内燃机排放课读书报告

1、SCR技术在柴油机尾气处理中的应用专业：研动力1301 学号：S1304052 姓名：李超摘要：选择催化还原技术( SCR ) 是降低车用柴油机NOx 排放的机外措施之一。本文中将对柴油机各种尾气处理技术进行了比较。阐述了SCR技术的机理、系统组成及工作原理, 介绍了国内车用柴油机SCR技术的研究情况及还需解决的问题。关键词：柴油机；SCR；NOxThe Application of SCR Technology in Exhaust Treatment of Diesel EngineAbstact:SCR technology is one of the measures to reduc

2、e the NOx emission of vehicle diesel engine.Several kinds of exhaust treatment of diesel engine are compared in this context.This context elaborates the principle、composition and working principle of diesel engines;and introduces the research of the domestic automotive SCR diesel technology and some

3、 problems of SCR techlonogy.Keywords:diesel engine;SCR; NOx0 前言内燃机T业的发展在人类文明发展史上起着举足轻重的作用，并且在现阶段还与人类的生活息息相关。内燃机排放引起的环境污染问题已引起全人类的普遍关注。能源短缺、环境污染和生态失衡成为人类社会严重的、迫切需要解决的三大问题。伴随着人们可持续发展观念的形成和发展，寻求社会、经济、人口和资源、环境的相互促进与协调发展已成为世界潮流。研究表明，柴油机的PM与NO。排放存在先天的“trade off"效应。鉴于现有的柴油机技术水平，仅仅依靠柴油机机前和机内措施很难大幅度同时降低

4、NOx和PM排放。要满足日益严格的排放法规，尤其是要达到欧V(NOx排放为29/(kw·h)、欧VI(NOx排放为lg(kW·h)和美国20072010排放标准，必须结合柴油机后处理技术来降低NOx和PM排放。而结合优化缸内燃烧的NH厂SCR选择性催化还原技术，因其具有能大幅度降低NOx排放(在不降低发动机效率前提下，能使NOx的转换效率高达90以上，并且在温度变化范围比较大的情况下保证较高的NOx转换率)、较好的燃油经济性(油耗可节省57)、对燃油品质相对不敏感(尤其是对S毒副作用的高抗性)、催化剂活性高以及对水蒸气稳定性好等优点，越来越受到人们的关注1。自20世纪70年

5、代开始，以氮的化合物(氨或者尿素)为还原剂的选择性催化还原SCR就固定在工业领域，如化工行业的精炼加热器或者锅炉，以及燃气轮机和燃煤生产等行业。尽管SCR在柴油机上使用还存在许多问题需要解决，但SCR是目前满足柴油机排放法规的良好办法。为满足重型柴油机E啪(2005)和Eur0V(2008)NOx排放限值359·(kwh)一和2 g·(kwh)d的要求，尿素-SCR是比较理想的方法。欧洲和美国已经使用SCR，且加油站设置了尿素添加设备。目前，国内在SCR系统研究与开发方面基本上还是一个空白，但越来越多的科研工作者已经开始密切关注这项工作。柴油机NOx排放控制系统的SCR方法

6、研究是针对生产需要，在不改变柴油机内部结构、不增加燃油消耗、适应极低NOx排放要求的前提下，进行排气后处理2。图1 欧洲排放法规1 几种NOx控制技术的比较1.1 电控高压喷射技术3目前在国际上，高压喷射技术己经发展到了一个很高的水平。实现高压喷射的主要方式有以下几种:高压共轨高压共轨是针对欧III排放标准生产出来的典型技术。高压共轨利用提高喷射压力的方法，对可燃混合物的混合质量进行了改善，创造了实现均质燃烧的条件。并且对燃烧过程的优化控制采取了电控多段喷射的手段。为面向欧W法规，电控高压共轨技术作为一种基本技术还可以实现后喷射为发动机的排气后处理提供了便利。目前的发展趋势是在响应时间方面要小

