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基于高压共轨柴油发动机的 SCR 处理系统 邱英杰 1 贺文东 2 1. 杭州职业技术学院， 杭州 310018;2. 广西玉柴机器股份有限公司， 广西 玉林 541001 摘要 柴油发动机的排气后处理技术是柴油发动机技术发展的核心。SCR 处理系统是当前柴油机排气后处理技术之 一， 它能有效地去除柴油机排气中的 NOx。将 SCR 处理系统与共轨柴油发动机结合并合理匹配， 可满足更高排放标准 的要求。 关键词 共轨; 柴油机; SCR THE SCR SYSTEM BASED ON HIGH- PRESSURE COMMON- RAIL DIESEL ENGINE Qiu Yingjie1He Wendong2 1. Hangzhou Professional Technical Institute，Hangzhou 310018，China; 2. Guangxi Yuchai Machinery Co. ，Ltd，Yulin 541001，China AbstractDiesel engine exhaust after-treatment technology is the core of development of diesel engine technology.SCR processing system is one of the technologies of diesel engine exhaust after-treatment that can effectively remove NOxin the exhaust of diesel engine. Combining SCR system with common-rail diesel engine and having a reasonable match can meet higher emission standards. Keywordscommon-rail;diesel engine;SCR 0引言 电子控制技术在柴油发动机上的成功应用， 不仅 解决了柴油发动机本身存在的许多缺陷 如污染严 重、 噪音大等 ， 而且也推动了柴油发动机技术的快 速发展， 尤其是共轨技术以“压力 时间”的双重控 制特点， 实现了柴油发动机控制技术的高精度和先进 性， 既保留了柴油发动机动力大、 油耗低的优点， 也实 现了柴油发动机的排放达到欧Ⅲ标准要求的目标。 但随着世界对发动机排放规格的不断严格， 柴油发动 机的排放处理技术成了当前发展柴油发动机技术的 核心， 仅仅通过优化发动机本身结构达到优化燃烧改 善排放的方法如采用多气门、 高的燃油喷射压力、 改 善进气涡流等， 已无法满足更苛刻的排放法规要求， 因此目前更多地是采用发动机排放后处理技术与优 化燃烧系统相结合， 来满足更为苛刻的排放要求。 柴油发动机的排放控制主要是对排放中的 PM 和 NOX的处理。控制 PM 排放的措施有氧化催化器 可溶性颗粒物 、 颗粒捕集器 固体颗粒物 。而研 究开发中的柴油机 NOX后处理 方法有选择性非催化 还原 SNCR、 选择性催化还原 SCR、 非选择性催化还 原 NSCR 和吸附还原催化剂以及最新提出的等离子 体 － 催化转化技术 低温等离子体技术具有同时 去除 NOX和颗粒物 PM 的潜力。目前， 国内的几家大 型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟， 然后利用 SCR 系统降低 NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规 对碳烟和 NOX的限制。 1SCR 处理技术 SCR 技术叫作选择催化还原技术。