中国柴油机排放后处理装置

利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。

利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。

我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。

目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。

图2 SCR系统网格和边界条件位置图SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。

系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。

一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。

在SCR中发生的化学反应如下：尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。

利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

图3 在某一位置不同的喷射方向本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

国六后处理系统工作原理
国六后处理系统是一个可以提供单一的易于使用的环境，以满足
不同物流调控需求的系统。

国六后处理系统的总体设计遵循国家六级
排放标准，通过专业的隔板材质、燃料消耗控制调节器、氧化器和排
放装置，满足六级标准要求，有效降低和控制汽车、柴油机发动机的
尾气排放。

国六后处理系统设计中，燃料消耗控制调节器可以减少进气量或
重新调节有效压缩比，从而降低汽车或发动机的燃料消耗量，改善燃
烧过程，有效地减少汽车尾气排放；氧化器的安装可以更好地利用所
排出的气体，使其更趋于饱和状态，更高效地完成净化，除尘效率高；排放装置的安装可以调节发动机的废气流量，制造出雾度更小的汽车
尾气，以满足国六后处理系统要求。

非道路用柴油机排放现阶段及国四排放升级.、八、一前言随着我国道路用柴油机排放法规日益严格，道路用柴油机已实施国五排放阶段，国六排放阶段实施迫在眉睫。

随着城市建设、农业发展，各类非道路移动机械在市场、生活中的应用迅速发展，非道路用柴油机的污染日益凸显，对其进行污染物排放控制的需要也越来越迫切。

2014年5 月正式发布了《非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）》，随着非道路国三排放标准的实施，工程机械、农业装备机械用柴油机的技术升级到整车匹配都迎来了一次升级风，其产生的环境效益也非常庞大，因此对非道路用柴油机排放技术尤其是该技术的关键技术进行深入研究和分析很有必要。

1我国非道路用柴油机的国三排放现状非道路移动机械指的是以内燃机为动力的各种移动式机械设备，如工程机械、农业机械、发电机组等，与道路车辆同属移动污染源范畴。

我国非道路用柴油机每年新增约200 万台左右，全国每年超过 1 亿吨的柴油消耗总量中，约有20%用于各类非道路移动机械。

这些非道路移动机械是氮氧化物的重要排放源，初步估算每年约排放氮氧化物200 万吨以上。

面对无比严重的污染问题，2014 年5 月国家环保部发布了《非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）》，从国二阶段到国三阶段，主要降低氮氧化合物（NOX和碳氮化合物（THC , 根据发动机功率的不同，降低幅度约30%-45%，国三阶段与国二阶段的污染物排放检测方法相同，与国三阶段新增加了排放控制耐久性要求（详见GB20891-2007和GB20891-2014）,第二阶段和第三阶段非道路机械用柴油机排气污染物排放限值见表 1 。

非道路国三阶段柴油机的技术路线，根据功率的不同，可采用共轨、增压中冷、废气再循环（EGR等技术，小型发动机可采用提高油泵、油嘴喷射压力、涡流室、增压中冷等技术。

目前各发动机企业采取的技术路线基本一致。

目前市场上能够达到非道路三阶段排放标准的主要技术路线有两种，一种是电控单体泵系统，另一种是电控高压共轨系统，现就两种系统的工作原理作一介绍，两种系统的工作原理基本一致，都是ECU （电子控制单元）随时收集发动机工况的各种信息，并通过对电磁阀的控制，现对发动机工况的控制。

利用STAR-CD对重型柴油机SCR系统进行布置优化图1 SCR系统原理图尿素选择性催化还原系统（SCR）是未来降低重型柴油机的NOX排放的一种有效方式。

利用计算流体力学软件STAR-CD来模拟混和管中尿素水溶液的喷雾情况，通过计算优化排气管道形状以及喷射位置和喷射角度，避免尿素水溶液撞壁出现沉积，堵塞管路。

20世纪90年代以来，世界各国对发动机排放法规的不断严格，大大推动了发动机技术的发展。

我国从2008年7月１日起全面实施国Ⅲ排放法规，2010年1月1日将要实施国Ⅳ排放法规。

目前，国内的几家大型柴油机厂大都通过机内净化降低碳烟，然后利用SCR系统降低NOX排放的方法来满足国Ⅳ排放法规对碳烟和NOX的限制。

图2 SCR系统网格和边界条件位置图SCR系统包括：尿素水溶液储罐、输送装置、计量装置、喷射装置、催化器以及温度和排气传感器等。

系统的基本工作原理是（见图1）：尾气从涡轮出来后进入排气混和管，在混和管上安装有尿素计量喷射装置，喷入尿素水溶液，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成NH3，在SCR系统催化剂表面利用NH3还原NOX，排出N2，多余的NH3也被还原为N2，防止泄漏。

