柴油发动机尾气后处理技术应用研究

翟学超 张艺琛 张晴

摘要：近些年来，我国经济得到快速发展，但随之而来的是严重的环境污染问题，空气污染最为严重。一系列的环境问题不断出现，其中很大一个原因是汽车尾气的排放不符合标准，为了改善这个情况，政府制定了相关的汽车排放标准，减少排放污染。这就需要相关技术人员对柴油发动机进行改造，使其排出废气符合排放标准。本文主要对目前所使用的柴油发动机尾气后处理技术SCR的应用现状进行分析研究，探讨尾气处理的未来发展趋势。

关键词：SCR;柴油机;尾气处理;NOx

目前，我国的汽车市场得到不断地发展和扩大，汽车越来越功能性，其使用也越来越多样化，极大的推动了我国经济的发展，起到了不可替代的作用。但是，我们也要承受由于汽车尾气排放带来的污染问题，改善尾气污染现状。汽车尾气中最大的污染气体主要是NOx，以及其他燃烧不充分的气体，柴油发动机中尾气排放处理装置主要针对NOx的处理。现今在市場上比较普遍的尾气后处理技术为SCR技术。

1 尾气处理后技术应用现状

汽车的排放标准根据其生产注册年限不同其排放标准也不同，现在我国的排放标准其实和欧洲排放标准类似。对柴油机而言，达到国家排放标准，最难的是降低颗粒和氮氧化物的排放，我国的排放标准和欧洲排放标准在排放指标等级上是一致的，就目前而言，欧Ⅳ～欧Ⅵ的排放标准要求较为严格，且逐级递增，因此，为满足该环保要求，许多国家的汽车企业对汽车尾气处理技术下足了功夫。通常情况下，汽车尾气排放控制常用的两种途径为EGR和SCR。

1.1 EGR技术现状

1.1.1 EGR技术简介

EGR技术指的是将柴油排气中的一部分废弃气体通过EGR进入到进气系统，和其他混合气体混合后，再次进入到气缸中进行充分燃烧的过程Ⅲ。EGR技术的基础原理是废气再循环（EGR）+柴油氧化催化器（DOC）/柴油颗粒过滤器（DPF）/颗粒氧化催化器（POC），这三条途径可以分别实现尾气处理。目前，国内使用EGR技术的主要路线为EGR+DOC+DPF+SCR，普遍运用于各大机厂。

1.1.2 EGR技术原理

EGR技术将发动机排出的废气再重新送进进气管，与新的混合气体（燃料）一起再次进入气缸进行燃烧反应。但是由于废气中存在大量的二氧化碳等多原子气体，而二氧化碳气体无法燃烧，气缸内同样的体积却少了许多能燃烧的气体，稀释了气缸内混合气体的氧含量，从而使得气缸内的温度降低，减少了NOx的生成。

1.1.3 EGR技术限制

由于废气重新进入气缸参与燃烧，导致气缸内的设定燃料的纯度和量都发生一定的变化，发动机各个环节和参数也会发生相应的变化，这就无形当中创造了很多不确定因素，对发动机的影响是多方面的，极易影响发动机的整个运行状态。

1.2 SCR技术现状

SCR技术其路径为“优化燃烧+SCR”，所以简称为SCR技术。SCR技术原理是对柴油发动机内的燃烧过程进行优化处理，使燃料进行充分燃烧，降低混合废气的混合度，使废气中基本为某一化合物，然后再对该化合物进行处理翻。柴油发动机中的燃料经过充分燃烧后的尾气主要为NOx，在随后的尾气处理装置中利用专门的技术系统进行处理，使其达到排放标准进行排放。

2 SCR技术的应用原理

2.1 SCR系统反应原理

就单纯的SCR技术而言，其是独立于发动机的机外净化系统，因为其所有的反应其实是在发动机内反应完成然后排除尾气时才开始的。SCR意为选择性催化还原技术，这一柴油发动机尾气后处理技术在欧洲的使用率很高，基本上所有跑长途的载货汽车都是用的是这种技术，这和欧洲国家的发达程度也有一定的关系。

SCR技术的选择性还原主要针对的是NOx，针对NOx的选择性还原技术最初并不用于柴油发动机尾气处理，而是应用于锅炉、焚烧炉、发电厂等的废气排放处理上，因为这些主要使用煤炭作为燃料，废气中会含有较多的NOx，使用该技术来减少NOx的排放。对NOx进行选择性还原的原理是利用氨气作为还原剂，在催化剂的作用下，充分反应，将NOx转化为氮气和水蒸气[3]。但是，直接使用氨气作为还原剂是不现实的，氨气虽然是无毒气体，但是其气味极具“杀伤力”，使人无法接受，这就导致在汽车上无法直接使用氨气。因此，将氨气换为尿素的水溶液，通过向排气管中喷射尿素的水溶液的方法为反应提供所需要的氨气。SCR技术的一个最大的亮点便是其对硫不敏感，不会导致一些硫化物的生成。

