摘 要

选择性催化还原技术（SCR）被认为是当今世界处理柴油机氮氧化物的最具有前景的方案，但SCR系统沉积物成为制约其发展和应用的主要问题之一。本文通过查阅SCR沉积物方面的文献，总结了排气管壁和SCR催化器沉积物成分的研究现状及其生成机理，从发动机参数和后处理系统参数设计两个方面，分析了沉积物生成与分解过程的影响因素，得到了混合器、DEF添加剂和系统结构优化等若干能够抑制沉积物生成的措施，从沉积物组分、生成机理、影响因素和抑制方法等几个方面，较为全面地了解了柴油机SCR系统沉积物的研究进展和发展现状。

关键词：SCR；沉积物；机理；影响因素；抑制措施

Abstract

Selective Catalytic Reduction(SCR) is considered to be the most promising solution for the treatment of nitrogen oxides in diesel engines in the world today，but SCR system deposits have became one of the major problems that restrict its development and application. In this paper，we summarize the research status and formation mechanism of the composition of exhaust pipe wall and SCR catalyst deposits by referring to the literature on SCR deposits，and analyze the factors affecting the generation and decomposition of deposits from two aspectes of engine parameters and post-processing system design. Several measures to suppress the formation of deposits，such as mixers，DEF additions and system structure optimization are obtained. The diesel SCR system deposits research progress is comprehensively understood from the aspects of deposits composition，formation mechanism，influencing factors and suppression methods.

Key Words: SCR；Deposits；Mechanism；Influencing factors；Suppression measures

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1柴油机排放污染物组分 1

1.1.2排放法规 1

1.2排放控制技术 3

1.2.1颗粒物后处理技术 3

1.2.2 SCR技术 4

1.2.3 SCR系统沉积物问题 6

1.3研究内容与意义 7

第二章 SCR系统沉积物生成机理及成分分析 8

2.1沉积物成分组成 8

2.2沉积物生成机理 8

2.3本章小结 10

第三章 沉积物的影响因素研究 11

3.1发动机参数 11

3.1.1排气温度 11

3.1.2排气流量 11

3.1.3添蓝喷射器参数 12

3.2 SCR系统设计参数 12

3.2.1排气管形状 12

3.2.2喷射器安装方位 13

3.2.3环境温度 13

3.2.4 SCR催化剂 13

3.3本章小结 14

第四章 抑制沉积物措施 15

4.1混合器 15

4.2 DEF添加剂 15

4.3系统结构优化 16

4.4本章小结 16

第五章 总结与展望 18

5.1总结 18

5.2展望 18

参考文献 19

致谢 21

1. 绪论

1.1研究背景

相对汽油机而言，柴油机因具有较高的动力性、经济性和可靠性而广泛应用于乘用车、商用车、工程机械、农用机械和船舶机械上。根据中国内燃机工业协会《中国内燃机工业销售月报》重点企业数据显示，2016年柴油机累计销售量达到了495.34台^[1]。在欧洲，以柴油机作为动力的乘用车占比50%以上。

1.1.1柴油机排放污染物组分

柴油车的有害排放物主要包括氮氧化物、颗粒物、一氧化碳和碳氢化合物。主要污染物氮氧化物占35.4%，它是在发动机燃烧室内高温高压条件下氮和氧反应生成的。一氧化碳占35.4%，它是由于燃料在低温缺氧条件下不完全燃烧生成的。碳氢化合物占8.54%，由未燃烧或为完全燃烧的燃料组成。颗粒物占20.66%，它是柴油在高温高压缺氧的条件下生成以碳为主的固态颗粒。

如今，我国已连续三年成为汽车产销大国，其中汽车占有相当大的比重。相对于汽车排放物，柴油车的CO、HC排放量相对较小，而氮氧化物和颗粒物是其主要的排放污染物。氮氧化物是光化学烟雾的主要成分，它能改变人体的血色素，危害中枢神经系统。一氧化碳能与血液中的血红蛋白结合，造成人体缺氧中毒。PM2.5颗粒物是造成雾霾的主要成分，降低空气质量和能见度，同时也会危害人体肺部，这也是目前中国环境污染的重大问题。虽然汽油车使用量的占比远大于柴油车，但主要污染物氮氧化物、颗粒物几乎都来自于柴油车排放。因此，严格控制柴油机的氮氧化物、颗粒物不仅是当前主要的排放要求，也是今后的主要技术趋势。

1.1.2排放法规

目前世界上主要的排放法规主要是欧洲、美国和日本的排放法规，我国排放法规主要是在欧洲标准基础上根据我国实际情况改进而来。对于不同的排放法规，不同的车型（轻型柴油车、重型柴油车、非路道用柴油车）均采取不同的测试循环^[2]。

表1.1是欧洲轻型柴油车各个阶段的排放法规。其中欧Ⅵ分为两个阶段，2015年实行6.1阶段，2017年实行6.2阶段，采用的循环主要是世界统一轻型车试验程序和循环（WLTC），代替新欧洲行驶循环（NEDC），以满足更高的限值要求^[3]。