低温下 NOx 的简单分解在热力学角度上是可行的并且反应能够 进行， 但是反应非常缓慢， 为了使 NOx转化为 N2 ， 需 要在反应过程中加入还原剂。还原剂有 CH4、 H2、 CO 和 NH3等。其中 NH3是当今 SCR 系统中广泛采用 的还原剂， 现在几乎所有的研究都一致认为在典型 SCR 反应条件下的化学反应式为 4NH3 4NO O2 4N2 6H2O 2NH3 NO NO2 2N2 3H2O 通过使用适当的催化剂， 上述反应可以在 200 ～ 450 ℃ 的温度范围内有效进行。在反应过程中， NH3 96 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 可以选择性地和 NOx反应生成 N2和 H2O， 而不是被 O2所氧化， 因此反应又被称为“选择性” 。SCR 系统 工作原理如图 1 所示。 图 1 SCR 系统的工作原理 2高压共轨柴油发动机的 SCR 系统 2. 1SCR 系统的构成及工作原理 SCR 系统的作用是去除柴油发动机排气中的 NOX。系统采用尿素作还原剂 又名添蓝 ， 在选择性 催化剂的还原作用下， NOX被还原成氮气和水。SCR 系统包括 尿素水溶液储罐、 输送装置、 计量装置、 喷 射装置、 催化器以及温度和排气传感器等。 共轨柴油发动机的催化消声器可以是箱式或桶 式， 内部装有 SCR 催化器和消声器管路， 表层的不锈 钢板下的隔热材料， 保证使用过程中的边面温度不会 过高。 尿素溶液储存罐用于储存尿素溶液， 集成有液面 高度和温度传感器。其内部装有化冰热交换装置， 利 用柴油机冷却水的热量进行化冰。出液口内部装有 粗滤器， 以防大于0. 1 mm的大颗粒进入喷射系统。 计量喷射泵总成包括计量喷射泵和控制器。泵 的作用是以一定的压力输送尿素溶液。控制器的作 用是通过 CAN 总线与柴油机 ECU 通讯， 获取柴油机 运行状态信息， SCR 系统上的各种传感器的数值， 根 据事先标定好的各种脉谱， 适时计算柴油机实际工作 情况下 SCR 系统的尿素喷射量， 从而使柴油发动机 排气中的 NOX成分被精确还原。由于泵的吸力和自 动排空能力有限， 泵进液口距罐底面垂直距离不能超 过700 mm， 平面距离不能超过10 m。 尿素喷嘴的作用是按照控制器的指令来进行尿 素溶液的喷射。喷嘴的主体由不锈钢材料制成， 安装 在排气管上。 冷却液电磁阀是为系统化冰服务的。当电控单 元通过尿素温度传感器感应到尿素温度较低， 可能会 出现结冰的情况， 那么控制器将打开加热水电磁阀。 热的柴油机冷却液就会顺着管道流向储存罐和泵内 置的热交换器， 这些地方的冰就会迅速融化。阀体上 一般标有流动方向， 安装时请注意安装方向。 SCR 系统示意如图 2 所示。用于高压共轨柴油 发动机的 SCR 系统组成如图 3 所示。 图 2 SCR 系统示意 图 3共轨发动机的 SCR 系统 在 SCR 系统中发生的复杂的物理和化学反应包 括 尿素水溶液的喷射、 雾化、 蒸发， 尿素的水解和热 解气相化学反应以及 NOX在催化剂表面与 NH3发生 的催化表面化学反应。尿素在高温下发生水解和热 解反应后生成 NH3， 在 SCR 系统催化剂表面利用 NH3还原 NOX， 排出 N2， 多余的 NH3也被还原为 N2， 防止泄漏。 SCR 系统的工作过程是 当车辆的钥匙开关打到 ON 档的时候， 控制器 ECU 开始通电， 与此同时尿素 计量泵开始转动， 从尿素储存罐中抽吸尿素溶液， 前期 计量泵以最大工作压力进行工作， 目的是快速建立压 力， 当泵腔中的压力达到5 505Pa后， 计量泵将由 ECU 进行闭环控制， 保持泵腔的压力， 用于尿素喷嘴的冷却 和喷射。当转速和排气温度达到预先标定好条件后， 尿素喷嘴才会喷射尿素溶液。尿素溶液的喷射量由 ECU 根据柴油机的工况、 催化器温度和环境状态来精 确计量。