■巨 薯圈Ｉ基于ｓｃＲ技术的车用柴油机排放后处理的新技术 基于ＳＣＲ技术的 Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｂａｓｉｎｇ ｏｎ ＳＣＲ 撰文／上海理工大学程强张振东刘慧强 车用柴油机排放后处理的新技术 随 营 誓 都对汽车的排放提出了越来越严格 的法规。欧Ｖ排放标准已于２００９年 ９月１日开始实施（ＳＵＶ推迟到２０１ ２ 年９月３日），根据该标准柴油轿车 每公里氮氧化物（ＮＯｘ）的排放量不 应超过１ ８０ｍｇ，比欧ｌＶ标准的排放 量减少２８％；微粒排放量（ＰＭ）比欧 ｌＶ标准的排放量减少８０％。为了解 决汽车的排放问题，各种新技术也 不断产生。ＤＯＣ（Ｄｉｅｓｅｌ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ＮＯｘ还原成Ｎｚ和水。其化学反应方 立起具有一定压力的尿素水溶液待 ｃａｔａｌｙｓｔ）、三效催化转换装置（ＴＷＣ） 程式如下： 等技术应运而生，但是都不能解决 术可以有效地控￣ｊＪｌＮＯｘ的排放，使 ＮＯｘ的排放降低９Ｏ％以上，但是， 稀燃工况下的ＮＯｘ的排放，ＳＣＲ技 ２ＮＨ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ ＳＣＲ标准反应方程式： ４ＮＨ３＋２ＮＯ２＋Ｏｒ ３Ｎ２＋６Ｈ￣Ｏ 用。电控单元采集柴油机的转速、 信号，电控单元按照控制策略发出 需求的尿素水溶液流量的控制指 令，驱动电路驱动计量阀动作，尿 ￣－放等 Ｃ Ｏ（Ｎ Ｈ ２）２＋２ Ｈ Ｏ一 转矩信号、排气温度和ＮＯｘｔ由于其受到温度、催化剂活性、硫 含量的限制不能完全满足要求，于 排放后处理新技术不断产生。 快速ＳＣＲ反应方程式： ２ Ｎ Ｈ ３＋Ｎ Ｏ ２＋Ｎ Ｏ＋Ｏ ２— 素水溶液与雾化空气混合经喷雾器 进入排气管。尿素水溶液喷入排气 管后，首先在高温及催化剂作用下 是各种新的基于ＳＣＲ技术的柴油机 ２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ 在高温环境中（温度高于 发生热解和水解反应生成氨气，然 ３００￣），再加上催化剂的作用，ＮＯｘ 后氨气进入ＳＣ Ｒ催化器催化剂作用 能迅速与氨气反应，生成氮气和 下将ＮＯｘ还原，生成氮气和水，随 ＳＣＲ技术 ＳＣ Ｒ装置依据氮氧还原基本原 水。而柴油机的排气温度－７ｔ￣：在 排气排人大气。 理，将尿素（Ｕ ｒｅａ）与水以适当比例 ３００～５００ｏＣ的范围内，满足了ＮＯｘ 混合，喷入废气中。能将废气中的 还原所需的温度条件。 ＢｕｌｅＴｅｃｈ技术 由于不同工况下，柴油机的 ＳＣＲ系统主要由ＳＣＲ催化转化 Ａ／Ｆ）不同，所以废气中ＮＯｘ 器、电控单元、尿素罐、尿素泵（尿 空燃比（素溶液供给模块）、计量模块、喷雾 中ＮＯｚ和ＮＯ的含量不同，而且排 器及各种传感器组成。如图１所示 气温度也不一样。ＳＣ Ｒ技术对于较 为典型的ＳＣＲ系统原理图。 高温度（＞３５０￣Ｃ）、Ｎ０２含量较高的 该系统采用的是压缩空气辅助 废气有较好的选择还原性，也就是 喷射系统。