的NOx傳感器數(shù)值增加是因?yàn)镹Ox排放引起的，那么將會引起更多的NH3滑失。俄亥俄州立大學(xué)的Ming Feng Hsieh、Junmin Wang通過一種控制算法來區(qū)分NOx傳感器測得的NOx量和NH3量，使NOx反饋信息更加準(zhǔn)確，從而提高了SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率[4]。目前Delphi研發(fā)的NH3傳感器由于其受NOx組分的影響小而越來越受到人們的關(guān)注[5]。

圖2 NOx傳感器測得的NOx、NH3排放濃度范圍

圖3 不同SCR控制策略的SCR轉(zhuǎn)化效率及NH3、NOx排放量

2 滿足歐Ⅴ以上排放法規(guī)的SCR技術(shù)

柴油機(jī)歐Ⅴ排放法規(guī)促使SCR系統(tǒng)在保證NH3滑失限制的條件下，進(jìn)一步提高SCR的轉(zhuǎn)化效率。柴油機(jī)歐Ⅵ排放法規(guī)，不但使排放限值在歐Ⅴ的基礎(chǔ)上更加嚴(yán)格，而且采用了WHTC、WHSC和NTE循環(huán)試驗(yàn)來替代ETC、ESC和ELR試驗(yàn)，該試驗(yàn)循環(huán)注重發(fā)動機(jī)低溫工況特性。所以國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)根據(jù)歐Ⅴ、歐Ⅵ排放法規(guī)要求，對SCR技術(shù)進(jìn)行了匹配研究，擴(kuò)展了SCR的功能，主要的研究技術(shù)如下所述。

2.1 SCR混合器技術(shù)

SCR的還原劑NH3是以尿素水溶液（體積分?jǐn)?shù)為32.5%±0.5%）的形式存在，尿素水溶液通過尿素噴射系統(tǒng)噴入到排氣管中，尿素在排氣管通過三步進(jìn)行分解。

第一步溶液中的水首先蒸發(fā)。

第二步尿素分解釋放一個NH3分子和一個異氰酸（HNCO）分子。

第三步這個異氰酸隨后與水發(fā)生水解反應(yīng)生成NH3和CO2（HNCO+H2O---NH3+CO2（水解））。

這兩個NH3分子與NOx反應(yīng)，來減少NOx排放。在分解過程中也可能產(chǎn)生不完全分解的情況，例如HNCO的不完全分解。HNCO的三聚作用會形成三聚氰酸并與NH3反應(yīng)得到不希望得到的成分如ammelide、ammelind、melamine，造成尿素結(jié)晶、催化器老化等問題。很多廠商在應(yīng)對該問題時，提出除采用CFD技術(shù)優(yōu)化SCR系統(tǒng)外，還進(jìn)行了各種尿素混合器的設(shè)計[6]，如圖4所示?；旌掀髂軌蚴鼓蛩厮芤簢婌F液滴與發(fā)動機(jī)尾氣更加充分地混合，形成更加均勻的NH3分布。該技術(shù)在國內(nèi)外都得到了很好的利用。

圖4 不同類型的混合器設(shè)計

2.2DOC匹配SCR技術(shù)

SCR催化器中NH3與NOx的還原反應(yīng)主要有以下三個方程：

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)：

快速反應(yīng)：

慢速反應(yīng)：

柴油機(jī)排放的NOx中NO含量通常占85%以上。因此NOx的催化還原反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)是最主要的反應(yīng)。大量研究結(jié)果表明，當(dāng)增加NOx中NO2的比例時，可以提高低溫條件下SCR對NOx的轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)NO與NO2濃度之比為1時將會有最佳的NOx催化轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)NO2超過50%時將發(fā)生慢速反應(yīng)。

