车用柴油机SCR技术现状及应用前景分析(4)

和排气温度进行控制。

4）除非满足喷入尿素的条件，加料器不会开始加入尿素，但是发动机运转时，空气通过加料器、喷嘴尿素供应管和喷嘴持续加入，以避免喷嘴堵塞。

5）在加料阶段，空气压力调节到40kPa，空气持续穿过空气电磁阀进入喷嘴。 1.3.4 系统加料加入尿素的条件如下。

1）在催化器进口和出口排气温度都达到200℃以上。 2）没有与SCR系统相关的OBD故障代码。 3）尿素罐液位高于6%。

4）空气压力高于0.4MPa，而尿素压力为0.3MPa。 5）尿素罐内尿素温度超过-5℃。

6）ECM根据康明斯氮氧化物算法，发出喷射命令。 1.3.5 系统排空

1）当钥匙开关转到OFF（断开）位置，系统进入清除阶段。压缩空气从喷嘴和加料器中流过。

2）空气将任何残留的尿素从系统中排出，否则这些液滴可能堵塞加料器单向阀或喷油器喷嘴。此阶段将延续30s，然后系统关闭。

3）每次钥匙开关关闭循环，都会进行排空工作。

4）如果在发动机正常运行期间，SCR系统故障变为现行故障，SCR系统将关闭。 1.4 主要反应

SCR系统中氧化剂是NOX，真正的还原剂是NH3[6]，其间所经历的化学反应相当复杂。主要包括尿素的热解和水解反应，尿素的催化还原（包括标准SCR反应和快速SCR反应）等。

（1）尿素的热解、水解反应

NH3具有很强的选择性，是良好的还原剂，但纯NH3具有毒性，且不易储存。而尿素水溶液无毒、无害、储存和运输方便且不具有刺激性气味，因此一般用尿素水溶液（浓度32.5%）作为车载SCR系统的反应物。尿素在经过热解、水解系列反应后生成NH3[7]。

在高温排气管中尿素热解（>180℃）生成等摩尔的氨气和氰酸（HNCO）；

（NH2）2CO→NH3+HNCO （1）

氰酸在催化剂作用下进一步水解生成等摩尔的氨气和二氧化碳；

HNCO+H2O→NH3+CO2 （2）

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SCR催化器对化学反应（2）有催化作用，能够促进氰酸的进一步水解。反应（1）属于吸热反应，因此在氰酸和氨气到达催化器的进口时就已经呈气态。 （2）NOX的催化还原NOX的催化还原反应中主要的反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（标准SCR） （3） 2NH3+NO+NO2→2N2+3H2O（快速SCR） （4）

柴油机排放的氮氧化物中NO含量通常占85%~95%[8]，因此在NOX的催化还原反应中化学方程式（3）是最主要的反应，称为标准SCR反应。在温度300℃~400℃时有较高的反应效率，但在温度较低时（250℃，如柴油机冷起动）NOX转化效率较低，故需要寻求一种能够在柴油机排气温度较低时仍能保持较高NOX转化效率的方法。

大量研究结果表明，当增加NOX中NO2比例时，可以提高低温条件下SCR对NOX的转化效率（见反应式（4），当NO与NO2浓度之比为1时将会有最佳的NOX催化转化效率[9]，该反应可在较低温度下进行。反应优先级比化学方程式（3）高，在低温条件下的反应速率是标准SCR反应的17倍，故被称为快速SCR反应。废气中的NO2和一部分NO能够通过化学方程式（4）快速地被消除，该反应称为快速SCR反应。在SCR反应器上游安装预氧化催化器（活性成分为铂）将一部分NO氧化成NO2，可解决低温情况下NOX转化效率低的问题。

2NO+O2→2NO2 （5）

NO2的含量不得超过50%，否则根据反应（4）可知，多余的NO2不能参加反应，这样多余的NO2将发生反应（6），其反应速度比标准SCR要慢得多，称为慢SCR反应。如果多余的NO2不能及时反应，将随尾气排出，因此NO2的含量不得超过50%。