工作时，一路空气供给 说，在发动机正常工况下能够有效 喷嘴，起雾化尿素水溶液的作用； 地减少ＮＯｘ的排放。但是，稀燃条 另一路空气供给尿素泵，控制尿素 件下，废气中ＮＯ２含量较低，排气 水溶液回流量的大小。首先尿素 温度也低，如：起步、怠速时，单 图２ Ｂｕｌｅ Ｔｅｃｈ技术的基本原理图 ６０ 泵起动，在计量阀模块的进口处建 纯使用ＳＣＲ很难达到令人满意的效 商用车与发动机ＣＶＥ ｆＮｏ １¨２０１ Ｏ一４７ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｄｉｅｓｅｌ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｂａｓｉｎｇ ＯＲ ＳＣＲ 果。ＮＳＣ（ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ）技 系统将排放物中的ＰＭ过滤，避免 不同催化剂的组合技术 由于不同的催化剂在不同的温 术最早由丰田公司提出，该技术对 ＰＭ对催化剂活性的影响。该技术的 稀燃或稀／富燃频繁转换的模式下的 核心是一种基于ＳＣＲ技术的ＤｅＮＯｘ 度下和不同的废气含量下，其选择 性和还原能力不同，而且催化剂还 汽油机上具有明显减少ＮＯｘ排放的 技术。效果，但是，由于柴油机排气温度 如图３，在不同的空燃Ｌ￣（Ａ／Ｆ） 受到水、硫、ＨＣ、ＣＯ、ＰＭ等排放 较高，ＮＯｘ含量在部分负荷下比汽 下，Ｎｓｃ￣ｎｓｃＲ互配合，能有效地 物的影响容易使催化剂中毒，从而 降低催化转化性能。该技术根据各 油机要高，而且ＮＳＣ储存ＮＨ。的能 降低ＮＯ×的排放。由图４可知，当发动机富燃 种催化剂的稳定性和选择还原性的 力较弱，所以也不能完全满足柴油 机的要求，于是一种新的技术—— 时，空燃比 较低，废气中的ＮＯｘ 不同，将不同的催化剂进行合理的 Ｂｕｌｅ Ｔｅｃｈ技术应运而生。 含量较低；当发动机稀燃时，空燃 组合，如图５所示。 图５Ａ采用单独的ＳＣＲ催化剂， ＢｕＩｅ Ｔｅｃｈ技术是将ＮＳＣ和 比入较高，ＮＯｘ的含量较高。而柴 ＳＣＲ技术结合起来，使其在不同的 油发动机大多数处在空燃比 较低 废气直接进入ＳＣＲ单元。发动机 工况下，均能起到降低ＮＯ×排放的 的工况下工作，此时大多数的ＮＯｘ 排放的废气在进入ＳＣＲ催化转化 目的。在低／中负荷稳定工况下， 在ＮＳＣ中被转化成ＮＯ，当在短时 器前与喷射质量含量为３２ ５符合 “Ａｄ—Ｂｌｕｅ”方法，将Ｎ０ｘ还原成 Ｎｚ及Ｈ２０。 ＮＳＣ单元能够储存和减少大部分的 富燃的工况下，柴油机此时混合气 ＤｌＮ ７００７０标准的雾状尿素水溶液 ＮＯｘ；在发动机加速和高负荷工况 中燃油的含量高，ＮＯｘ被ＨＣｓ；ｉ 、 下，由于气温度升高，当排气温度 ＣＯ、Ｈ 转化成无害的Ｎ 。 大于３５０ｏＣ时，ＮＳＣ由于其较弱的 图５Ｂ用尿素做还原剂，主要 ＮＳＣ里的ＮＨ。很容易储存在 储存能力，将会失效，此时，ＳＣＲ ＳＣＲ催化剂上，并且再接下来的 成分是ＮＨ。。车辆排出的废气温度 单元将会对其进行补偿，达到降低 稀燃的条件下与Ｎ０ｘ发生反应。 ＮＯｘａ￣放的目的。 