柴油機(jī)-國(guó)四發(fā)動(dòng)機(jī)SCR簡(jiǎn)介

  從國(guó)Ⅱ到國(guó)Ⅲ,對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了較多的改進(jìn),如加強(qiáng)增壓中冷、多氣門技術(shù)、廢氣再循環(huán)及冷卻、電控高壓噴射系統(tǒng)(共軌、泵噴嘴、單體泵)等,在降低油耗的同時(shí),NOx和PM都有所下降。2013年7月1日開始實(shí)行的柴油機(jī)國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)柴油機(jī)的排放提出了更高的要求。

  在國(guó)Ⅲ的基礎(chǔ)上,僅僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,雖然可以繼續(xù)降低排放,但不足以滿足國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)Ⅳ是柴油機(jī)排放控制技術(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),還需要增加其它的技術(shù)。

目前,大致上有兩條機(jī)外凈化技術(shù)路線:

  其一是先通過超高壓噴射并優(yōu)化燃燒生成極少的PM,再使用選擇性催化還原SCR,來降低因燃燒優(yōu)化而產(chǎn)生的NOx(被稱為歐洲路線),目前常用水基性氨溶液作為催化還原劑,簡(jiǎn)稱尿素-SCR系統(tǒng)。尿素-SCR系統(tǒng)是最具現(xiàn)實(shí)意義的方法,它能把發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NOx減少60%~90%。

  其二是采用EGR(廢氣再循環(huán))+DPF(顆粒捕集器),即先通過EGR降低排放中的NOx,再用DPF捕集因使用EGR而略有增加的PM,從而達(dá)到同時(shí)降低NOx和PM的效果(被稱為美國(guó)路線)。

  目前，國(guó)內(nèi)的幾家大型柴油機(jī)廠大都通過機(jī)內(nèi)凈化降低碳煙，然后利用SCR系統(tǒng)降低NOx排放的方法來滿足國(guó)Ⅳ排放法規(guī)對(duì)碳煙和NOx的限制。

尿素-SCR系統(tǒng)的組成

  典型的尿素-SCR系統(tǒng)是在原來的尾氣凈化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,需要加裝一套比較復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的噴射和控制系統(tǒng),主要部件：尿素罐、尿素加料裝置（尿素泵）、尿素噴嘴、催化器、排氣溫度傳感器、氮氧化物傳感器。 

SCR系統(tǒng)的工作原理

  在SCR系統(tǒng)中發(fā)生的復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)包括：尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)、尿素的水解和熱解氣相化學(xué)反應(yīng)以及NOx在催化劑表面與NH3發(fā)生的催化表面化學(xué)反應(yīng)。其主要化學(xué)方程式如下：

化學(xué)方程式： 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O    NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O

尿素：（NH2）2CO→NH3+HNCO   HNCO+H2O→NH3+CO2

SCR系統(tǒng)的工作過程是：

  當(dāng)車輛的鑰匙開關(guān)打到ON擋的時(shí)候，控制器（ECU）開始通電，與此同時(shí)尿素計(jì)量泵開始轉(zhuǎn)動(dòng)，從尿素儲(chǔ)存罐中抽吸尿素溶液，前期計(jì)量泵以最大工作壓力進(jìn)行工作，目的是快速建立壓力，當(dāng)泵腔中的壓力達(dá)到5bar后，計(jì)量泵將由ECU進(jìn)行閉環(huán)控制，保持泵腔的壓力，用于尿素噴嘴的冷卻和噴射。當(dāng)轉(zhuǎn)速和排氣溫度達(dá)到預(yù)先標(biāo)定好條件后，尿素噴嘴才會(huì)噴射尿素溶液。尿素溶液的噴射量由ECU根據(jù)柴油機(jī)的工況、催化器溫度和環(huán)境狀態(tài)來精確計(jì)量。尿素溶液被噴射到排氣管中，與柴油機(jī)排氣進(jìn)行均勻混合并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，凈化排氣。由于尿素溶液在氣溫低于-11℃的時(shí)候會(huì)結(jié)冰，為了保證系統(tǒng)在低溫時(shí)候的正常使用，系統(tǒng)配置有化冰功能，化冰的熱源來源于柴油機(jī)的冷卻水。當(dāng)電控單元通過尿素溫度傳感器感應(yīng)到尿素溶液溫度較低，可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的情況，那么ECU將打開加熱水電磁閥。熱的柴油機(jī)冷卻液就會(huì)順著管道流向尿素儲(chǔ)存罐和尿素計(jì)量泵內(nèi)置的換熱器，這些地方的冰就會(huì)迅速融化。由于冷卻液管道和尿素膠管扎在一起，外套保溫管，所以尿素管道內(nèi)部的冰也會(huì)同時(shí)融化。

SCR系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)

