柴油發動機尾氣后處理技術應用研究

翟學超 張藝琛 張晴

摘要：近些年來，我國經濟得到快速發展，但隨之而來的是嚴重的環境污染問題，空氣污染最為嚴重。一系列的環境問題不斷出現，其中很大一個原因是汽車尾氣的排放不符合標準，為了改善這個情況，政府制定了相關的汽車排放標準，減少排放污染。這就需要相關技術人員對柴油發動機進行改造，使其排出廢氣符合排放標準。本文主要對目前所使用的柴油發動機尾氣后處理技術SCR的應用現狀進行分析研究，探討尾氣處理的未來發展趨勢。

關鍵詞：SCR;柴油機;尾氣處理;NOx

目前，我國的汽車市場得到不斷地發展和擴大，汽車越來越功能性，其使用也越來越多樣化，極大的推動了我國經濟的發展，起到了不可替代的作用。但是，我們也要承受由于汽車尾氣排放帶來的污染問題，改善尾氣污染現狀。汽車尾氣中最大的污染氣體主要是NOx，以及其他燃燒不充分的氣體，柴油發動機中尾氣排放處理裝置主要針對NOx的處理。現今在市場上比較普遍的尾氣后處理技術為SCR技術。

1 尾氣處理后技術應用現狀

汽車的排放標準根據其生產注冊年限不同其排放標準也不同，現在我國的排放標準其實和歐洲排放標準類似。對柴油機而言，達到國家排放標準，最難的是降低顆粒和氮氧化物的排放，我國的排放標準和歐洲排放標準在排放指標等級上是一致的，就目前而言，歐Ⅳ～歐Ⅵ的排放標準要求較為嚴格，且逐級遞增，因此，為滿足該環保要求，許多國家的汽車企業對汽車尾氣處理技術下足了功夫。通常情況下，汽車尾氣排放控制常用的兩種途徑為EGR和SCR。

1.1 EGR技術現狀

1.1.1 EGR技術簡介

EGR技術指的是將柴油排氣中的一部分廢棄氣體通過EGR進入到進氣系統，和其他混合氣體混合后，再次進入到氣缸中進行充分燃燒的過程Ⅲ。EGR技術的基礎原理是廢氣再循環（EGR）+柴油氧化催化器（DOC）/柴油顆粒過濾器（DPF）/顆粒氧化催化器（POC），這三條途徑可以分別實現尾氣處理。目前，國內使用EGR技術的主要路線為EGR+DOC+DPF+SCR，普遍運用于各大機廠。

1.1.2 EGR技術原理

EGR技術將發動機排出的廢氣再重新送進進氣管，與新的混合氣體（燃料）一起再次進入氣缸進行燃燒反應。但是由于廢氣中存在大量的二氧化碳等多原子氣體，而二氧化碳氣體無法燃燒，氣缸內同樣的體積卻少了許多能燃燒的氣體，稀釋了氣缸內混合氣體的氧含量，從而使得氣缸內的溫度降低，減少了NOx的生成。

1.1.3 EGR技術限制

由于廢氣重新進入氣缸參與燃燒，導致氣缸內的設定燃料的純度和量都發生一定的變化，發動機各個環節和參數也會發生相應的變化，這就無形當中創造了很多不確定因素，對發動機的影響是多方面的，極易影響發動機的整個運行狀態。

1.2 SCR技術現狀

SCR技術其路徑為“優化燃燒+SCR”，所以簡稱為SCR技術。SCR技術原理是對柴油發動機內的燃燒過程進行優化處理，使燃料進行充分燃燒，降低混合廢氣的混合度，使廢氣中基本為某一化合物，然后再對該化合物進行處理翻。柴油發動機中的燃料經過充分燃燒后的尾氣主要為NOx，在隨后的尾氣處理裝置中利用專門的技術系統進行處理，使其達到排放標準進行排放。

2 SCR技術的應用原理

2.1 SCR系統反應原理

就單純的SCR技術而言，其是獨立于發動機的機外凈化系統，因為其所有的反應其實是在發動機內反應完成然后排除尾氣時才開始的。SCR意為選擇性催化還原技術，這一柴油發動機尾氣后處理技術在歐洲的使用率很高，基本上所有跑長途的載貨汽車都是用的是這種技術，這和歐洲國家的發達程度也有一定的關系。

SCR技術的選擇性還原主要針對的是NOx，針對NOx的選擇性還原技術最初并不用于柴油發動機尾氣處理，而是應用于鍋爐、焚燒爐、發電廠等的廢氣排放處理上，因為這些主要使用煤炭作為燃料，廢氣中會含有較多的NOx，使用該技術來減少NOx的排放。對NOx進行選擇性還原的原理是利用氨氣作為還原劑，在催化劑的作用下，充分反應，將NOx轉化為氮氣和水蒸氣[3]。但是，直接使用氨氣作為還原劑是不現實的，氨氣雖然是無毒氣體，但是其氣味極具“殺傷力”，使人無法接受，這就導致在汽車上無法直接使用氨氣。因此，將氨氣換為尿素的水溶液，通過向排氣管中噴射尿素的水溶液的方法為反應提供所需要的氨氣。SCR技術的一個最大的亮點便是其對硫不敏感，不會導致一些硫化物的生成。

