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車輛研測資訊 097期 2013-12 9
專 題 報 導
一、前 言
全球日趨嚴苛的環保法規是當前各車廠開發
引擎時所面對艱難的挑戰之一，由於柴油引擎挾著
其優於汽油引擎的熱效率與較低的二氧化碳排放兩
大優勢，讓柴油車的銷售量佔比持續成長。然而，
柴油引擎車輛也非完美，最為人詬病的污染除了可
見的粒狀污染物(PM)外，就屬於有毒的氮氧化物
(NOx)；而柴油引擎所排放的氮氧化物又佔所有車
輛污染源76﹪，因此，各大引擎製造廠莫不積極投
入改善技術。
另一方面，目前歐美各國正大力推廣使用生質
柴油，我國也在2007年起開始實施，在市售柴油中
添加1%之生質柴油，並於2010年再將添加比例提
高至2%(B2)，希望能減緩對石油能源的消耗及改善
空氣環境品質。但是，生質柴油也有其缺點需要克
服，根據研究結果顯示，使用生質柴油因其燃料特
性將會使NOx微量上升[1]。
氮氧化物在大氣之中會氧化成為二氧化氮
(NO2)，容易造成呼吸方面的傷害。因此在歐盟、
美國等先進國家對於NOx排放管制日趨加嚴。國內
也從2012年1月1日開始實施相當於歐盟五期EURO
5之環保法規標準，針對重型柴油車NOx污染排放
標準加嚴至2.0 g/kW-hr，輕型柴油車更降低為0.18
g/km[2]。在此趨勢下，幾經各方研究，各界均一致
認為柴油引擎搭配還原觸媒系統(SCR)是為最佳的
NOx污染控制方案，因此，本文將為讀者們詳加介
紹SCR系統及應用現況。
二、柴油引擎NOx的減量反應
SCR系統全名為Selective catalytic reduction，早在
1970年代就已經被發展出來，不過主要是應用在蒸氣
或燃氣渦輪機發電廠、定轉速的柴油發電機或是船舶
上。原因在於工廠內的廢氣大多是定流量或流速，因
此不需要太過複雜的控制即能達到一定的效果；不同
於車輛只有在惰轉狀態下才有可能定轉速，一般正常
行駛狀態中引擎轉速與負載皆是不斷變動，所造成
的NOx生成量也隨會之變化，因此SCR中的NH3與廢
氣中NOx的反應必須能夠更精確的掌控。簡單來說，
柴油車選擇性還原觸媒系統 (SCR)之介紹與系統開發
車輛研究測試中心 林克衛
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SCR系統主要原理就是利用氨氣(NH3)或是尿素水(urea)
與NOx進行化學反應，使有毒的氮氧化物氣體變成無
毒的氮氣(N2)和水(H2O)。但由於純NH3是具有毒性，而
且儲存不易，因此，一般是利用穩定性較高、沒有毒
性且容易儲存與運送的尿素水來作為車輛SCR系統的
反應物。
在SCR系統中，NOx與氨氣產生反應，便會生
成無毒無害的氮氣與水氣，但因系統溫度的不同，
可能產生有多種的化學組合方式[3]：
6NO+4NH3=5N2+6 H2O .................................(1)
4NO+4NH3+O2=4N2+6 H2O ...........................(1)
6NO2+8NH3=7N2+12H2O ...............................(3)
2NO2+4NH3+ O2=3N2+6 H2O .........................(4)
NO +NO2+2NH3=2N2+3H2O ..........................(5)
以上這些都是在SCR系統中可能發生的反應，
其中，第5式的反應是最快速的。然而，也可能產生
一些不預期的反應造成二次污染，例如：
2NH3+2O2=N2O+3H2O ...................................(6)
4NH3+3O2=2N2+6H2O ....................................(7)
4NH3+5O2=4NO+6H2O ..................................(8)
此外，氨氣也有可能在溫度約100-200℃下與
氧和水反應成為NH4NO3，此一生成物會沉澱在觸
媒上。若是廢氣中含有硫(S)，則有可能反應生成
(NH4)2SO4或NH4HSO4，此兩者則會使觸媒變得污
濁，降低觸媒的效率。由此不難看出，SCR系統必
須要有精準的噴霧控制與噴射率，來提高NOx的反
應效率，並且防止過多的氨氣洩漏到大氣之中，同
時還得以避免二次污染的產生。
在一般情況下，尿素係以固體型態的
呈現的物質，有以下的性質：
．化學式：H2N．CO．NH2
．莫爾重：60.06 kg/kmole
．型態：無色結晶物
．密度@20℃：1335 kg/m3
．熔點：132.7℃
．可溶性@17℃：100 g / 100 g H2O
一般使用在S C R系統之尿素水溶液
為32.5﹪，pH值約在9.0-9.5之間，無色、
無毒性而且容易運送儲存。同時在此濃
度下，尿素水溶液具有最低的凝結溫度
約-11℃，可以符合大部分的地區使用。依
德國DIN V 70070所訂定之SCR-urea的工
業標準，命名為「NOx Reduction Additive
AUS 32」（Aqueous Urea Solution 32.5
﹪），所以尿素水在歐盟通稱為AdBlue，
也因此許多搭載SCR系統的車輛大部分都
會有AdBlue的字樣。目前在台灣尿素水供
應點也逐漸增多，亦有廠商生產符合標準
的尿素水。除了一般在保養廠設置加注點
外，各大型車隊也都設置尿素水加注站來
提供營運車輛使用。一般而言，尿素水的
加注是燃油消耗比率的5%左右，添加頻率
並不高。以柴油小客車來說，甚至可於每
次進廠保養時添加即可，並不會影響車主
使用習慣。
什麼是尿素水?
