重型柴油車國六SCR技術(shù)概述

申成振

重型柴油車國六SCR技術(shù)概述

申成振

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

根據(jù)我國匹配柴油機的重型商用車排放升級，和排放污染物排放限值與監(jiān)測控制技術(shù)現(xiàn)狀，概述國內(nèi)柴油車國六階段SCR（選擇性還原）的基本原理、和技術(shù)實施需求。

排放污染物；SCR；重型柴油車；中國第六階段

前言

柴油機由于具有動力性強、耗油率低等優(yōu)勢，在中、重型車輛上得到了廣泛的應(yīng)用，其整車排放的PM（顆粒物）和NOx（氮氧化物）是大氣的重要污染源；NOx除誘發(fā)人類神經(jīng)和呼吸系統(tǒng)障礙以外，也是造成酸雨和形成光化學(xué)煙霧的罪魁禍?zhǔn)字?。因此柴油機車型除氮氧系統(tǒng)（deNOx system）是目前世界以及我國排放法規(guī)關(guān)注和限值（監(jiān)測）的重要技術(shù)。

SCR（Selective Catalytic Reduction選擇性催化還原）技術(shù)最初應(yīng)用于鍋爐、焚燒爐和發(fā)電廠等固定式污染源的脫硝，其后在交通運輸領(lǐng)域應(yīng)用后，已成為有效的排氣后處理措施。

1 NOx的控制技術(shù)概述

柴油機的主要排放污染物為NOx和PM。因為柴油機后處理中氧氣含量高，后處理溫度也明顯低于汽油機。如采用汽油機的三效催化轉(zhuǎn)化技術(shù)是難以解決排放控制問題的。

有資料表明，雖然重型柴油車占機動車總量的15％左右，但NOx和PM排放量卻占機動車總排放量的60％以上。由此可見，在發(fā)展現(xiàn)有柴油機機內(nèi)排放控制新技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究、開發(fā)適合于柴油機的先進排放后處理技術(shù)是柴油機生存和發(fā)展的關(guān)鍵。柴油機機內(nèi)凈化技術(shù)同時降低PM和NOx是非常困難的；此外除了滿足國六排放限值與監(jiān)測外[1-2]，還需兼顧商用車整車油耗法規(guī)（GB30510）要求。

國六和歐Ⅵ柴油車排放技術(shù)路線有兩種：一是通過燃燒系統(tǒng)優(yōu)化降低機內(nèi)顆粒物的生成量，然后采用SCR后處理技術(shù)降低NOx的排放：二是通過廢氣再循環(huán)（EGR）降低機內(nèi)NOx生成量，然后采用顆粒物后處理技術(shù)降低顆粒物的排放。國六標(biāo)準(zhǔn)提高了NOx的控制要求，如國六標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)中NOx比國V標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了77％，如圖1。

國六SCR技術(shù)基本原理，是以氨氣（NH3）作為還原劑，在催化劑的作用下將柴油機排氣中的有害成分NOx轉(zhuǎn)化為無害的氮氣（N2）和水蒸氣（H20）。氨氣本身雖然無毒，但它是一種刺激味很強的氣體，不便于直接在汽車上使用，同時國六標(biāo)準(zhǔn)對其排放（逃逸）也進行了限值要求[3]。對于采用向排氣管中噴射尿素水溶液的方式提供反應(yīng)所需的氨氣，它因此是一種尿素-選擇性還原技術(shù)（Urea-SCR）。

圖1 國VI與國V氮氧化物(NOx)限值比較

2 Urea-SCR工作原理

國六排放的deNOx還原劑，目前采用GB29518要求的尿素水溶液（AUS32），其尿素質(zhì)量濃度為（32.5％±0.5％），尿素成分（NH2CONH2）。一般可認(rèn)為其主要的反應(yīng)過程如下：

（1）尿素NH2CONH2加H2O后在高溫下和催化等作用下分解成成 NH3和CO2

NH2CONH2+ H2O -> 2 NH3+CO2

（2）NH3和排氣中的NO和NO2，選擇性催化反應(yīng)產(chǎn)生氮氣和水

4NO+O2+4NH3->4N2+6H2O （基準(zhǔn)反應(yīng)）

NO+NO2+2NH3->2N2+ 3H2O （快速反應(yīng)）

2NO2+O2+4NH3->3N2+6H2O （慢速反應(yīng)）

（3）為防止氨氣的泄漏，SCR催化器后設(shè)有氨催化器，使NH3與O2反應(yīng)生成氮氣和水

4NH3+ 3O2->2N2+6H2O

（4）其它諸如SCR反應(yīng)的副產(chǎn)物N2O（300倍溫室效應(yīng)于CO2）的產(chǎn)生過程也受到了越來越多的關(guān)注[4]。