2.2 SCR工作反应原理

2.2.1 SCR系统的反应原理（图1系统工作基本原理）

柴油发动机尾气排出后进入排气混合罐，在混合管上装有控制尿素喷射的装置，从而喷入尿素水溶液进入系统，为进一步反应，尿素水溶液需转换为氨气[4]。尿素水溶液不稳定，在高温条件下，尿素和水产生分解生成氨气，此时，将氨气与尾气混合，在SCR系统内，氨气和NOx在催化剂表面进行反应，还原NOx，产生氮气。此外，装置内部还设了氧化环节，参与反应的氨气为使NOx几近完全反应，故氨气的含量必然多余NOx，所以，在反应剩余物中，还有部分氨气的存在，为防止氨气泄漏，所以SCR系统内增设了氧化装置，将多余的氨气氧化为氮气。

2.2.2 SCR电控系统的工作原理

SCR电控系统是指用SCR电力调整器控制的加热系统，SCR系统的整体运作是在对电控单元严格控制的前提下进行的。SCR电控系统工作时，SCR控制器会接收到来自发动机控制器传递的信息，采集催化器的排气温度、NOx的浓度、催化剂的状态、尿素水溶液的浓度以及尿素水溶液储存箱内的液位等相关信息，根据SCR系统提前设置好的尿素喷射控制标准，喷射尿素水溶液进行反应。此外，为了防止尿素结晶阻塞喷射导管，尿素水溶液停止喷射后，SCR电控系统控制尿素泵将喷射导管中剩余的尿素水溶液抽回尿素箱，在较冷的环境下，电控系统还需要控制启动加热功能对尿素水溶液进行加热，防止其结冰导致系统相关器件损坏[5]。 （参考图2SCR电控系统组成）

2.3 SCR故障原因及常见的故障排除方法

任何技术的实际运用都会出现一些故障，SCR技术的应用也不例外。该技术在运用的时候经常会遇到一些问题，这些问题的出现往往导致SCR技术的应用不能得到良好的使用效果，从而致使尾气处理装置不能很好的发挥作用。

2.3.1 漏气问题

尿素管漏气，主要是安装时候产生的问题，一是尿素管本身的问题，需要安装人员在安装之初先对尿素管进行漏气检验，确保尿素管质量没有问题，再进行安装，如果安装之后出现问题，可在发现问题之后及时对尿素管进行更换。二是安装人员在安装细节上的不注意，也会导致尿素管漏气[6]。出现尿素管漏气情况，如果一开始已经对尿素管质量进行了检查，在安装之后还出现漏气情况，就要对安装细节进行详细检查。对尿素管进行安装的时候要注意不能出现弯折的情况，这样很可能导致尿素管破裂导致漏气。此外，安装尿素管时要格外注意安装接口，一定要安装紧密，以防漏气，如果发现有漏气情况，要对安装接口进行详细检查，及时进行紧固处理，保证装置的气密性良好。

尿素管接插件漏气，原因较多。第一，接插件制作不合格，导致接口不匹配漏气。接插件的规格应该和尿素管一致，选择接插件制作厂商时，最好选择与尿素管匹配的厂商，保证安装的接插件符合质量标准要求。第二，由于安装时接拔插件次数太多，导致接插件损坏或松动，从而导致漏气。这就需要安装人员掌握系统的安装知识，在安装前核对好插件，确认安装位置，做好安装准备，尽量一次到位，不要因为不当的操作或安装时的粗心大意，导致一次次接拔插件，致使插件损坏或松动。上述情况都是尿素管接插件漏气的常见原因，出现这个问题一般需要及时更换接插件，为系统正常运行提供保障。

尿素泵漏液，主要原因有：尿素泵安装不合理、尿素管弯折或结晶堵住、接插件密封破裂、由于剧烈震动导致密封松动。对于前三个产生问题的原因，是基于其他部件出现问题，导致泵内压强过大，致使漏液或安装不合理，在此不做赘述，解决方案可参照尿素管及尿素管接插件漏气的应对策略进行解决。这里着重分析由于剧烈震动导致尿素泵密封松动这一情况。柴油发动机主要安装在汽车上，而SCR系统位于柴油发动机内，产生剧烈震动一般是由于车辆在路面上行驶时路面不平整，这是属于偶然性因素，剧烈震动可能导致尿素泵破裂等情况产生，从而导致漏液。针对这一问题，需要及时对尿素泵进行调整、加固或更换，或在尿素泵装置上加上减震装置，减少因偶然性因素导致系统被破坏。

