生活水平得到普遍提升，我国汽车保有量飞速上升。与此同时，汽车对环境的污染和人身健康的危害日益凸显。柴油机由于采用压燃式点火，压缩比较汽油机大很多，同时，柴油热值高的理化特性决定了其在未来具有广阔前景，使其发展重心由军工转向民用，由水陆通航转向其他诸多领域，且所占比重日趋增长。

2013年2月6日，国务院召开会议研究确定油品升级的相关事宜。根据会议要求，我国将于2014年底及2017年底分别完成汽、柴油国Ⅳ标准以及国Ⅴ标准的过渡。氮氧化物（NOx）是大气污染物中主要污染物之一，也是柴油机排放主要污染物。目前，根据研究分两种办法解决：优化燃烧+SCR路线，EGR+DOC+EPFL路线。其中选择性催化还原（SCR）技术因能满足国Ⅳ标准中对NOx排放量的限制而被普遍采用。应用该项技术，能够使燃烧系统与燃油喷射系统得到有效优化，降低机油消耗。以发动机内净化技术和排放后处理系统为主体的SCR技术的应用普及，将大幅度降低尾气中NOx的排放量。随着国家排放标准的不断发展，污染物排放法规也必定越来越严格，新型能源的开发利用和尾气排放的改善处理，也定会促使相关技术的不断普及和完善，SCR技术将得到更加广泛的实际运用与推广。

2SCR技术的基本原理

如图1所示，催化器前部的氧化触媒将尾气中的NOx氧化为NO2；催化器中部的尿素喷射装置喷射尿素水溶液在催化剂作用下与氧化后尾气中的氮氧化物进行氧化还原反应，降低尾气中氮氧化物含量；反应未进行或进行不彻底的剩余产物在反应器末端媒介作用下转变为氮气与水最终排放。尿素催化还原的基本原理是：在汽车排放的尾气中通过一个电控计量单元连续均匀喷射尿素水溶液，溶液经过加热管路蒸发热解，经过一系列催化反应，加速氮氧化物的还原反应，同时抑制还原剂的氧化反应，最终生成纯净的氮气和水。选择催化还原过程中化学反应方程式催化NOx总量反应式：

3SCR后处理系统

如图2为试验用后处理系统，主要由柴油机电控系统和相关的硬件组成。CAN总线将ECU从各传感器中获取的发动机转速、负荷及温度信号传递给SCR控制器，确定发动机所处的工况。根据所处工况调取ECU中存储的实验测定尾气中NOx和催化剂温度确定的所需尿素水溶液量，信号给计量单元经过液—气混合阀通过位于催化器中部的喷嘴喷射出定量溶液。由汽车电控系统控制SCR控制器，从而实现后处理系统在不同工况下都能喷射出适量的尿素水溶液[2]。

4车用SCR技术研究状况

4.1国外研究现状

国外对SCR技术的研究较早，研究的方面也十分广泛，因此在技术方面较国内也更加成熟。为了应对日趋严格的排放法规，欧洲的很多重型柴油机上已经普遍安装了SCR系统。

由于Urea—SCR系统的NOx转化效率容易受到排气温度的影响，为提高Urea—SCR体系转化效率，日立（Hitachi）公司[3]开发了一种新型的尿素喷射装置。排气温度过低能影响到Urea分解为NH3的效率，进而影响NOx的转化效率。该开发的这种电加热装置可以将Urea加热，从而提高低排气温度下Urea的分解效率，且加热装置只会在排气温度过低时开启，以达到更好的节能效果。

针对SCR的应用，德国的博世（BOSCH）公司[4]开发了由喷射模块（Dosingmodule）和定量配给模块（Deliverymodule）组成的SCR应用系统DENOXTRONIC，该系统有效地解决了NOx转化效率与NH3泄漏量之间的矛盾，而且该系统已经能够满足欧Ⅳ和欧Ⅴ排放标准所要求的NOx的限值。該系统在NEDC（NewEuropeanDrivingCycle）测试循环下，NOx的最大转化效率达65%，在美国FTP测试循环下NOx最大转化效率高于75%，并且可以减少40%的微粒排放，节省5%的油耗。