國外通過DOC調(diào)節(jié)NOx中NO的比例，提高SCR催化器低溫時的催化轉(zhuǎn)化效率的相關(guān)研究有很多，得出的結(jié)論也很多。例如：Walker等人提出的催化器后處理系統(tǒng)，如圖5所示。由于預(yù)氧化劑DOC大大增強(qiáng)了轉(zhuǎn)化過程的活性，使該系統(tǒng)具有極佳的低溫反應(yīng)特性。Gekas等人測試了預(yù)氧化劑對改善催化劑低溫活性的影響，實(shí)際測試表明，如果用相同體積大小的SCR催化劑代替預(yù)氧化劑，同樣可以達(dá)到相似的轉(zhuǎn)換效果，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)卻相對簡單[7]。結(jié)論的不同主要源于不同DOC的氧化效率導(dǎo)致SCR催化劑特性不同?？傮w來說DOC內(nèi)NO2的形成主要取決于溫度，因?yàn)橹挥挟?dāng)所有的CO及80%的碳?xì)浠衔锉晦D(zhuǎn)換后才開始生成NO2，很多DOC對NO氧化成NO2的能力有限。而SCR催化劑不同、體積不同，低溫時NOx的轉(zhuǎn)化效率也會有所差別。文獻(xiàn)[11]中較詳細(xì)介紹了DOC對NOx的氧化作用，驗(yàn)證了在NO2/NO的比值接近1時NOx轉(zhuǎn)化率最高，同時也驗(yàn)證了NOx在SCR系統(tǒng)反應(yīng)過程中，無論NO/NO2的比例是多少，NO與NO2主要是按1：1的比例參與了快速反應(yīng)（2），過多的NO或NO2才參與了標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)（1）或慢反應(yīng)（3）。

圖5 DOC匹配SCR方案

2.3 雙SCR匹配技術(shù)

雙SCR匹配技術(shù)是在考慮低溫工況下，限制NH3滑失的基礎(chǔ)上，使SCR的NOx轉(zhuǎn)化效率最大化的假設(shè)條件下提出來的。該方法利用了SCR催化器低溫的儲氨特性。如圖6所示，催化劑溫度和氣體NH3的濃度對SCR催化劑NH3存儲量的影響關(guān)系曲線。溫度越低，NH3濃度越高，則越多的NH3被存儲到SCR催化劑中，反之亦然。

圖6 SCR催化器NH3存儲能力隨溫度與NH3濃度的變化

雙SCR系統(tǒng)中第一個SCR催化器存儲較多的NH3，從而獲得高NOx轉(zhuǎn)化效率。第二個SCR催化器布置在距離第一個SCR催化劑很遠(yuǎn)的地方，使其溫度較低。則當(dāng)?shù)谝粋€SCR催化器出現(xiàn)NH3滑失，第二個SCR催化劑將吸收第一個SCR滑失的NH3，然后NH3才開始從第二個催化劑中釋放。清除第二個SCR催化器中存儲的NH3是通過觸發(fā)SCR再生策略提高排氣溫度并減少尿素噴射率來完成的。該技術(shù)缺點(diǎn)是增加了一個SCR系統(tǒng)，則不可避免地導(dǎo)致后處理系統(tǒng)的成本和體積增加。所以文獻(xiàn)[8]利用了SCRT技術(shù)，如圖7所示，從而使整體的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)體積和成本控制在一個合理的范圍內(nèi)。

圖7 雙SCR匹配方案

2.4ASC匹配SCR技術(shù)

氨氣催化器ASC安裝在SCR催化器下游，含有低組分貴金屬的氧化催化劑，氨氣催化器也是為了提高SCR的轉(zhuǎn)化效率而設(shè)計的，如圖8所示。因?yàn)橐欢ǖ腘Ox濃度、溫度、空速和氣體組成成分下，NOx轉(zhuǎn)化和NH3釋放是此消彼長的關(guān)系，所以為了得到高的NOx轉(zhuǎn)化，SCR催化器不可避免地存儲了較多的NH3，溫度突增會引起的NH3滑失。通常氨氣催化器是組合了SCR與DOC功能的后處理系統(tǒng)[9]，SCR催化器泄露的NH3可以通過氨氣催化器去除。很多歐Ⅴ以上的柴油機(jī)采用了該方法[10]。

圖8 ASC匹配SCR

2.5 排氣熱管理技術(shù)

SCR催化器的轉(zhuǎn)換效率主要取決于溫度，溫度是影響NOx轉(zhuǎn)換的主要參數(shù)。實(shí)踐表明，為了使尿素轉(zhuǎn)換成氨氣并防止尿素沉積在排氣管內(nèi)，起始溫度應(yīng)不低于150℃與200℃之間。排氣溫度越高越有利于排氣后處理。