7、于O.Ims，大于200MPa的喷射压力，更小的喷孔直径(0.110.13mm)，更低的功率消耗和完备软件支持。 电控直列柱塞泵将原固定的柱塞套筒通过旋转电磁体使套筒能在小范围内上下移动，从而就能选择喷油开始时间和喷油泵凸轮工作段的型线位置。当柴油机在低负荷时，选择凸轮型线低速段，使喷油提前，减少微粒排放，并利用这时的低供油率减小预混合燃烧，减小氮氧化物排放。高负荷时选择高速凸轮型线。其特点是泵体结构改动小，但过程控制慢、精度低、喷射压力难以进一步提高。 电控泵喷嘴电控泵喷嘴系统具有灵活的控制性，通过电磁阀它可以实现多次动作来产生分次喷射，来对喷油速率进行精确的控制。并且电控泵喷嘴系统无高压油

8、管的喷射压力损失，具有紧凑的结构，而使其在低速时就能得到较高的喷射压力，改善低速时内燃机的综合性能，且喷射系统所消耗的功率小。此类系统燃油喷射压力很高，油路没有穴蚀，被看做是重型燃油车满足苛刻的排放法规和燃料经济性要求的最佳选择之。电控单体泵电控单体泵的油泵出口处装有高压电磁阀，将高压油路分成两段，电滋同以下的单体泵部分只担任进油(柱塞下行)和加压供油(柱塞上行)的任务，由于取消了传统直列泵中调节油量的齿杆、滑套和调速器等零件，简化了结构，加强了泵体的强度和刚度，提高了喷油泵的工作能力。电控单体泵系统将喷油器与柱塞加压装置分离，提供更加灵活的发动机布置方式，发动机改动小、性能稳定、经久耐用。电

9、控转子分配泵其结构特点是在泵头上设置一电磁控制阀来控制供油定时。喷油量也是由电磁机构控制驱动的。当电磁阀开启时，定时调节活塞上的油压下降，供油定时后移;当电磁阀关闭时，定时调节活塞上的油压上升，供油定时前移。通过改变电磁阀的开启与关闭的时间比例，就可以调节供油定时。1.2 增压（中冷）技术增压中冷采用废气涡轮增压，可提高进气压力、增大空气的供给量，使整个循环的平均燃气温度提高。若空燃比不变，碳氢和一氧化碳的浓度都下降:若空燃比增大，则碳氢和一氧化碳的浓度更低。中冷技术会使进气温度降低(可降到50左右)，提高密度，可进一步提高其功率，同时降低循环温度，有效抑制氮氧化物的排放。可变涡轮喉口截面增压

10、器是在废气量不变的情况下改变进入涡轮的状态参数，从而改变从废气中获取能量的大小。小喉口截面将使进入涡轮的废气加速，作用在涡轮叶片的冲击力增加，涡轮加速，空气增压压力提高，从而满足内燃机在低速小负荷运行时的需要。使得低工况下发动机的排放得到改善。在高速大负荷时，可以保证涡轮在高速范围运行，这时候喉口截面处于最大位置，排气背压值最小，涡轮效率最大。1.3 排气再循环（EGR）技术热式EGR发动机排放控制技术中最基本和有效的方法之一就是采用废气再循环(EGR)来控制氮氧化物的生成。在燃烧开始时向进气系统中引入适量的尾气，来适当降低O2浓度。而降低NOx排放方面是，降低燃烧速率和放热率来打到减少燃烧时

11、的高温持续期的目的。通过排气再循环技术，氮氧化物的转化率可达80%以上。当前新型轿车采用废气再循环技术的非常普遍。但在大负荷情况下，排气进入进气系统是同时也增加了进气温度，使热负荷提高，这时也会对氮氧化物排放产生一定的影响。这时就需要对EGR进行冷却。冷却式EGR冷却式EGR是把再循环的排气加以冷却，可以使进入缸内的新鲜空气的损失减少，从而避免了大负荷燃油经济性和排气烟度的恶化。冷却式EGR对氮氧化物排放的改善作用更显著，但制作成本相对昂贵，内部结构也非常复杂，目前只在某些高档发动机上应用。增压柴油机EGR现在增压柴油机中，由于涡轮增压器效率的提高，增压器后的进气压力在很多情况下会高于增压器前

