翟學(xué)超 張藝琛 張晴

摘要：近些年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，但隨之而來(lái)的是嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，空氣污染最為嚴(yán)重。一系列的環(huán)境問(wèn)題不斷出現(xiàn)，其中很大一個(gè)原因是汽車(chē)尾氣的排放不符合標(biāo)準(zhǔn)，為了改善這個(gè)情況，政府制定了相關(guān)的汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，減少排放污染。這就需要相關(guān)技術(shù)人員對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，使其排出廢氣符合排放標(biāo)準(zhǔn)。本文主要對(duì)目前所使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)SCR的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究，探討尾氣處理的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：SCR;柴油機(jī);尾氣處理;NOx

目前，我國(guó)的汽車(chē)市場(chǎng)得到不斷地發(fā)展和擴(kuò)大，汽車(chē)越來(lái)越功能性，其使用也越來(lái)越多樣化，極大的推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，起到了不可替代的作用。但是，我們也要承受由于汽車(chē)尾氣排放帶來(lái)的污染問(wèn)題，改善尾氣污染現(xiàn)狀。汽車(chē)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(fā)動(dòng)機(jī)中尾氣排放處理裝置主要針對(duì)NOx的處理?，F(xiàn)今在市場(chǎng)上比較普遍的尾氣后處理技術(shù)為SCR技術(shù)。

1 尾氣處理后技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

汽車(chē)的排放標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)其生產(chǎn)注冊(cè)年限不同其排放標(biāo)準(zhǔn)也不同，現(xiàn)在我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)和歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似。對(duì)柴油機(jī)而言，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，最難的是降低顆粒和氮氧化物的排放，我國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)和歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)在排放指標(biāo)等級(jí)上是一致的，就目前而言，歐Ⅳ～歐Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)要求較為嚴(yán)格，且逐級(jí)遞增，因此，為滿足該環(huán)保要求，許多國(guó)家的汽車(chē)企業(yè)對(duì)汽車(chē)尾氣處理技術(shù)下足了功夫。通常情況下，汽車(chē)尾氣排放控制常用的兩種途徑為EGR和SCR。

1.1 EGR技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1 EGR技術(shù)簡(jiǎn)介

EGR技術(shù)指的是將柴油排氣中的一部分廢棄氣體通過(guò)EGR進(jìn)入到進(jìn)氣系統(tǒng)，和其他混合氣體混合后，再次進(jìn)入到氣缸中進(jìn)行充分燃燒的過(guò)程Ⅲ。EGR技術(shù)的基礎(chǔ)原理是廢氣再循環(huán)（EGR）+柴油氧化催化器（DOC）/柴油顆粒過(guò)濾器（DPF）/顆粒氧化催化器（POC），這三條途徑可以分別實(shí)現(xiàn)尾氣處理。目前，國(guó)內(nèi)使用EGR技術(shù)的主要路線為EGR+DOC+DPF+SCR，普遍運(yùn)用于各大機(jī)廠。

1.1.2 EGR技術(shù)原理

EGR技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣再重新送進(jìn)進(jìn)氣管，與新的混合氣體（燃料）一起再次進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒反應(yīng)。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?xì)怏w無(wú)法燃燒，氣缸內(nèi)同樣的體積卻少了許多能燃燒的氣體，稀釋了氣缸內(nèi)混合氣體的氧含量，從而使得氣缸內(nèi)的溫度降低，減少了NOx的生成。

1.1.3 EGR技術(shù)限制

由于廢氣重新進(jìn)入氣缸參與燃燒，導(dǎo)致氣缸內(nèi)的設(shè)定燃料的純度和量都發(fā)生一定的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這就無(wú)形當(dāng)中創(chuàng)造了很多不確定因素，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響是多方面的，極易影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 SCR技術(shù)現(xiàn)狀

SCR技術(shù)其路徑為“優(yōu)化燃燒+SCR”，所以簡(jiǎn)稱為SCR技術(shù)。SCR技術(shù)原理是對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化處理，使燃料進(jìn)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(duì)該化合物進(jìn)行處理翻。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃料經(jīng)過(guò)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(mén)的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行處理，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放。

