SCR系统简介

电子控制技术在柴油发动机上的成功应用，不仅解决了柴油发动机本身存在的许多缺陷（如污染严重、噪音大等），而且也推动了柴油发动机技术的快速发展，其中尤其是共轨技术以“压力+时间”的双重控制特点，实现了柴油发动机控制技术的高精度和先进性，既保留了柴油发动机动力大、油耗低的优点，也实现了柴油发动机的排放达到欧Ⅲ标准要求的目标。但随着世界对发动机排放法规的不断严格，柴油发动机的排放处理技术成了当前发展柴油发动机技术的核心，仅仅通过优化发动机本身结构达到优化燃烧改善排放的方法如采用多气门、高的燃油喷射压力、改善进气涡流等，已无法满足更苛刻的排放法规要求，因此目前更多的是采用发动机排放后处理技术与优化燃烧系统相结合，来满足更高的排放要求。

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Ⅳ排放法规对碳烟和NOｘ的限制。

1高压共轨柴油发动机的SCR系统

1.1SCR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。

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。

1.2SCR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+2NH3→2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3→4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3→3N2+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。

1.3SCR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Ⅳ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。