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專 題 報 導
三、SCR系統架構與運作方式
SCR系統的配置大致如圖1所示[4]，包括SCR觸
媒，前端通常佈置有氧化觸媒。透過噴注控制單
元(Dosing control unit)，接收引擎訊號包括：引擎
轉速、引擎負載等，另以排氣溫度、排氣壓力以
及NOx感知器等訊號來作為尿素水噴注量的控制依
據。此外，還包括尿素水箱、液位計(部分含加熱
線圈)以及噴嘴等部份。
事實上，尿素噴嘴主要的關鍵技術就是在於如
何使尿素水均勻霧化，同時又不會產生結晶使噴嘴
堵塞。噴嘴設計方式通常有兩種，分別為空氣輔助
(Air-Assisted)以及無空氣輔助方式(Airless)。重型柴
油車輛因具有壓縮空氣設備，因此大多配備有空氣
輔助式系統，其主要噴注方式是將壓縮空氣與尿素
水同時導入噴嘴後混合，增加混合霧化效果，又可
以使噴嘴冷卻避免結晶。而無空氣輔助的噴嘴主要
的優點就是結構較為簡單，適用於無壓縮空氣的小
客車 [5]、[6]。
觸媒溫度對於NOx反應效率具有絕對的影響
力，若將氧化觸媒或是濾煙器佈置在SCR前端，可
能會因溫度降低導致效率低減；但另一方面卻也可
先過濾排氣中的粒狀物質，避免SCR觸媒長期使用
而被粒狀污染物所阻塞導致壽命減低。所以，SCR
系統需要多次的試驗與調校，考量其引擎特性、排
氣溫度以及各觸媒等的特性，才能找出最佳化的佈
置方式與效率。
目前SCR系統觸媒應用比較廣泛的是以V2O5為
基底的觸媒，可以使用在260℃到450℃之間，NOx
轉換效率從225℃開始上升到最高400℃，之後便開
始下降，如圖2。而以V2O5/TiO2為催化劑的觸媒，
一般來講大約是在500℃到550℃下進行轉換反應。
當引擎廢氣中所產生的NOx中之NO與NO2比率為
1：1時，將會有最佳的反應效率。
圖3可看出在NO2/NO比率接近1時，選用最佳
化的氧化觸媒與SCR系統，溫度在250℃至350℃區
間會有最大的反應效率，約可達到95﹪以上。
▲ 圖1、Bosch SCR系統[4]
（資料來源：http:// www.downstreamengineering.com）
▲ 圖2、觸媒對溫度與轉換效率關係（資料來源：http://www.dieselnet.com/tech/cat_scr_mobile.html）
1. 尿素水儲存桶
2. 溫度感知器
3. 液位感知器
4. 供應模組
5. ECU電子控制單元
6. 流量閥
7. 壓縮空氣供應桶
8. 廢氣溫度感知器
9. 廢氣感知器
10. 空氣供應
11. 處理後廢氣
12. 霧化管
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SCR系統反應效率的關鍵除了在於觸媒本身的
特性外，如何控制正確的尿素水量噴入排氣管中則
是另一項重點，也是SCR系統的核心技術之一。尿
素水噴量太少將導致系統反應效率不足，而過量的
尿素水噴入系統之中除了加快尿素水的消耗外，還
會造成過多的NH3無法參與反應，進而逸散或是生
成二次污染物。
目前SCR系統控制單元之控制模式可以分為兩
種，分別為開迴路控制與閉迴路控制。前者的控
制標準方式是「尿素水注入模組（Dosing Control
Unit」）接受控制命令將尿素水注入排氣管中與廢
氣在觸媒進行反應，隨即結束，並沒有其他回饋訊
號回授到此模組中進行修正[7]。其最大的好處是設計
簡單，但相對而言，控制精準度不佳可能造成廢氣
處理效果不好，或是因尿素水噴注過量產生而NH3
外洩，也有二次污染之虞。至於閉迴路控制SCR系
統，則可透過快速且即時的NOx與NH3量測回饋到控
制系統中來進行尿素水噴射的修正，藉以達到最精
準的反應效率，同時也可避免NH3洩漏，是更為妥
善的方案，同時隨著NOx與NH3感知器的技術大幅進
步，目前此系統已達到商業應用的成熟階段。
五、國內SCR系統開發
SCR系統雖然已被廣泛應用於新車型上，但國
內卻少有業者投入相關的產品開發研究。目前車輛
中心執行能源局「生質燃料柴油車輛適用性研究計
畫」，首次結合國內觸媒廠、車輛電子廠、分析
儀、尿素水桶廠商以及尿素水供應商等，並連結學
