满足国Ⅴ及以上排放标准的柴油机SCR技术

工作方向，作为柴油机处理NOx的主要技术手段，选择性催化还原（Selective Catalyst Reduction，SCR）技术因其具有较好的氮氧化物转化性能（deNOx），易于改装等优点，已成为柴油机满足排放法规的关键性技术。

1 SCR系统的组成

SCR系统主要由催化器，还原剂供给喷射系统和相应的控制系统组成。

SCR催化器包含了隔热层，载体和催化剂。隔热层的目的是保持催化剂的温度，降低热量的损失；载体承载催化剂，需要涂覆足够的催化剂，在较小的背压条件下，要保证在高温下不易发生变形和破裂，SCR的载体一般由堇青石陶瓷制成；催化剂是SCR反应的核心，目前主要有Vanadium基催化剂，Cu/Zeolite基催化剂，Fe/Zeolite基催化剂。Cu/Zeolite在低温区间内的转化效率更好，Fe/Zeolite基在高温区间有更好的表现，但两种催化剂的抗S能力差。Vanadium基催化剂抗S能力强，但低温和高温时的转化能力差，因其成本和性能的优势，Vanadium基催化剂广泛应用在欧Ⅳ/Ⅴ的柴油机后处理系统中[2]。

SCR的控制系统由传感器，还原剂供给喷射系统，DCU组成。传感器主要有所依赖的温度，NOx传感器。还原剂供给喷射系统由存储罐，供给单元和喷射器组成，还原剂在供给单元内产生压力，最后由喷射器注入排气管中。值得注意的是，由于一部分还原剂会因低温冻结（如尿素水溶液的凝固点是-11℃），这类还原剂的供给路线需要进行保温加热的设计[3]。

DCU控制系统分为开环和闭环两种，在开环的SCR系统中，催化剂后的NOx传感器仅用于OBD，不反馈信息到控制系统；闭环控制通过NOx传感器实时反馈催化剂下游的NOx和NH3浓度到控制系统中，从而实现对尿素喷射量的修正。国Ⅴ以上SCR的控制的目标是在尽可能高的NOx转化率下，同时避免NH3的泄漏，所以控制系统必须是闭环的，但闭环控制需要算法计算由于NOx传感器催化氧化NH3产生的误差[4]。开环控制由于控制简单，成本低，在一些工况稳定的发动机上仍然能够达到较好的排放水平。

2 达到国Ⅴ及以上的SCR技术简介

为满足国Ⅴ和更高的排放法规，同时降低系统成本和复杂性，许多新技术和设计被应用到柴油机SCR后处理技术中。其中主要有集成式的后处理结构，新颖的被动SCR设计和DPF+SCR的组合式催化器以及以固态颗粒物为还原剂的新型SCR设计。

2.1 SCR+DOC+DPF和DOC+DPF+SCR

为了同时满足国Ⅴ對发动机PM和NOx的排放限值，主流的方法是使用废气再循环（EGR）降低机内的NOx排放，然后是一个由DOC，DPF和SCR组成的后处理系统使内燃机排放达到所需要的排放水平，SCR与DPF的结合有两种不同的结构，SCR布置在DPF上游，即DOC+SCR+DPF，或者SCR位于DPF下游，即DOC+DPF+SCR。如图1所示[5]。

SCR+DOC+DPF这种结构有这些优点：首先，SCR的位置离发动机近，在冷启动时能够快速升温提高转化效率，提升整体的NOx转化性能；其次，SCR催化剂避免了DPF再生时候的剧烈温度变化。这使SCR催化剂有一个很大的选择空间，还可以继续使用低成本的Vanadium基催化剂；最后，DPF在此结构中同样能起到NH3滑失催化剂的作用。这种构型的缺点是，SCR后的NOx浓度很低，使得DPF根本无法使用连续被动再生，导致燃油消耗增加，另外SCR催化剂会受到PM和HC的污染，导致性能下降。

DOC+DPF+SCR结构主要的好处是：一，SCR能避免PM的污染；二，DPF靠近发动机，较高的排温和DOC后较高的NO2水平可以使用被动再生，明显减少主动再生的次数，降低了再生的油耗。但DPF前置系统也有如下的缺点：SCR在冷启动期间处于一个相对较冷的位置，导致冷启动NOx排放控制困难；SCR催化剂由于上游DPF再生而过热，它会加速SCR催化剂的老化。因此，DOC+DPF+SCR构型需要选用低温转化效率好和耐高温性能强的沸石基催化剂。为了充分利用SCR催化剂的储氨的性质来提高deNOx性能，通常做法是在发动机特定工况下多喷尿素，这会导致在高温条件下NH3泄漏的风险上升，所以通常都需要在SCR催化剂后加装氨氧化催化剂（ASC），将过量的NH3转化为N2。

