柴油发动机尾气后处理技术(SCR)的应用

柴油发动机尾气后处理技术（SCR）的应用

林晓周

（华南理工大学机械与汽车工程学院11级车辆1班201130080454）

摘要：随着柴油机排放法规的日益严格，后处理技术是满足欧IV及以上排放法规必须采用的技术措施。2010年之后，国家计划三年内实施柴油车国Ⅳ标准，这对EGR技术提出了极大挑战。EGR技术难以适应柴油车更加严格的排放要求，而SCR则能满足国Ⅳ及国Ⅴ排放标准，因此SCR技术成为了市场发展主流。SCR 技术被称为目前比较流行和广泛的机外柴油机排放控制技术。全称叫选择性催化还原技术，其转化器具有很强的选择性，主要是针对NOx的排放控制，其还原系统的还原剂可用各种氨类物质或者各种HC。

关键词：SCR、尾气后处理技术、柴油机、NOx

1.EGR与SCR之争

为了满足欧Ⅳ～欧Ⅵ排放法规，欧美中重型商用车及柴油机企业在尾气后处理方面，主要采用了两条排放控制技术路线。其一是“优化燃烧+SCR”技术路线，简称SCR路线。其基本工作原理是通过优化柴油发动机缸内燃烧过程，使燃烧废气中的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）及颗粒（PM）等排放物得到有效控制并达到法规要求，最后对发动机排出尾气中含量较高的氦氧化物通过专门的车载后处理系统进行技术处理，以满足法规要求。这一技术路线目前在欧洲占主流，欧洲长途载货车几乎全部采用这一方案。

其二是“EGR＋DOC/DPF/POC（废气再循环＋柴油氧化催化器/柴油颗粒过滤器/颗粒氧化催化器）”技术路线。其中以“EGR＋DPF”应用最广泛，简称EGR路线。EGR（废气再循环）技术，是将柴油机排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气融合后进入

气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧，降低了燃烧时气缸中的温度，因NOx是在高温富氧的条件下生成的，故对NOx进行了抑制，从而降低了废气中NOx的含量。这一技术路线在北美市场占主流。SCR技术是目前世界各国特别是欧盟各国普遍采用的控制柴油车尾气排放的一项成熟技术。目前，几乎所有的欧洲载货汽车制造商，比如达夫、依维柯、梅赛德斯-奔驰、雷诺以及沃尔沃公司，为了减少载货汽车尾气中有害成分的排放，均采用了SCR技术。

2. SCR系统简介

2.1 SCR系统反应原理

SCR是Selective(选择性)、Catalyic(催化)、Reduction(还原)的英文缩写，是一种机外净化系统。NOx选择性催化还原技术作为有效的排气后处理措施最初应用在锅炉、焚烧炉和发电厂等固定式的污染源上以降低NOx的排放。基本原理是以氨气作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机排气中有害的NOx转化为无害的氮气(N2)和水蒸气。由于氨气本身虽然无毒，但是一种刺激味很强的气体，不便于直接在汽车上使用，故采用向排气管中喷射尿素水溶液的方式提供反应所需的氨气。戴-克Actros和沃尔沃FH12重卡达到欧IV、欧V排放所用BlueTec技术的基础就是SCR系统。SCR技术的一个非常显著的优点就是它对燃油中的硫不敏感。

在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括:尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOx在催化剂表而与NH3发生的催化表而化学反应。选择催化还原技术，是利用排气管废气的热量使得还原剂（尿素+水）热解生成氨气，并在催化器表面涂层的催化作用下与废气中的NOx进行还原反应生成氨气和水。反应式如下：

2.2 SCR系统工作原理

SCR系统主要由尿素罐、尿素泵、压缩空气罐、计量供给装置、SCR控制器、尿素喷射装置、SCR催化器和传感器等组成（图1）

尿素罐用于尿素溶液的储存与供给。尿素箱上安装有液位及温度传感器。液位传感器用于系统诊断、尿素用量监控及低液位报警等。温度传感器则用于监测尿素溶液的温度，来确定是否需要启动或者关闭加热装置，防止溶液冻结或过热。对尿素溶液的加热多利用发动机冷却液实现。

尿素泵为尿素溶液输送到喷射装置提供动力。压缩空气罐用于给计量装置提供压缩空气，使得尿素液滴在计量装置内提前雾化，并可将管路中的尿素溶液吹除干净，防止尿素在管路中残留结晶阻塞管路。

控制器通过控制计量装置可控制发动机不同工况下的尿素喷射量，并有检测系统故障的功能;喷射装置主要是将雾化溶液均匀地喷人发动机排气中，以提高催化剂的转换效率。SCR 催化器由载体、涂层、封装3部分组成，是进行净化反应的主要场所。其上安装的温度传感器可以检测催化剂是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行，并据此确定需要喷人的尿素量。SCR系统中计量装置与喷射装置最为重要的喷射量，二者的精度及响应速度直接影响尿素溶液。

SCR工作时，尿素泵运转吸出尿素罐内的尿素溶液，在压缩空气作用下，尿素溶液在

计量单元内提前雾化混合，计量单元根据SCR控制器传来的尿素喷射量控制信号将一定的尿素溶液通过喷射装置喷射到SCR催化器前的排气管内。在排气管内尿素溶液中的水分迅速气化，尿素分解出的氨随排气一起进人催化器，再经过氨扩散器进一步混合后，在催化器表面与氮氧化物经过充分的催化反应，将NOx转化为无害的氮气和水并随排气排出发动机。

3. SCR系统弊端

SCR尽管有很多优点，但也存在着一些亟待解决的问题。第一，使用SCR技术需要在车上安装一套选择性催化还原系统。该系统不仅占用空间大、增加车重，而且需要建设一套完整的尿素溶液加注基础设施。第二，使用SCR系统对OBD监控系统提出了更高要求，发动机及零部件企业在电子系统开发难度上都有所增加。第三，也是业界争议最大的是SCR 系统使用中的诚信问题。如可能会发生尿素供应商用伪劣尿素以次充好的问题。如果用户在利益驱使下不使用SCR系统，将带来排放严重超标的问题。另外，目前控制中国绝大部分加油站的两大石化巨头，至今还没有建设尿素溶液补给站。

国内柴油车进入更加严格的排放时期，使用SCR技术已经没有太多争议，但就这种技术路线而言，由于后处理系统生产商、尿素溶液供应商不同，有时会产生截然不同的效果。公交行业在国内最早使用SCR技术。国内有部分使用了SCR技术的国V公交车，在使用的过程中陆续出现了严重的尿素结晶现象，导致排气管被严重堵塞，车辆无法正常行驶。

参考文献：

[1]邱英杰，石锦芸.高压共轨柴油发动机的SCR处理系统J.农业装备与车辆工程,2009

年第11期

[2]王福亮.柴油机SCR技术J.内燃机，2011年6月

[3]覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究D