国五来了，应该拿什么面对？——柴油机SCR后处理系统
当前，汽车的节能环保已作为一个世界性的课题在全球范围内为人们所重视。面对日益严峻的环境问题，我国环保部宣布将到2018年元旦前分阶段实施国五排放标。国五排放标准相比国四排放标准，氮氧化物(NOx)排放降低了28%，碳氢化合物和氮氧化物(HC NOx)总和指标降低了23%，颗粒物浓度(PM)降低了82%，排放要求更加严格。
为确保国五实施，通常考虑提升燃油品质、柴油机机内净化、排气后处理三个方面。目前市场上，绝大部分发动机制造商都是在改进欧Ⅲ发动机的基础上，再加上SCR或EGR等后处理系统来实现的。
EGR与SCR
为了满足国五，目前国际上主要有两条相对成熟的技术路线。一条是以美国发动机企业为代表的EGR+DPF路线，另一条是以欧洲发动机企业为代表的优化燃烧+SCR路线。
EGR+ DPF 路线
EGR+DPF路线主要是以 EGR 为基础，降低缸内混合气的含氧量，使缸内燃烧最高温度降低，抑制NOX 形成。这将致使发动机部分工况PM排放有较大的增加，通过排放后处理技术DPF捕捉微粒，以达到NOX和PM的排放同时降低到法规允许的范围。
优点：不需要添加尿素，运行成本低，且无需建配套设施；不需要加装添蓝罐；相对SCR系统，质量轻等。
缺点：对油品要求较高，含硫量国IV要求50PPM 以下，国V要求20PPM 以下；原机改动大，强化程度要求高；冷却系统设计难度大等。
优化燃烧+SCR 路线
优化燃烧+SCR路线主要是通过机内净化技术，优化柴油机喷油、改善缸内燃烧等手段抑制缸内PM 的形成。但NOX排放相应的会增加，只能在后处理中通过 SCR技术降低NOX排放，使NOX和PM 的排放满足法规。
优点：安装简单，无需改动柴油机结构；优化燃烧后，发动机燃油经济性可提高 5%~7%，扣除添蓝成本，仍然可以提高 3%~5%；所添加尿素溶液安全，且价格低，容易获得；最重要的是对硫不敏感，对油品要求不高。
缺点：需要添加尿素，即“添蓝”，需建配套设施；需添加添蓝罐，增加车重；为满足国V，需增加NOX传感器实现闭环控制，初装成本较高。
SCR技术在国四排放标准实施阶段已近趋于成熟，升级国五排放标准只需要调整一下技术参数，发动机不用再次技改，开发成本相对要低，这将大大降低整车厂的升级成本和周期。若采用 EGR+DOC+DPF 技术，则需要重新设计主机，再次进行的复杂标定过程工作量庞大。
在目前国内国三和国四主机技术仍不算很成熟的背景下，SCR技术的优势十分明显，市场认可度相对较高，所以SCR目前是满足国五排放标准的主流技术。
SCR技术简介
SCR（Selective CatalyticReduction的简称），中文叫选择性催化还原。SCR系统是控制柴油机排放后处理的一种装置，它将尿素溶液喷射到排气管中，尿素溶液由于高温分解为氨NH3和二氧化碳CO2，NH3又在催化剂的作用下，与氮氧化合物NO、NO2等发生还原反应，将其还原成氮气N2和水H2O，从而达到降低氮氧化合物NOX排放的目的。
NOX选择性还原催化还原技术作为有效的排气后处理措施最初应用在锅炉、焚烧和发电厂等固定式污染源以降低NOX的排放，气候组件应用到交通运输领域，作为降低柴油机NOX排放的有效措施之一。其原理时以氨气（NH3）作为还原剂，在催化剂的作用下将柴油机排放中的有害成分NOX转化为无害的氮气（N2）和水蒸气（H2O）。氨气本身虽然无毒，但它是一种刺激味很强的气体，不便于直接在汽车上使用，故采用向排气管中喷射尿素水溶液的方式提供反应所需的氨气。SCR技术的一个非常显著的优点就是它所使用的钒基催化剂对燃油中的硫不敏感，不会产生严重毒化现象。
SCR技术工作原理