针对计划于2005年10月实施的欧IV标准，康明斯[5]将采用集成式排放控制系统IEM技术，即把发动机缸内净化和尾气后处理集成在一起，实现“从进气到排气”的全过程控制。该技术采用了高效的SCR，为了使排放控制更加有效，IEM使用了电控模块进行控制。该电控系统还可根据车载排放诊断系统（OBD）随时监控系统运行情况，提醒驾驶员及时加注尿素溶液，按时对系统进行保养。为达到2007年施行的EPA最新的环保法规，梅塞德斯—奔驰公司[5]把SCR这种后处理技术运用到他们生产的柴油车中，并考虑把这一系统配置到部分的商务车中。

丹麦格伦德福斯公司[6]和托普索科技公司合作研发出卡车用新型柴油引擎催化转化器。该装置可节省4%的耗油量，大大降低对人体有害的纳米级PM、NOx和烃的排放量。柴油难闻的气味主要是它的成分中有未燃烃，将未燃烃去除，柴油车的工作环境将得到很大的改善。通过向汽车排出的气体喷入尿素，尿素分解为NH3来去除NOx。NOx与NH3反应在催化剂的表面生成没有危害的气体N2和水蒸汽。HC和PM被留在催化器上，但不会与喷射的尿素混在一起，对环境的污染很小。

4.2国内研究现状

国内对SCR技术的研究起步较晚，因此SCR技术在国内还有些不成熟。但国内许多的公司已经推行出能够满足国Ⅳ甚至国Ⅴ排放标准的SCR技术。国内很多科研院所在SCR技术研究的各个方面也做出了巨大贡献。

在技术方面，陈辉、覃军[7]等人在YC6L350-40重型柴油机上加装SCR后处理技术进行了理论及实践研究，成功研发出国内第一台能够满足欧Ⅳ排放标准的柴油机。该柴油机主要是采用了“增压中冷+电控燃油喷射系统+SCR”的技术路线，即在YC6L-30的基础上，采用SCR系统。在试验测试循环的排放水平，完全达到了欧IV排放标准的要求，是一台真正意义上的欧Ⅳ发动机。目前，该款机型已经进入生产阶段[8]。

在控制策略方面，清华大学的胡静，赵彦光等人针对重型柴油机尿素SCR后处理系统的控制策略进行了研究，研究了空速、催化剂温度、催化剂对NOx的转化效率、催化剂的NH3吸附与解吸附等催化剂特性对控制策略的影响并进行了优化，得到最终实际需要的尿素喷射量，使重型柴油机尿素SCR后处理系统达到了国Ⅳ及以上的排放标准[9]。钱枫、喻方平等人运用CAN总线和各路传感器，依据柴油机工况变化以及催化器温度变化，根据内部协定的稳态分配策略以及动态修正策略，准确地控制尿素喷射系统向排气管中喷射尿素水溶液，从理论上实现了欧柴油机SCR系统中尿素水溶液控制器的开发。北京理工大学的姜磊，葛蕴珊等对柴油机SCR系统的稳态和瞬态特性进行了研究，引入复合阶跃比对柴油机瞬态工况NOx的排放量进行了较好的修正，从而有效减少了氨泄漏[10]。

在数值模拟方面，江苏大学王谦[11]对Urea—SCR排气管路中尿素水溶液蒸发雾化过程进行CFD模拟，对尿素结晶成因进行分析，通过优化喷嘴的相关参数来减少管路结晶；同时优化排气管路布置来提高尿素在尾气中浓度分布的均匀性。温苗苗等人[12]在计算流体力学模拟仿真的基础上，加入尿素-氨转化过程和SCR反应动力学模拟模型，成功达到了对整车SCR系统过程的模拟，建立了Urea—SCR系统三维模型，并提出SCR系统的评价指标。大连理工大学的苏庆运[13]利用FLUENT软件并耦合化学计算模块CHEMKIN，基于Rh催化剂表面CO-O2详细反应机理模型，对径向变孔密度载体建立催化反应模型。结果证明变孔密度载体的流动分布情况和CO转化率优于原载体，并且变孔密度载体的起燃温度比原载体低，具有较好的起燃特性。