  SCR系統(tǒng)混和管的布置設(shè)計(jì)對(duì)SCR載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。在國(guó)Ⅳ柴油機(jī)的開發(fā)過程中，相當(dāng)多的工作是對(duì)混和管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置和噴射角度等。對(duì)管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置及噴射角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證在混和管路不出現(xiàn)粒子撞壁后的結(jié)晶。通過對(duì)SCR載體入口速度均勻性和整個(gè)載體的壓力損失情況進(jìn)行計(jì)算分析，保證載體入口速度分布均勻，整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較小的壓力損失。

通過計(jì)算優(yōu)化排氣管道形狀以及噴射位置和噴射角度，避免尿素水溶液撞壁出現(xiàn)沉積，堵塞管路。利用數(shù)值模擬研究這些過程，可以優(yōu)化混和管路的設(shè)計(jì)和尿素噴射裝置的布置，從而優(yōu)化SCR系統(tǒng)的布置，預(yù)測(cè)催化效率，減少試驗(yàn)成本。

應(yīng)用SCR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

  柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排放控制主要是對(duì)排放中的PM和NOx的處理。處理方案一是先在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)處理NOx，再處理PM；或者兩種都進(jìn)行后處理。最后這種方法存在一個(gè)污染源回收的處理問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)處理NOx是非常困難的，并且燃油消耗更高。因此，一般多采用在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)減少PM排放，在廢氣中處理NOx。

  （1）目前在廢氣中處理NOx采用的是SCR處理技術(shù)，即：利用尿素溶液（水溶液濃度為32.5%±0.5%），在排氣中噴入尿素、氨水等還原性物質(zhì)，將NOx（主要是NO）還原為N2和H2O。它無毒、潔凈、無氣味、不易著火、無爆炸危險(xiǎn)，但有腐蝕性，必須使用特殊的容器儲(chǔ)存。

  （2）SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)控制，尿素的噴入量必須要與NOx的濃度相匹配，在保證降低NOx的同時(shí)，不能超過份量。尿素的噴入量過少，則達(dá)不到應(yīng)有的處理水平，尿素的噴入量過多，則會(huì)使多余的氨氣排入大氣，導(dǎo)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。而且尿素消耗較快，定期添加尿素的責(zé)任也必須由用戶來完成。

  （3）使用SCR后不但要增加SCR本身裝置的重量，另外還要增加一個(gè)尿素溶液箱和尿素溶液。汽車會(huì)損失一部分的有效載荷。

  （4）SCR作為一個(gè)新的后處理技術(shù)，因購(gòu)置、操作和保養(yǎng)費(fèi)用高、需要加一套較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等等原因，在車用柴油機(jī)上還沒有得到大范圍的推廣。

  （5）必須保證行駛區(qū)域內(nèi)對(duì)尿素需求的供應(yīng)，需要車載診斷，并需要自覺及時(shí)地加尿素。

  在SCR技術(shù)的應(yīng)用方面，目前已基本解決尿素的儲(chǔ)存、注入和噴射策略等技術(shù)問題，使用耐久性好，但還需進(jìn)一步解決降低SCR裝置以及尿素加注站的成本等問題。

SCR系統(tǒng)使用注意事項(xiàng)

  SCR系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)控制的系統(tǒng)，當(dāng)車輛的鑰匙開關(guān)處于ON擋，車輛電壓正常，相關(guān)管路連接正確，系統(tǒng)將在控制器的指揮下自動(dòng)排空、自動(dòng)化冰、自動(dòng)噴射等，不需人為干預(yù)。SCR系統(tǒng)基本免維護(hù)，只要加注符合標(biāo)準(zhǔn)要求的尿素，系統(tǒng)內(nèi)部終身免維護(hù)。用戶只要做的就是保持系統(tǒng)外表干凈，電器接頭干燥即可。

  避免尿素儲(chǔ)存罐中尿素溶液液位低于最低液位的情況下工作，因?yàn)閲娮煨枰褂媚蛩厝芤簛砝鋮s，所以儲(chǔ)存罐中的尿素溶液過少的話會(huì)使噴嘴冷卻不足，從而導(dǎo)致噴嘴損壞。

  SCR系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后，計(jì)量噴射系統(tǒng)要抽干管道中的殘液，以防結(jié)晶堵塞，所以點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉一分鐘后再斷開蓄電池總開關(guān)。

  SCR系統(tǒng)的故障暫時(shí)不影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，但不能故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)。因?yàn)镾CR系統(tǒng)不正常工作或停止運(yùn)行時(shí)，車輛排放將不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)而污染環(huán)境。如果故障持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，電控系統(tǒng)將降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。SCR系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，SCR故障指示燈會(huì)點(diǎn)亮。SCR系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)嚴(yán)格按發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的規(guī)定執(zhí)行。