提高排氣系統(tǒng)溫度的方法有很多，可通過發(fā)動機(jī)自身提高排氣溫度（如推遲預(yù)噴時間或改變進(jìn)氣溫度等），此時整個排氣系統(tǒng)下游的溫度也隨之升高。一個包括DOC、DPF及SCR催化器的完整系統(tǒng)需要大量的能量來充分提高SCR催化器的溫度?；蛘咭部芍苯犹岣逽CR催化器局部溫度，例如：雷諾卡車公司推出的重載DTI 11和DTI 13機(jī)型歐Ⅵ柴油機(jī)，獨(dú)有的發(fā)動機(jī)廢氣加熱系統(tǒng)利用進(jìn)氣閥和“第7噴射器”燃燒器，來擴(kuò)展SCR功能，提高SCR催化器局部溫度。采用哪種方法還需要通過熱管理法來優(yōu)化加熱系統(tǒng)引起的燃油、尿素水溶液的成本波動[11，12]。

3 結(jié)論

柴油機(jī)SCR后處理技術(shù)成功應(yīng)用到了歐Ⅳ以上發(fā)動機(jī)上。隨著排放法規(guī)日益嚴(yán)格，SCR催化劑技術(shù)不斷成熟、完善，SCR的設(shè)計理念也在不斷的更新?lián)Q代，為了適用于不同的循環(huán)測試標(biāo)準(zhǔn)及適用對象，SCR的溫度窗口不斷擴(kuò)大，SCR的體積不斷縮小。發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)運(yùn)行成本也在不斷優(yōu)化。

1蔣德明.達(dá)到歐Ⅵ排放法規(guī)的新一代車用重載柴油機(jī)[J].車用發(fā)動機(jī)，2009（4）：1～6，15

2李鵬，譚丕強(qiáng)，樓狄明，等.滿足國V排放的重型柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)[J].車用發(fā)動機(jī)，2010（4）：1～5，22

3James W.Girard,Clifford Montreuil,Jeong Kim,et al.Technical advantages of Vanadium SCR systems for diesel NOxcontrol in emerging markets[C].SAE Paper 2008-01-1029

4Ming Feng Hsieh,Junmin Wang.An extended Kalman filter for NOxsensor ammonia cross-sensitivity elimination in selective catalytic reduction applications[C].2010 American Control Conference

5Da Yu Wang，Sheng Yao，Mark Shost，et al.Ammonia Sensor for closed-loop SCR control[C].SAE Paper，2008-01-0919

6Rinie Van Helden，Ruud Verbeek，F(xiàn)rank Willems，et al. Optimization of Urea SCR DeNOx Systems for HDDiesel Engines[C].SAE Paper 2004-01-0154

7P L.T.Gabrielsson.Urea-SCR in automotive applications[J]. Catalysis，2004，28（1-4）：177~184

8Gang Guo，James Warner，Giovanni Cavataio，et al.The development of advanced urea-SCR systems for Tier 2 Bin 5 and beyond diesel vehicles[C].SAE Paper，2010-01-1183

9柴田正仁，山田岳.發(fā)動機(jī)排氣后處理技術(shù)[J].國外內(nèi)燃機(jī)，2013（3）：51～56

10 Phil Blakeman，Karl Arnby，Per Marsh，et al.Optimization of an SCR catalyst system to meet EU IV heavy duty diesel legislation[C].SAE Paper，2008-01-1542

11 Paul Mentink，F(xiàn)rank Willems，F(xiàn)rank Kupper，et al.Experimental demonstration of a model-based control design and calibration method for cost optimal Euro-VI engine-aftertreatment operation[C].SAE Paper，2013-01-1061

12陳鎮(zhèn)，陸國棟，趙彥光，等.柴油機(jī)尿素SCR氨分布均勻性的試驗(yàn)與模擬優(yōu)化[J].車用發(fā)動機(jī)，2012（1）：41～45

Investigation of SCR After-Treatment Technology for Heavy Duty Diesel to Meet the Emission Regulations above Euro 5

Wang Guoying，F(xiàn)u Haiyan，Yu Hongsheng，Zhong Lei，Cheng Xiuwei，Ren Qingshuang，Dong Jiangfeng
China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）

The technical roadmaps of emission regulations of foreign heavy duty diesel are investigated.The technical characteristics of SCR system are analyzed.SCR after-treatment technologies meeting the emission regulations above Euro V are discussed.It's pointed out that the design conception of SCR has been renewed，the temperature window of SCR has been enlarged，and the volume of SCR has been reduced continuously.The operating cost of engine and after-treatment is being optimized constantly.

Diesel，SCR after-treatment，Mixer，DOC，Twin-SCR，Ammonia catalytic converter，Exhaust heat management

TK421+.5

A

2095-8234（2014）06-0085-05

2014-09-24）

王國瑩（1981—），女，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)燃油系統(tǒng)與后處理匹配設(shè)計。