2.2 SCR工作反應原理

2.2.1 SCR系統的反應原理（圖1系統工作基本原理）

柴油發動機尾氣排出后進入排氣混合罐，在混合管上裝有控制尿素噴射的裝置，從而噴入尿素水溶液進入系統，為進一步反應，尿素水溶液需轉換為氨氣[4]。尿素水溶液不穩定，在高溫條件下，尿素和水產生分解生成氨氣，此時，將氨氣與尾氣混合，在SCR系統內，氨氣和NOx在催化劑表面進行反應，還原NOx，產生氮氣。此外，裝置內部還設了氧化環節，參與反應的氨氣為使NOx幾近完全反應，故氨氣的含量必然多余NOx，所以，在反應剩余物中，還有部分氨氣的存在，為防止氨氣泄漏，所以SCR系統內增設了氧化裝置，將多余的氨氣氧化為氮氣。

2.2.2 SCR電控系統的工作原理

SCR電控系統是指用SCR電力調整器控制的加熱系統，SCR系統的整體運作是在對電控單元嚴格控制的前提下進行的。SCR電控系統工作時，SCR控制器會接收到來自發動機控制器傳遞的信息，采集催化器的排氣溫度、NOx的濃度、催化劑的狀態、尿素水溶液的濃度以及尿素水溶液儲存箱內的液位等相關信息，根據SCR系統提前設置好的尿素噴射控制標準，噴射尿素水溶液進行反應。此外，為了防止尿素結晶阻塞噴射導管，尿素水溶液停止噴射后，SCR電控系統控制尿素泵將噴射導管中剩余的尿素水溶液抽回尿素箱，在較冷的環境下，電控系統還需要控制啟動加熱功能對尿素水溶液進行加熱，防止其結冰導致系統相關器件損壞[5]。 （參考圖2SCR電控系統組成）

2.3 SCR故障原因及常見的故障排除方法

任何技術的實際運用都會出現一些故障，SCR技術的應用也不例外。該技術在運用的時候經常會遇到一些問題，這些問題的出現往往導致SCR技術的應用不能得到良好的使用效果，從而致使尾氣處理裝置不能很好的發揮作用。

2.3.1 漏氣問題

尿素管漏氣，主要是安裝時候產生的問題，一是尿素管本身的問題，需要安裝人員在安裝之初先對尿素管進行漏氣檢驗，確保尿素管質量沒有問題，再進行安裝，如果安裝之后出現問題，可在發現問題之后及時對尿素管進行更換。二是安裝人員在安裝細節上的不注意，也會導致尿素管漏氣[6]。出現尿素管漏氣情況，如果一開始已經對尿素管質量進行了檢查，在安裝之后還出現漏氣情況，就要對安裝細節進行詳細檢查。對尿素管進行安裝的時候要注意不能出現彎折的情況，這樣很可能導致尿素管破裂導致漏氣。此外，安裝尿素管時要格外注意安裝接口，一定要安裝緊密，以防漏氣，如果發現有漏氣情況，要對安裝接口進行詳細檢查，及時進行緊固處理，保證裝置的氣密性良好。

尿素管接插件漏氣，原因較多。第一，接插件制作不合格，導致接口不匹配漏氣。接插件的規格應該和尿素管一致，選擇接插件制作廠商時，最好選擇與尿素管匹配的廠商，保證安裝的接插件符合質量標準要求。第二，由于安裝時接拔插件次數太多，導致接插件損壞或松動，從而導致漏氣。這就需要安裝人員掌握系統的安裝知識，在安裝前核對好插件，確認安裝位置，做好安裝準備，盡量一次到位，不要因為不當的操作或安裝時的粗心大意，導致一次次接拔插件，致使插件損壞或松動。上述情況都是尿素管接插件漏氣的常見原因，出現這個問題一般需要及時更換接插件，為系統正常運行提供保障。

尿素泵漏液，主要原因有：尿素泵安裝不合理、尿素管彎折或結晶堵住、接插件密封破裂、由于劇烈震動導致密封松動。對于前三個產生問題的原因，是基于其他部件出現問題，導致泵內壓強過大，致使漏液或安裝不合理，在此不做贅述，解決方案可參照尿素管及尿素管接插件漏氣的應對策略進行解決。這里著重分析由于劇烈震動導致尿素泵密封松動這一情況。柴油發動機主要安裝在汽車上，而SCR系統位于柴油發動機內，產生劇烈震動一般是由于車輛在路面上行駛時路面不平整，這是屬于偶然性因素，劇烈震動可能導致尿素泵破裂等情況產生，從而導致漏液。針對這一問題，需要及時對尿素泵進行調整、加固或更換，或在尿素泵裝置上加上減震裝置，減少因偶然性因素導致系統被破壞。

