重型柴油机满足欧Ⅴ、欧Ⅵ排放法规的SCR后处理技术探讨

王国莹 付海燕 于红胜 仲蕾 程秀围 任庆霜 董江峰

（中国北方发动机研究所天津300400）

重型柴油机满足欧Ⅴ、欧Ⅵ排放法规的SCR后处理技术探讨

王国莹 付海燕 于红胜 仲蕾 程秀围 任庆霜 董江峰

（中国北方发动机研究所天津300400）

研究了国外重型柴油机排放法规的技术路线，分析了SCR系统的技术特点，并在此基础上探讨了满足欧Ⅴ以上排放法规的SCR后处理技术。指出SCR的设计理念在不断地更新换代，SCR的温度窗口不断扩大，SCR的体积不断缩小。发动机及后处理系统运行成本也在不断优化。

柴油机SCR后处理混合器DOC双SCR氨气催化器排气热管理

引言

环境污染成为排放法规越来越严格的推手，欧盟在2008年10月已经开始实施重型柴油机欧Ⅴ排放标准，2013年12月实施重型柴油机欧Ⅵ排放标准。美国2010年实施的标准已经高于欧Ⅴ排放标准。中国在面对日益严重的环境污染问题时，也紧跟国际形势。日前，环保部发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》。根据规定，2018年1月1日起，全国机动车将全面实施国Ⅴ排放标准。据悉，北京市因已具备实施新标准的条件，将在标准正式发布后立即执行该标准。同时，环保部鼓励具备燃油供应条件的地方提前实施该标准。重型柴油机也将紧跟该步伐，并加快了欧Ⅴ、欧Ⅵ柴油机后处理技术的开发。

柴油机从欧Ⅳ升级到欧Ⅴ，NOx排放降低大约43%，从欧Ⅴ升级到欧Ⅵ，NOx排放降低80%；美国从US2007排放到US2010排放法规，NOx排放约降低83%；日本从2005年排放法规到2009年排放法规，NOx排放降低约65%。降低NOx是未来降低排放的一个重要工作方向。柴油机NOx后处理的技术有：选择性催化还原技术SCR、稀燃NOx捕集技术LNT或者NAC、稀薄NOx催化LNC等。欧洲的通用协议提到，重型车生产商将采用组合方式（适度应用SCR技术和轻微减少SCR剂量）达到欧Ⅵ排放标准。可见SCR技术是未来柴油机满足排放法规要求的关键技术[1，2]。

1 SCR后处理技术介绍

SCR后处理系统主要由尿素喷射系统，SCR催化器及SCR控制器组成。

SCR催化器主要分为Cu/Zeolite SCR催化器，Fe/Zeolite SCR催化器，Vanadium SCR催化器。Cu/ Zeolite SCR催化器、Fe/Zeolite SCR催化器，抗高温能力强，温度窗口大，但是抗S能力差。国外最新研发的Vanadium SCR催化器也具有宽广的温度窗口，抗S能力优于Cu/Zeolite SCR催化器和Fe/Zeolite SCR催化器，但是抗高温能力差[3]。30 hr-1空速下Cu/ Zeolite SCR催化器与Vanadium SCR催化器抗S老化试验对比如图1所示。目前Vanadium SCR催化器是一种成熟的技术，也是国内应用最广的技术，未来催化器Vanadium SCR催化器将向抗高温小型化及宽广的温度窗口、多功能化方向发展。例如SCR催化器结合连续再生过滤器CRT的特点开发的SCRT催化器，具有了SCR和DPF的双项功能，并且缩小了整体催化器的体积，曼公司的欧Ⅵ柴油机机型就采用了该技术。该技术的特点是在一个单独的催化器中封装涂有SCR涂层的壁面流动过滤器，该催化器（SCRT）能够实现减少NOx和过滤PM的作用。该催化器的封装过程具有一定的难度，SCRT催化器主要的缺点是SCR涂层增加了流动阻力，引起了系统背压，所以在过滤器上涂覆涂层的质量要比传统的直通管路的催化器的涂层质量轻。