一般情况下，消耗100L燃油的同时会消耗5L液体尿素水溶液。

在SCR中发生的化学反应如下：尿素水解：（NH2）2CO+H2O→2NH3+CO2NOX还原：NO+NO2+2NH3→2N2+3H2ONH3氧化：4NH3＋3O2→2N2＋6H2O在SCR系统中发生的复杂的物理和化学反应包括：尿素水溶液的喷射、雾化、蒸发、尿素的水解和热解气相化学反应以及NOX在催化剂表面与NH3发生的催化表面化学反应。

利用数值模拟研究这些过程，可以优化混和管路的设计和尿素喷射装置的布置，从而优化SCR系统的布置，预测催化效率，减少试验成本。

图3 在某一位置不同的喷射方向本文介绍了在某重型国Ⅳ柴油机的开发过程中，利用CFD工具对管道的几何形状、尿素喷射装置的位置及喷射角度进行优化设计，从而保证在混和管路不出现粒子撞壁后的结晶。

721　重型柴油车的国六排放标准随着国家“蓝天保卫战”的实施，环保升级“迫在眉睫”，柴油车排放标准升级如同箭在弦上。

2018年7月3日，生态环境部刊发“关于发布国家污染物排放标准《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691—2018）的公告”（以下简称“新国标”），宣布自2021年7月1日起，所有生产、进口、销售和注册登记的重型柴油车应符合本标准要求。

之后，北京、天津、河北、山东、河南、广东等6省市相继宣布将于2019年7月1日提前实施国六排放标准。

对于重型车而言，无论是压燃式还是气体点燃式柴油机，要想满足史上最严苛的国六排放标准，都必须在发动机后处理上进行大规模的技术升级。

新国标中的发动机标准循环排放限值见表1所列。

柴油机稳态工况（ESC/WHSC ）下国三到国六排放标准中最主要污染物NO x 与PM 限值的主要变化是：氮氧化物（NO x ）和颗粒物（PM ）排放限值和国五相比分别提高了77%和67%，增加了粒子数量（PN ）排放限值要求；变更了污染物排放测试循环，发动机测试工况从欧洲稳态循环（ESC ）和欧洲瞬态循环（ETC ）改为更具有代表性的世界统一稳态循环（WHSC ）和世界统一瞬态循环（WHTC ）。

2　柴油机排放后处理系统的含义及发展新国标中对柴油机排放后处理系统的定义为：催化器（氧化型催化器、三元催化转换器及任何气体催化器）、颗粒捕集器，除氮氧系统、组合式降氮氧系统的颗粒捕集器，以及其他各种安装在发动机下游的削减污染物的装置。

通常为了降低重型柴油车气态污染物和颗粒污染物的排放，一般会采用以下两种方式：一是利用发动机机内净化从根源上减少污染物的产生；二是通过增加后处理系统尽可能地将产生的污染物通过化学反应消除掉。

对采用清洁高效的缸内燃烧控制技术，减少发动机的原始污染物排放是发动机开发工作中最重要、最基本的工作。

利用发动机机内净化可以有效控制颗粒物的排放，能满足国三排放法规。

柴油机排气后处理技术进入二十世纪九十年代以来，能源危机和环境污染两大问题，严重危害人类社会的可持续发展，日益受到各国政府和民间的重视。

随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，对能源和环境的压力日益加剧，新的排放法规的要求日趋严格，研究开发低排放、低油耗的汽车新技术势在必行[1]。

柴油机作为一种高效节能的动力机械，在军车动力中占据这越来越重要的地位。

为了保持柴油机卓越的燃油经济性，同时又能满足越来越严格的排放法规要求，电控燃油喷射、可变截面涡轮增压器和废气再循环、排气后处理等技术被相继采用，并逐渐成为先进柴油机的通用技术标准。

然而，随着排放法规的日益严格，机内净化技术实现起来已经愈有难度且成本较高，排气后处理技术成为了减少尾气污染的重要手段。

本文章主要介绍柴油机主要污染物生成机理，柴油机排气后处理技术的相关情况。

一柴油机排放主要污染物生成机理柴油机排放的主要污染物有：NO x、微粒。

1.NOx的生成机理感兴趣的氮氧化物是指NO，N2O（燃气轮机）和NO2，其中常见的是NO和NO2，它们统称为NOx。

在燃烧后的排气过程中，更加稳定的NO几乎总是超过其它氮氧化物占主要地位。

NO的生成途径以确定有两种：1.高温途径即在已燃区产生的NO称为热NO；2.瞬发途径。

即在火焰区产生的NO称为瞬发NO；氮氧化合物是在燃烧过程中由燃烧空气中的氮或来自化石燃料中的含氮有机物（主要是在重油和煤中）生成的。

若NOx排放受到热力学平衡约束条件控制的话，则氮氧化物的浓度在排气温度下将小于1×10-6。

当燃烧产物的温度下降，NOx浓度开始降低，但在火焰温度下，供NOx分解的时间在通常的燃烧设备中都太短，难以达到平衡状态，以及氮氧化合物在数十到数千（与燃烧的情况有关）10-6的浓度下被激冷。

