SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用

(2014-2015学年第2学期) XXXX大学研究生课程论文
课程论文题目：SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用
课程名称内燃机燃烧与排放控制
课程类别□学位课□非学位课
任课教师XXX
所在学院车辆工程学院
学科专业车辆工程
姓名XX
学号
提交日期2015年5月11日
目录
摘要 (2)
1.引言： (2)
2.目前柴油机排放污染物的控制技术路线 (3)
2.1EGR+ DPF 路线 (3)
2.2优化燃烧+SCR 路线 (3)
3.柴油机SCR技术及其发展 (4)
3.1国外柴油机SCR 技术的研究与应用现状 (4)
3.2国内柴油机SCR 技术的研究与应用现状 (4)
4柴油机SCR技术的实现 (5)
4.1 SCR技术 (5)
4.2SCR关键技术的发展 (7)
4.2.1催化转化器 (7)
4.2.2尿素喷射系统 (8)
5.SCR后处理系统对柴油机颗粒物成分的影响 (9)
6.发展前景 (10)
参考文献 (10)
SCR技术在柴油机尾气后处理上的应用
摘要：随着人们对环境问题的关注，排放法规日益严格，对重型柴油机排放控制技术的研究具有重要意义。

在欧洲，“优化燃烧+选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）”的排放控制技术以其燃油经济性好、抗硫中毒能力强等优点，已成为重型柴油机满足欧IV欧V排放标准的主流技术路线。

在我国，随着国IV国V排放法规的推进，SCR 技术也正在成为国内发动机排放技术研究的一大热点。

为了提高SCR系统的控制性能，开发满足国V排放法规的SCR系统。

本文首先对目前柴油机排放污染物的控制技术路线进行分析，对1EGR+ DPF 路线和优化燃烧+SCR 路线进行了阐述，并探究了柴油机SCR技术在国内外的研究和发展情况。

而后有针对性的对SCR技术以及其系统中关键技术进行分析。

文章最后，对目标发动机进行实验，采用欧洲瞬态循环（ESC）技术，通过气相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子体质谱仪、离子色谱仪对安装了SCR后处理系统前后的排气颗粒物成分包括SOF、重金属、阴离子进行了实验分析。

关键字：SCR 发动机排放颗粒SOF
1.引言：
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，但严重的排放问题仍然制约着柴油机的快速发展。

柴油机排放的一氧化碳CO和碳氧化合物CH相对汽油机来说要少得多，但氮氧化物NOX排放与汽油机在同一数量级，微粒PM排放要比汽油机高几十倍甚至更多[1,2]，因此柴油机的排放控制重点NOX是与PM(包括碳烟)。

柴油机排放的和是大气的重要污染源，被认为具有高致癌性而且已成为市区空气中颗粒悬浮物的主要污染源，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[3],然而，柴油机的主要排放物NOX和PM无法像汽油机排放污染物那样可以通过采用三效催化转化器有效地解决，主要原因是柴油机排气中氧气含量高，使得利用发动机排气中还原剂来还原NOX的反应难以进行，另外，柴油机排气温度也明显低于汽油机，不利于后处理装置中催化剂的高效工作[4]。

随着人
们对环境保护重视程度的增加，柴油车带来的污染问题也越来越突出，其中重型柴油车尤其显著，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。

因此，在发展现有柴油机机内排放控制新技术的基础上[5]，研究、开发适合于柴油机的先进排气后处理技术是柴油机生存和发展的关键。

2.目前柴油机排放污染物的控制技术路线
为了满足国V，目前国际上主要有两条相对成熟的技术路线。

一条是以美国发动机企业为代表的EGR(Exhaust Gas Recalculation)+DPF路线，另一条是以欧洲发动机企业为代表的优化燃烧+SCR路线[6-7]。

