柴油機-國四發(fā)動機SCR簡介

  從國Ⅱ到國Ⅲ,對柴油機進行了較多的改進,如加強增壓中冷、多氣門技術、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,NOx和PM都有所下降。2013年7月1日開始實行的柴油機國四標準，對柴油機的排放提出了更高的要求。

  在國Ⅲ的基礎上,僅僅對發(fā)動機內部參數(shù)進行優(yōu)化,雖然可以繼續(xù)降低排放,但不足以滿足國Ⅳ標準。國Ⅳ是柴油機排放控制技術的轉折點,還需要增加其它的技術。

目前,大致上有兩條機外凈化技術路線:

  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,簡稱尿素-SCR系統(tǒng)。尿素-SCR系統(tǒng)是最具現(xiàn)實意義的方法,它能把發(fā)動機尾氣中的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,從而達到同時降低NOx和PM的效果(被稱為美國路線)。

  目前，國內的幾家大型柴油機廠大都通過機內凈化降低碳煙，然后利用SCR系統(tǒng)降低NOx排放的方法來滿足國Ⅳ排放法規(guī)對碳煙和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)的基礎上,需要加裝一套比較復雜的調節(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)生的復雜的物理和化學反應包括：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反應以及NOx在催化劑表面與NH3發(fā)生的催化表面化學反應。其主要化學方程式如下：

化學方程式： 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：

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

SCR系統(tǒng)的布置設計

  SCR系統(tǒng)混和管的布置設計對SCR載體內的化學反應有很大的影響。在國Ⅳ柴油機的開發(fā)過程中，相當多的工作是對混和管進行優(yōu)化設計，包括管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置和噴射角度等。對管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置及噴射角度進行優(yōu)化設計，從而保證在混和管路不出現(xiàn)粒子撞壁后的結晶。通過對SCR載體入口速度均勻性和整個載體的壓力損失情況進行計算分析，保證載體入口速度分布均勻，整個系統(tǒng)產生較小的壓力損失。

通過計算優(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)化混和管路的設計和尿素噴射裝置的布置，從而優(yōu)化SCR系統(tǒng)的布置，預測催化效率，減少試驗成本。

應用SCR技術的優(yōu)缺點分析

  柴油發(fā)動機的排放控制主要是對排放中的PM和NOx的處理。處理方案一是先在發(fā)動機內處理NOx，再處理PM；或者兩種都進行后處理。最后這種方法存在一個污染源回收的處理問題。沒有EGR系統(tǒng)，在發(fā)動機內處理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)動機機內減少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，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，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，但有腐蝕性，必須使用特殊的容器儲存。

  （2）SCR系統(tǒng)中的尿素劑量最終由發(fā)動機管理系統(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，不能超過份量。尿素的噴入量過少，則達不到應有的處理水平，尿素的噴入量過多，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，另外還要增加一個尿素溶液箱和尿素溶液。汽車會損失一部分的有效載荷。

  （4）SCR作為一個新的后處理技術，因購置、操作和保養(yǎng)費用高、需要加一套較為復雜的調節(jié)還原劑噴射量的控制系統(tǒng)等等原因，在車用柴油機上還沒有得到大范圍的推廣。

  （5）必須保證行駛區(qū)域內對尿素需求的供應，需要車載診斷，并需要自覺及時地加尿素。

  在SCR技術的應用方面，目前已基本解決尿素的儲存、注入和噴射策略等技術問題，使用耐久性好，但還需進一步解決降低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

  SCR系統(tǒng)是一個自動控制的系統(tǒng)，當車輛的鑰匙開關處于ON擋，車輛電壓正常，相關管路連接正確，系統(tǒng)將在控制器的指揮下自動排空、自動化冰、自動噴射等，不需人為干預。SCR系統(tǒng)基本免維護，只要加注符合標準要求的尿素，系統(tǒng)內部終身免維護。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。

  避免尿素儲存罐中尿素溶液液位低于最低液位的情況下工作，因為噴嘴需要使用尿素溶液來冷卻，所以儲存罐中的尿素溶液過少的話會使噴嘴冷卻不足，從而導致噴嘴損壞。

  SCR系統(tǒng)在發(fā)動機停機后，計量噴射系統(tǒng)要抽干管道中的殘液，以防結晶堵塞，所以點火開關關閉一分鐘后再斷開蓄電池總開關。

  SCR系統(tǒng)的故障暫時不影響發(fā)動機的正常工作，但不能故障持續(xù)時間過長。因為SCR系統(tǒng)不正常工作或停止運行時，車輛排放將不能達到標準而污染環(huán)境。如果故障持續(xù)時間過長，電控系統(tǒng)將降低發(fā)動機的功率。SCR系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，SCR故障指示燈會點亮。SCR系統(tǒng)的維護保養(yǎng)嚴格按發(fā)動機廠家的規(guī)定執(zhí)行。