12、的排气压力，造成EGR的困难。有技术将进气系统中安装文丘里管，它可以提高EGR的有效压差。还可以用专门的EGR泵强制进行EGR，但由于泵的流量要求很大，价格较昂贵。用可变喷嘴增压器为解决这一问题提供了新途径，柴油机大负荷时可以通过减小涡轮喷嘴流通面积来提高排气压力，进而增大大负荷领域的EGR率。1.4 发动机本身结构的优化多气门结构是指多于两个气门的柴油机，最常见的是4气门柴油机，它有两个进气门和两个排气门。有以下优点:它扩大了进气门的截面积，提高了柴油机的功率;柴油机喷油嘴中心布置，有利于燃油在空间的均匀分布;可以实现关闭部分通道，形成和柴油机转速相适应的进气涡流强度。在低速运转时，还可以通

13、过关闭一个进气通道来减小进气道截面，提高进气道气波的振幅，提高柴油机气波充气效果，增大柴油机的充气量，增加柴油机低速运转时的扭矩。进气涡流优化提高喷射压力和增大进气涡流可以降低发动机微粒的排放。当涡流加强时，由于改善了混合，使燃烧时间缩短，反应速度加快，缸内温度升高，NO增加，而CO和碳烟则减少。目前柴油机的发展趋势是，提高喷油压力，降低涡流强度，以减小进气压力损失，配合多气门小孔径喷油器来获得更好的混合气。电控可变气门机构电磁控制气门机构结构简单，耗能少，出了可以改变配齐定时外，还可以改变气门升程曲线。这样可通过控制进气门开关时间控制发动机进气量，从而可取消节气门，减少负压进气造成的换气损失

14、。由于可通过适当控制进气门开启点和排气门关闭点来调节发动机内部EGR，同一测试循环的氮氧化物排放可下降40%左右。燃烧室优化发动机燃烧室的优化可以提高动力性，改善燃料经济性。燃烧室构造要尽可能紧凑，以减少散热损失，缩短火焰传播距离，提高热效率。而快速燃烧又是采取用EGR和推迟点火等手段降低氮氧化物措施获得成功的前提条件，所以要结合进气涡流、喷嘴位置等情况综合设计其最佳形状。电控附属系统电控机油泵、电控机油冷却器和电控冷却风扇等技术，使一些附件在保证性能的前提下消耗功率最小，在各种工况下保持机油压力、机油温度和冷却能力均处在最佳范围，使发动机性能提高，寿命延长，间接改善发动机的实际排放。1.5

15、排气后处理技术氧化催化转化器氧化催化转化器主要功能是降低微粒排放。虽然柴油机的排气温度较低，微粒中的碳烟难以氧化，但氧化催化剂可以氧化微粒中SOF的大部分(使SOF下降40%90% )，得到微粒排放降低的效果。同时，也可使柴油机的CO排放降低30%左右，HC排放降低50%左右。选择性非催化还原技术 选择性非催化还原是在高温尾气中加入氨，与其中的氮氧化物反应后生成氮气和水。这种方法的优点是无催化剂参与，可以省去价格昂贵的催化剂，但净化效果只出现在11 OOK 1400K的温度范围内。其原因是还原反应是在NHZ与NO之间进行的，而只有在这个温度范围内才能由NH3产生大量的NH2。但是过高的温度又将

