应用SCR技术实现欧IV车用柴油机排放标准

郭学静 天纳克同泰（大连）排气系统有限公司 116100

应用SCR技术实现欧IV车用柴油机排放标准

郭学静 天纳克同泰（大连）排气系统有限公司 116100

本文对柴油机排气后处理装置的特点与应用情况进行了研究，介绍了选择催化还原技术 (SCR)的机理、系统组成及工作原理,以及为实现欧IV 排放标准，采用SCR技术的现状及未来展望。

柴油机排气后处理；SCR 技术；展望

与汽油机相比，柴油机具有扭力大，可靠性高，维护费用低和燃油经济性好等优点，而且我国有望在2011年底实施重型柴油机欧IV排放法规，车用柴油机的发展研究将进入一个新阶段。在燃烧方面，目前技术措施大多数被采用，传统扩散燃烧方式的潜力已到极限，仅靠燃油优化的方式已经无法满足要求。采用与柴油后处理技术相结合，达到更为苛刻的排放指标，是当前满足要求的主要技术路线。

1. 选择性催化还原( SCR )技术

柴油机的主要排放物有CO , HC (少量) , NOx 及碳烟微粒( PM) ,其中NOx为影响较大的有害气体之一。为实现欧IV排放标准，有两条机后净化技术路线：一是通过优化燃烧，再使用选择性催化还原(SCR)来降低因燃烧产生的NOx排放（被称为欧洲路线）；二是废气再循环（EGR）+颗粒捕捉器(DPF),先通过EGR降低排放中NOx含量，再使用DPF捕集因使用EGR产生的略有增加的PM，达到同时降低NOx和PM的效果（被称为美国路线）。从表一可以看出，SCR技术路线具有燃油消耗率低（扣除因使用尿素而增加的费用，还有2%～3%的优势）以及对燃油品质不敏感等优点，而成为国内大量进行研究的技术，国外已经开始投入实际使用。

表一 两种不同净化路线比较

1.1. 反应机理

尿素与水以一定比例混合（一般为32.5%），喷入柴油机排出的废气中，尿素水解后生成的氨气（NH3）在高于300℃的环境中，在催化剂的作用下与NOx迅速反应，生成氮气（N2）和水蒸气（H2O），而柴油机排气温度在300 ℃～500℃范围内，满足了还原条件。反应化学式为：

1.2. SCR 系统构成及工作原理

典型的SCR 系统的组成见图一，包括以下三个部分。

1)催化转换器

催化转换器外表与消声器相似，一般安装在消声器中，因此体积比消声器有所增加，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。

2)储液罐

尿素以水溶液的形式储存在储液罐中，容积一般为18.9～113.6L。

3) 尿素喷射和控制系统

闭环控制系统主要由各类传感器、供给模块、尿素计量和喷射装置、电控单元、空气供给装置等组成。

工作原理：如图二所示，尿素泵将尿素柜中的尿素液泵入计量器中，计量器收到控制中心的指令后,提取一定量的尿素液与压缩空气混合形成初步雾化尿素并通往喷枪,多余的尿素液返回尿素柜。在排气管的混合区,尿素已分解成NH3和H2O 并与烟气充分混合,然后进入SCR 反应装置。SCR 装置的催化剂作用使NH3将迅速还原为N2和H2O ,随烟气排入大气。

2.SCR的应用研究

为了满足日趋严格的排放法规,国外许多汽车及发动机制造商已经开始把SCR技术运用到产品上,也就意味着SCR 开始进入实用阶段。

2.1 康明斯集成式排放控制( IEM)系统针对计划于2005日10月实施的欧Ⅳ标准,康明斯将采用集成式排放控制系统IEM 技术,即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起,实现“从进气到排气”的全过程控制。

2.2 格伦德福斯—托普索尿素SCR系统丹麦格伦德福斯公司和托普索科技公司合作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化器。该装置可节省4 %的耗油量,将对人体有害的纳米级PM 排放量减半,并降低NOx 和烃的排放量,减少柴油燃烧时产生的异味。

2.3 国内也开始逐步研发SCR产品，主要使用的整车厂有一汽解放公司，中国重汽集团，潍柴等，他们使用天纳克公司的后处理器已经开始装车进行路试，有望在2011年底法规出台之前，转入批量使用。SCR结构一般有箱式和筒式两种结构，如图三, 四。

3. SCR技术未来发展展望

虽然SCR 技术配以燃烧优化能够解决柴油机两种排放污染物NOx 和PM之间互为矛盾的生成关系问题, 但使用SCR后不但要增加SCR本身装置重量约150～300 kg, 还要增加一个尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。尿素喷入量过少, 达不到应有的处理水平; 尿素喷入量过多, 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。最后, 在温度较低(-11℃)的情况下,尿素- 水溶液会结冰, 也使其在寒冷地区推广使用受到限制。不过, 目前可使用添加剂来降低尿素冰点, 考虑能源消耗而不采用加热整个尿素箱的方案。

[1]刘巽俊.内燃机的排放与控制.机械工业出版社2003

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.077