2 SCR技術(shù)的應(yīng)用原理

2.1 SCR系統(tǒng)反應(yīng)原理

就單純的SCR技術(shù)而言，其是獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)外凈化系統(tǒng)，因?yàn)槠渌械姆磻?yīng)其實(shí)是在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)反應(yīng)完成然后排除尾氣時(shí)才開(kāi)始的。SCR意為選擇性催化還原技術(shù)，這一柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)在歐洲的使用率很高，基本上所有跑長(zhǎng)途的載貨汽車(chē)都是用的是這種技術(shù)，這和歐洲國(guó)家的發(fā)達(dá)程度也有一定的關(guān)系。

SCR技術(shù)的選擇性還原主要針對(duì)的是NOx，針對(duì)NOx的選擇性還原技術(shù)最初并不用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理，而是應(yīng)用于鍋爐、焚燒爐、發(fā)電廠等的廢氣排放處理上，因?yàn)檫@些主要使用煤炭作為燃料，廢氣中會(huì)含有較多的NOx，使用該技術(shù)來(lái)減少NOx的排放。對(duì)NOx進(jìn)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(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退魵鈁3]。但是，直接使用氨氣作為還原劑是不現(xiàn)實(shí)的，氨氣雖然是無(wú)毒氣體，但是其氣味極具“殺傷力”，使人無(wú)法接受，這就導(dǎo)致在汽車(chē)上無(wú)法直接使用氨氣。因此，將氨氣換為尿素的水溶液，通過(guò)向排氣管中噴射尿素的水溶液的方法為反應(yīng)提供所需要的氨氣。SCR技術(shù)的一個(gè)最大的亮點(diǎn)便是其對(duì)硫不敏感，不會(huì)導(dǎo)致一些硫化物的生成。

2.2 SCR工作反應(yīng)原理

2.2.1 SCR系統(tǒng)的反應(yīng)原理（圖1系統(tǒng)工作基本原理）

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排出后進(jìn)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(jìn)入系統(tǒng)，為進(jìn)一步反應(yīng)，尿素水溶液需轉(zhuǎn)換為氨氣[4]。尿素水溶液不穩(wěn)定，在高溫條件下，尿素和水產(chǎn)生分解生成氨氣，此時(shí)，將氨氣與尾氣混合，在SCR系統(tǒng)內(nèi)，氨氣和NOx在催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)，還原NOx，產(chǎn)生氮?dú)?。此外，裝置內(nèi)部還設(shè)了氧化環(huán)節(jié)，參與反應(yīng)的氨氣為使NOx幾近完全反應(yīng)，故氨氣的含量必然多余NOx，所以，在反應(yīng)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(tǒng)內(nèi)增設(shè)了氧化裝置，將多余的氨氣氧化為氮?dú)狻?/p>

2.2.2 SCR電控系統(tǒng)的工作原理

SCR電控系統(tǒng)是指用SCR電力調(diào)整器控制的加熱系統(tǒng)，SCR系統(tǒng)的整體運(yùn)作是在對(duì)電控單元嚴(yán)格控制的前提下進(jìn)行的。SCR電控系統(tǒng)工作時(shí)，SCR控制器會(huì)接收到來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)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(tài)、尿素水溶液的濃度以及尿素水溶液儲(chǔ)存箱內(nèi)的液位等相關(guān)信息，根據(jù)SCR系統(tǒng)提前設(shè)置好的尿素噴射控制標(biāo)準(zhǔn)，噴射尿素水溶液進(jìn)行反應(yīng)。此外，為了防止尿素結(jié)晶阻塞噴射導(dǎo)管，尿素水溶液停止噴射后，SCR電控系統(tǒng)控制尿素泵將噴射導(dǎo)管中剩余的尿素水溶液抽回尿素箱，在較冷的環(huán)境下，電控系統(tǒng)還需要控制啟動(dòng)加熱功能對(duì)尿素水溶液進(jìn)行加熱，防止其結(jié)冰導(dǎo)致系統(tǒng)相關(guān)器件損壞[5]。 （參考圖2SCR電控系統(tǒng)組成）

2.3 SCR故障原因及常見(jiàn)的故障排除方法

任何技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用都會(huì)出現(xiàn)一些故障，SCR技術(shù)的應(yīng)用也不例外。該技術(shù)在運(yùn)用的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)往往導(dǎo)致SCR技術(shù)的應(yīng)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(fā)揮作用。