基準(zhǔn)反應(yīng)是其主要反應(yīng)（因NOx原排中90%是NO），控制發(fā)動機原排的NO和NO2的比例可以提高SCR的轉(zhuǎn)化效率，但柴油機的多變工況增加了工作難點[3]。

圖2 典型非氣助式SCR后處理系統(tǒng)工作原理

國內(nèi)主流國六SCR裝置，根據(jù)功能主要分為控制單元、尿素計量單元（尿素計量、供給與控制）和催化反應(yīng)單元三部分；其中尿素計量單元根據(jù)有無空氣輔助噴射可分為氣助式噴射系統(tǒng)和非氣助式噴射系統(tǒng)；主要零件有尿素泵，尿素噴嘴，控制單元，傳感器等。圖2示意了一種非氣助式的（博世計量泵）典型SCR的工作原理。

3 Urea-SCR在國六排放技術(shù)應(yīng)用與挑戰(zhàn)

3.1 排放技術(shù)路線

選用EGR或SCR路線：面臨不同的后處理布局影響SCR系統(tǒng)控制策略和整體效率問題[8]，如目前多采用的DOC（柴油機氧化催化器）+DPF（顆粒捕捉器）+SCR布局形式：DOC裝置具有強氧化性，增加了對燃油和催化過程中硫含量的敏感性[3,4]；同時SCR催化劑需應(yīng)對低溫催化性、熱老化、HC和硫中毒、高溫穩(wěn)定性和儲氨等性能提升挑戰(zhàn)，因此多采用銅基SCR催化劑技術(shù)（Cu-CHA）。

同時需綜合重卡用戶對燃油經(jīng)濟性的需求，提升發(fā)動機機內(nèi)凈化和機外凈化技術(shù)，提高SCR轉(zhuǎn)化效率；并保障燃油與尿素水溶液的品質(zhì)。

3.2 排放限值中的低溫性能保障

國六排放測量中的穩(wěn)態(tài)（WHSC）、瞬態(tài)（WHTC）試驗循環(huán)和非標(biāo)循環(huán)（WNTE和PEMS的2個試驗測試），相比國V加大了低速、低負(fù)荷時和城市工況等排放測試。增加了整車低溫及低負(fù)荷下的SCR國六技術(shù)應(yīng)用難度。以文獻[5]關(guān)于N2類車的實際道路排放分析為例：尾氣排放的NOx 濃度高峰點過多，需要生產(chǎn)企業(yè)繼續(xù)采取措施才有可能達(dá)標(biāo)。

因此需要包括駕乘人員在內(nèi)的各方共同努力。主要研究熱點包括但不限于以下方面：發(fā)動機熱管理技術(shù)應(yīng)用（包括發(fā)動機HC噴射與保溫、排氣管路包裹等）；NH3還原劑的應(yīng)用研究（包括尿素水溶液的氨覆蓋率、結(jié)晶、沉降、水熱老化沉積物堵塞等，固態(tài)儲氨技術(shù)）；催化劑催化活性技術(shù)研究（催化劑電子加熱、新型催化劑）。對燃油、尿素水溶液以及相關(guān)SCR裝置零部件的使用說明、警示要求、維修保養(yǎng)等，對企業(yè)提出更高整車應(yīng)用要求。

3.3 NOx控制系統(tǒng)正確運行的要求

3.3.1 提升車輛運行條件保障需求

法規(guī)要求保證排放控制性能在所有地區(qū)（如2500米海拔以下）范圍內(nèi)，都能正常使用，特別是低溫條件。提升了尿素水溶液低溫解凍、反應(yīng)劑（尿素罐的尿素水溶液）存量設(shè)定、報警和相關(guān)演示試驗等要求。

3.3.2 增加維修保養(yǎng)和駕駛員報警要求

法規(guī)明確了相關(guān)使用說明書要求內(nèi)容，以及駕駛員報警系統(tǒng)。對于SCR相關(guān)零部件的工作運行時，提出尿素水溶液存量低、質(zhì)量異常、消耗低或相關(guān)故障的駕駛員報警要求，以及OBD（車載排放診斷系統(tǒng)）要求。