表1.1 欧洲轻型柴油车排放法规

表1.2是欧洲重型柴油车排放法规。欧洲从2013年开始实行欧Ⅵ排放标准，我国在2015年开始实行国Ⅵ排放。欧Ⅵ采用世界统一的稳态循环（WHSC）和瞬态循环（WHTC），代替之前的欧洲稳态循环（ESC）和瞬态循环（ETC）。

表1.2 欧洲重型柴油车稳态测试循环排放法规

表1.3是欧洲非道路柴油机的排放标准。StageⅣ阶段从2014年开始实行，氮氧化物排放限制与欧Ⅵ相同，但颗粒物排放限制高出欧Ⅵ水平1.5倍，因此颗粒物的后处理方案与欧Ⅵ有所不同。

表1.3 欧洲非道路柴油机排放标准

1.2排放控制技术

严格的排放法规限制对内燃机的研发制造提出越来越高的要求。目前排放控制路线主要分为机内和机外两条路线。

机内主要通过控制发动机的喷油、进排气、等过程来控制气缸内的燃烧温度、压力等参数，从而控制排放气体的生成量。目前主要有延迟喷油正时、EGR、高压共轨、增压中冷、米勒循环等技术。机外控制主要有氧化催化器（DOC）、颗粒捕集器（DPF）和选择性催化还原系统（SCR）等后处理系统。排放控制一般采用机内机外组合式，即通过机内控制氮氧化物生成，再通过机外控制颗粒物排放量；或者通过机内控制颗粒物生成，机外控制氮氧化物排放量。根据本文的论述方向，这里主要介绍几种主流的后处理技术。

1.2.1颗粒物后处理技术

降低颗粒物排放最常用的技术是DPF。DPF分为两种类型，一般说的是壁流式DPF，还有一种是通流式DPF如POC。POC结构简单、体积小，但由于欧Ⅵ对颗粒物数目（PN）提出了更高的要求，POC的应用受到了限制。因此，为了应对国Ⅴ以及未来的国Ⅵ排放要求，DPF仍然是颗粒物后处理的主流。

DPF主要作用是将废气中的颗粒物过滤沉积在捕集器的表面，从而降低颗粒物排放。但当发动机运行时间增长，颗粒物会逐渐沉积在捕集器上，从而导致堵塞，因此需要DPF再生技术。DPF再生分为主动再生和被动再生。DPF主动再生主要是通过外部能量提高排气或滤体温度，将颗粒物氧化；DPF被动再生主要是在滤体上涂覆或在燃料中添加催化剂降低氧化反应温度。一般采用机内机外共同作用提高再生效率。另外，燃料含硫量会对DPF有较大影响，燃烧生成的硫酸盐沉积在DPF上会导致中毒。

1.2.2 SCR技术

降低氮氧化物排放方面主要有两条技术路线。一种是通过废气再循环（EGR）降低排放，再通过DPF降低颗粒物；另外一种是通过机内燃烧控制降低颗粒物，再通过选择性催化还原系统（SCR）降低排放^[4]。前一种方法对燃料含硫量限制要求很高，美国倾向于前一种方案。但随着排放限值要求越来越高，无论美国还是欧洲都采用SCR技术降低排放。SCR可以在保持发动机动力性的前提下，极大限度地降低排放量，而且具有很好的经济性和抗硫性。因此，SCR技术是目前降低氮氧化物排放的主要手段。

SCR技术的原理是还原剂在催化剂的作用下将还原为。还原剂主要有两种。一种将HC作为还原剂（HC-SCR），以沸石或者银基作为催化剂，催化还原。另一种是以氨气作为还原剂（-SCR），它是将尿素水溶液喷入排气管，经过水解和热分解生成氨气，再将还原，因此也叫做尿素SCR。HC-SCR的催化剂的低温活性、热稳定性、抗硫性和起始工作温度较高，低温下性能较差，转化效率低于尿素SCR。我国燃料的含硫量较高，尿素SCR的抗硫性很好。因此，无论国内还是国外，尿素SCR技术的应用更广泛一些。本文主要介绍尿素SCR系统的组成、原理以及相关的问题，后文中所提及的SCR系统即为尿素SCR系统。

SCR系统的组成装置（图1.1）主要包括尿素泵、尿素箱、喷射控制单元、催化器、尿素水溶液温度传感器、尿素水溶液液位传感器、传感器（非必需）、传感器、排气温度传感器、尿素水溶液质量传感器（非必需）、混合器（非必需）。其中氧化催化器（DOC）的主要作用是将废气中的一氧化碳、碳氢化合物氧化成水和二氧化碳。除此之外，氧化催化器对颗粒捕集器（DPF）和氮氧化物的降低也有重要的作用。一种氧化催化器可以将氮氧化物中的一氧化氮氧化成二氧化氮，提高SCR催化剂的低温活性和反应速度，改善DPF的被动再生效果。另一种可以通过氧化HC等还原性气体，降低CO、HC等气体的排放，提高DPF主动再生时的排气温度，还可以还原氨气，降低氨泄露。因此，DOC很早就已经广泛应用到柴油机上。如今排放法规对柴油机冷启动排放要求日益提高，这对DOC催化剂的起燃温度和转化效率都提出了更高的要求。