可能从怠速的１ ００ｏｃ变化到全负荷 Ｓ也被考虑在内，为了去除Ｓ，催 的６５０ｏＣ，因而在不同工况下需要 Ｂｕｌｅ Ｔｅｃｈ技术是一种在柴油 化剂通常在几分钟之内转化为较 喷射的还原剂量的变化也很大，而 Ｃ），此时，生成 ＮＨ。吸附到催化剂的能力会随着温 机机内进化的基础上进一步降低有 高的温度（＞６００ｏ害排放物，包括：ＣＯ、ＰＭ、ＨＣ、 ＮＯｘ等的全功能排气后处理技术。 ＳＯ 与ＮＳＣ装置里的ＢａＣＯ。反应生 度的升高而有所降低，这样就很容 成ＢａＳＯ３，因此催化剂不会产生 易造成氨泄漏。通常通过优化尿素 如图２是Ｅ３２０ Ｂｕｌｅ Ｔｅｃｈ废气 硫中毒。事实上，将ＮＳＣ和ＳＣＲ 喷射控制策略，安装后氧化催化装 后处理系统，该系统将ＤＯＣ系统装 功能组合的方法是一种明智的策 置来减少氨泄漏。 在靠近发动机的地方，以便快速将 略，能使发动机在任何工况下少 ＣＯ、ＨＣ反应掉，另外，装有ＣＤＰＦ ＮＯｘ的排放。图５Ｃ采用预氧化催化剂，首 先将废气中的ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ等进行 预氧化，使其大部分转化为ＣＯｚ、 Ｈ２０、Ｎ０２，然后与喷射的尿素混 合进入ＳＣＲ单元，发生选择性还原 反应，使ＮＯｘ生成Ｎｚ。过量的ＮＨ。 同样进行泄漏处理。 ， ————、区 ＮＯｘ的吸附／ｊ成少ＮＨ。 ＮＨ３储存和ＮＯｘ减 的喷射过程 少的过程 螗 Ａ／Ｆ ＞１ ＮＯ通过储存在ＳＣＲ里 ｘ被ＢａＣＯ３转化 的ＮＨ（ｍｉｎ对ＮＯｘ进行 ｓｃａｌｅ） 为Ｂａ（ＮＯ３）２ 催化还原 一 。．蓑 Ａ／Ｆ ＜１ ＮＯｘ的减少Ｂａ（ＮＯ３）２ 刷 在催化转化剂的作用 储存喷射过量的 暴 （ｍｉｎ．ｓｃａｌｅ） 下与Ｎ卜ｋ反廊毕成Ｎ ＮＨ３ 幅 ＳＯ 与ＢａＣ０。反应生 ＮＳＣ脱硫 成ＢａＳ０ 图３不同时间下Ｎ０ｘ，ＮＨ 在废气中的组成曲线 ２０１Ｏ ４７（Ｎ０ １１）ＣＶＥ商用车与发动机 图４ ＮＳＣ和ＳＣＲ在Ｂｌｕｅ ＴＥＣＴ技术中的功能 ６１ ■巨 至垂丑Ｉ基于ｓｃＲ技术的车用柴油机排放后处理的新技术 图５Ｄ废气经过氧化催化剂后与 的发电容积则用３～５ｍｍ厚的ＡｂＯ３ 尿素混合，然后进入尿素混合催化 小球来填充，因为ＡＩ ２０３具有很高 剂时尿素快速分解为ＮＨ。，混合气 的电介质常量（一９）当提高电场强度 随即进入ＳＣＲ反应装置，经过氨泄 时，将在小球间产生放电。这使得 漏处理后，排放出无污染的气体。 等离子可以在较低的电压下产生， 等离子将在１ ５００Ｈｚ的高能条件下产 基于ＳＣＲ的低温等离子辅助还原 生，等离子的能量由内部电极和功 技术（ＰＡＣＲ） 率表监控器控制。 在大气压力下，低温等离子 如图７所示，从发动机排出的 产生于空气中或者在比空气含氧 废气进入低温等离子装置之前包 量更低的气体（如柴油机排放的 含有：ＮＯｘ、ＨＣ等。在等离子反 废气）中，通常是化学环境下， 应中，将部分ＨＣ转化为ＨＣ ｚ， 由于直接由化学方法来减少ＮＯｘ Ｎ０转化为ＮＯ ，这些混合气体在 将会耗费巨大的能量，并且不易 催化剂的作用下将会发生进一步 解决，而且当气体中含氧量超过 的反应，生成无污染的Ｎ２、ＣＯ￣Ｉ］ ３．