16、NH:氧化成了NO 0柴油机排气不能达到这么高的温度，就只能在燃烧上止点600 CA左右的时刻向柴油机缸内喷射氨水，来达到这一反应。非选择性催化还原技术 非选择性催化还原是吧还原剂(氨或HC等)加入尾气中，然后在催化剂的作用下，对排气中的NO、进行还原。因为柴油机尾气有很高的含氧量，催化剂的催化作用又没有选择作用，还原剂会被大量的氧化，造成很大的消耗。三元催化净化技术 三元催化净化法是一种需要使用氧气探测器、反馈控制机构、电子控制的燃料喷射装置，并将可燃混合气的空燃比始终控制在理论空燃比附近，以一级催化方式同时将氮氧化物、一氧化碳和碳氢三种有害成分除去的排气净化方法。这种方法现在大多使用铂一锗

17、贵金属作催化剂，催化反应器的载体使用三氧化二铝材料。选择性催化还原技术 选择性催化还原是将还原剂氨和尿素喷入废气或直接喷入燃烧室中。尿素热解和水解后，提供所需的氨。尿素作还原剂与用氨作还原剂相比，在同样保持活性的条件下，易于处理，绝对无毒。只是催化剂的选择性很强。此技术氮氧化物的转化率很高，在排气温度为260 00500时，转化率可达80%90%。但SCR系统的体积相对较大，成木较高。对于车用而言，需要复杂的尿素喷射控制系统匹配非稳态运行的发动机，而且需要对喷射系统进行精确的标定。此技术在欧洲车用柴油机上已经日趋成熟4,5。由于选择性催化还原技术（SCR）路线具有燃油消耗率低( 油耗可节省5%

18、 7% , 若扣除因使用尿素而增加的费用, 它还有2% 3% 的优势。) 以及燃油品质相对不敏感等优点, 目前已成为国内各大企业竞相发展的技术。2 SCR技术机理及催化剂2.1 SCR机理SCR系统的作用是去除柴油机排气中的NOx,其原理是:将尿素与水以适当比例(一般为32.5%)混合,喷入柴油机排出的废气中,使废气中的NOx还原成无害的N2(氮气)和H2O(水蒸气) ,其化学反应式为6,7:CO(NH2)2+H2O2NH3+CO24NH3+2NO2+O23N2+6H2O 4NH3+4NO2+O24N2+6H2O 尿素在常温下就能水解成氨气和二氧化碳,在高于300的环境中,NH3(氨气) 与N

19、Ox在催化剂的作用下迅速反应,生成N2(氮气)和H2O(水蒸气)。柴油机的排气温度一般在300500范围内, 满足了NOx还原所需的温度条件。2.2 SCR的催化剂SCR中的一个关键的技术就是催化剂，催化剂的选择决定了SCR系统的反应效率，并且催化剂的成本不低，约占SCR系统工艺成本的30%。所以对SCR催化剂的选择应符合以下特点:选择性强、高活性、工作温度区间合适、强抗中毒能力、高机械强度和耐磨性、寿命大、成本低8。外国对于SCR催化剂的研究始于20世纪七八十年代，经过了几十年的发展，基本上形成了催化剂四大体系:贵金属催化剂、金属氧化物催化剂、分子筛催化剂和碳基催化剂。 贵金属催化剂在低温情

20、况下贵金属催化剂的催化活性比较好，在SCR反应过程中会导致还原剂消耗量大，进而加大系统运行成本，因为贵金属催化剂对氮氧化物还原及对氨气、一氧化碳氧化均具有很高的催化活性9。另外，贵金属催化剂非常容易发生氧抑制和硫中毒情况，并且其制备成本昂贵。现阶段研究人员主要针对某些含硫低的工业尾气采用创新的制备技术和新型载体，并致力于开发一些性能较好的低温催化剂。贵金属型催化剂主要是铂、把和锗等，在通常情况下用浸渍法负载贵金属涂层，然后经过烘干、烧结、还原而成，其类型有把、铂一把、铂一锗、铂一把一锗、铂一把一锗一铱等，在多涂层结构中一般用铂一把一锗三效催化剂。在这种多涂层结构中，金属把在内层的作用是提高耐热