两种结构间选择主要取决与燃油经济性和冷启动的NOx排放限制，DOC+DPF+SCR由于能够进行DPF的被动再生，对于注重燃油经济性的重型柴油机而言非常重要，而就主要在市内行驶的轻型车而言，SCR+DOC+DPF构型能满足冷启动的NOx排放限值，更有利于降低城市的污染[6]。

2.2 组合式的催化器结构（SCRF）

由于DOC+SCR+DPF或DOC+DPF+SCR都需要较大的安装体积和复杂的控制策略，难以同时兼顾排放性，动力性和经济成本，也不利于家用轿车等小型车的安装。针对这一问题，通过在多孔性的DPF壁面上涂覆SCR使在一个催化器能同时具有SCR和DPF的功能是一种可行的方案，这样的系统通常被称为SCRF（SCR Coated on DPF）。SCRF的去除PM和NOx的原理如图2所示[7]。

在壁流式DPF基底表面，涂覆沸石基的SCR催化剂，在过滤体壁面，不仅能将PM捕集和催化氧化，又能在还原剂NH3的作用下将NOx催化还原。相对于传统的后处理系统，SCRF能实现同时降低PM和NOx，还可以减小系统的安装体积，降低成本。SCRF的优势还在于可以尽可能地靠近发动机，不仅有利于利用高温废气进行PM被动再生，也有利于提高低温时的deNOx性能。

SCRF最主要的问题是系统的背压和耐久性[8]。SCR催化剂的涂覆量和积碳会增加背压，所以必须使催化器的基底具有多孔性，在SCR催化剂涂覆量，PM积碳量和背压间达到最佳的平衡。DPF再生时的高温会影响SCR催化剂的耐久性，所以通常使用耐高温性能好的沸石基SCR催化剂作为SCRF的催化剂。

2.3 LNT+SCR

LNT+SCR是一种典型的被动SCR，这种系统需要在废气中有较多HC或者LNT再生的过程中来产生NH3，并被下游的SCR捕获和存储[9]，再进行SCR反应。通常在低温情况下（低于200℃）时，传统的SCR系统由于尿素水溶液分解困难，SCR的转化效率很低，在SCR達到最佳转化温度前，使用LNT捕集吸收NOx，温度适合后再进行SCR反应。由LNT来产生NH3，不需要额外的还原剂供给设备。相比较于单独的LNT，LNT+SCR不仅解决了LNT再生期间NH3的泄漏问题，而且具有更好的deNOx性能。而这种设计最瞩目的优点是LNT+SCR不需要大幅增加后处理的成本和安装空间，具有良好的冷启动排放，所以它可能会是小型车（包含柴油车，稀燃汽油车）的首选后处理措施。但是缺点也很明显，LNT和SCR都对硫敏感，燃料含硫会显著地增加LNT再生的频率，降低耐久性。戴姆勒曾在其柴油轿车中采用过这类系统，但在系统中加入了DPF[10]。

2.4 固态颗粒物

气态的NH3也可以通过固态颗粒物的分解得到，这些颗粒物包含了部分的铵盐，如氨基甲酸铵（NH4COONH2），和一部分氨的金属络合物。其整体结构如图3所示。

以被认为是最好的固态还原剂，氨基甲酸铵为例，分解温度在60℃左右。与尿素水溶液相比，相同质量的氨基甲酸铵体积更小，相同质量的氨基甲酸铵完全分解得到的NH3是完全分解的32.5%的尿素水溶液的2.36倍，能够显著地提高还原剂再装填的间隔[11]。固态还原剂分解后直接形成气态的NH3，没有了尿素水溶液低温分解困难和形成沉积物的问题，对于寒冷地区，还解决了尿素水溶液冻结的问题，能改善低温工况下SCR的效率。固态还原剂存在的问题有，首先气态NH3由于有腐蚀性，只能使用金属容器存储，再喷射到废气中，整个系统需要良好的密闭性和温度控制，防止NH3泄漏和液态水的形成，明显提高了成本。其次，尿素水溶液没有使用完，可以通过回流管回到尿素罐中，而未使用的气态NH3只能被氧化掉，造成还原剂的浪费[12]。

3 结论

SCR技术是轻重型柴油车和发动机满足当前和未来NOx排放限值的主要deNOx技术手段。集成式的SCR，被动SCR，SCRF和固态还原剂SCR的发展，丰富了SCR技术的选择性，随着进一步的研究与发展，这些设计在各类型车辆的安装与提高deNOx性能上有很大的潜力。最终选择何种SCR技术还取决于排放法规的限制，能够承受的经济成本，车辆的条件和SCR技术的产业化程度。

参考文献：

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[2]赵堃，韩维亮，张国栋，等.柴油车SCR脱硝金属氧化物催化剂研究进展[J].分子催化，2015，29（5）：494-504.

[3]苏剑波，钟玉鸣.氮氧化物排放控制技术的研究进展[J].广东化工，2007，34（1）：56-58.

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[12]许闯力.柴油机固态选择性催化还原氨气定量喷射系统设计[D].吉林大学，2015.

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