６％时用含有Ｎ来还原ＮＯ的方法 Ｈｚ０。 是不可以实现的。 通常，等离子辅助催化还原有 如图６为低温等离子发生的基 两种方法：首先ＨＣ被氧化为ＨＣ 本装置。等离子发生器是一种基于 并与废气中的ＮＯｘ反应（主要是ＮＯ） 电介质填充床的同心圆柱电极。高 生成ＮＯｚ，然后在催化剂的作用下 电压电极和电介质被作为内部电 ＮＯ 转化为Ｎｚ。其化学方程式可以 极，外部电极则为接地极，电极间 表示为： Ｐｌａｓｍａ＋ＮＯ＋ＨＣ＋Ｏ２＝ＮＯ２＋Ｈ Ｃ ＋ＨＣ Ｃａｔａｌｙｓｔ＋ＮＯ２＋ＨＣ＋ＨＣ ＝Ｎ ＋ＣＯ２＋Ｈ２０ 如果排出的废气中含有ＰＭ将 会阻止ＮＯ被氧化成ＮＯ２，此时，一 种ＮＯ催化剂将会更加适合的发生 如下化学反应： Ｐｌａｓｍａ＋ＨＣ＋Ｏ２＝ＨＣ ＋ＨＣ Ｃａｔａｌｙｓｔ＋ＮＯ＋ＨＣ＋ＨＣ ＝Ｎ２ ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ ＳＣＲ技术是一种能有效降低 车用柴油机ＮＯｘ排放的机外控制措 施，在国外已经进入实用阶段。但 是，由于ＳＣＲ技术受到温度、柴油 图６低温等离子发生装置 品质、ＰＭ等诸多因素的影响，单纯 的使用ＳＣＲ技术很难难达到令人满 意的排放效果。因此基于ＳＣＲ技术 的新技术的产生，能有效地控制排 一 放。与单纯地使用ＳＣＲ技术相比， 该文介绍的三种技术的优点可以总 结如下： 图７低温等离子辅助催化还原｛ＰＡＣＲ）装置 （１）ＢＩｕｅ Ｔｅｃｈ技术将ＮＳＣ与 图５不同催化剂的组合 （Ａ）单个的ＳＣＲ催化剂；（Ｂ）ＳＣＲ催化剂 与ＮＨ。泄漏氧化催化剂的组合；（Ｃ）预 氧化催化剂、ＳＣＲ催化剂与ＮＨ３泄漏氧 化催化剂的组合；（Ｄ）预氧化催化剂、 尿素混合液，ＳＣＲ催化剂与ＮＨｓ泄漏氧 化催化剂的组合；ＳｌｉＰ—ｃａｔ＝ａｍｍｏｎｉａ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ（氨氧化催化剂）； ＯＸ—ｃａｔ＝Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ（氧化催化 剂）；ＵＨ—ｃａｔ＝ｕｒｅａ ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ ａｃｔａｌｙｓｔ（尿 素混合催化剂）。 ＳＣＲ技术结合，能使催化剂在不同 温度下都保持较高的活性，避免了 温度对催化剂活性的影响，使发动 机在各种工况下，都能有效的降低 排放。 （２）不同催化剂组合技术根据催 化剂的不同性能对催化进行组合， 使废气在不同的阶段得到有效的控 制，而且不会产生催化剂中毒的现 象，对于燃油的品质要求也不是特 别的高。 （３）低温等离子技术采用等离 子技术使废气中的ＨＣ被氧化为 ＨＣ 并与废气中的ＮＯｘ反应（主要 是ＮＯ）生成ＮＯ２，然后在催化剂的 作用下ＮＯ。转化为Ｎｚ。该技术耗能 少，不需要其他添加剂，不会产生 二次污染。ＣＶＥ 注１：ＨＣｓ代表小分子碳氢化合物 注２：ＨＣ 代表多种多分子碳氢化合物的 组合 商用车与发动机ＣＶＥ（Ｎｏ １１）２０１Ｄ＿４７
