第二章发动机
第六节国Ⅳ发动机SCR后处理系统
一、概述
根据直喷式柴油机NOx和PM的生成机理，因此可以采用这种方法减少排气污染，首先尽量使燃烧过程优化，使PM(碳烟)排放和燃油消耗率达最低，由此导致的NOx升高，再用还原能力特强的SCR系统来解决，尿素(Urea)消耗成本用低油耗的节约来补偿，从而实现高经济性、低排放的目的。
NOx和PM的是双曲线的关系，也就是说trade-off的关系，要达到NOx和PM的最佳排放点，除了燃烧模型要有合理的设计外，主要还要精确控制发动机的空燃比及着火时间，通俗点讲，氧气含量增加，燃烧室温度越高，就会增加NOx排放，降低PM；相反，氧气含量下降，燃烧室燃烧温度降低，NOx的含量就会降下来，同时颗粒物的含量就会上升。
SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）是实现国Ⅳ/Ⅴ最快捷的途径，也是实现国Ⅵ的必要手段。同时，采用SCR技术的发动机可以更有效的降低NOx的排放，并且有明显的节能特点。
Selective –只处理发动机排气中的特定成分
Catalytic –需要催化剂参与化学反应。催化剂需要发动机排气的加热
Reduction –化学反应的结果，减少了发动机排气中的特定成分，使排放达到法规的要求
选择性催化还原技术是一种将排气中的氮氧化物脱除的方法, 是当前世界上脱氮工艺的主流。选择性催化还原法是利用氨（NH3）对NOx还原功能，在200℃~400℃的条件下，利用催化剂作用将NOx还原为对大气没有影响的N2和水。“选择性”的意思是指氨有选择的进行还原反应，在这里只选择NOx还原。
选择性催化还原系统(SCR系统)，其作用是先通过优化燃，再使用选择性催化还原SCR来降低因燃烧优化而产生的NOx排放，欧洲普遍采用该系统。其化学反应原理是采用尿素水溶液作为还原剂，尿素在高温下分解成成NH3和CO2，产生的NH3作为还原剂，将废气中的NOx还原成N2的过程。
压燃式柴油机由于柴油及其燃烧方式的特征，排放的HC、CO相对汽油机少的多，但排放的NOx和PM大量并存。因此，柴油机排放控制的重点应该是降低颗粒物和NOx的排放量。为了满足欧Ⅳ及以上排放要求，柴油机单靠燃烧改进等机内净化技术已经很难满足越来越严格的排放法规，尾气必须通过柴油机外的
排放后处理装置才能达标，而SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原）是实现欧Ⅳ/Ⅴ最快捷的途径，也是实现欧Ⅵ的必要手段。同时，采用SCR技术的发动机可以更有效的降低NOx的排放，并且有明显的节能特点。    SCR是指安装在柴油汽车排气系统中，将柴油机排放中的NOx催化还原
成N
2和O
2
的催化还原装置，选择尿素水溶液作为还原剂。尿素水溶液喷射到催
化剂逆流方向的排气管中，在废气温度和气流的作用下气化分解为CO
2
潍柴发动机和氨水，氨水作为还原剂将NOx还原成无污染的氮气和水。尿素溶液必须根据发动机工况状况定量喷射，所以定量喷射单元的逻辑控制电路是与发动机控制单元相连接的。SCR的工作效率取决与气体温度，如果在200℃到500℃的温度工作，其效率是85%，实际车辆的操作条件都可以达到这个要求。国Ⅳ标准要求转化率50%，国Ⅴ标准要求转化率70%，所以SCR系统完全满足要求。
二、 SCR系统的工作机理
SCR（Selective Catalytic Reduction）技术是消除柴油机排气中氮氧化物的主要后处理技术之一。根据功能主要分为控制单元、尿素剂量单元和催化反应单元三部分，潍柴WP系列国Ⅳ发动机选择的DeNOx2.2系统为非气助式喷射系统，系统组成及布局如图5-1所示。