術單位，藉由產、學、研合作方式[8]，協助業者投
入柴油車輛後處理系統開發技術，以期達成切入
SCR系統供應鏈的目標。在SCR系統開發計畫中最
主要的關鍵技術，包括：尿素噴嘴、控制單元、尿
素桶等，各重要分項介紹如下：
(一) 控制策略
藉由SCR系統的工作原理及化學反應分析，建
立SCR物理模型架構，再進一步進行控制策略的規
劃。目前的設計方向係利用規則庫前饋控制(Rule-
base feed-forward control)為主，配合可緩慢修正穩態
誤差的PI迴授控制器(PI feedback controller)，以此修
正環境干擾等因素所產生的誤差，系統控制流程方
塊圖如圖4。由於尿素於觸媒的還原反應會受到工作
溫度的影響，控制器也需觸媒本體上下游之排氣溫
度來決定尿素噴注的觸發訊號，當觸媒工作溫度過
低時，尿素供應系統即不提供尿素噴注，則可避免
造成NH3洩漏的二次污染問題。最後，依據尿素噴注
系統流率測試的結果，即可得知所需控制驅動尿素
噴嘴的輸出訊號，決定實際尿素噴注量。
▲ 圖3、NO2/NO比率對V2O5/TiO2觸媒轉換效率影響（資料來源：http://www.dieselnet.com/tech/cat_scr_mobile.html）
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(二) 觸媒開發與封裝
本系統觸媒主要以五氧化二釩為基底，系統
之觸媒尺寸，直徑為190 mm長度為100 mm，採用
兩顆觸媒，以符合空間流速之要求。而為了便利系
統測試需求，在觸媒封上採用分段法蘭連接方式進
行，以便於進行各段拆檢與替換比對。並為使排氣
與氣化後之尿素能充分混合，因此設計了擴散孔
板，以提高反應效率，其成品如圖5。
(三) 噴嘴設計與開發
本系統開發係利用基礎引擎測試來建立各轉速
與負載下之NOx排放量，再由NOx排放量即可推估
尿素水的所需量，藉此可換算出霧化器每單位時間
下的流量；並透過流場分析，依推估之流量搭配霧
化粒徑分析儀及勢流的方法來研究開發SCR系統所
需之噴嘴，如圖6。此噴嘴採用二流體設計，同時
利用3D設計軟體進行設計後再行雛型製作，如圖
7，最終即整合於SCR系統上進行測試作業。
▲ 圖6、尿素水噴嘴設計之流場分析
▲ 圖7、噴嘴雛型▲ 圖5、觸媒設計圖及成品
▲ 圖4、系統控制流程方塊圖
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(四) 系統整合驗證測試
系統整合與驗證測試是系統開發成敗的最後
一道關卡，除上述所提及之控制策略、觸媒及噴嘴
系統之外，再整合國內現有之尿素水箱、液位感知
器、尿素水等，再以目前市占率最高之重型柴油車
引擎為目標引擎來進行此系統的測試驗證作業，如
圖8。車輛中心特別以原廠套件測試資料做為比較
基準(Benchmark)，希望透過完整地系統整合驗證測
試，發展出由國人第一套自行開發的SCR系統，並
以國際標準來自我要求，進而提升台灣在柴油引擎
後處理器產業的技術水準，早日切入相關供應鏈。
六、結 論
由於歐盟5期法規的實施，SCR系統已被廣泛
應用於各類柴油車輛上，其未來的成長趨勢不難預
見。由歐盟車廠因應的軌跡來看，該區域除推動柴
油車輛搭載SCR系統之外，建立起完善之尿素水供
應系統也是一大重點。同樣的，國內不只積極開發
SCR系統，自從環保五期的污染法規實施後，尿素
水之供應硬體設施也必需持續擴點，才能更為普及
且方便搭載SCR系統的柴油車輛車主之所需，以落
實法規，共同提升環境空氣品質。
七、致 謝
本研究承蒙經濟部能源局贊助，計畫編號102-
D00107，始得完成，謹此致謝。(本系統開發合作
單位包括：由車王電子與貝爾特公司進行控制單元
以及NOx感知器之設計開發；立昌汽材及諾瓦材料
科技公司負責尿素水箱設計與開發及尿素水提供；
系統整合及測試驗證則委由車輛中心統籌之。)
八、參考文獻
[1] United States Environmental Protection Agency,” A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emissions, EPA420-P-02-001, 2001.
