柴油機SCR技術的應用探究

2017-03-15 20:11:46王成成曹杰張繼云梁甫牟爽陳永艷

綠色科技 2016年22期

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的不斷發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、經濟性好等諸多優點，使其受到更多人的青睞。探析了目前柴油機排放所產生的環境問題，闡述了目前有關汽車尾氣排放污染控制的研究及各自的優點與不足。主要分析了SCR技術的突出優點，國內外研究現狀以及在應用中有待解決的一些問題及發展方向。

關鍵詞：車用尿素；選擇性催化還原技術；尿素沉積

中圖分類號：TK42

文獻標識碼：B文章編號：1674-9944（2016）22-0155-04

1引言

21世紀以來，隨著我國國民經濟的快速增長，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，使其發展重心由軍工轉向民用，由水陸通航轉向其他諸多領域，且所占比重日趨增長。

2013年2月6日，國務院召開會議研究確定油品升級的相關事宜。根據會議要求，我國將于2014年底及2017年底分別完成汽、柴油國Ⅳ標準以及國Ⅴ標準的過渡。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，根據研究分兩種辦法解決：優化燃燒+SCR路線，EGR+DOC+EPFL路線。其中選擇性催化還原（SCR）技術因能滿足國Ⅳ標準中對NOx排放量的限制而被普遍采用。應用該項技術，能夠使燃燒系統與燃油噴射系統得到有效優化，降低機油消耗。以發動機內凈化技術和排放后處理系統為主體的SCR技術的應用普及，將大幅度降低尾氣中NOx的排放量。隨著國家排放標準的不斷發展，污染物排放法規也必定越來越嚴格，新型能源的開發利用和尾氣排放的改善處理，也定會促使相關技術的不斷普及和完善，SCR技術將得到更加廣泛的實際運用與推廣。

2SCR技術的基本原理

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，降低尾氣中氮氧化物含量；反應未進行或進行不徹底的剩余產物在反應器末端媒介作用下轉變為氮氣與水最終排放。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均勻噴射尿素水溶液，溶液經過加熱管路蒸發熱解，經過一系列催化反應，加速氮氧化物的還原反應，同時抑制還原劑的氧化反應，最終生成純凈的氮氣和水。選擇催化還原過程中化學反應方程式催化NOx總量反應式：

3SCR后處理系統

如圖2為試驗用后處理系統，主要由柴油機電控系統和相關的硬件組成。CAN總線將ECU從各傳感器中獲取的發動機轉速、負荷及溫度信號傳遞給SCR控制器，確定發動機所處的工況。根據所處工況調取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。由汽車電控系統控制SCR控制器，從而實現后處理系統在不同工況下都能噴射出適量的尿素水溶液[2]。

4車用SCR技術研究狀況

4.1國外研究現狀

國外對SCR技術的研究較早，研究的方面也十分廣泛，因此在技術方面較國內也更加成熟。為了應對日趨嚴格的排放法規，歐洲的很多重型柴油機上已經普遍安裝了SCR系統。

由于Urea—SCR系統的NOx轉化效率容易受到排氣溫度的影響，為提高Urea—SCR體系轉化效率，日立（Hitachi）公司[3]開發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的轉化效率。該開發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，以達到更好的節能效果。

針對SCR的應用，德國的博世（BOSCH）公司[4]開發了由噴射模塊（Dosingmodule）和定量配給模塊（Deliverymodule）組成的SCR應用系統DENOXTRONIC，該系統有效地解決了NOx轉化效率與NH3泄漏量之間的矛盾，而且該系統已經能夠滿足歐Ⅳ和歐Ⅴ排放標準所要求的NOx的限值。該系統在NEDC（NewEuropeanDrivingCycle）測試循環下，NOx的最大轉化效率達65%，在美國FTP測試循環下NOx最大轉化效率高于75%，并且可以減少40%的微粒排放，節省5%的油耗。

針對計劃于2005年10月實施的歐IV標準，康明斯[5]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。該技術采用了高效的SCR，為了使排放控制更加有效，IEM使用了電控模塊進行控制。該電控系統還可根據車載排放診斷系統（OBD）隨時監控系統運行情況，提醒駕駛員及時加注尿素溶液，按時對系統進行保養。為達到2007年施行的EPA最新的環保法規，梅塞德斯—奔馳公司[5]把SCR這種后處理技術運用到他們生產的柴油車中，并考慮把這一系統配置到部分的商務車中。

丹麥格倫德福斯公司[6]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，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，對環境的污染很小。

4.2國內研究現狀

國內對SCR技術的研究起步較晚，因此SCR技術在國內還有些不成熟。但國內許多的公司已經推行出能夠滿足國Ⅳ甚至國Ⅴ排放標準的SCR技術。國內很多科研院所在SCR技術研究的各個方面也做出了巨大貢獻。