这样，NOx生成和分解的化学过程是由化学动力学而不是热力学控制的。

NO和NO2浓度是彼此被另一个快速活性基反应连系在一起的：NO2和O，H和OH反应生成NO，而NO和HO2反应生成NO2。

当我们还在畅想蓝天时，其实抬头望望只是一片灰蒙，故事里永远是美好的，现实却是不折不扣的残酷。

随着人们对于环境关注度日益加大，国内与国际上对排放的标准也日趋严格，暂且不说两者有多少差距，但至少都是向前发展。

不同车厂对尾气的处理也是竭尽所能，刚刚过去的IAA车展上随着欧6发动机的大规模推出，尾气处理技术的混合搭配已经到了炉火纯青的地步，而今天小编就跟大家好好聊聊这其中一些技术名词。

●SCR 选择性还原系统首先涉及到尾气后处理技术，其实时下有很多，但最主要的无非是两大类。

其一就是大名鼎鼎的SCR（Selective Catalyst Reduction）选择性还原系统，也就是咱们常说的尿素还原装置。

柴油机排放的污染主要是PM微粒与NOx氮氧化物，尿素-SCR选择还原法是利用氨（NH3）对NOx还原功能，在320-400°C时将其转为氮气和水，它能够将发动机排放的NOx减少50%以上。

作为时下欧洲流行的排放处理系统，其缺点也相当明显。

首先是初期成本过高，SCR系统需求尿素喷射装置以及全新的车载诊断系统（OBD），当NOx转化率＞65%时，需求的最低排放温度必须在250°C以上，而排放温度过低就会影响其转化率。

控制策略复杂也是其缺点之一。

此外SCR的衍生种类也有两种，一种为NSCR，翻译成中文就是非选择性还原，言下之意这系统不具有选择性，因此需要大量还原剂。

●EGR 废气循环系统另外在美国，车企主要推广EGR（Exhaust Gas Recirculation）废气再循环系统，目前EGR也是公认的有效降低NOx氮氧化物措施之一。

通过将废气与新鲜混合气体混合，使气缸内的燃烧温度较低，并且将混合气体稀释从而达到降低NOx的生成，EGR是从NOx源头上主动抑制其产生的系统。

虽然EGR相比于SCR在初期成本低，但是在使用过程中EGR率过高会造成一氧化氮CO 与HC的升高，会造成发动机的油耗增加后期经济性不高。

欧Ⅳ柴油机尾气后处理系统（SCR）介绍无锡市凯龙汽车设备制造有限公司2009.121.满足欧Ⅳ的技术路线00.020.040.060.080.10.120.140.1602468NOx (g/kWh)微粒 (g /k W h )2. 凯龙公司SCR系统结构3.凯龙SCR系统零部件清单序号名称数量备注1催化消声器1凯龙2尿素罐1凯龙3尿素喷射计量泵1格兰富4尿素喷嘴1凯龙5Nox传感器1西门子6排气温度传感器2Sensor nite 7带OBD的DCU1凯龙8尿素管及附件1凯龙4.凯龙SCR主要部件1）催化消声器:SCR催化消声器是一个整体式的催化和消声装置，装在一个密封的不锈钢外壳内。

在其内部有四个单元，分别是氨扩散器、催化器、防止氨泄露的氧化层和消声装置（也可以与尾气加热器集成在一起）。

具体零件和技术参数为:Ø载体：NGK或康宁，10.5 “×3 ”和10.5 “×6 ”两种规格；Ø催化剂：巴斯夫公司，高性能催化剂并含有防止氨泄露的氧化层；Ø衬垫：3M公司，高性能陶瓷密封衬垫；Ø封装：无锡凯龙公司，全不锈钢结构，安全可靠；Ø整机参数：宽温度范围内的NOx高转化率，适合于排量为10L以下的各种柴油发动机。

2）尿素存储罐:Ø罐体坚实可靠，耐腐蚀性强，结构简单，使用方便。

Ø传感器由欧洲著名专业制造厂家订做，能够合理的检测出AdBlue的使用情况：监测罐内温度，能够通过发动机热水对罐内结冰的固体加热，保证AdBlue的正常供给；监测罐内液位高度，满液位和零液位、空罐时向后处理系统中央控制模块发出报警信号。