图130 hr-1空速下Cu/Zeolite SCR催化器与Vanadium SCR催化器抗S老化试验对比图

SCR尿素喷射系统中成熟的、应用较广泛的系统有BOSCH尿素喷射系统，以及Emitec尿素喷射系统。一般的尿素SCR系统中应用压缩空气辅助尿素水喷射。正常工作时，一路空气供给尿素水喷嘴，使尿素水溶液在喷射时雾化；另一路空气供给尿素泵，控制尿素水溶液回流量的大小。无压缩空气的尿素喷射系统，通过喷嘴的特殊设计实现尿素水溶液的雾化。无压缩空气的SCR系统因其体积小、轻量化的特点在柴油乘用车等小型车辆上应用较广。

尿素SCR系统中尿素水溶液的控制模式有两种：即开环控制、闭环控制。开环控制没有任何反馈信息返回到尿素水溶液控制单元对下一步控制指令进行修正；而闭环控制，通过快速且实时的NOx与NH3检测，对尿素水溶液的喷射量进行修正，如图2、3所示。欧Ⅵ排放的NOx排放要求使得SCR后处理系统在尽量避免NH3滑失的前提下，最大地提高NOx的转化效率，所以SCR控制系统必须采用闭环控制系统。闭环控制系统中，技术难题是NOx与NH3传感器的技术水平。如图2所示欧Ⅵ排放时，SCR系统后NOx传感器信号得到的数值很难判断主要是NOx排放引起的还是NH3滑失引起的，如果错误地认为NH3滑失引起的NOx传感器数值增加是因为NOx排放引起的，那么将会引起更多的NH3滑失。俄亥俄州立大学的Ming Feng Hsieh、Junmin Wang通过一种控制算法来区分NOx传感器测得的NOx量和NH3量，使NOx反馈信息更加准确，从而提高了SCR的NOx转化效率[4]。目前Delphi研发的NH3传感器由于其受NOx组分的影响小而越来越受到人们的关注[5]。

图2 NOx传感器测得的NOx、NH3排放浓度范围

图3 不同SCR控制策略的SCR转化效率及NH3、NOx排放量

2 满足欧Ⅴ以上排放法规的SCR技术

柴油机欧Ⅴ排放法规促使SCR系统在保证NH3滑失限制的条件下，进一步提高SCR的转化效率。柴油机欧Ⅵ排放法规，不但使排放限值在欧Ⅴ的基础上更加严格，而且采用了WHTC、WHSC和NTE循环试验来替代ETC、ESC和ELR试验，该试验循环注重发动机低温工况特性。所以国内外相关领域研究机构根据欧Ⅴ、欧Ⅵ排放法规要求，对SCR技术进行了匹配研究，扩展了SCR的功能，主要的研究技术如下所述。

2.1 SCR混合器技术

SCR的还原剂NH3是以尿素水溶液（体积分数为32.5%±0.5%）的形式存在，尿素水溶液通过尿素喷射系统喷入到排气管中，尿素在排气管通过三步进行分解。

第一步溶液中的水首先蒸发。

第二步尿素分解释放一个NH3分子和一个异氰酸（HNCO）分子。

第三步这个异氰酸随后与水发生水解反应生成NH3和CO2（HNCO+H2O---NH3+CO2（水解））。

这两个NH3分子与NOx反应，来减少NOx排放。在分解过程中也可能产生不完全分解的情况，例如HNCO的不完全分解。HNCO的三聚作用会形成三聚氰酸并与NH3反应得到不希望得到的成分如ammelide、ammelind、melamine，造成尿素结晶、催化器老化等问题。很多厂商在应对该问题时，提出除采用CFD技术优化SCR系统外，还进行了各种尿素混合器的设计[6]，如图4所示。混合器能够使尿素水溶液喷雾液滴与发动机尾气更加充分地混合，形成更加均匀的NH3分布。该技术在国内外都得到了很好的利用。