5主要存在问题

（1）SCR系统的反应原理是一定浓度的尿素水溶液喷入高温尾气时，在催化剂的催化作用下与尾气中的NOx发生系列反应生成氮气和水，从而降低尾气中NOx的排放。但是，在此过程中存在NH3泄露与NOx转化效率存在矛盾，造成尿素的浪费和二次污染，因此，对NH3浓度的测控和尿素浓度的精确掌握需要控制。

（2）SCR初期投入成本昂贵，尿素溶液添加站的布建投资浩大，尤其是在疆土辽阔的国家负担较大。

（3）理想状态下，尾气中喷射的尿素水溶液经过蒸发热解等过程分解为氨气和二氧化碳，通过氧化还原反应将NOx转化为N2和H2O，实现有害气体的转化[13]。然而，在实际过程中，尿素水溶液的分解反应的完成受到反应温度的限制。当温度小于210℃时，SCR系统的催化转化速率很低，不能正常工作发挥作用；当温度高于210℃时，尿素水溶液分解反应产生多方向反应，大大增加了反应的不确定性，使得部分尿素不能分解或者不能完全分解，甚至造成NH3发生氧化反应重新生产NOx。在车辆的实际使用过程中，尤其是在城市交通中，车辆的行驶速度较低，发动机转速相对较低，实际尾气排放温度较低，往往达不到尿素溶液分解反应的最佳温度，使得SCR系统不能正常工作发挥作用。当温度一直保持较低温度（210℃以下）时，催化转化后处理系统效率往往很低甚至不起作用，导致实际运行过程中NOx排放超标；同时，低温会导致排气管中尿素结晶沉积堵塞排气管，影响SCR系统在城市柴油机车上的应用推广[14]。

6结语

目前，使用排放后处理系统已经成为世界主流趋势。SCR系统利用尿素水溶液对尾气中的NOx进行处理，不仅能够满足国Ⅳ及以上标准，还具有对发动机结构改动小，对当今主流发动机具有良好继承性，便于技术升级的简洁连贯性，而且对相关燃油品质要求较低，适用于我国的基本国情与正在逐步完善健全的排放法规。SCR系统必定会在将来得到更加广泛的推广应用。

参考文献：

[1]徐民.车用尿素SCR技术进展现状及发展展望[J].山东化工，2015.

[2]姜磊，葛蕴珊，李璞，等.柴油机尿素SCR后处理系统排放特性试验研究[J].内燃机工程，2010.

[3]姚广涛，索建军，邓成林.柴油机UreaSCR研究进展[J].中国高新技术企业，2010（4）：163～165.

[4]周明星.车用柴油机Urea-SCR技术降低NOx排放的研究[D]镇江：江苏大学，2011.

[5]周建伟.应用SCR技术满足重型柴油机国V排放的研究[D].上海：上海工程技術大学，2014.

[6]黄鹏.国外车用柴油机SCR技术的应用研究[J].车用发动机，2005（3）：5～7.

[7]覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究[D].武汉：武汉理工大学.2007：68～105.

[8]马国胜，谭祖健.SCR在国内的应用于展望[J].内燃机，2008（3）：1～2.

[9]胡静，赵彦光，陈婷，等.重型柴油机尿素SCR后处理系统的控制策略的研究[J].内燃机工程，2011，32（2）：1～5.

[10]胡静，赵彦光，陈婷，等.重型柴油机SCR后处理系统尿素喷射电子控制单元开发[J].内燃机工程，2011，32（1）：8～12.

[11]佟德辉，李国祥，陶建忠.利用SCR技术降低车用柴油机NOx排放的控制策略研究[J].车用发动机，2009（5）：39～43.

[12]王谦，刘倩，罗晶，等.柴油机Urea-SCR排气管路CFD优化与NOx排放分析[J].内燃机学报，2009，27（6）：523～528.

[13]温苗苗，吕林，高孝洪.柴油机选择性催化还原后处理系统仿真[J].内燃机学报，2009（3）：249～254

[14]苏庆运，王伟，王建昕，等.径向变孔密度载体对汽车催化转化器反应流动的影响[J].内燃机学报，2013（5）：436～441.

[15]WilliamRM，JohnTK.ThedevelopmentofUrea-SCRtechnologyforUSheavydutytrucks[N].SAEpaper，2000-01-01（90）.

[16]谭理刚.柴油机SCR系统喷射雾化及催化转化数值仿真与试验研究[D]长沙：湖南大学，2013.