2.3.2信號傳導類問題

產生信號傳導類問題的情況主要有尿素泵的溫度或壓強等信號有誤、尿素泵燒壞、尿素泵電機開路或短路、尿素泵漏液或建不起壓力等，這些情況的產生，往往導致尿素泵不能正常運行，進一步導致整個SCR系統的癱瘓。

尿素泵溫度或壓強有誤。SCR系統對尾氣的處理一個主要的運行環節就是尿素泵對相關信號的感知與控制，當某些值同時達到一個尿素水溶液噴射標準時開始運行尾氣排放處理裝置，如果尿素泵的控制閥未得到準確的實時數據，就無法控制開關閥門，正常運行。當尿素泵信號傳導有誤時，其產生的原因主要是泵內控制和輸出信號受到干擾或損壞，要及時更換尿素泵才能解決這一問題。

尿素泵燒壞、電機開路或短路問題，這些都屬于尿素泵中的電路問題。尿素泵燒壞，首先檢查是否是接口的插頭松動，導致接觸不良，進而使得尿素泵燒壞。這時候要注意先對插頭進行重新拔插，檢測尿素泵是否確實被燒壞了，有時候尿素泵呈現該情況只是因為插頭松動，尿素泵并沒有燒壞。電機開路或短路問題，產生的主要原有可能是線束接插線斷路、短路或尿素泵內部先出現短接、斷接問題，確定是該問題后，可對線束進行檢查，重新接好線束并進行檢查，如果重新梳理線束之后仍然無法解決故障，應及時更換尿素泵。

尿素泵漏液或建不起壓力故障，這種情況的產生，主要問題出在安裝上，此時只能根據具體情況重新安裝尿素泵或更換尿素泵。值得注意的是，在安裝尿素泵的時候不能平放，否則尿素泵出現問題的幾率極大。

2.3.3其他情況

氣壓可能產生的情況還有NOx傳感器讀數一場、加熱繼電器的線路問題等，這些問題都是柴油發動機尾氣處理裝置SCR系統常見的故障，一般可通過故障判斷燈準確找出故障位置，及時進行修理維護。

3 柴油發動機尾氣后處理技術的未來發展趨勢

為更好地保護環境，降低大氣污染，我國有關部門不斷更新柴油機排放的相關法律法規，其排放標準也越來越嚴格。自2017年7月1日起，我國在全國范圍內實施了國V排放標準，而隨著時間的推移以及我國對環境保護的不斷加強，國Ⅵ的排放標準也不斷被討論，根據國家計劃，我國將在2020年7月1日實施國Ⅵ排放標準，但并不排除提前實施的可能性（現階段已在少數城市試行國Ⅵ標準）。

目前，少部分廠家在使用的后處理路線，為高效SCR+DOC+DPF，在整個處理過程中取消了EGR的存在，增加了SCR部分的尿素噴射量，同樣也能達到降低氮氧化物的作用，也有較大的市場前景。

但是，SCR技術也面臨著一些挑戰。第一，催化劑方面，是否可以找到一些體積更小，能更高效催化的物質進行催化;第二，反應不充分問題，化學反應中的充分反映一般只存在于理論當中，所以，實踐中，充分反應幾乎不存在，在還原NOx的過程中，是否能提高反應效率，使其更充分地反應，減少反應雜質的產生;第三，SCR技術中的硬件問題，針對上述SCR系統易產生的故障，如何提高硬件系統的穩定性也是柴油發動機尾氣后處理技術的未來發展需要解決的問題之一。

4 結語

本文通過對柴油機尾氣后處理相關技術的研究，對現在的主流技術SCR技術進行了深度的探究和分析，討論其技術優點以及技術缺陷，對該技術應用下可能產生的故障進行總結，借以對柴油發動機尾氣后處理技術提出未來發展展望。

參考文獻：

[1]劉軍，周磊，臧志成，etal柴油機SCR后處理裝置結構性能分析與改進[J].汽車技術，2018 （1）：56-58

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[3]于鵬飛柴油發動機尾氣后處理技術（ SCR）的應用[J].內燃機與配件，2018，271（19）： 51-52.

[4]羅獻堯探討柴油機尾氣后處理技術及電氣系統驗證[J]時代汽車，2017 （14）：27-27.

[5]王佳煒滿足國V排放的柴油機后處理技術綜述[J]環球市場，2016 （22）：293-293

[6]郭宏偉基于DOC+SCR的柴油機尾氣污染物脫除研究[J].南方農機，2019 （5）：17-17.