2.1EGR+ DPF 路线
EGR+DPF路线主要是以EGR 为基础，降低缸内混合气的含氧量，使缸内燃烧最高温度降低，抑制NOX 形成。

这将致使发动机部分工况PM排放有较大的增加，通过排放后处理技术DPF捕捉微粒，以达到NOX和PM的排放同时降低到法规允许的范围。

EGR+DPF 排放控制路线的优点：不需要添加尿素，运行成本低，且无需建配套设施；不需要加装添蓝罐；相对SCR系统，质量轻等。

缺点：对油品要求较高，含硫量国IV要求50PPM 以下，国V要求20PPM 以下；原机改动大，强化程度要求高；冷却系统设计难度大等[8]。

2.2优化燃烧+SCR 路线
优化燃烧+SCR路线主要是通过机内净化技术，优化柴油机喷油、改善缸内燃烧等手段抑制缸内PM 的形成。

但NOX排放相应的会增加，只能在后处理中通过SCR技术降低NOX排放，使NOX和PM 的排放满足法规。

优化燃烧+SCR排放控制路线的优点：安装简单，无需改动柴油机结构；优化燃烧后，发动机燃油经济性可提高5%~7%，扣除添蓝成本，仍然可以提高3%~5%；所添加尿素溶液安全，且价格低，容易获得；最重要的是对硫不敏感，对油品要求不高。

缺点：需要添加尿素，即“添蓝”，需建配套设施；需添加添蓝罐，增加车重；为满足国V，需增加NOX传感器实现闭环控制，初装成本较高[9]。

3.柴油机SCR技术及其发展
3.1国外柴油机SCR 技术的研究与应用现状
为满足排放法规，目前欧洲的大部分重型柴油车都已经安装了Urea-SCR系统，而且尿素加注站也比较普及。

以下是采用优化燃烧+SCR路线比较典型的公司[10-11]：
（1）戴姆勒-克莱斯勒公司
戴-克公司早在2005 年上半年就已经将SCR 系统安装在了重型柴油机上，使其排放性能满足欧IV 标准。

后续采用SCR 后处理技术研制出了满足欧V 标准的柴油机，并于2007年底在底特律车展上展出[12]。

（2）沃尔沃公司
沃尔沃最初是采用EGR+DPF 排放控制技术，但后来因为SCR 技术出色的燃油经济性，将重心放在了SCR技术上。

现在沃尔沃市场上销售的12.8升直列六缸柴油发动机D13A，9.4升直列六缸柴油发动机D9B等排放达到欧V标准的机型都是采用了SCR后处理技术。

2009年末，该公司还向北美talon物流有限公司交付了首次通过EPA2010（相当于欧VI 标准）认证的卡车，该卡车也是采用SCR后处理系统[13]。

（3）博世（BOSCH）
博世公司为应对日益严格的排放法规，开发出了DeNOXtronic 还原剂计量系统，该系统结合SCR催化转化器使用，可以使重型商用车符合欧V排放标准。

目前采用SCR技术的还有荷兰达夫公司、丹麦格伦德福斯、托普索科技公司、德国MAN 公司及日本日立公司等。

由此可见，国外对SCR 技术的研究与应用已经相对比较成熟，这对我国有较大的借鉴作用。

3.2国内柴油机SCR 技术的研究与应用现状
我国对SCR技术的研究起步相对较晚，但随着我国第四阶段及第五阶段排放标准的来临，我们对SCR 技术的研究进展也很快。

（1）企业对SCR技术的研究与应用
在技术路线的选择上，国内主要柴油机企业有着相同的看法：SCR 技术将是满足未来重型柴油机排放法规的主要技术，但目前我国大多柴油机发动机企业都是引进国外成熟的SCR 技术。

例如玉柴引进上海华克排气系统有限公司的
De-NOX 系统，将旗下的重型柴油机产品升级到了国IV标准，并在向国V标准发展[14]。

当然，国内已有几家柴油机后处理系统企业开展自主研发，包括无锡威孚力达催化净化器有限公司和昆明贵研催化剂公司等。

（2）研究所及高校对SCR的研究
清华大学帅石金教授研究了整体式V2O5/WO3/TiO2催化剂，对催化剂的特性和SCR喷射控制策略进行了深入的讨论。

通过仿真研究及在增压中冷柴油机YC4112ZLQ上的试验研究，优化了尿素喷嘴位置和尿素喷嘴喷孔数目[15]。

军事交通学院资新运教授研究了乙醇作还原剂，Ag/Al2O3作催化剂的柴油机SCR系统，为使用醇类做还原剂的柴油车SCR系统提供了参考[16]。

武汉理工大学博士覃军对基于脉谱图（MAP）的SCR系统开环控制策略进行了研究，其研究方法对后继的研究者有较大的启发作用[17]。

山东大学博士陶建忠在其博士论文《利用选择性催化还原反应(SCR)降低车用柴油机氮氧化物的技术研究》中详细的讨论了V2O5-WO3/TiO2催化剂的制备及性能、SCR系统与柴油机的匹配等[18]。

