應(yīng)用SCR技術(shù)實現(xiàn)歐IV車用柴油機排放標準

郭學靜 天納克同泰（大連）排氣系統(tǒng)有限公司 116100

應(yīng)用SCR技術(shù)實現(xiàn)歐IV車用柴油機排放標準

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本文對柴油機排氣后處理裝置的特點與應(yīng)用情況進行了研究，介紹了選擇催化還原技術(shù) (SCR)的機理、系統(tǒng)組成及工作原理,以及為實現(xiàn)歐IV 排放標準，采用SCR技術(shù)的現(xiàn)狀及未來展望。

柴油機排氣后處理；SCR 技術(shù)；展望

與汽油機相比，柴油機具有扭力大，可靠性高，維護費用低和燃油經(jīng)濟性好等優(yōu)點，而且我國有望在2011年底實施重型柴油機歐IV排放法規(guī)，車用柴油機的發(fā)展研究將進入一個新階段。在燃燒方面，目前技術(shù)措施大多數(shù)被采用，傳統(tǒng)擴散燃燒方式的潛力已到極限，僅靠燃油優(yōu)化的方式已經(jīng)無法滿足要求。采用與柴油后處理技術(shù)相結(jié)合，達到更為苛刻的排放指標，是當前滿足要求的主要技術(shù)路線。

1. 選擇性催化還原( SCR )技術(shù)

柴油機的主要排放物有CO , HC (少量) , NOx 及碳煙微粒( PM) ,其中NOx為影響較大的有害氣體之一。為實現(xiàn)歐IV排放標準，有兩條機后凈化技術(shù)路線：一是通過優(yōu)化燃燒，再使用選擇性催化還原(SCR)來降低因燃燒產(chǎn)生的NOx排放（被稱為歐洲路線）；二是廢氣再循環(huán)（EGR）+顆粒捕捉器(DPF),先通過EGR降低排放中NOx含量，再使用DPF捕集因使用EGR產(chǎn)生的略有增加的PM，達到同時降低NOx和PM的效果（被稱為美國路線）。從表一可以看出，SCR技術(shù)路線具有燃油消耗率低（扣除因使用尿素而增加的費用，還有2%～3%的優(yōu)勢）以及對燃油品質(zhì)不敏感等優(yōu)點，而成為國內(nèi)大量進行研究的技術(shù)，國外已經(jīng)開始投入實際使用。

表一 兩種不同凈化路線比較

1.1. 反應(yīng)機理

尿素與水以一定比例混合（一般為32.5%），噴入柴油機排出的廢氣中，尿素水解后生成的氨氣（NH3）在高于300℃的環(huán)境中，在催化劑的作用下與NOx迅速反應(yīng)，生成氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），而柴油機排氣溫度在300 ℃～500℃范圍內(nèi)，滿足了還原條件。反應(yīng)化學式為：

1.2. SCR 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

典型的SCR 系統(tǒng)的組成見圖一，包括以下三個部分。

1)催化轉(zhuǎn)換器

催化轉(zhuǎn)換器外表與消聲器相似，一般安裝在消聲器中，因此體積比消聲器有所增加，理論上講要增加15%左右才能滿足噪聲排放標準以及背壓的需要。

2)儲液罐

尿素以水溶液的形式儲存在儲液罐中，容積一般為18.9～113.6L。

3) 尿素噴射和控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由各類傳感器、供給模塊、尿素計量和噴射裝置、電控單元、空氣供給裝置等組成。

工作原理：如圖二所示，尿素泵將尿素柜中的尿素液泵入計量器中，計量器收到控制中心的指令后,提取一定量的尿素液與壓縮空氣混合形成初步霧化尿素并通往噴槍,多余的尿素液返回尿素柜。在排氣管的混合區(qū),尿素已分解成NH3和H2O 并與煙氣充分混合,然后進入SCR 反應(yīng)裝置。SCR 裝置的催化劑作用使NH3將迅速還原為N2和H2O ,隨煙氣排入大氣。

2.SCR的應(yīng)用研究

為了滿足日趨嚴格的排放法規(guī),國外許多汽車及發(fā)動機制造商已經(jīng)開始把SCR技術(shù)運用到產(chǎn)品上,也就意味著SCR 開始進入實用階段。

2.1 康明斯集成式排放控制( IEM)系統(tǒng)針對計劃于2005日10月實施的歐Ⅳ標準,康明斯將采用集成式排放控制系統(tǒng)IEM 技術(shù),即把發(fā)動機缸內(nèi)凈化和尾氣后處理集成在一起,實現(xiàn)“從進氣到排氣”的全過程控制。

2.2 格倫德福斯—托普索尿素SCR系統(tǒng)丹麥格倫德福斯公司和托普索科技公司合作研發(fā)出卡車用新型柴油引擎催化轉(zhuǎn)化器。該裝置可節(jié)省4 %的耗油量,將對人體有害的納米級PM 排放量減半,并降低NOx 和烴的排放量,減少柴油燃燒時產(chǎn)生的異味。

2.3 國內(nèi)也開始逐步研發(fā)SCR產(chǎn)品，主要使用的整車廠有一汽解放公司，中國重汽集團，濰柴等，他們使用天納克公司的后處理器已經(jīng)開始裝車進行路試，有望在2011年底法規(guī)出臺之前，轉(zhuǎn)入批量使用。SCR結(jié)構(gòu)一般有箱式和筒式兩種結(jié)構(gòu)，如圖三, 四。

3. SCR技術(shù)未來發(fā)展展望

雖然SCR 技術(shù)配以燃燒優(yōu)化能夠解決柴油機兩種排放污染物NOx 和PM之間互為矛盾的生成關(guān)系問題, 但使用SCR后不但要增加SCR本身裝置重量約150～300 kg, 還要增加一個尿素溶液(AdBlue)箱和尿素溶液。尿素噴入量過少, 達不到應(yīng)有的處理水平; 尿素噴入量過多, 則會使多余的氨氣排入大氣,導致新的污染。所以必須要有高靈敏度的NOx濃度傳感器以及相應(yīng)的高精度的尿素噴射裝置。最后, 在溫度較低(-11℃)的情況下,尿素- 水溶液會結(jié)冰, 也使其在寒冷地區(qū)推廣使用受到限制。不過, 目前可使用添加劑來降低尿素冰點, 考慮能源消耗而不采用加熱整個尿素箱的方案。

[1]劉巽俊.內(nèi)燃機的排放與控制.機械工業(yè)出版社2003

[2]吳小春. Urea-SCR 系統(tǒng)降低 NOx的實驗研究[J]. 航海工程,2004,(6) :28-30.

[3]Giuseppe Madia. The Effect of an Oxidation Precatalyst on the NOX Reduction by Ammonia SCR[J]. Ind Eng Chem Res,2002,41:3512-3517.

[4]黃鵬.國外車用柴油機 SCR 技術(shù)的應(yīng)用研究 [J]. 車用發(fā)動機,2005, (3) :32-34

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.077