SCR技术在柴油发动机的应用浅谈

梁曦

【摘 要】本文通过介绍选择性催化还原（SCR）技术的工作原理以及结构，具体分析了该技术在柴油发动机后处理应用的优点和缺点，并展望了SCR技术在柴油发动机应用上的发展趋势。

【关键词】柴油发动机；SCR技术；应用

0.引言

本文仅通过作者个人观点对SCR技术理解分析并对它的应用前景进行了展望。随着社会发展，国家对柴油发动机尾气排放的规定越来越严格。目前，国家限制的柴油发动机的尾气排放物主要有CO、HC、NOx、PM等。根据我国的国Ⅳ法规规定，要求柴油发动机在ESC测试中，CO的排放量不得大于1.5g/（kW·h），HC的排放量不得大于0.46g/（kW·h），NOx的排放量不得大于3.5g/（kW·h），PM的排放量不得大于0.02g/（kW·h）；在ETC测试中，CO的排放量不得大于4.0g/（kW·h），NOx的排放量不得大于3.5g/（kW·h），PM的排放量不得大于0.03g/（kW·h）。由于国家标准的不断提高，单纯地提高柴油机的性能已经无法满足排放法规，所以需要采取额外的措施来处理尾气。目前社会普遍的技术路线有两种。一种是废气再循环+颗粒捕捉器（EGR+DPF）技术，这种技术的优点是成本低，DPF过滤效率超过90%，缺点是油耗增加，对柴油的硫含量有一定要求，冷启动困难，工况不均衡；另一种是采用优化燃烧+选择性催化还原（SCR）技术，此方法可以降低5%-7%的油耗，对柴油的硫含量要求低，有害物质NOx的转化率大于70%，唯一的缺点是需要消耗尿素。SCR技术可以节约燃油，而且我国的燃油品质不高，所以SCR技术较适合我国的情况。本文将对SCR技术进行具体的分析，并对它的应用前景进行了展望。

1.尿素-SCR系统的工作原理和结构简介

尿素-SCR系统是指安装在柴油发动机的尾气排放装置中，将柴油发动机尾气中的有害气体NOx催化还原成N2和H2O的一种装置。该装置主要包括尿素喷射系统、SCR催化转化器、尿素箱、喷嘴。其中尿素喷射系统包括尿素喷射泵、电控单元。另外，值得注意的是，尿素溶液会在零下11oC时凝结，需要配备尿素加热装置。

尿素-SCR系统的工作原理：在尿素-SCR系统正常工作状态下，首先尿素泵在电控单元的控制下将尿素水溶液从尿素罐中取出，然后经过系统的加压、过滤送到计量喷射单元中，与此同时经过控制单元控制调压后的压缩空气也进入计量喷射单元。当系统的定量喷射泵打开后，压缩空气带着尿素溶液液滴摄入喷嘴，在喷嘴混合后，喷出雾化的尿素小液滴，进入排气管。在排气管内雾化的细小尿素液滴首先分解为NH3和HNCO，并与汽车尾气混合进入SCR催化转化器。在催化转化器内，HNCO进一步水解出更多的NH3，与尾气中的NOx在催化剂表面发生SCR反应，转化为无害的N2和H2O。

SCR催化转化器是SCR后处理系统中最重要的一个部件，关系着催化反应的转换效率，它主要由三部分组成：载体、涂层、封装。一般载体采用给反应提供了一个有效的较大反应空间的通道，外壳封装消音器，内表面涂有化催化剂涂层，对气体进行催化反应。尿素-SCR系统中发生的主要化学反应如下：

4NO+O2+4NH3=4N2+6H2

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

图1 尿素-SCR系统工作原理示意图

根据反应方程式可以得知，喷入的尿素并非越多越好，必须根据排出的气体量而定。所以尿素-SCR系统的电控单元须与发动机的控制单元相连接，根据具体的工作状况实时喷出适量的尿素。尿素-SCR系统的工作原理如图1所示：