4柴油机SCR技术的实现
4.1 SCR技术
NOX选择性还原催化还原技术作为有效的排气后处理措施最初应用在锅炉、焚烧和发电厂等固定式污染源以降低NOX的排放，气候组件应用到交通运输领域，作为降低柴油机NOX排放的有效措施之一。

其原理时以氨气（NH3）作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机排放中的有害成分NOX转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H2O）。

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，故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。

SCR技术的一个非常显著的优点就是它所使用的钒基催化剂对燃油中的硫不敏感，不会产生严重毒化现象。

SCR系统基本工作原理：排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素溶液以雾化状态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂（NH3），NH3在催化剂的作用下将氮氧化物NOX由选择性的还原为氮气（N2）。

有时为
了防止多余的氨气逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方设置促使氨气氧化成氨气的催化剂。

尿素还原NOX过程中发生化学反应主要为：（1）尿素的分解反应：
（2）NH3与NOX的选择性催化反应：
在SCR反应过程中，由于柴油机排气中90%以上的NOX是以NO的形式存在，NO2的含量不足10%，所以反应式基准反应式主要反应。

如果希望以快速反应进行，需要增加废弃中的NO2含量。

有的研究可以显著提高低温下SCR系统NOX翠花转化效率，当排气中NO2比例，可以显著提高低温下SCR系统NOX 催化转化效率，当排气中NO2与NO的浓度比例为1:1时，NOX的转化效率最高。

增加NO2在NOX中的比例可以通过在喷射系统与增压器祸轮之间增加柴油氧化催化器来实现，由于柴油机运行工况多变，将NO2与NO的比例控制在合理范围工作难点比较多，也是研究的热点问题之一。

另外，由于DOC具有强氧化性，在将NO氧化为NO2的同时也会把排气中来自燃油中的氧化为导致硫酸盐的产生，覆盖在催化剂表面，如果硫酸盐得不到及时清除，长时间运行积累的硫酸盐会导致催化剂活性的降低，从而影响SCR系统的正常运行。

因此，只有在确保燃油中硫含量比较低的情况下才能使用DOC。

图1中为尿素—SCR系统总体简图，其硬件部分包括尿素喷射系统（喷射控制单元、尿素供给单元、喷射单元、尿素箱等）、SCR催化转化器（载体、催化剂及其封装）、传感器（上游温度传感器、NOX传感器、尿素液位温度传感器等）及连接线路和管路等。

喷射控制单元ECU通过CAN总线从发动机获取与尿素喷射相关的参数（发动机转速、负荷、进气空气流量、原机NOX浓度），实现尿素喷射信息的判断。

图1 尿素—SCR系统总体简图
尿素-SCR系统NOX转化效率受许多素的影响，发动机方面主要足燃油品质、排气温度、排气流量和原始NOX浓度；SCR方面主要是催化剂件能、素溶液唢射控制策略、尿素雾化质量、尿素液滴的分解和混合均勾性等因素。

目前的研究主要集中在催化转化器和尿素喷射系统两方面展开。

4.2SCR关键技术的发展
4.2.1催化转化器
SCR催化转化器主要包柄催化剂、载体、封装三个部分。

其中催化剂是SCR 技术的核心部分之一，对SCR的运行有直接的彩响；载体是承载催化剂的支撑体，目前，常用的主要是堇青石材料烧制而成，汽车尾气就是通过与附着在载体表面上的活件催化剂相互作用，而加速尾气中NOX的氧化还原反应从而达到净化尾气中有害成分的目的；封装可以较好的保沪内部的载体和催化剂，起到密封的作用，内部结构通过优化设以尽可能提高尿素液滴与排气混合均勾性，充分促进尿素溶液的分解，并应该有效防止尿素溶液产生沉积现象。