排气从增压器涡轮流出后进入排气管中，同时由安装在排气管上的尿素喷射装置将定量的尿素溶液以雾化状态喷入排气管中，尿素液滴在高温废气作用下发生水解和热解反应，生成所需要的还原剂（NH3），NH3在催化剂的作用下将氮氧化物NOX由选择性的还原为氮气（N2）。有时为了防止多余的氨气逃逸造成二次污染，还需要在SCR催化剂后方设置促使氨气氧化成氨气的催化剂。尿素还原NOX过程中发生化学反应主要为：
尿素的分解反应：
NH3与NOX的选择性催化反应：
在SCR反应过程中，由于柴油机排气中90%以上的NOX是以NO的形式存在，NO2的含量不足10%，所以反应式基准反应式主要反应。如果希望以快速反应进行，需要增加废弃中的NO2含量。有的研究可以显著提高低温下SCR系统NOX翠花转化效率，当排气中NO2比例，可以显著提高低温下SCR系统NOX催化转化效率，当排气中NO2与NO的浓度比例为1:1时，NOX的转化效率最高。增加NO2在NOX中的比例可以通过在喷射系统与增压器祸轮之间增加柴油氧化催化器来实现，由于柴油机运行工况多变，将NO2与NO的比例控制在合理范围工作难点比较多，也是研究的热点问题之一。另外，由于DOC具有强氧化性，在将NO氧化为NO2的同时也会把排气中来自燃油中的氧化为导致硫酸盐的产生，覆盖在催化剂表面，如果硫酸盐得不到及时清除，长时间运行积累的硫酸盐会导致催化剂活性的降低，从而影响SCR系统的正常运行。因此，只有在确保燃油中硫含量比较低的情况下才能使用DOC。
图中为尿素—SCR系统总体简图，其硬件部分包括尿素喷射系统（喷射控制单元、尿素供给单元、喷射单元、尿素箱等）、SCR催化转化器（载体、催化剂及其封装）、传感器（上游温度传感器、NOX传感器、尿素液位温度传感器等）及连接线路和管路等。喷射控制单元ECU通过CAN总线从发动机获取与尿素喷射相关的参数（发动机转速、负荷、进气空气流量、原机NOX浓度），实现尿素喷射信息的判断。
尿素-SCR系统NOX转化效率受许多素的影响，发动机方面主要足燃油品质、排气温度、排气流量和原始NOX浓度；SCR方面主要是催化剂件能、素溶液唢射控制策略、尿素雾化质量、尿素液滴的分解和混合均勾性等因素。目前的研究主要集中在催化转化器和尿素喷射系统两方面展开。
SCR系统主要结构模块及功能
SCR系统主要涉及喷射控制器（DCU）、计量喷射泵、尿素喷嘴、尿素罐、催化消声器、 氮氧传感器等模块。
喷射控制器（DCU）
喷射控制器（DCU）是后处理喷射系统的控制单元，是SCR系统的核心部件，它可以采集发动机的转速、扭矩、排气管温度信号、氮氧传感器信号等，并根据这些信号及程序控制计量喷射泵的瞬时喷射量，引导计量喷射泵定量吸取尿素和喷射尿素。
计量喷射泵
计量喷射泵又称为尿素泵或尿素溶液供给泵，它用于计量并供给尿素溶液，利用整车提供的压缩空气将已计量好的尿素溶液输送至喷嘴并雾化。
尿素喷嘴
尿素喷嘴是将尿素溶液及压缩空气的混合物喷射到排气管内并形成雾化的装置，使尿素溶液在高压气体带动下，沿发动机排气管径向喷射并雾化。
尿素罐
尿素罐用于存贮尿素溶液，同时能够将罐内的液位及温度信号准确的传递给DCU，通过发动机冷却液对尿素溶液加热，保证尿素溶液的正常供给。
催化消声器
催化消声器的作用是催化氮氧化合物的还原反应和降低发动机的排气噪声，是SCR系统中的催化器和发动机排气消声器的集成体，所以在SCR系统中又称为SCR箱。催化消声器中有催化单元和消声管路。催化消声器设计有温度传感器安装座和NOx传感器安装座。
氮氧传感器
氮氧传感器主要功能是用于检测发动机尾气中的NOx浓度，并将相应的信号传输给喷射控制器（DCU）；
SCR系统工作过程