[2] http://www.dieselnet.com/tech/cat_scr_mobile.html
[3] http://www.dieselnet.com/tech/cat_scr.[4] Sung-mu Choi,Young-kee,Seok-jae Kim Gwon-
koo Yeo, “Development of Urea-SCR System for Light-Duty Diesel Passenger Car”, SAE Paper 2001-01-0519 .
[5] Guanyu Zheng, Manoj Kumar Sampath and William Alcini “Design Improvements of Urea SCR Mixing for Medium-Duty Trucks”, SAE Paper 2013-01-1074.
[6] Paul Mentink, Frank Willems, Frank Kupper and Edwin Van den Eijnden “Experimental Demonstration of a Model-Based Control Design and Calibration Method for Cost Optimal Euro-VI Engine-Aftertreatment Operation”, SAE Paper 2013-01-1061 .
[7] Yongsheng He, David B. Brown, Shuguang L u, M i c h a e l J . P a r a t o r e , J i a n w e n L i “O p p o r t u n i t i e s a n d C h a l l e n g e s f o r Blended 2-Way SCR /DPF Aftertreatment Technologies”, SAE Paper 2009-01-0274 .
[8] http:// www.benzworld.org
▲ 圖8、SCR系統整合驗證測試
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經濟部能源局為落實節能減碳政策，推動再生
能源發展與應用，持續委託車輛中心，進行生質柴
油車輛適用性研究；並在11月29日辦理「先進生質
柴油車輛應用技術研討會」，吸引國內車輛製造與
零組件業者、政府單位、油品公司、客貨運業者、
以及學術研究單位等近百人參與，不僅展現國內推
動生質燃料政策的成效，並透過交流讓與會者更加
了解生質柴油在車輛應用上的各項議題。
為了因應我國柴油車五期法規上路，並且讓
柴油車有更好的排放控制，使用選擇性還原觸媒
(Selective Catalytic Reduction，SCR)是很好的解決
方案。因此，今年車輛中心特別整合各相關領域
業者的專長，包括車王電子的電子控制單元、康
捷的SCR高效觸媒、立昌汽材的尿素
儲存裝置、貝爾特科技的氮氧化物偵
測單元、諾瓦材料的尿素加注單元，
再搭配車輛中心所研發的整合式二流
體噴霧與閉迴路控制技術，共同打造
出國內自主的氮氧化物排放處理器。
同時也利用此次研討會進行合作意向
書簽署與實品展示，不僅將台灣的自
主技術落實於產業需求，也能有效降低車輛的污
染排放。
本次研討會邀請多位來自學界及業者的專家
學者，包括：台灣科技大學周志正博士與陳俊男博
士，以及台灣康擎公司蔡志偉副理等擔任主講人，
分別介紹SCR控制策略及技術、以及針對生質柴油
對引擎的磨潤特性與國外相關研究結果等內容進行
分享討論；深入淺出且貼近實務應用的各項說明介
紹，讓與會者覺得收穫良多。事實上，生質柴油對
環境的友善效果，早已廣受各先進國家的肯定，並
成為環保推動項目之一；同樣的，使用生質柴油的
好處也值得向國人推廣，在減少汙染排放的同時，
也能讓我們的寶島持續地美麗下去。
▲ 生質柴油後處理器實品展示發表
▲ 車輛中心整合車王電子、康捷環保科技、立昌汽材、貝爾特科技、以及諾瓦
材料等業者共同簽署生質柴油後處理器技術研究合作意向書
同場加映...
先進生質柴油車輛 應用技術研討會