2.3.2信号传导类问题

产生信号传导类问题的情况主要有尿素泵的温度或压强等信号有误、尿素泵烧坏、尿素泵电机开路或短路、尿素泵漏液或建不起压力等，这些情况的产生，往往导致尿素泵不能正常运行，进一步导致整个SCR系统的瘫痪。

尿素泵温度或压强有误。SCR系统对尾气的处理一个主要的运行环节就是尿素泵对相关信号的感知与控制，当某些值同时达到一个尿素水溶液喷射标准时开始运行尾气排放处理装置，如果尿素泵的控制阀未得到准确的实时数据，就无法控制开关阀门，正常运行。当尿素泵信号传导有误时，其产生的原因主要是泵内控制和输出信号受到干扰或损坏，要及时更换尿素泵才能解决这一问题。

尿素泵烧坏、电机开路或短路问题，这些都属于尿素泵中的电路问题。尿素泵烧坏，首先检查是否是接口的插头松动，导致接触不良，进而使得尿素泵烧坏。这时候要注意先对插头进行重新拔插，检测尿素泵是否确实被烧坏了，有时候尿素泵呈現该情况只是因为插头松动，尿素泵并没有烧坏。电机开路或短路问题，产生的主要原有可能是线束接插线断路、短路或尿素泵内部先出现短接、断接问题，确定是该问题后，可对线束进行检查，重新接好线束并进行检查，如果重新梳理线束之后仍然无法解决故障，应及时更换尿素泵。

尿素泵漏液或建不起压力故障，这种情况的产生，主要问题出在安装上，此时只能根据具体情况重新安装尿素泵或更换尿素泵。值得注意的是，在安装尿素泵的时候不能平放，否则尿素泵出现问题的几率极大。

2.3.3其他情况

气压可能产生的情况还有NOx传感器读数一场、加热继电器的线路问题等，这些问题都是柴油发动机尾气处理装置SCR系统常见的故障，一般可通过故障判断灯准确找出故障位置，及时进行修理维护。

3 柴油发动机尾气后处理技术的未来发展趋势

为更好地保护环境，降低大气污染，我国有关部门不断更新柴油机排放的相关法律法规，其排放标准也越来越严格。自2017年7月1日起，我国在全国范围内实施了国V排放标准，而随着时间的推移以及我国对环境保护的不断加强，国Ⅵ的排放标准也不断被讨论，根据国家计划，我国将在2020年7月1日实施国Ⅵ排放标准，但并不排除提前实施的可能性（现阶段已在少数城市试行国Ⅵ标准）。

目前，少部分厂家在使用的后处理路线，为高效SCR+DOC+DPF，在整个处理过程中取消了EGR的存在，增加了SCR部分的尿素喷射量，同样也能达到降低氮氧化物的作用，也有较大的市场前景。

但是，SCR技术也面临着一些挑战。第一，催化剂方面，是否可以找到一些体积更小，能更高效催化的物质进行催化;第二，反应不充分问题，化学反应中的充分反映一般只存在于理论当中，所以，实践中，充分反应几乎不存在，在还原NOx的过程中，是否能提高反应效率，使其更充分地反应，减少反应杂质的产生;第三，SCR技术中的硬件问题，针对上述SCR系统易产生的故障，如何提高硬件系统的稳定性也是柴油发动机尾气后处理技术的未来发展需要解决的问题之一。

4 结语

本文通过对柴油机尾气后处理相关技术的研究，对现在的主流技术SCR技术进行了深度的探究和分析，讨论其技术优点以及技术缺陷，对该技术应用下可能产生的故障进行总结，借以对柴油发动机尾气后处理技术提出未来发展展望。

参考文献：

[1]刘军，周磊，臧志成，etal柴油机SCR后处理装置结构性能分析与改进[J].汽车技术，2018 （1）：56-58

[2]廖彦彦柴油发动机尾气后处理技术（ SCR）的应用[J]中国新技术新产品，2017（ 07）：36-37.

[3]于鹏飞柴油发动机尾气后处理技术（ SCR）的应用[J].内燃机与配件，2018，271（19）： 51-52.

[4]罗献尧探讨柴油机尾气后处理技术及电气系统验证[J]时代汽车，2017 （14）：27-27.

[5]王佳炜满足国V排放的柴油机后处理技术综述[J]环球市场，2016 （22）：293-293

[6]郭宏伟基于DOC+SCR的柴油机尾气污染物脱除研究[J].南方农机，2019 （5）：17-17.