2.3.1 漏氣問(wèn)題

尿素管漏氣，主要是安裝時(shí)候產(chǎn)生的問(wèn)題，一是尿素管本身的問(wèn)題，需要安裝人員在安裝之初先對(duì)尿素管進(jìn)行漏氣檢驗(yàn)，確保尿素管質(zhì)量沒(méi)有問(wèn)題，再進(jìn)行安裝，如果安裝之后出現(xiàn)問(wèn)題，可在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之后及時(shí)對(duì)尿素管進(jìn)行更換。二是安裝人員在安裝細(xì)節(jié)上的不注意，也會(huì)導(dǎo)致尿素管漏氣[6]。出現(xiàn)尿素管漏氣情況，如果一開(kāi)始已經(jīng)對(duì)尿素管質(zhì)量進(jìn)行了檢查，在安裝之后還出現(xiàn)漏氣情況，就要對(duì)安裝細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)檢查。對(duì)尿素管進(jìn)行安裝的時(shí)候要注意不能出現(xiàn)彎折的情況，這樣很可能導(dǎo)致尿素管破裂導(dǎo)致漏氣。此外，安裝尿素管時(shí)要格外注意安裝接口，一定要安裝緊密，以防漏氣，如果發(fā)現(xiàn)有漏氣情況，要對(duì)安裝接口進(jìn)行詳細(xì)檢查，及時(shí)進(jìn)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(dǎo)致接口不匹配漏氣。接插件的規(guī)格應(yīng)該和尿素管一致，選擇接插件制作廠商時(shí)，最好選擇與尿素管匹配的廠商，保證安裝的接插件符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。第二，由于安裝時(shí)接拔插件次數(shù)太多，導(dǎo)致接插件損壞或松動(dòng)，從而導(dǎo)致漏氣。這就需要安裝人員掌握系統(tǒng)的安裝知識(shí)，在安裝前核對(duì)好插件，確認(rèn)安裝位置，做好安裝準(zhǔn)備，盡量一次到位，不要因?yàn)椴划?dāng)?shù)牟僮骰虬惭b時(shí)的粗心大意，導(dǎo)致一次次接拔插件，致使插件損壞或松動(dòng)。上述情況都是尿素管接插件漏氣的常見(jiàn)原因，出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題一般需要及時(shí)更換接插件，為系統(tǒng)正常運(yùn)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(jié)晶堵住、接插件密封破裂、由于劇烈震動(dòng)導(dǎo)致密封松動(dòng)。對(duì)于前三個(gè)產(chǎn)生問(wèn)題的原因，是基于其他部件出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致泵內(nèi)壓強(qiáng)過(guò)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(yīng)對(duì)策略進(jìn)行解決。這里著重分析由于劇烈震動(dòng)導(dǎo)致尿素泵密封松動(dòng)這一情況。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要安裝在汽車(chē)上，而SCR系統(tǒng)位于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，產(chǎn)生劇烈震動(dòng)一般是由于車(chē)輛在路面上行駛時(shí)路面不平整，這是屬于偶然性因素，劇烈震動(dòng)可能導(dǎo)致尿素泵破裂等情況產(chǎn)生，從而導(dǎo)致漏液。針對(duì)這一問(wèn)題，需要及時(shí)對(duì)尿素泵進(jìn)行調(diào)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(dǎo)致系統(tǒng)被破壞。

2.3.2信號(hào)傳導(dǎo)類(lèi)問(wèn)題

產(chǎn)生信號(hào)傳導(dǎo)類(lèi)問(wèn)題的情況主要有尿素泵的溫度或壓強(qiáng)等信號(hào)有誤、尿素泵燒壞、尿素泵電機(jī)開(kāi)路或短路、尿素泵漏液或建不起壓力等，這些情況的產(chǎn)生，往往導(dǎo)致尿素泵不能正常運(yùn)行，進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)SCR系統(tǒng)的癱瘓。

