发动机SCR技术

1、柴 油 机 自 1892 年 问 世 以 来 , 凭 借其良好的动力性、经济性和耐久性 等优点, 在各种动 力 装 置 、船 舶 和 车 辆上得 到 了 广 泛 的 应 用 。 从 上 世 纪80 年代后期开始, 轿车上也越来越 多地应 用 柴 油 机 , 目 前 德 国 生 产 的1.42.0L 排量的小轿车中, 有 61%是 柴油机轿车, 而法国柴油机轿车的比例高达 88%。从世界范围来看, 汽车 柴油化已成为一种不可逆转的趋势。柴 油 机 与 同 等 功 率 的 汽 油 机 相 比, 微粒( PM) 和氮氧化物( NOx) 是排 放中两种最主要的污染物。从目前降 低汽车尾气排放的技术途径

2、来看, 要 达到欧排放标准, 一般不再从发动 机本身的结构方面采取措施, 通常是 采取排 气 后 处 理 的 方 式 来 降 低 污 染物的排放量, 而尿素- SCR 选择性催 化还原法是最具现实意义的方法, 它 能把发动机尾气中的 NOx 减少 50% 以上。1.欧排放法规从欧到欧, 对柴油机进行了 较多的改进, 如加 强 增 压 中 冷 、多 气 门技术、废气再循 环 及 冷 却 、电 控 高 压喷射系统( 共轨、泵喷嘴、单 体 泵) 等, 在降 低 油 耗 的 同 时 , NOx 和 PM 都有所下降, NOx 从 7g/kWh 下降到5g/kWh, PM 从 0.15g/kWh 下 降

3、 到0.1g/kWh。欧 洲 自 2006 年 10 月 起 执 行 欧 /标准, 对 NOx 和 PM 的排放提 出了更高的要求。从欧到欧, PM 的 排 放 限 值 从 0.1g/kWh 下 降 到0.02g/kWh, NOx 的 排 放 限 值 从 5g/ kWh 下降到 2.5g/kWh ( 指柴油小 客车, 载货车为 350mg 以下) 。在欧的基础上, 仅仅对发动机内部参数进行优化, 虽然可以继续降 低排放, 但不足以满足欧/标准。 欧是 柴 油 机 排 放 控 制 技 术 的 转 折 点, 还需要增加其它的技术。2.柴油机尾气净化的可选技术途 径目前, 大致上有两条机外净化技 术

4、路线:其 一 是 先 通 过 超 高 压 喷 射 并 优 化燃烧生成极少的 PM, 再使用选择 性催化还原 SCR, 来降低因燃烧优化 而产生的 NOx( 被称为欧洲路线) , 目 前常用 水 基 性 氨 溶 液 作 为 催 化 还 原 剂, 简称尿素- SCR 系统。其二是采用 EGR( 废气再循环)+DPF( 颗 粒 捕 集 器) , 即 先 通 过 EGR 降低排放中的 NOx, 再用 DPF 捕集 因使用 EGR 而略有增加的 PM, 从而 达到同时降低 NOx 和 PM 的效果( 被 称为美国路线) 。采用尿素- SCR 净化方案的发动 机, 其燃油消耗可节省 5%7%, 扣除因使用

5、尿素而增加的费用, 还有节油2%3% 的优势。这一路线对于燃油 品质相对不太敏感( 欧标准的柴油 含 硫 量 在 200ppm 以 下 , 而 EGR + DPF 路 线 要 求 含 硫 量 必 须 在 50ppm 以 下) , 但 使 用 SCR 后 不 但 要 增 加 SCR 装 置 本 身 的 质 量 ( 约 150 300kg) , 还要增加一个尿素溶液箱和 尿素溶液的质量。按 100L 尿素溶液 行驶 7000km 计算, 一辆汽车损失的 有效载荷在 400kg 左右。3.尿素- SCR 系统的组成典型的尿素- SCR 系统是在原来的尾气净化系统的基础 上, 需要加装一套比较复杂的调

6、节还 原剂喷射量的喷射和控制系统, 最基 本的组成包括以下三个部分。1) 催化转换器催化转换器安置在排气气流中, 它的外表与消声器很像, 只是尺寸大 一些。在很多情况下, 催化转换器就 安装在消声器中, 这时消声器的体积 必须有所增加, 理论上讲要增加 15% 左右才 能 满 足 噪 声 排 放 标 准 以 及 背 压的需要。催化转换器中包含的化学 混 合 物 , 在 氨 出 现 时 帮 助 其 将 NOx 转变成无害的化学物质。 。.2 SCR系统的工作原理 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在催化剂表面与NH3