21、稳定性，金属锗在外层还原NO，铂处于把锗之间，使三效催化剂性能得到改善。这种类型的催化剂需要很高的空燃比，要保证催化剂的高性能必须对其进行精确控制，但其适合在高温下工作，而且催化活性高。负载型贵金属催化剂通常用于尾气净化催化，为保证其高活性、高稳定性，这类催化剂一般情况下是将贵金属负载于涂覆有Al2O3:的荃青石载体上，但价格较高。国外催化剂研究人员一直在寻找减少贵金属用量的方法，来降低排放后处理系统的成本，改善贵金属催化剂的性能。经过研究制做了许多贵金属催化剂，其中主要有3种方法:一种是在贵金属中添入稀土元素;另一种是在贵金属中添加稀土元素及过渡元素作催化剂;第三种是在贵金属中加入碱土金属(

22、也可再在其中加入稀土元素)作催化剂，此类催化剂也具有三效催化剂的性能10。 金属氧化物催化剂在SCR技术中常用的为金属氧化物催化剂，同时该种技术也较为成熟。金属氧化物有V205,CuO,CrOx,Mg0和Ni0等。在众多的金属氧化物催化剂中研究和应用最多的是V2O5/Ti02,V205-W03/Ti02，这些催化剂被用于300-450的传统SCR装置中，具有较高的催化活性。单一金属氧化物型催化剂还原氮氧化物活性不高，高温下不稳定。复合金属氧化物通常是将催化剂活性组分浸渍涂覆在氧化物载体上，经过组成、结构的调节和控制，把其中活性物质稳定一些，催化活性可得到明显的提高。另外，复合金属氧化物还具有较

23、高的热稳定性，因为表面所做的活化处理。因此，目前工程中应用的SCR催化剂有非负载型金属氧化物催化剂、以二氧化钦为载体的金属氧化物催化剂和以三氧化二铝、二氧化错，二氧化硅等为载体的金属氧化物催化剂。其中，典型的负载型金属氧化物催化剂主要以五氧化二钒为主剂，以三氧化钨和三氧化钥为辅助催化剂构成的复合氧化物作为活性成分。但是，这些催化剂很难达到实际应用要求，因为其需要的起活温度较高，在低温范围大都活性较低。分子筛催化剂分子筛催化剂在化工生产中应用极为广泛，同样在DeNOx-SCR技术中也备受关注，但多数的催化活性主要表现在中高温区域，实际应用中的水抑制及硫中毒问题依然亚待解决，目前已开展的研究中涉及

24、了多种类型的分子筛。Cu-ZSM-5和Fe-ZSM-5是常用的分子筛催化剂，但催化剂的低温活性不高、水抑制及硫中毒等问题阻碍了其工业应用11。故而，对传统的分子筛催化剂进行修饰和改性以及开发低温活性好、高抗硫毒和水抑制能力的新型分子筛催化剂是近些年研究的重点。分子筛催化剂的制备条件或制备方法影响其催化活性和选择性，因此通常需要对催化剂进行预处理。碳基催化剂碳基材料催化剂是指以碳基材料为载体的催化剂。碳基材料提供了大的表面积微孔结构，具有强烈的吸附性，其化学稳定性良好、活性小，具有优良的热导性。国内外不少学者尝试以各种碳材料及其改性材料作为载体负载金属氧化物制备碳基催化剂。结果显示出了良好的低温

25、选择催化还原特性。当采用活性炭作为载体的时候，通常采用Mn203, V2O5作为活性组分，特点是其最佳反应温度通常比较低，在100-200，NOx的最高转化率能达到90%以上。实践表明，将催化剂负载于碳基载体后，催化剂的活性和稳定性均有显著提高。故对新型碳基催化剂的研究一直是热点问题。3 SCR系统组成及工作原理3.1 SCR系统组成完整的SCR系统由DOC（氧化器）、水解器、SCR（NOx还原催化器）、氨氧化器等4部分组成，其中DOC主要是将NO氧化成NO2，而水解器则是将尿素水溶液水解生成氨，SCR催化NOx与氨气反应生成N2和H2O，氨氧化器则是将SCR催化器中反应残余的氨气氧化，使得氨