尿素泵溫度或壓強(qiáng)有誤。SCR系統(tǒng)對(duì)尾氣的處理一個(gè)主要的運(yùn)行環(huán)節(jié)就是尿素泵對(duì)相關(guān)信號(hào)的感知與控制，當(dāng)某些值同時(shí)達(dá)到一個(gè)尿素水溶液噴射標(biāo)準(zhǔn)時(shí)開(kāi)始運(yùn)行尾氣排放處理裝置，如果尿素泵的控制閥未得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就無(wú)法控制開(kāi)關(guān)閥門(mén)，正常運(yùn)行。當(dāng)尿素泵信號(hào)傳導(dǎo)有誤時(shí)，其產(chǎn)生的原因主要是泵內(nèi)控制和輸出信號(hào)受到干擾或損壞，要及時(shí)更換尿素泵才能解決這一問(wèn)題。

尿素泵燒壞、電機(jī)開(kāi)路或短路問(wèn)題，這些都屬于尿素泵中的電路問(wèn)題。尿素泵燒壞，首先檢查是否是接口的插頭松動(dòng)，導(dǎo)致接觸不良，進(jìn)而使得尿素泵燒壞。這時(shí)候要注意先對(duì)插頭進(jìn)行重新拔插，檢測(cè)尿素泵是否確實(shí)被燒壞了，有時(shí)候尿素泵呈現(xiàn)該情況只是因?yàn)椴孱^松動(dòng)，尿素泵并沒(méi)有燒壞。電機(jī)開(kāi)路或短路問(wèn)題，產(chǎn)生的主要原有可能是線束接插線斷路、短路或尿素泵內(nèi)部先出現(xiàn)短接、斷接問(wèn)題，確定是該問(wèn)題后，可對(duì)線束進(jìn)行檢查，重新接好線束并進(jìn)行檢查，如果重新梳理線束之后仍然無(wú)法解決故障，應(yīng)及時(shí)更換尿素泵。

尿素泵漏液或建不起壓力故障，這種情況的產(chǎn)生，主要問(wèn)題出在安裝上，此時(shí)只能根據(jù)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(shí)候不能平放，否則尿素泵出現(xiàn)問(wèn)題的幾率極大。

2.3.3其他情況

氣壓可能產(chǎn)生的情況還有NOx傳感器讀數(shù)一場(chǎng)、加熱繼電器的線路問(wèn)題等，這些問(wèn)題都是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處理裝置SCR系統(tǒng)常見(jiàn)的故障，一般可通過(guò)故障判斷燈準(zhǔn)確找出故障位置，及時(shí)進(jìn)行修理維護(hù)。

3 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

為更好地保護(hù)環(huán)境，降低大氣污染，我國(guó)有關(guān)部門(mén)不斷更新柴油機(jī)排放的相關(guān)法律法規(guī)，其排放標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越嚴(yán)格。自2017年7月1日起，我國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施了國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)，而隨著時(shí)間的推移以及我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的不斷加強(qiáng)，國(guó)Ⅵ的排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷被討論，根據(jù)國(guó)家計(jì)劃，我國(guó)將在2020年7月1日實(shí)施國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，但并不排除提前實(shí)施的可能性（現(xiàn)階段已在少數(shù)城市試行國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)）。

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(gè)處理過(guò)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(dá)到降低氮氧化物的作用，也有較大的市場(chǎng)前景。

但是，SCR技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。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(zhì)進(jìn)行催化;第二，反應(yīng)不充分問(wèn)題，化學(xué)反應(yīng)中的充分反映一般只存在于理論當(dāng)中，所以，實(shí)踐中，充分反應(yīng)幾乎不存在，在還原NOx的過(guò)程中，是否能提高反應(yīng)效率，使其更充分地反應(yīng)，減少反應(yīng)雜質(zhì)的產(chǎn)生;第三，SCR技術(shù)中的硬件問(wèn)題，針對(duì)上述SCR系統(tǒng)易產(chǎn)生的故障，如何提高硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)的未來(lái)發(fā)展需要解決的問(wèn)題之一。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)柴油機(jī)尾氣后處理相關(guān)技術(shù)的研究，對(duì)現(xiàn)在的主流技術(shù)SCR技術(shù)進(jìn)行了深度的探究和分析，討論其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)缺陷，對(duì)該技術(shù)應(yīng)用下可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行總結(jié)，借以對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣后處理技術(shù)提出未來(lái)發(fā)展展望。

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