尿素溶液被喷射到排气管中， 与柴油机排气 07 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 进行均匀混合并进行化学反应， 净化排气。 由于尿素溶液在气温低于 － 11 ℃ 时会结冰， 为 了保证系统在低温时正常使用， 系统配置有化冰功 能， 化冰的热源来源于柴油机的冷却水。当电控单元 通过尿素温度传感器感应到尿素溶液温度较低， 可能 会出现结冰的情况， 那么 ECU 将打开加热水电磁阀。 热的柴油机冷却液就会顺着管道流向尿素储存罐和 尿素计量泵内置的换热器， 这些地方的冰就会迅速融 化。由于冷却液管道和尿素胶管扎在一起， 外套保温 管， 所以尿素管道内部的冰也会同时融化。 2. 2SCR 系统的的布置设计 图 5多孔介质和薄壁件的选取 SCR 系统混和管的布置设计对 SCR 载体内的化 学反应有很大影响。在国Ⅳ柴油机的开发过程中， 相 当多的工作是对混和管进行优化设计， 利用 CFD 工具 的 STAR-CD 软件对管道的几何形状、 尿素喷射装置的 位置及喷射角度进行优化设计， 从而保证混和管路不 出现粒子撞壁后的结晶， 避免尿素水溶液撞壁出现沉 积， 堵塞管路。通过对 SCR 载体入口速度均匀性和整 个载体的压力损失情况进行计算分析， 保证载体入口 速度分布均匀， 整个系统产生较小的压力损失。 整个 SCR 系统的网格特点和边界条件位置如 图 4 所示， 其中管路采用六面体和 O-grid 网格， SCR 载体内部采用四面体网格， SCR 系统中的载体和插孔 管利用多孔介质来模拟如图 5 所示。 图 4 SCR 催化转化器的网格模型 通过对不同喷射位置不同喷射角度进行优化设 计， 计算表明在低负荷时， 粒子轨迹受排气流的影响 较小， 粒子沿着喷射方向运动， 与壁面碰撞的粒子数 量少。但是在大负荷下， 粒子受排气流的影响较大， 粒子被吹向管道的一侧， 容易在壁面形成液膜。由于 喷射的粒子大小不一， 体积较小的粒子最容易被吹 偏。结晶主要出现在小负荷的情况下， 此时排气流量 速度低， 对粒子的运动轨迹影响小。如果安装角度偏 差， 粒子就会与管道壁面碰撞， 出现结晶现象。而对 于大负荷， 虽然气流对粒子轨迹影响大， 尤其是对小 直径的粒子， 但是由于排气温度高， 粒子溶液蒸发， 就 是碰撞到管道壁面， 也会很快蒸发， 而不会结晶。高 温管道壁面对粒子起到加速蒸发的作用。但是如果 粒子沉积后降低了壁面温度， 则壁面对粒子起到冷却 的作用， 更容易发生沉积结晶现象。 利用数值模拟研究这些过程， 可以优化混和管路 的设计和尿素喷射装置的布置， 从而优化 SCR 系统 的布置， 提高催化效率。 3应用 SCR 技术的优缺点分析 柴油发动机的排放控制主要是对排放中的 PM 和 NOX的处理。处理方案一是先在发动机内处理 NOX， 再处理 PM; 或者两种都进行后处理。最后这种 方法存在一个污染源回收的处理问题。没有 EGR 系 统， 在发动机内处理 NOX是非常困难的， 并且燃油消 耗更高。因此， 一般多采用在发动机机内减少 PM 排 放， 在废气中处理 NOX。 1 目前在废气中处理 NOX采用的是 SCR 处理 技术， 即 利 用尿 素溶液 水溶液浓 度为 32. 5 0. 5 ， 在排气中喷入尿素、 氨水等还原性物质， 将 NOX 主要是 NO 还原为 N2和 H2O。它无毒、 洁净、 无气味、 不易着火、 无爆炸危险， 但有腐蚀性， 必须使 用特殊的容器储存。 2 SCR 系统中的尿素剂量最终由发动机管理系 统控制， 尿素的喷入量必须要与 NOX的浓度相匹配， 在保证降低 NOX的同时， 不能超过份量。尿素的喷 入量过少， 则达不到应有的处理水平， 尿素的喷入量 过多， 则会使多余的氨气排入大气， 导致新的污染。 