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

在控制策略方面，清華大學的胡靜，趙彥光等人針對重型柴油機尿素SCR后處理系統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后處理系統達到了國Ⅳ及以上的排放標準[9]。錢楓、喻方平等人運用CAN總線和各路傳感器，依據柴油機工況變化以及催化器溫度變化，根據內部協定的穩態分配策略以及動態修正策略，準確地控制尿素噴射系統向排氣管中噴射尿素水溶液，從理論上實現了歐柴油機SCR系統中尿素水溶液控制器的開發。北京理工大學的姜磊，葛蘊珊等對柴油機SCR系統的穩態和瞬態特性進行了研究，引入復合階躍比對柴油機瞬態工況NOx的排放量進行了較好的修正，從而有效減少了氨泄漏[10]。

在數值模擬方面，江蘇大學王謙[11]對Urea—SCR排氣管路中尿素水溶液蒸發霧化過程進行CFD模擬，對尿素結晶成因進行分析，通過優化噴嘴的相關參數來減少管路結晶；同時優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]在計算流體力學模擬仿真的基礎上，加入尿素-氨轉化過程和SCR反應動力學模擬模型，成功達到了對整車SCR系統過程的模擬，建立了Urea—SCR系統三維模型，并提出SCR系統的評價指標。大連理工大學的蘇慶運[13]利用FLUENT軟件并耦合化學計算模塊CHEMKIN，基于Rh催化劑表面CO-O2詳細反應機理模型，對徑向變孔密度載體建立催化反應模型。結果證明變孔密度載體的流動分布情況和CO轉化率優于原載體，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系統的反應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發生系列反應生成氮氣和水，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較大。

（3）理想狀態下，尾氣中噴射的尿素水溶液經過蒸發熱解等過程分解為氨氣和二氧化碳，通過氧化還原反應將NOx轉化為N2和H2O，實現有害氣體的轉化[13]。然而，在實際過程中，尿素水溶液的分解反應的完成受到反應溫度的限制。當溫度小于210℃時，SCR系統的催化轉化速率很低，不能正常工作發揮作用；當溫度高于210℃時，尿素水溶液分解反應產生多方向反應，大大增加了反應的不確定性，使得部分尿素不能分解或者不能完全分解，甚至造成NH3發生氧化反應重新生產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，發動機轉速相對較低，實際尾氣排放溫度較低，往往達不到尿素溶液分解反應的最佳溫度，使得SCR系統不能正常工作發揮作用。當溫度一直保持較低溫度（210℃以下）時，催化轉化后處理系統效率往往很低甚至不起作用，導致實際運行過程中NOx排放超標；同時，低溫會導致排氣管中尿素結晶沉積堵塞排氣管，影響SCR系統在城市柴油機車上的應用推廣[14]。

6結語

目前，使用排放后處理系統已經成為世界主流趨勢。SCR系統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及以上標準，還具有對發動機結構改動小，對當今主流發動機具有良好繼承性，便于技術升級的簡潔連貫性，而且對相關燃油品質要求較低，適用于我國的基本國情與正在逐步完善健全的排放法規。SCR系統必定會在將來得到更加廣泛的推廣應用。

參考文獻：

[1]徐民.車用尿素SCR技術進展現狀及發展展望[J].山東化工，2015.

[2]姜磊，葛蘊珊，李璞，等.柴油機尿素SCR后處理系統排放特性試驗研究[J].內燃機工程，2010.

[3]姚廣濤，索建軍，鄧成林.柴油機UreaSCR研究進展[J].中國高新技術企業，2010（4）：163～165.

[4]周明星.車用柴油機Urea-SCR技術降低NOx排放的研究[D]鎮江：江蘇大學，2011.

[5]周建偉.應用SCR技術滿足重型柴油機國V排放的研究[D].上海：上海工程技術大學，2014.

[6]黃鵬.國外車用柴油機SCR技術的應用研究[J].車用發動機，2005（3）：5～7.

[7]覃軍.降低柴油機NOx排放的SCR系統控制策略研究[D].武漢：武漢理工大學.2007：68～105.

[8]馬國勝，譚祖健.SCR在國內的應用于展望[J].內燃機，2008（3）：1～2.

[9]胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機尿素SCR后處理系統的控制策略的研究[J].內燃機工程，2011，32（2）：1～5.

[10]胡靜，趙彥光，陳婷，等.重型柴油機SCR后處理系統尿素噴射電子控制單元開發[J].內燃機工程，2011，32（1）：8～12.

[11]佟德輝，李國祥，陶建忠.利用SCR技術降低車用柴油機NOx排放的控制策略研究[J].車用發動機，2009（5）：39～43.