图4 不同类型的混合器设计

2.2DOC匹配SCR技术

SCR催化器中NH3与NOx的还原反应主要有以下三个方程：

标准反应：

快速反应：

慢速反应：

柴油机排放的NOx中NO含量通常占85%以上。因此NOx的催化还原反应中标准反应是最主要的反应。大量研究结果表明，当增加NOx中NO2的比例时，可以提高低温条件下SCR对NOx的转化效率，当NO与NO2浓度之比为1时将会有最佳的NOx催化转化效率，当NO2超过50%时将发生慢速反应。

国外通过DOC调节NOx中NO的比例，提高SCR催化器低温时的催化转化效率的相关研究有很多，得出的结论也很多。例如：Walker等人提出的催化器后处理系统，如图5所示。由于预氧化剂DOC大大增强了转化过程的活性，使该系统具有极佳的低温反应特性。Gekas等人测试了预氧化剂对改善催化剂低温活性的影响，实际测试表明，如果用相同体积大小的SCR催化剂代替预氧化剂，同样可以达到相似的转换效果，而系统结构却相对简单[7]。结论的不同主要源于不同DOC的氧化效率导致SCR催化剂特性不同。总体来说DOC内NO2的形成主要取决于温度，因为只有当所有的CO及80%的碳氢化合物被转换后才开始生成NO2，很多DOC对NO氧化成NO2的能力有限。而SCR催化剂不同、体积不同，低温时NOx的转化效率也会有所差别。文献[11]中较详细介绍了DOC对NOx的氧化作用，验证了在NO2/NO的比值接近1时NOx转化率最高，同时也验证了NOx在SCR系统反应过程中，无论NO/NO2的比例是多少，NO与NO2主要是按1：1的比例参与了快速反应（2），过多的NO或NO2才参与了标准反应（1）或慢反应（3）。

图5 DOC匹配SCR方案

2.3 双SCR匹配技术

双SCR匹配技术是在考虑低温工况下，限制NH3滑失的基础上，使SCR的NOx转化效率最大化的假设条件下提出来的。该方法利用了SCR催化器低温的储氨特性。如图6所示，催化剂温度和气体NH3的浓度对SCR催化剂NH3存储量的影响关系曲线。温度越低，NH3浓度越高，则越多的NH3被存储到SCR催化剂中，反之亦然。

图6 SCR催化器NH3存储能力随温度与NH3浓度的变化

双SCR系统中第一个SCR催化器存储较多的NH3，从而获得高NOx转化效率。第二个SCR催化器布置在距离第一个SCR催化剂很远的地方，使其温度较低。则当第一个SCR催化器出现NH3滑失，第二个SCR催化剂将吸收第一个SCR滑失的NH3，然后NH3才开始从第二个催化剂中释放。清除第二个SCR催化器中存储的NH3是通过触发SCR再生策略提高排气温度并减少尿素喷射率来完成的。该技术缺点是增加了一个SCR系统，则不可避免地导致后处理系统的成本和体积增加。所以文献[8]利用了SCRT技术，如图7所示，从而使整体的柴油机后处理系统体积和成本控制在一个合理的范围内。

图7 双SCR匹配方案

2.4ASC匹配SCR技术

氨气催化器ASC安装在SCR催化器下游，含有低组分贵金属的氧化催化剂，氨气催化器也是为了提高SCR的转化效率而设计的，如图8所示。因为一定的NOx浓度、温度、空速和气体组成成分下，NOx转化和NH3释放是此消彼长的关系，所以为了得到高的NOx转化，SCR催化器不可避免地存储了较多的NH3，温度突增会引起的NH3滑失。通常氨气催化器是组合了SCR与DOC功能的后处理系统[9]，SCR催化器泄露的NH3可以通过氨气催化器去除。很多欧Ⅴ以上的柴油机采用了该方法[10]。

图8 ASC匹配SCR

2.5 排气热管理技术

SCR催化器的转换效率主要取决于温度，温度是影响NOx转换的主要参数。实践表明，为了使尿素转换成氨气并防止尿素沉积在排气管内，起始温度应不低于150℃与200℃之间。排气温度越高越有利于排气后处理。