SCR系统的控制单元与发动机的控制单元（ECU）集成在一起，主要是用来执行SCR控制策略，并根据环境温度、排气温度、尿素液位、尿素温度、尿素压力、NOx浓度等传感器信号控制尿素剂量单元，根据需求定时定量地将尿素溶液喷射到排气气流中；尿素剂量单元主要包括尿素箱、尿素供给单元、尿素喷射单元、加热组件及连接管路和线路，保证尿素溶液的充分雾化和分解；催化反应单元主要包括SCR催化剂及其封装，用来将柴油机排气中的主要有害成分氮氧化物还原为氮气和水。
图5-1 非气助力式喷射系统结构示意图(潍柴国Ⅳ)
SCR技术主要是基于尿素溶液中作为还原剂的HN3，首先辅在催化剂的表面
上，在合适的温度下，排气中的NOx和吸附在催化剂表面的HN3进行反应，生成N2和HO2（水）。该反应在200℃—500℃范围内，反应效果最好。如果反应时，温度低于200℃，NOx的转化率非常低，达不到减排的目的。如果反应时温度高于450℃，就会反生一些副反应，会使催化剂盐化，造成NOx的转化率降低，特别是催化剂活性降低，这种活性降低会严重降低催化剂的使用寿命。这就是SCR 系统，必须在催化排气消声器上装有排气温度传感器的原因。
SCR后处理系统选用了选择性催化还原系统，其作用是先通过优化燃，再使用选择性催化还原SCR来降低因燃烧优化而产生的NOx排放，欧洲普遍采用该系统。其化学反应原理是采用尿素水溶液作为还原剂，尿素在高温下分解成成NH3和CO2，产生的NH3作为还原剂，将废气中的NOx还原成N2的过程。
首先，尿素的分子式为NH
2CONH
2
，尿素水溶液在高温下发生水解反应，生
成NH
3和二氧化碳（CO
2
），此反应在非催化条件下即可实现，见图5-2 。
2
3
2
2
2
2CO
NH
O
H
CONH
NH+
→
+
NH
3
在催化剂和高温（合时的高温）下，发生还原反应：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
6NO2+8NH3→7N2+12H2O
NO+NO2+2NH3→4N2+12H2O
这一系列反应，必须在催化剂的作用和一定的温度下方可。
图5-2 SCR系统工作原理示意图
当SCR系统工作时，电控单元采集柴油机的转速和扭矩信号、排气管中的排气温度信号、催化器温度信
号后电控单元根据输入参数，查存储的尿素喷射脉谱图，计算出此时所需的尿素量。经过驱动电路，转化为喷射脉冲信号，控制尿素泵动作。尿素泵将一定量的尿素从尿素罐中抽出，加压过滤后送到计量控制单元，形成具有一定压力的尿素待用。当发动机的排气温度达到要求时，计量控制单元将一定量的尿素通过尿素喷嘴雾化喷入SCR催化器入口前端。在排气管的混
合区，尿素遇高温分解成NH
3和H
2
O，与排气充分混合后进入SCR反应装置。在
催化反应区，NH
3和NOx反应生成N
2
和H
2
O，排到大气中。
三、SCR系统的组成
SCR系统主要由尿素罐、尿素泵、尿素喷嘴、催化消声器、尿素管路及控制单元等组成，如图5-3、5-4所示。
无空气辅助SCR系统基本组成（博世)
1.控制单元ECU (EDC17系统)
2.尿素泵
3.尿素喷嘴
4.SCR排气连接管
5.尿素箱总成
6.加热冷却水管路
7.尿素液力管路                      8.信号线
9.SCR催化转化器                    10.传感器
图5-3  SCR系统的组成示意图
图5-4 陕汽国Ⅳ重卡SCR系统布局图
3.1潍柴国Ⅳ发动机ECU
ECU是发动机的控制单元，是发动机的大脑，对发动机的工作进行控制和工作状态进行监控。
同国Ⅲ发动机的ECU相比，控制单元（ECU）软硬件不同：国III的ECU是博世EDC7系统，而国IV是EDC17系统。另外国IV的ECU无论硬件和软件都增加了很多功能和部件，国IV的控制系统更加精确更加完善。
从外形上看，潍柴国Ⅲ发动机的ECU上有三个电器插接口；潍柴Ⅳ发动机的ECU上只有两个电器插接口；
图5-5 国Ⅲ发动机的ECU外形图
图5-6 国Ⅳ发动机的ECU外形图
国IV的诊断系统更加完备，故障的查更加精确。增加了先进的OBD监测系统和故障诊断管理系统，对故障尤其在对排放的监测和诊断上更具优势。