SCR系统采用带压缩空气辅助的喷射系统，尿素溶液供给泵内置控制装置，可控制内部尿素溶液供给泵和压缩空气电磁阀按既定的程序工作。喷射控制器（DCU）通过CAN总线与发动机ECU通讯，获得发动机的运行参数，再根据催化器温度信号，计算出尿素喷射量，通过CAN总线控制尿素溶液供给泵喷射适量的尿素到排气管内。压缩空气的作用是携带计量后的尿素到喷嘴，使尿素经喷嘴喷射后充分雾化。
吹扫过程
当钥匙开关打到ON档，SCR系统喷射控制器（DCU）开始上电，空气电磁阀打开，这时压缩空气流经尿素管路，主要目的是排除尿素管路中残余的尿素结晶体，防止长时间囤积而造成管路堵塞，此过程称为吹扫过程；
预注过程
吹扫过程结束后，SCR系统进入预注过程，该过程是由计量泵从尿素罐里面抽取一定量的尿素溶液，对管路进行排空，主要目的是为了防止管路中存在气阻造成液路不畅，同时也是为了使计量泵快速建立压力，此过程没有空气吹出；
喷射过程
预注过程结束后，空气电磁阀打开，有压缩空气吹出，发动机的排气温度达到要求时（公交车、旅游客车排温需达到220度，搅拌车、吊车等工程机械车辆排温需达到280度），计量喷射泵将抽取定量尿素溶液，在计量泵的混合腔内与空气进行混合后经喷嘴雾化到达排气管内，在排气管的混合区，尿素遇高温分解成NH3，与发动机尾气充分混合后进入催化消声器反应区进行催化还原反应，最终将发动机尾气中的有害氮氧化物（NOx）还原成无害氮气和水而排出。此过程称为喷射过程。
SCR系统的关键技术
催化转化器
SCR催化转化器主要包柄催化剂、载体、封装三个部分。其中催化剂是SCR技术的核心部分之一，对SCR的运行有直接的彩响；载体是承载催化剂的支撑体，目前，常用的主要是堇青石材料烧制而成，汽车尾气就是通过与附着在载体表面上的活件催化剂相互作用，而加速尾气中NOX的氧化还原反应从而达到净化尾气中有害成分的目的；封装可以较好的保沪内部的载体和催化剂，起到密封的作用，内部结构通过优化设以尽可能提高尿素液滴与排气混合均勾性，充分促进尿素溶液的分解，并应该有效防止尿素溶液产生沉积现象。
典型的催化转化器如下图：
尿素喷射系统
尿素喷射系统由控制器（DCU）尿素供给单元（简称为尿素泵）、尿素喷射单元（简称为尿素喷嘴）、尿素箱、相应管路、传感器和连接线束组成，其中控制器、尿素菜、尿素喷嘴是SCR喷射系统最复杂、最核心的技术内容。
尿素喷射系统计量精确性和喷雾雾化质量是尿素喷射系统中最基本的功能要求；耐久性、可靠性、防低温结冰、防低温结冰等也是重要的指标要求。如来尿素喷射系统计量不够精确会造成喷入排气小的尿素溶液过少或过多而偏离预定的喷射量，从造成NOX转化效率降低或者氨逃逸过量。尿素溶液喷雾雾化质量对尿素溶液的蒸发、分解和沉积物的生成有很大的影响。
SCR系统存在的问题
SCR尽管有很多优点，但也存在着一些亟待解决的问题。
第一，使用SCR技术需要在车上安装一套选择性催化还原系统。该系统不仅占用空间大、增加车重，而且需要建设一套完整的尿素溶液加注基础设施。
第二，使用SCR系统对OBD监控系统提出了更高要求，发动机及零部件企业在电子系统开发难度上都有所增加。
第三，也是业界争议最大的是SCR系统使用中的诚信问题。如可能会发生尿素供应商用伪劣尿素以次充好的问题。如果用户在利益驱使下不使用SCR系统，将带来排放严重超标的问题。另外，目前控制中国绝大部分加油站的两大石化巨头，至今还没有建设尿素溶液补给站。
国内柴油车进入更加严格的排放时期，使用SCR技术已经没有太多争议，但就这种技术路线而言，由于后处理系统生产商、尿素溶液供应商不同，有时会产生截然不同的效果。
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