應用SCR技術實現歐IV車用柴油機排放標準

郭學靜 天納克同泰（大連）排氣系統有限公司 116100

應用SCR技術實現歐IV車用柴油機排放標準

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本文對柴油機排氣后處理裝置的特點與應用情況進行了研究，介紹了選擇催化還原技術 (SCR)的機理、系統組成及工作原理,以及為實現歐IV 排放標準，采用SCR技術的現狀及未來展望。

柴油機排氣后處理；SCR 技術；展望

與汽油機相比，柴油機具有扭力大，可靠性高，維護費用低和燃油經濟性好等優點，而且我國有望在2011年底實施重型柴油機歐IV排放法規，車用柴油機的發展研究將進入一個新階段。在燃燒方面，目前技術措施大多數被采用，傳統擴散燃燒方式的潛力已到極限，僅靠燃油優化的方式已經無法滿足要求。采用與柴油后處理技術相結合，達到更為苛刻的排放指標，是當前滿足要求的主要技術路線。

1. 選擇性催化還原( SCR )技術

柴油機的主要排放物有CO , HC (少量) , NOx 及碳煙微粒( PM) ,其中NOx為影響較大的有害氣體之一。為實現歐IV排放標準，有兩條機后凈化技術路線：一是通過優化燃燒，再使用選擇性催化還原(SCR)來降低因燃燒產生的NOx排放（被稱為歐洲路線）；二是廢氣再循環（EGR）+顆粒捕捉器(DPF),先通過EGR降低排放中NOx含量，再使用DPF捕集因使用EGR產生的略有增加的PM，達到同時降低NOx和PM的效果（被稱為美國路線）。從表一可以看出，SCR技術路線具有燃油消耗率低（扣除因使用尿素而增加的費用，還有2%～3%的優勢）以及對燃油品質不敏感等優點，而成為國內大量進行研究的技術，國外已經開始投入實際使用。

表一 兩種不同凈化路線比較

1.1. 反應機理

尿素與水以一定比例混合（一般為32.5%），噴入柴油機排出的廢氣中，尿素水解后生成的氨氣（NH3）在高于300℃的環境中，在催化劑的作用下與NOx迅速反應，生成氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），而柴油機排氣溫度在300 ℃～500℃范圍內，滿足了還原條件。反應化學式為：

1.2. SCR 系統構成及工作原理

典型的SCR 系統的組成見圖一，包括以下三個部分。

1)催化轉換器

催化轉換器外表與消聲器相似，一般安裝在消聲器中，因此體積比消聲器有所增加，理論上講要增加15%左右才能滿足噪聲排放標準以及背壓的需要。

2)儲液罐

尿素以水溶液的形式儲存在儲液罐中，容積一般為18.9～113.6L。

3) 尿素噴射和控制系統

閉環控制系統主要由各類傳感器、供給模塊、尿素計量和噴射裝置、電控單元、空氣供給裝置等組成。

工作原理：如圖二所示，尿素泵將尿素柜中的尿素液泵入計量器中，計量器收到控制中心的指令后,提取一定量的尿素液與壓縮空氣混合形成初步霧化尿素并通往噴槍,多余的尿素液返回尿素柜。在排氣管的混合區,尿素已分解成NH3和H2O 并與煙氣充分混合,然后進入SCR 反應裝置。SCR 裝置的催化劑作用使NH3將迅速還原為N2和H2O ,隨煙氣排入大氣。

2.SCR的應用研究

為了滿足日趨嚴格的排放法規,國外許多汽車及發動機制造商已經開始把SCR技術運用到產品上,也就意味著SCR 開始進入實用階段。

2.1 康明斯集成式排放控制( IEM)系統針對計劃于2005日10月實施的歐Ⅳ標準,康明斯將采用集成式排放控制系統IEM 技術,即把發動機缸內凈化和尾氣后處理集成在一起,實現“從進氣到排氣”的全過程控制。

2.2 格倫德福斯—托普索尿素SCR系統丹麥格倫德福斯公司和托普索科技公司合作研發出卡車用新型柴油引擎催化轉化器。該裝置可節省4 %的耗油量,將對人體有害的納米級PM 排放量減半,并降低NOx 和烴的排放量,減少柴油燃燒時產生的異味。

2.3 國內也開始逐步研發SCR產品，主要使用的整車廠有一汽解放公司，中國重汽集團，濰柴等，他們使用天納克公司的后處理器已經開始裝車進行路試，有望在2011年底法規出臺之前，轉入批量使用。SCR結構一般有箱式和筒式兩種結構，如圖三, 四。

3. SCR技術未來發展展望

雖然SCR 技術配以燃燒優化能夠解決柴油機兩種排放污染物NOx 和PM之間互為矛盾的生成關系問題, 但使用SCR后不但要增加SCR本身裝置重量約150～300 kg, 還要增加一個尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。尿素噴入量過少, 達不到應有的處理水平; 尿素噴入量過多, 則會使多余的氨氣排入大氣,導致新的污染。所以必須要有高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應的高精度的尿素噴射裝置。最后, 在溫度較低(-11℃)的情況下,尿素- 水溶液會結冰, 也使其在寒冷地區推廣使用受到限制。不過, 目前可使用添加劑來降低尿素冰點, 考慮能源消耗而不采用加熱整個尿素箱的方案。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.077