7、发生的催化表面化学反应。其主要化学方程式如下： NO+NO2+2NH32N2+3H2O 4NO+O2+4NH34N2+6H2O 2NO2+O2+4NH33N2+6H2O SCR系统的工作过程是：当车辆的钥匙开关打到ON挡的时候，控制器（ECU）开始通电，与此同时尿素计量泵开始转动，从尿素储存罐中抽吸尿素溶液，前期计量泵以最大工作压力进行工作，目的是快速建立压力，当泵腔中的压力达到5bar后，计量泵将由ECU进行闭环控制，保持泵腔的压力，用于尿素喷嘴的冷却和喷射。当转速和排气温度达到预先标定好条件后，尿素喷嘴才会喷射尿素溶液。尿素溶液的喷射量由ECU根据柴油机的工况、催化器温度和环境状态来精确计

8、量。尿素溶液被喷射到排气管中，与柴油机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气。由于尿素溶液在气温低于-11的时候会结冰，为了保证系统在低温时候的正常使用，系统配置有化冰功能，化冰的热源来源于柴油机的冷却水。当电控单元通过尿素温度传感器感应到尿素溶液温度较低，可能会出现结冰的情况，那么ECU将打开加热水电磁阀。热的柴油机冷却液就会顺着管道流向尿素储存罐和尿素计量泵内置的换热器，这些地方的冰就会迅速融化。由于冷却液管道和尿素胶管扎在一起，外套保温管，所以尿素管道内部的冰也会同时融化。1.3 SCR系统的布置设计 SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。在国柴油机的开发过程

9、中，相当多的工作是对混和管进行优化设计，包括管道的几何形状、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。 通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。2 应用SCR技术的优缺点分析 柴油发动机的排放控制主要是对排放中的PM

10、和NOx的处理。处理方案一是先在发动机内处理NOx，再处理PM；或者两种都进行后处理。最后这种方法存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统，在发动机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消耗更高。因此，一般多采用在发动机机内减少PM排放，在废气中处理NOx。（1） 目前在废气中处理NOx采用的是SCR处理技术，即：利用尿素溶液（水溶液浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOx（主要是NO）还原为N2和H2O。它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有腐蚀性，必须使用特殊的容器储存。（2） SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入

11、量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素的喷入量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须要有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度的尿素喷射装置。而且尿素消耗较快，定期添加尿素的责任也必须由用户来完成。（3） 使用SCR后不但要增加SCR本身装置的重量，另外还要增加一个尿素溶液箱和尿素溶液。汽车会损失一部分的有效载荷。 （4） SCR作为一个新的后处理技术，因购置、操作和保养费用高、需要加一套较为复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等等原因，在车用柴油机上还没有得到大范围的推广（5） 必须保证行驶区域内对

12、尿素需求的供应，需要车载诊断，并需要自觉及时地加尿素。 在SCR技术的应用方面，目前已基本解决尿素的储存、注入和喷射策略等技术问题，使用耐久性好，但还需进一步解决降低SCR装置以及尿素加注站的成本等问题。3 SCR系统使用注意事项 SCR系统是一个自动控制的系统，当车辆的钥匙开关处于ON挡，车辆电压正常，相关管路连接正确，系统将在控制器的指挥下自动排空、自动化冰、自动喷射等，不需人为干预。SCR系统基本免维护，只要加注符合标准要求的尿素，系统内部终身免维护。用户只要做的就是保持系统外表干净，电器接头干燥即可。 避免尿素储存罐中尿素溶液液位低于最低液位的情况下工作，因为喷嘴需要使用尿素溶液来冷却

13、，所以储存罐中的尿素溶液过少的话会使喷嘴冷却不足，从而导致喷嘴损坏。 SCR系统在发动机停机后，计量喷射系统要抽干管道中的残液，以防结晶堵塞，所以点火开关关闭一分钟后再断开蓄电池总开关。 SCR系统的故障暂时不影响发动机的正常工作，但不能故障持续时间过长。因为SCR系统不正常工作或停止运行时，车辆排放将不能达到标准而污染环境。如果故障持续时间过长，电控系统将降低发动机的功率。SCR系统出现故障时，SCR故障指示灯会点亮。 SCR系统的维护保养严格按发动机厂家的规定执行。 选择性催化还原(SCR)柴油发动机的排气后处理技术是柴油发动机技术发展的核心。SCR处理系统是当前柴油机排气后处理技术之一，

14、它能有效地去除柴油机排气中的NOx。通过将SCR处理系统与共轨柴油发动机结合并合理匹配，可满足更高排放标准的要求。柴油发动机的排放控制主要是对排放中的PM和NOx的处理。控制PM排放的措施有氧化催化器（可溶性颗粒物）、颗粒捕集器（固体颗粒物）。而研究开发中的柴油机NOx后处理方法有选择性非催化还原SNCR、选择性催化还原SCR、非选择性催化还原NSCR和吸附还原催化剂以及最新提出的等离子体-催化转化技术低温等离子体技术具有同时去除NOx和颗粒物PM的潜力。目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOx排放的方法来满足国排放法规对碳烟和NOx的限制。1 高压共

