重型柴油车国六SCR技术概述

申成振

重型柴油车国六SCR技术概述

申成振

（陕西重型汽车有限公司 汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

根据我国匹配柴油机的重型商用车排放升级，和排放污染物排放限值与监测控制技术现状，概述国内柴油车国六阶段SCR（选择性还原）的基本原理、和技术实施需求。

排放污染物；SCR；重型柴油车；中国第六阶段

前言

柴油机由于具有动力性强、耗油率低等优势，在中、重型车辆上得到了广泛的应用，其整车排放的PM（颗粒物）和NOx（氮氧化物）是大气的重要污染源；NOx除诱发人类神经和呼吸系统障碍以外，也是造成酸雨和形成光化学烟雾的罪魁祸首之一。因此柴油机车型除氮氧系统（deNOx system）是目前世界以及我国排放法规关注和限值（监测）的重要技术。

SCR（Selective Catalytic Reduction选择性催化还原）技术最初应用于锅炉、焚烧炉和发电厂等固定式污染源的脱硝，其后在交通运输领域应用后，已成为有效的排气后处理措施。

1 NOx的控制技术概述

柴油机的主要排放污染物为NOx和PM。因为柴油机后处理中氧气含量高，后处理温度也明显低于汽油机。如采用汽油机的三效催化转化技术是难以解决排放控制问题的。

有资料表明，虽然重型柴油车占机动车总量的15％左右，但NOx和PM排放量却占机动车总排放量的60％以上。由此可见，在发展现有柴油机机内排放控制新技术的基础上，研究、开发适合于柴油机的先进排放后处理技术是柴油机生存和发展的关键。柴油机机内净化技术同时降低PM和NOx是非常困难的；此外除了满足国六排放限值与监测外[1-2]，还需兼顾商用车整车油耗法规（GB30510）要求。

国六和欧Ⅵ柴油车排放技术路线有两种：一是通过燃烧系统优化降低机内颗粒物的生成量，然后采用SCR后处理技术降低NOx的排放：二是通过废气再循环（EGR）降低机内NOx生成量，然后采用颗粒物后处理技术降低颗粒物的排放。国六标准提高了NOx的控制要求，如国六标准循环中NOx比国V标准加严了77％，如图1。

国六SCR技术基本原理，是以氨气（NH3）作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机排气中的有害成分NOx转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H20）。氨气本身虽然无毒，但它是一种刺激味很强的气体，不便于直接在汽车上使用，同时国六标准对其排放（逃逸）也进行了限值要求[3]。对于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，它因此是一种尿素-选择性还原技术（Urea-SCR）。

图1 国VI与国V氮氧化物(NOx)限值比较

2 Urea-SCR工作原理

国六排放的deNOx还原剂，目前采用GB29518要求的尿素水溶液（AUS32），其尿素质量浓度为（32.5％±0.5％），尿素成分（NH2CONH2）。一般可认为其主要的反应过程如下：

（1）尿素NH2CONH2加H2O后在高温下和催化等作用下分解成成 NH3和CO2

NH2CONH2+ H2O -> 2 NH3+CO2

（2）NH3和排气中的NO和NO2，选择性催化反应产生氮气和水

4NO+O2+4NH3->4N2+6H2O （基准反应）

NO+NO2+2NH3->2N2+ 3H2O （快速反应）

2NO2+O2+4NH3->3N2+6H2O （慢速反应）

（3）为防止氨气的泄漏，SCR催化器后设有氨催化器，使NH3与O2反应生成氮气和水

4NH3+ 3O2->2N2+6H2O

（4）其它诸如SCR反应的副产物N2O（300倍温室效应于CO2）的产生过程也受到了越来越多的关注[4]。

基准反应是其主要反应（因NOx原排中90%是NO），控制发动机原排的NO和NO2的比例可以提高SCR的转化效率，但柴油机的多变工况增加了工作难点[3]。

图2 典型非气助式SCR后处理系统工作原理

国内主流国六SCR装置，根据功能主要分为控制单元、尿素计量单元（尿素计量、供给与控制）和催化反应单元三部分；其中尿素计量单元根据有无空气辅助喷射可分为气助式喷射系统和非气助式喷射系统；主要零件有尿素泵，尿素喷嘴，控制单元，传感器等。图2示意了一种非气助式的（博世计量泵）典型SCR的工作原理。

3 Urea-SCR在国六排放技术应用与挑战

3.1 排放技术路线

选用EGR或SCR路线：面临不同的后处理布局影响SCR系统控制策略和整体效率问题[8]，如目前多采用的DOC（柴油机氧化催化器）+DPF（颗粒捕捉器）+SCR布局形式：DOC装置具有强氧化性，增加了对燃油和催化过程中硫含量的敏感性[3,4]；同时SCR催化剂需应对低温催化性、热老化、HC和硫中毒、高温稳定性和储氨等性能提升挑战，因此多采用铜基SCR催化剂技术（Cu-CHA）。