Ø电气信号输送、机械性能满足欧Ⅳ车后处理系统的要求，适合中国北方寒冷地区和南方地区使用。

Ø罐体具有聚四氟乙烯和不锈钢两种结构，可以满足不同客户需求。

3）尿素喷嘴:Ø喷嘴具有四个直径为0.5mm的孔，具有径向喷雾排列形状；Ø喷嘴在管内必须居中且最好安装在直的排气管上，但可以和排气管成任意角度。

柴油机尾气后处理系统故障诊断与完善措施摘要：柴油燃烧可以为汽车提供强大的动力，同时化学反应还将导致废气中含有氮氧化物和碳氧化物，如一氧化氮和一氧化碳，对大气和人类健康有害。

因此，只有将有害气体过滤并处理成无害的绿色气体，即氮、二氧化碳和水蒸气，我们才能安全地排放汽车尾气。

基于此，本文从柴油机排气后处理系统的原理、优点及存在的问题等方面提出了一些建议和消除方法，并对未来汽车排气后处理的前景和希望进行了展望。

关键词：柴油机；尾气后处理；故障诊断前言为应对全球变暖而提出的可持续发展战略中明确强调了对二氧化碳排放的控制，并从汽车使用等方面得到了改进。

在减少汽车使用的同时，也要从源头上进行控制，也就是说，应对汽车排放的尾气进行处理，应更多地关注柴油车尾气处理。

目前，各种柴油车尾气后处理技术已被提出并处于研发阶段，包括氧化催化、颗粒物过滤、氮化物催化还原等技术，有望投入实际应用。

1柴油机排气后处理系统工作原理目前，柴油机尾气后处理系统主要有两种。

其中一项更先进的技术是SCR尾气后处理系统，即使用简单的尿素溶液选择性氧化尾气中的氮化物，将一氧化氮和二氧化氮转化为氮和水，并排放到空气中。

相比之下，SCR系统的工作原理更简单、更清晰。

只需在发动机设备下方增加一套尿素还原设备，减少尾气，使车辆排放更多绿色低污染尾气。

在SCR尾气后处理系统中，尿素罐用于储存和提供尿素，其上的液位和温度传感器实时监测尿素，为尾气后处理系统的故障预防提供保障。

因为尿素是提供NOx转化的反应催化剂，一旦温度过低，尿素溶液就会冻结，或者温度过高也会导致系统故障，尿素罐的加热一般通过发动机冷却液来实现。

尿素泵工作时，内部电动泵将尿素罐中的溶液和空气压缩混合到喷射管路中。

SCR尾气后处理系统中的催化转化器在系统中起着重要的核心单元作用，它不仅具有尾气催化转化的功能，还具有降低噪声和消除噪声的功能。

尾气后处理系统由排气温度传感器、压差传感器、空气滤清器等组成。

FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨1　引言柴油车在为城市货运和客运提供便利的同时，也逐渐变成了城市空气污染的主要原因之一[1]。

柴油车排放的尾气颗粒物（PM）对人体健康和环境空气质量有直接影响，其粒径大小关乎其对呼吸系统和心脑血管疾病发病率的影响程度。

同时，排放的气态污染物，如挥发性有机物和氮氧化物（NOx）会在空气中进行光化学反应，生成二次有机气溶胶，降低大气能见度，恶化空气质量。

特别是NOx，除了能形成酸雨，还是臭氧（O3）的前体物[2]。

随车辆行驶里程和车龄的增加，柴油车的尾气污染物排放会逐渐增多。

为了应对这一问题，我国一些空气污染较为严重的地区已开始对在用柴油货车进行尾气后处理改造和淘汰。

安装了柴油机氧化催化器（DieselOxidation Catalyst，DOC）、柴油机颗粒过滤器（Diesel Particulate Filter，DPF）和选择性催化还原器（SelecyiveCatalytic Reduction，SCR）的重型柴油车/发动机，其尾气污染物排放有明显降低[3]。

特别是安装了DOC+DPF的柴油车，能有效减少一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和PM的排放；而安装了DOC+DPF+SCR的柴油发动机，能显著降低PM和NOx的排放。

虽然对排放较高的国III在用柴油车和国IV在用柴油车进行尾气后处理改造升级，都可以显著降低尾气污染物排放，但这个过程也存在一些难题。

首先，由于在用车的发动机已经有一定的劣化，尾气污染物排放差异性大，如果盲目加装尾气后柴油车尾气排放特征与后处理技术研究现状党瑾希　肖宇　牛元　白伟超中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司　北京市　102100摘 要：柴油车已经成为大气颗粒物（PM）和氮氧化物（NOx）主要的排放源之一。

为了提高环境空气质量并降低柴油车的污染物排放，可以通过安装尾气后处理装置来减少PM和NOx的排放。

如何使后处理技术与车辆降低PM和NOx排放的需求相匹配，以实现稳定的减排效果，是一个值得进一步研究的问题。