3.3.3 尿素水溶液供給的監(jiān)測

法規(guī)禁止車輛存在失效策略，也包含了SCR相關(guān)裝置的有效運行的監(jiān)測。

與國Ⅴ相比：尿素噴射供給所用的液位和溫度傳感，需提升為品質(zhì)傳感器，增加了監(jiān)測尿素水溶液的質(zhì)量要求。

3.3.4 OBD和CAN總線等要求

NOx是國六排放OBD監(jiān)控重要的內(nèi)容之一；同時對國六產(chǎn)品的控制（如CAN通訊協(xié)議）等要求，相比國Ⅴ增加了很多苛刻的要求。此外國六b階段排放增加車輛遠(yuǎn)程管理車載要求。

由于增加了警示、診斷、監(jiān)測和通訊等相關(guān)要求，與此相關(guān)的發(fā)動機、整車以及尿素噴射系統(tǒng)（如品質(zhì)傳感器）等產(chǎn)品除升級了通訊針腳等相關(guān)硬件外；也提出升級如品質(zhì)傳感的CAN通訊等軟件要求（如傳輸速度等）。

傳感和診斷準(zhǔn)確性（精度）需求進一步提高，帶來了一些新的技術(shù)挑戰(zhàn)。如目前面臨如NOx傳感對NH3交叉感應(yīng)，以提高NOx排放量計算等技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.4 生產(chǎn)一致性和SCR的排放關(guān)鍵件質(zhì)保要求

SCR裝置的相關(guān)排放關(guān)鍵件，法規(guī)在生產(chǎn)一致性和質(zhì)保等方面，提出了更嚴(yán)格的要求。SCR 與發(fā)動機及其后處理部件的協(xié)調(diào)控制，本身就是目前國六法規(guī)實施的技術(shù)難點之一；而生產(chǎn)一致性和質(zhì)保的要求提高，無疑更提高了對技術(shù)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

重型柴油機車國六排放，綜合了多項SCR系統(tǒng)的性能升級需求。本文概述SCR技術(shù)發(fā)展需求和工作原理；并簡述了相比國V排放法規(guī)需求變化，以及SCR系統(tǒng)技術(shù)升級措施和技術(shù)挑戰(zhàn)。

[1] GB 17691-2018.重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版,2018.

[2] 黃志強,錢人杰,劉依敏,等.重型柴油機國Ⅵ與國Ⅴ法規(guī)比對研究[J].汽車與配件.2018(26).

[3] 張紀(jì)元.重型柴油機SCR系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究[D].濟南:山東大學(xué), 2013.

[4] 楊曉帆,唐為勇,陳海波,等. 銅基菱沸石催化劑——適用于未來中國柴油車排放法規(guī)的選擇性催化還原技術(shù)[J].內(nèi)燃機工程,2016, 37(10).

[5] 向橄,杜寶成,徐劃龍,等.N2類車在"國六"標(biāo)準(zhǔn)下的實際道路排放分析[J].汽車實用技術(shù).2018(19).

[6] 范魯艷,汪安東,曲大為,等.柴油機固態(tài)SCR系統(tǒng)銨鹽熱分解特性與結(jié)晶規(guī)律的研究[J].2018,40(6).

[7] 胡廣地,劉叢志.基于模型的SCR車載故障診斷策略[J].內(nèi)燃機學(xué)報2019,37(4).

[8] 彭繼銀,黃粉蓮,萬明定.柴油機SCR系統(tǒng)控制研究現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2019,57(10).

Scr Technology Of Diesel Fuelled Heavy-Duty Vehicles(ChinaⅥ)

Shen Chengzhen

( Engineering R&D institute, Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

According to the emission upgrade of matching of heavy-duty commercial vehicle and diesel engine, and the status of emission limits and monitoring and control technology. The basic theories of SCR(selective reduction) of china Ⅵ vehicle diesel and technical implementation requirements are expounded.

Emissions; SCR; Diesel fuelled heavy-duty vehicles; China Ⅵ

A

1671-7988(2020)24-228-03

U472.32

A

1671-7988(2020)24-228-03

申成振，工程師，碩士，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，研究方向：汽車后處理系統(tǒng)設(shè)計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.075

CLC NO.: U472.32