同时需综合重卡用户对燃油经济性的需求，提升发动机机内净化和机外净化技术，提高SCR转化效率；并保障燃油与尿素水溶液的品质。

3.2 排放限值中的低温性能保障

国六排放测量中的稳态（WHSC）、瞬态（WHTC）试验循环和非标循环（WNTE和PEMS的2个试验测试），相比国V加大了低速、低负荷时和城市工况等排放测试。增加了整车低温及低负荷下的SCR国六技术应用难度。以文献[5]关于N2类车的实际道路排放分析为例：尾气排放的NOx 浓度高峰点过多，需要生产企业继续采取措施才有可能达标。

因此需要包括驾乘人员在内的各方共同努力。主要研究热点包括但不限于以下方面：发动机热管理技术应用（包括发动机HC喷射与保温、排气管路包裹等）；NH3还原剂的应用研究（包括尿素水溶液的氨覆盖率、结晶、沉降、水热老化沉积物堵塞等，固态储氨技术）；催化剂催化活性技术研究（催化剂电子加热、新型催化剂）。对燃油、尿素水溶液以及相关SCR装置零部件的使用说明、警示要求、维修保养等，对企业提出更高整车应用要求。

3.3 NOx控制系统正确运行的要求

3.3.1 提升车辆运行条件保障需求

法规要求保证排放控制性能在所有地区（如2500米海拔以下）范围内，都能正常使用，特别是低温条件。提升了尿素水溶液低温解冻、反应剂（尿素罐的尿素水溶液）存量设定、报警和相关演示试验等要求。

3.3.2 增加维修保养和驾驶员报警要求

法规明确了相关使用说明书要求内容，以及驾驶员报警系统。对于SCR相关零部件的工作运行时，提出尿素水溶液存量低、质量异常、消耗低或相关故障的驾驶员报警要求，以及OBD（车载排放诊断系统）要求。

3.3.3 尿素水溶液供给的监测

法规禁止车辆存在失效策略，也包含了SCR相关装置的有效运行的监测。

与国Ⅴ相比：尿素喷射供给所用的液位和温度传感，需提升为品质传感器，增加了监测尿素水溶液的质量要求。

3.3.4 OBD和CAN总线等要求

NOx是国六排放OBD监控重要的内容之一；同时对国六产品的控制（如CAN通讯协议）等要求，相比国Ⅴ增加了很多苛刻的要求。此外国六b阶段排放增加车辆远程管理车载要求。

由于增加了警示、诊断、监测和通讯等相关要求，与此相关的发动机、整车以及尿素喷射系统（如品质传感器）等产品除升级了通讯针脚等相关硬件外；也提出升级如品质传感的CAN通讯等软件要求（如传输速度等）。

传感和诊断准确性（精度）需求进一步提高，带来了一些新的技术挑战。如目前面临如NOx传感对NH3交叉感应，以提高NOx排放量计算等技术挑战。

3.4 生产一致性和SCR的排放关键件质保要求

SCR装置的相关排放关键件，法规在生产一致性和质保等方面，提出了更严格的要求。SCR 与发动机及其后处理部件的协调控制，本身就是目前国六法规实施的技术难点之一；而生产一致性和质保的要求提高，无疑更提高了对技术应用的挑战。

4 结论

重型柴油机车国六排放，综合了多项SCR系统的性能升级需求。本文概述SCR技术发展需求和工作原理；并简述了相比国V排放法规需求变化，以及SCR系统技术升级措施和技术挑战。

[1] GB 17691-2018.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[S].北京:中国标准出版,2018.

[2] 黄志强,钱人杰,刘依敏,等.重型柴油机国Ⅵ与国Ⅴ法规比对研究[J].汽车与配件.2018(26).

[3] 张纪元.重型柴油机SCR系统应用技术研究[D].济南:山东大学, 2013.

[4] 杨晓帆,唐为勇,陈海波,等. 铜基菱沸石催化剂——适用于未来中国柴油车排放法规的选择性催化还原技术[J].内燃机工程,2016, 37(10).

[5] 向橄,杜宝成,徐划龙,等.N2类车在"国六"标准下的实际道路排放分析[J].汽车实用技术.2018(19).

[6] 范鲁艳,汪安东,曲大为,等.柴油机固态SCR系统铵盐热分解特性与结晶规律的研究[J].2018,40(6).

[7] 胡广地,刘丛志.基于模型的SCR车载故障诊断策略[J].内燃机学报2019,37(4).

[8] 彭继银,黄粉莲,万明定.柴油机SCR系统控制研究现状与技术挑战[J].农业装备与车辆工程.2019,57(10).

Scr Technology Of Diesel Fuelled Heavy-Duty Vehicles(ChinaⅥ)

Shen Chengzhen

( Engineering R&D institute, Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

According to the emission upgrade of matching of heavy-duty commercial vehicle and diesel engine, and the status of emission limits and monitoring and control technology. The basic theories of SCR(selective reduction) of china Ⅵ vehicle diesel and technical implementation requirements are expounded.

Emissions; SCR; Diesel fuelled heavy-duty vehicles; China Ⅵ

A

1671-7988(2020)24-228-03

U472.32

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1671-7988(2020)24-228-03

申成振，工程师，硕士，就职于陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，研究方向：汽车后处理系统设计。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.075

CLC NO.: U472.32