8NH3+6NO2→7N2+12H2O（慢SCR） （6）

经过化学方程式（4）和（5）的反应，大部分的NOX被转化为无害的氮气和水。

2 影响SCR系统转换效率的主要因素

2.1 H2O的影响

Giusweppe Maidia和Manfred Koebel[10]等人研究了H2O的存在对NH3-SCR催化转化NOX的影响。研究结果表明，对于大多数SCR催化剂，低温时H2O的存在降低催化剂的活性，而在较高温度时H2O基本不影响NOX转化率，此温度随着催化剂的不同而不同。同时，随着加水量的增加，催化剂的活性受到不同程度的影响。

陶建忠和李国祥[11]等人研究了150℃~550℃水蒸气对V2O5-WO3／TiO2催化剂的SCR

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活性的影响情况。研究表明，低温时H2O的存在降低了催化剂的脱硝活性，反应温度在360℃以下时H2O对催化剂SCR活性具有一定抑制作用，而在较高温度时H2O的存在减弱了NH3被O2直接氧化为NOX的能力，从而间接提高了NOX转化率。 2.2 温度的影响

排气温度对催化器活性的影响特别显著，每一种催化剂都对应一种活性温度区间。当温度低于催化剂起活温度时，催化剂活性非常低，达到起活温度后，随着温度的升高，催化器的活性逐步升高，当温度升高到某个值附近时，催化器活性迅速升到某一高峰，在这一温度之上200℃左右的范围内，随着温度的升高催化器的活性基本不变，当温度进一步升高，催化器的活性开始下降，这是因为NH3氧化反应开始发生（如反应式（7）和（8）），使NOx 转化率下降[12]。

4NH3+5O2→4NO+6H2O （7） 4NH3+3O2→2N2+6H2O （8）

2.2.1 催化器的温度特性

目前SCR以钒基（TiO2-V2O5）或沸石为主要催化成份。钒基催化剂的高效温度范围为250～500℃。一般中重型发动机排气温度很少能达到这么高的温度，因此适用于我国中重型发动机。沸石分成铜基沸石和铁基沸石。铜基在低温时催化能力较强，适用于排温较低的发动机（低于200℃），铁基适合于排温较高的发动机。沸石的价格较高。图10为各种催化剂的高效催化性能温度范围。

图10 不同温度下催化剂转化效率

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2.3 NO2和NO比例浓度的影响

由于快速SCR的反应速率比标准SCR的反应速率快得多，因此增加NO2的比例可以提高NOX转化效率。其措施是在尿素喷嘴上游加装预氧化转化器。转化率提高程度与温度有关，温度低于200℃时，NOX转化效率随NO2量的增加而线性增加，当NO和NO2为1:1时，NOX的转化效率最高；温度为300℃左右时，随着NO2量的增加，NOX转化效率只是稍微有所增加，当NO2物质的量超过NO时，NOX转化效率受到很大负面影响，在这个温度下NO2与NH3发生慢SCR反应，速度比较慢，另外还会有NH3泄漏，造成二次污染；当温度高于350℃时，NOX转化效率将不受NO2影响[13]。 2.4 尿素的影响

由于氨气来源于尿素的热解和水解，因此喷入尿素的数量和质量直接影响氨气的生成，从而最终影响NOX转化效率。随着喷入尿素数量的增加，生成的氨气增多，从而产生更多的NOX还原剂，NOX转化效率提高。但尿素的喷入量过多，会造成氨气过剩，过多的氨气从排气管排出，造成二次污染[14]。

尿素喷射质量与喷嘴位置和型式有关。随着喷射点到催化器入口距离L的增大，由于尿素液滴与排气相互作用的时间更长、液滴蒸发以及尿素热解更为充分。NH3在催化剂载体前端横截面的平均浓度相应增大，其分布也更趋均匀。喷嘴型式不影响尿素的热解过程。但是喷嘴孔数较多有利于将液滴分散到更大的范围，从而使得还原剂在排气中分散更均匀[1]。NH3分布越均匀，反应越充分，NOX转化效率越高。 2.5 燃油品质的影响

与EGR+DPF技术路线相比， …… 此处隐藏：2761字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……