26、逃逸对大气造成的污染降低。图2为完整的SCR系统示意图12。图2 完整SCR系统示意图3.2 SCR工作原理如图3所示，尿素罐用于尿素溶液的储存与供给。尿素箱上安装有液位及温度传感器。液位传感器用于系统诊断、尿素用量监控及低液位报警等。温度传感器则用于监测尿素溶液的温度，来确定是否需要启动或者关闭加热装置，防止溶液冻结或过热。对尿素溶液的加热多利用发动机冷却液实现13。图3 SCR原理1.液位传感器2.温度传感器3.催化器人口排气温度传感器4. SCR催化剂5.催化器出口排气温度传感器尿素泵为尿素溶液输送到喷射装置提供动力。压缩空气罐用于给计量装置提供压缩空气，使得尿素液滴在计量装置内提前雾化

27、，并可将管路中的尿素溶液吹除干净，防止尿素在管路中残留结晶阻塞管路。控制器通过控制计量装置可控制发动机不同工况下的尿素喷射量，并有检测系统故障的功能;喷射装置主要是将雾化溶液均匀地喷人发动机排气中，以提高催化剂的转换效率。SCR催化器由载体、涂层、封装3部分组成，是进行净化反应的主要场所。其上安装的温度传感器可以检测催化剂是否达到要求的温度来保证催化还原反应的正常进行，并据此确定需要喷人的尿素量。SCR系统中计量装置与喷射装置最为重要，二者的精度及响应速度直接影响尿素溶液的喷射量14。SCR工作时，尿素泵运转吸出尿素罐内的尿素溶液，在压缩空气作用下，尿素溶液在计量单元内提前雾化混合，计量单元根

28、据SCR控制器传来的尿素喷射量控制信号将一定的尿素溶液通过喷射装置喷射到SCR催化器前的排气管内。在排气管内尿素溶液中的水分迅速气化，尿素分解出的氨随排气一起进人催化器，再经过氨扩散器进一步混合后，在催化器表面与氮氧化物经过充分的催化反应，将NOx转化为无害的氮气和水并随排气排出发动机。4 SCR技术推广的局限性虽然SCR 技术配以燃烧优化能够解决柴油机两种排放污染物NOx和PM之间互为矛盾的生成关系的问题, 但使用SCR后不但要增加SCR本身装置的重量约150300kg, 还要增加一个尿素溶液(A dBlue)箱和尿素溶液15。按100L 尿素溶液跑7000km计算,一辆汽车损失的有效载荷在

29、400kg 左右。此外, 应用这一系统时必须装有储存和喷射尿素的装置,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,不能超过一定的剂量。尿素的喷入量过少,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。最后,在温度较低(-11)的情况下,尿素-水溶液会结冰,也使其在寒冷地区的推广使用受到限制。不过,目前可使用添加剂来降低尿素冰点,考虑能源消耗而不采用加热整个尿素箱的方案。总结SCR 作为一种新的后处理技术,能有效地降低内燃机NOx的排放,是使柴油机达到欧排放标准的可行之径,但

30、是由于系统成本高(大约是车辆成本的3% 5% )、初期投资高、操作和保养费用高、需要加一套较复杂的调节还原剂喷射量的控制系统等原因,在车用柴油机上还没有得到大范围推广。此外还必须保证行驶区域内对尿素需求的供应,需要车载诊断(OBD),并需要车辆使用者有较强的环保意识,自觉及时地加尿素也是目前推行这一措施的现实困难。在SCR技术的应用方面,目前已经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,但还需要进一步解决SCR 装置以及尿素加注站的布局及相应的成本等问题。随着对SCR 技术的进一步开发研究和排放法规的日趋严格，相信SCR 技术在欧机上会很快得到推广。参考文献：1国家环境保护总局中国环境状况公报R20052国家环境保护总局国家质量监督检验检疫总局GBl76912005车用压燃式气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值