典型的催化转化器如下图：
图2.催化转化器效果图
4.2.2尿素喷射系统
尿素喷射系统由控制器（DCU）尿素供给单元（简称为尿素泵）、尿素喷射单元（简称为尿素喷嘴）、尿素箱、相应管路、传感器和连接线束组成，其中控制器、尿素菜、尿素喷嘴是SCR喷射系统最复杂、最核心的技术内容。

尿素喷射系统计量精确性和喷雾雾化质量是尿素喷射系统中最基本的功能要求；耐久性、可靠性、防低温结冰、防低温结冰等也是重要的指标要求。

如来尿素喷射系统计量不够精确会造成喷入排气小的尿素溶液过少或过多而偏离预定的喷射量，从造成NOX转化效率降低或者氨逃逸过量。

尿素溶液喷雾雾化质量对尿素溶液的蒸发、分解和沉积物的生成有很大的影响。

图3.依米泰克NONOX系统工作原理
5.SCR后处理系统对柴油机颗粒物成分的影响
为了研究发动机配置SCR系统前后的颗粒成分的变化采用欧洲瞬态循环（ESC），利用部分流颗粒采用A VL472，对目标发动机尾气颗粒进行采样。

通过气相色谱质谱联用仪、电感耦合等离子体质谱仪、离子色谱仪对安装了SCR 后处理系统前后的排气颗粒物成分包括SOF、重金属、阴离子进行分析。

图4给出了检测原机和带SCR后处理颗粒物中SOF的总离子图。

从谱图直观对比看，SCR后的颗粒物中SOF的有机成分含量比原机有一定程度的减少。

（a）原机（b）SCR后
图4 原机和SCR后的颗粒物中SOF总离子流图表1给出了安装SCR前后柴油机颗粒物中重金属检测结果。

在SCR安装前后重金属的种类基本没有明显变化，但在SCR后处理的颗粒物中的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zr、Mo、Sn、Sb、Ba、Ce等几种金属的含量比不带SCR增加了0.4%。

这可能由于SCR后处理系统在还原NOX的同时也将尿素溶液中微量金属元素携带并转移到了颗粒物中，从而使颗粒物中的大部分重金属元素含量略有增加。

表1 颗粒物中重金属元素的含量
柴油机安装SCR后处理系统，将降低柴油机的颗粒物以及气态物排放；与原机相比，SCR后的颗粒物中SOF含量降低60%。

但是，才有那个SCR后造成颗粒中大部分重金属浓度明显增大。

6.发展前景
通过优化机内燃烧降低颗粒物排放，同时采用机外后处理技术，通过选择性催化还原（SCR）技术降低NOX排放，从而使发动机排放满足欧IV/V甚至更高的排放法规。

此技术还需通过以下方面进行改进：
（1）增加催化剂的催化效率，增加低温时NOX的转化效率，以防止低温启动催化剂温度过低而造成的尾气排放超标。

（2）提高催化剂的抗中毒能力及燃油品质，由于我国燃油含硫量比较高，所以很容易造成催化剂SO2中毒，催化剂中毒后不能达到很好的催化效果，使系统的催化转化效率降低。

（3）增加尿素（“添蓝”）加注站，安装SCR系统的车辆需要消耗大量的尿素溶液，因此，“添蓝”加注站的建设问题是关系着整个SCR技术推广的关键环节。

展望未来,柴油机由于在动力性、经济性和可靠性方面有着汽油机不可比拟的优势,特别是CO2排放值特别低,其用途已不再仅仅局限于船用和大型商用乘用车的动力系统,而是已逐渐扩展到各类车型上,柴油轿车在欧洲市场的占有率已达到40%,而德国高达50%。

目前我国在对发动机排放法规的不断严格的同时也在大力发展车用柴油机。

SCR作为一种新的后处理技术,能有效地降低内燃机NOX 的排放。

国内的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。

SCR技术由于其使用油耗低、油品适应性强、产品平台继承性好等优点而成为中重型国IV柴油机的首选降排技术路线。

相信不久将来，SCR技术在应用范围内推广的更远。

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