15、轨柴油发动机的SCR系统1.1 SCR系统的构成 SCR系统的作用是去除柴油发动机排气中的NOx。系统采用尿素作还原剂（又名添蓝），在选择性催化剂的还原作用下，NOx被还原成氮气和水。SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。 共轨柴油发动机的催化消声器可以是箱式或桶式，内部装有SCR催化器和消声器管路，表层的不锈钢板下的隔热材料，保证使用过程中的边面温度不会过高。 尿素溶液储存罐用于储存尿素溶液，集成有液面高度和温度传感器。其内部装有化冰热交换装置，利用柴油机冷却水的热量进行化冰。出液口内部装有粗滤器，以防大于0.1mm的大颗粒进入喷射系统。

16、计量喷射泵总成包括计量喷射泵和控制器。泵的作用是以一定的压力输送尿素溶液。控制器的作用是通过CAN总线与柴油机ECU通讯，获取柴油机运行状态信息和SCR系统上的各种传感器的数值，根据事先标定好的各种脉谱，适时计算柴油机实际工作情况下SCR系统的尿素喷射量，从而使柴油发动机排气中的NOx成分被精确还原。由于泵的吸力和自动排空能力有限，泵的进液口距罐底面垂直距离不能超过700mm，平面距离不能超过10m。 尿素喷嘴的作用是按照控制器的指令来进行尿素溶液的喷射。喷嘴的主体由不锈钢材料制成，安装在排气管上。 冷却液电磁阀是为系统化冰服务的。当电控单元通过尿素温度传感器感应到尿素温度较低，可能会出现结冰

17、的情况，那么控制器将打开加热水电磁阀。热的柴油机冷却液就会顺着管道流向储存罐和泵内置的热交换器，这些地方的冰就会迅速融化。阀体上一般标有流动方向，安装时请注意安装方向。 SCR系统示意图如图1所示。用于高压共轨柴油发动机的SCR系统组成如图2所示。1.2 SCR系统的工作原理 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在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。其主要化学方程式如下： NO+NO2+2NH32N2+3H2O 4NO+O2+4NH34N2+6H2O 2NO2+O2+4NH33N2+6H2O SCR系统的工作过

18、程是：当车辆的钥匙开关打到ON挡的时候，控制器（ECU）开始通电，与此同时尿素计量泵开始转动，从尿素储存罐中抽吸尿素溶液，前期计量泵以最大工作压力进行工作，目的是快速建立压力，当泵腔中的压力达到5bar后，计量泵将由ECU进行闭环控制，保持泵腔的压力，用于尿素喷嘴的冷却和喷射。当转速和排气温度达到预先标定好条件后，尿素喷嘴才会喷射尿素溶液。尿素溶液的喷射量由ECU根据柴油机的工况、催化器温度和环境状态来精确计量。尿素溶液被喷射到排气管中，与柴油机排气进行均匀混合并进行化学反应，净化排气。由于尿素溶液在气温低于-11的时候会结冰，为了保证系统在低温时候的正常使用，系统配置有化冰功能，化冰的热源来

19、源于柴油机的冷却水。当电控单元通过尿素温度传感器感应到尿素溶液温度较低，可能会出现结冰的情况，那么ECU将打开加热水电磁阀。热的柴油机冷却液就会顺着管道流向尿素储存罐和尿素计量泵内置的换热器，这些地方的冰就会迅速融化。由于冷却液管道和尿素胶管扎在一起，外套保温管，所以尿素管道内部的冰也会同时融化。1.3 SCR系统的布置设计 SCR系统混和管的布置设计对SCR载体内的化学反应有很大的影响。在国柴油机的开发过程中，相当多的工作是对混和管进行优化设计，包括管道的几何形状、尿素喷射装置的位置和喷射角度等。对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的

20、结晶。通过对SCR载体入口速度均匀性和整个载体的压力损失情况进行计算分析，保证载体入口速度分布均匀，整个系统产生较小的压力损失。 通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。2 应用SCR技术的优缺点分析 柴油发动机的排放控制主要是对排放中的PM和NOx的处理。处理方案一是先在发动机内处理NOx，再处理PM；或者两种都进行后处理。最后这种方法存在一个污染源回收的处理问题。没有EGR系统，在发动机内处理NOx是非常困难的，并且燃油消

21、耗更高。因此，一般多采用在发动机机内减少PM排放，在废气中处理NOx。（1） 目前在废气中处理NOx采用的是SCR处理技术，即：利用尿素溶液（水溶液浓度为32.5%±0.5%），在排气中喷入尿素、氨水等还原性物质，将NOx（主要是NO）还原为N2和H2O。它无毒、洁净、无气味、不易着火、无爆炸危险，但有腐蚀性，必须使用特殊的容器储存。（2） SCR系统中的尿素剂量最终由发动机管理系统控制，尿素的喷入量必须要与NOx的浓度相匹配，在保证降低NOx的同时，不能超过份量。尿素的喷入量过少，则达不到应有的处理水平，尿素的喷入量过多，则会使多余的氨气排入大气，导致新的污染。所以，必须要有高灵敏度的NOx浓度传感器以及相应的高精度