2.尿素-SCR系统的催化转化器部件分析

2.1尿素-SCR系统的催化转化器的涂层

催化转化器的涂层是尿素-SCR系统中最重要的部分，它是控制SCR反应效率的关键所在。在不同的工况下，尾气的温度、流动速度及气体组成浓度均有不同，如何尽可能地将化学反应进行彻底，是系统效率的关键。为了提高反应效率，通常采用以钒基（V2O5-TiO2-WO3）或沸石分子筛作为活性组分的催化剂涂层。其中钒基催化剂的适合温度范围为250-450oC，铜基分子筛适合于温度在200oC以下的应用，铁基分子筛适合于排温较高（～650oC）的发动机。钒基催化剂抗硫性能好，且价格较低，在国内得到了广泛的应用。

另外，反应结束后排出的尾气中还含有大量的NH3，法规对NH3的逸出也进行了限定。逸出的NH3主要来自两个方面：一个是SCR反应本身无法反应完全，会残留部分NH3；另一个是NH3的射入量过大，与气体中的NOx的量不符，会遗留大量NH3。处理NH3的逸出问题主要有两种措施：一是加大尿素喷射控制单元的控制精度，使NH3的喷射量合理，根据实验，当喷入NH3与NOx的比例大约为0.8时，除去NOx的能力可达70%以上，且尾气中残留的NOx与NH3均可满足国Ⅳ要求；另一种措施是在后处理催化转化器中加入NH3的催化氧化系统（AMOx），将多余的NH3催化氧化为N2，以避免NH3的逸出。

2.2尿素-SCR系统的催化转化器的载体

尿素-SCR系统催化转化器的载体一般为圆柱状，中间有蜂窝状的孔供气流通过，材料一般采用金属、碳化硅、堇青石等。其中金属最适合的，不仅可以做出任意的形状，并且体积较小，强度高，便于安装，唯一的缺点是造价较高；碳化硅载体的造价不太高，但是不易做大，只适用于较小排量的发动机；堇青石载体的性能接近于碳化硅，而且可以做成较大的完整载体，是重型柴油发动机的首选。

一般来说，载体的孔小且细密有利于尾气的SCR反应的完全进行，也有利于剩余NH3的催化氧化，但是密而细的载体会增加发动机的排气背压，影响柴油的正常燃烧，所以催化转化器载体的设计非常重要。在设计载体时，其直径和有效长度主要取决于发动机在最大排气状态下的空速（SV）：

SV=

式中的气体体积是在25oC、100kPa标准状态下的体积。Q为排气体积流量，单位为L/h；V为载体体积，单位为L；SV为空速，单位为1/h。在设计时，SV越小，尾气在催化剂表面停留时间越长，催化反应性能也越好。

另外，载体的孔隙率（单位面积内的孔数目）、载体壁厚、前端面开口、载体表面积等也是影响其性能的重要参数。

2.3尿素-SCR系统的催化转化器的封装

尿素-SCR系统催化转化器的封装就是载体的外壳包装，用于载体和排气管的连接。封装根据功能可以分为带消音器和不带消音器两种，根据在车辆上安装位置的不同可以分为箱式封装和桶式封装。箱式封装的空速较低，催化转化效率好，消音效果也很好，但是体积较大，适合安装在较大型的车上；桶式封装的优点是体积小，布置方便，但消音效果稍差，空速较高，性能上比不上箱式封装，适合中小车辆。

3.结束语

本文介绍了尿素-SCR技术的工作原理和结构特点，并对其催化转化器的涂层、载体、封装这些结构的优缺点进行了详细的分析。尿素-SCR技术目前还有许多问题没有解决，如尿素溶液结冰、燃油含硫量过高、PM及粉尘过多影响化学反应等问题。但总体来说，SCR技术对柴油发动机尾气中的NOx的减少是行之有效的，而且该技术十分适合我国的国情，在我国的发展前景十分良好。国家和政府应加紧这方面的研究，尽早解决技术难题，使我国的SCR技术早日进入广泛应用阶段。

【参考文献】

[1]卢继东.SCR技术在国内车用柴油机上的应用[J].装备制造技术，2007，35（5）：80-81.