杨斌++周朝兵+陈康

摘要： 介绍了几种柴油机NOx排放的后处理技术：组合式的后处理系统，被动SCR，SCRF，固态还原剂的SCR，分析了它们的优缺点。指出随着SCR设计理念不断发展更新，各类型柴油机应用的SCR后处理系统的选择趋于多样化，排放法规和经济成本成为了选择SCR技术的主要因素。

Abstract： Introduce several kinds of diesel After-treatment about the NOx emission， including： integrated After-treatment， passive SCR， SCRF and solid reductant SCR， analyze their advantage and weakness. Point out that with the development of SCR design， there are more options for all types of diesel application， emission legislations and economic cost will be the main factors for choosing SCR technology.

关键词： 柴油机；SCR；集成后处理；被动SCR；SCRF；固态还原剂

Key words： diesel；SCR；integrated After-treatment；passive SCR；SCRF；solid reductant

中图分类号：TK42 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）07-0098-03

0 引言

机动车的排放已经成为了部分大城市空气污染的主要来源，同时也是越来越严格的排放法规的推手。根据国家环保总局发布的《轻型车污染物及测量方法（中国第五阶段）》，2018年1月1日起，全国范围内机动车将实施国Ⅴ排放标准[1]，而更严格的国Ⅵ标准也开始起草并被逐步披露了出来。柴油机的设计应该紧跟法规的要求，加快高性能发动机和低排放的后处理技术的研究。

柴油机的NOx排放，从国Ⅳ至国Ⅴ，大约降低了43%，而从欧Ⅴ至欧Ⅵ标准，NOx排放下降了近83%左右，由此推断，国Ⅵ标准必将大幅降低NOx排放水平。降低NOx排放水平是今后后处理设计的一个重要工作方向，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：

[1]环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法：Limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles ： 中国第五阶段[M]. 中国环境出版社，2013.

[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.

[4]侯洁，颜伏伍，胡杰，等.Urea-SCR系统NOx传感器的NH3交叉感应研究[J].内燃机学报，2014（3）：249-253.

[5]Vressner A， Gabrielsson P， Gekas I， et al. Meeting the EURO VI NOx Emission Legislation using a EURO IV Base Engine and a SCR/ASC/DOC/DPF Configuration in the World Harmonized Transient Cycle[C] SAE 2010 World Congress & Exhibition. 2010.

[6]Guan B， Zhan R， Lin H， et al. Review of state of the art technologies of selective catalytic reduction of NOx， from diesel engine exhaust[J]. Applied Thermal Engineering， 2014， 66（1-2）：395-414.

[7]Tang W， Youngren D， Santamaria M， et al. On-engine investigation of SCR on filters （SCRoF） for HDD passive applications[J]. 2013， 6（2）：862-872.

[8]M.Naseri，R.Conway，H.Hess，等.大型柴油機高氮氧化物转化率的排放控制系统的研发[J].国外内燃机，2015，47（5）：43-50.

[9]楼狄明，马滨，谭丕强，等.后处理技术降低柴油机NOx排放的研究进展[J].小型内燃机与摩托车，2010，39（2）：70-74.

[10]Bremm S， Pfeifer M， Leyrer J， et al. Bluetec Emission Control System for the US Tier 2 Bin 5 Legislation[J]. 2008.

[11]马军彦，曲大为，李君，等.车辆选择性催化还原系统固态还原剂分解特性[J].吉林大学学报（工），2015，45（6）：1804-1810.

[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.