提高排气系统温度的方法有很多，可通过发动机自身提高排气温度（如推迟预喷时间或改变进气温度等），此时整个排气系统下游的温度也随之升高。一个包括DOC、DPF及SCR催化器的完整系统需要大量的能量来充分提高SCR催化器的温度。或者也可直接提高SCR催化器局部温度，例如：雷诺卡车公司推出的重载DTI 11和DTI 13机型欧Ⅵ柴油机，独有的发动机废气加热系统利用进气阀和“第7喷射器”燃烧器，来扩展SCR功能，提高SCR催化器局部温度。采用哪种方法还需要通过热管理法来优化加热系统引起的燃油、尿素水溶液的成本波动[11，12]。

3 结论

柴油机SCR后处理技术成功应用到了欧Ⅳ以上发动机上。随着排放法规日益严格，SCR催化剂技术不断成熟、完善，SCR的设计理念也在不断的更新换代，为了适用于不同的循环测试标准及适用对象，SCR的温度窗口不断扩大，SCR的体积不断缩小。发动机及后处理系统运行成本也在不断优化。

1蒋德明.达到欧Ⅵ排放法规的新一代车用重载柴油机[J].车用发动机，2009（4）：1～6，15

2李鹏，谭丕强，楼狄明，等.满足国V排放的重型柴油机排气后处理技术[J].车用发动机，2010（4）：1～5，22

3James W.Girard,Clifford Montreuil,Jeong Kim,et al.Technical advantages of Vanadium SCR systems for diesel NOxcontrol in emerging markets[C].SAE Paper 2008-01-1029

4Ming Feng Hsieh,Junmin Wang.An extended Kalman filter for NOxsensor ammonia cross-sensitivity elimination in selective catalytic reduction applications[C].2010 American Control Conference

5Da Yu Wang，Sheng Yao，Mark Shost，et al.Ammonia Sensor for closed-loop SCR control[C].SAE Paper，2008-01-0919

6Rinie Van Helden，Ruud Verbeek，Frank Willems，et al. Optimization of Urea SCR DeNOx Systems for HDDiesel Engines[C].SAE Paper 2004-01-0154

7P L.T.Gabrielsson.Urea-SCR in automotive applications[J]. Catalysis，2004，28（1-4）：177~184

8Gang Guo，James Warner，Giovanni Cavataio，et al.The development of advanced urea-SCR systems for Tier 2 Bin 5 and beyond diesel vehicles[C].SAE Paper，2010-01-1183

9柴田正仁，山田岳.发动机排气后处理技术[J].国外内燃机，2013（3）：51～56

10 Phil Blakeman，Karl Arnby，Per Marsh，et al.Optimization of an SCR catalyst system to meet EU IV heavy duty diesel legislation[C].SAE Paper，2008-01-1542

11 Paul Mentink，Frank Willems，Frank Kupper，et al.Experimental demonstration of a model-based control design and calibration method for cost optimal Euro-VI engine-aftertreatment operation[C].SAE Paper，2013-01-1061

12陈镇，陆国栋，赵彦光，等.柴油机尿素SCR氨分布均匀性的试验与模拟优化[J].车用发动机，2012（1）：41～45

Investigation of SCR After-Treatment Technology for Heavy Duty Diesel to Meet the Emission Regulations above Euro 5

Wang Guoying，Fu Haiyan，Yu Hongsheng，Zhong Lei，Cheng Xiuwei，Ren Qingshuang，Dong Jiangfeng
China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）

The technical roadmaps of emission regulations of foreign heavy duty diesel are investigated.The technical characteristics of SCR system are analyzed.SCR after-treatment technologies meeting the emission regulations above Euro V are discussed.It's pointed out that the design conception of SCR has been renewed，the temperature window of SCR has been enlarged，and the volume of SCR has been reduced continuously.The operating cost of engine and after-treatment is being optimized constantly.

Diesel，SCR after-treatment，Mixer，DOC，Twin-SCR，Ammonia catalytic converter，Exhaust heat management

TK421+.5

A

2095-8234（2014）06-0085-05

2014-09-24）

王国莹（1981—），女，工程师，主要研究方向为柴油机燃油系统与后处理匹配设计。