所以， 必须要有高灵敏度的 NOX浓度传感器以及相 应的高精度的尿素喷射装置。而且尿素消耗较快， 定 期添加尿素的责任也必须由用户来完成。 3 使用 SCR 后不但要增加 SCR 本身装置的重 量， 另外还要增加一个尿素溶液箱和尿素溶液。汽车 17 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 会损失一部分的有效载荷。 4 SCR 作为一个新的后处理技术， 因购置、 操作 和保养费用高、 需要加一套较为复杂的调节还原剂喷 射量的控制系统等等原因， 在车用柴油机上还没有得 到大范围的推广。 5 必须保证行驶区域内对尿素需求的供应， 需 要车载诊断， 并需要车辆使用较高的环保意识， 自觉 及时地加尿素也是目前实施这一路线的现实困难。 6 在 SCR 技术的应用方面， 目前已基本解决尿 素的储存、 注入和喷射策略等技术问题， 使用耐久性 好， 但还需进一步解决降低 SCR 装置以及尿素加注 站的成本等问题。随着对 SCR 技术的进一步开发研 究和排放法规的日趋严格， SCR 技术在欧Ⅳ机上很快 会得到推广。 4SCR 系统使用注意事项 SCR 系统是一个自动控制的系统， 当车辆的钥匙 开关处于 ON 档， 车辆电压正常， 相关管路连接正确， 系统将在控制器的指挥下自动排空、 自动化冰、 自动 喷射等， 不需人为干预。SCR 系统基本免维护， 只要 加注符合标准要求的尿素， 系统内部终身免维护。用 户只要做到保持系统外表干净， 电器接头干燥即可。 避免尿素储存罐中尿素溶液液位低于最低液位 的情况下工作， 因为喷嘴需要使用尿素溶液来冷却， 所以储存罐中的尿素溶液过少会使喷嘴冷却不足， 从 而导致喷嘴损坏。 SCR 系统在发动机停机后， 计量喷射系统要抽干 管道中的残液， 以防结晶堵塞， 所以点火开关关闭 1 min后再断开蓄电池总开关。 SCR 系统的故障暂时不影响发动机的正常工作， 但故障不能持续时间过长。因为 SCR 系统不正常工 作或停止运行时， 车辆排放将不能达到标准而污染环 境。如果故障持续时间过长， 电控系统将降低发动机 的功率。SCR 系统出现故障时， SCR 故障指示灯会 点亮。 SCR 系统的维护保养严格按发动机厂家的规定 执行。 参考文献 ［1 ］ 董尧清. 选择催化反应系统技术 SCR ［J］ . 前瞻 上柴动 力 ， 2006 4 37- 40. ［2 ］ 佟德辉. 基于 CFD 技术的重载车用柴油机 SCR 催化转化器 ［J］ . 内燃机学报，2008，26 增刊 20- 25. 作者通信处邱英杰310018浙江省杭州市下沙高教园区学源街 68 号杭州职业技术学院青年汽车学院 电话 0571 87393589 E- mailqyj828 126. com 2009 － 12 － 07 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 36 页 降。循环降解一次的取样， 放置 8 h 时， 降解率下降 最明显。 3 气液两相滑动弧等离子与过氧化氢协同是一 个复杂的过程， 有紫外线、 冲击波和空化效应和高温 等效应。气液两相滑动弧放电与过氧化氢氧化联用 技术将在废水处理中有着广阔的应用前景和巨大的 潜力。 参考文献 ［1 ］ 张翼， 张晖， 吴峰， 等. 超声-Fenton 法处理偶氮染料橙黄Ⅱ的 研究［J］ . 环境污染治理技术与设备， 2003 11 48- 50. ［2 ］ LesueurH，CzernichowskiA.Deviceforgeneratinglow- temperature plasmas by ation of sliding electric discharges. 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