存儲及加注方式等因素對車用尿素水溶液及SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響研究

于津濤，高鑫磊，張坤峰

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心 北京100176；2. 中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院 北京102206)

存儲及加注方式等因素對車用尿素水溶液及SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率的影響研究

于津濤1，高鑫磊1，張坤峰2

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心 北京100176；2. 中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院 北京102206)

針對樣品A和樣品B兩種車用尿素水溶液，在不同儲存溫度、不同加注方式條件下，對帶有SCR系統(tǒng)的發(fā)動機進行ESC排氣污染物測試，測試SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的變化。經(jīng)驗證，SCR對于NOx排放控制效果明顯，轉(zhuǎn)化效率可達到 80%,，采用 SCR技術(shù)是柴油車國Ⅴ排放法規(guī)達標的主流技術(shù)路線。尿素水溶液在不同溫度下保存會發(fā)生水解，溫度越高水解速度越快，但最終會達到某一平衡值；在 1個月內(nèi)，30,℃和 20,℃的不同存儲溫度對SCR轉(zhuǎn)化效率影響不明顯。在保質(zhì)期內(nèi)，30,℃和20,℃下存儲30,d對于車用尿素理化特性和NOx轉(zhuǎn)化效率影響都很小，使用專用加注設備對NOx轉(zhuǎn)化效率的結(jié)果影響極小。

尿素水溶液 SCR轉(zhuǎn)化效率 NOx

0 引 言

重型柴油車NOx和PM的排放量占機動車總排放量的 70%,和 90%,，是我國機動車排放控制的重點。[1]現(xiàn)階段我國車用尿素水溶液(簡稱 AUS,32)的提供方式主要以塑料桶小包裝供應方式(10,kg或 20,kg桶裝)為主，移動撬樁站和固定加注站作為示范的供應加注形式僅在部分公交場站等車輛密集的地方出現(xiàn)。2015年1月1日起，全國開始全面實施柴油車第四階段排放標準，SCR后處理系統(tǒng)作為實施國Ⅳ排放標準的主流技術(shù)方案，對車用尿素的供應提出了較高要求，一方面尿素水溶液的需求將大幅增加，另一方面車用尿素溶液的質(zhì)量是SCR減排技術(shù)的關(guān)鍵，而尿素水溶液的存儲時間、存儲溫度以及市場上不同品牌尿素水溶液的一致性問題都將是影響車輛實際減排效果的因素。本文的主要目的是研究以上因素對尿素水溶液的成分影響及其對SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

本文主要研究以下因素對尿素水溶液自身理化特性的影響及其對發(fā)動機SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。

1.1.1 不同品牌的影響

選取市場上A～D 4種不同品牌的尿素水溶液，測試其常規(guī)指標是否符合GB 29518—2013《柴油發(fā)動機氮氧化物還原劑尿素水溶液(AUS 32)》要求，并選擇其中有代表性的產(chǎn)品測試其對發(fā)動機SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)化效率的影響。

1.1.2 存儲溫度和時間的影響

在國家標準中，對車用尿素溶液的儲運溫度提出了建議。其適宜的儲運溫度為－5～25,℃，但在實際使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)儲運溫度超過建議溫度的情況。本文首先將 A、B兩種尿素水溶液在 20～50,℃試驗室中，避光、密封放置 6天，每天測定其尿素含量變化；隨后在20,℃和30,℃環(huán)境中存儲1個月，觀察其尿素含量變化及對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響。

1.1.3 加注方式的影響

桶裝車用尿素水溶液易攜帶，加注不受地點制約，但存儲環(huán)境不一定能滿足尿素的存儲要求；尿素加注站加注能保證車用尿素質(zhì)量，可應用于公交公司等，降低使用成本。為驗證尿素加注設備是否對尿素成分及功能產(chǎn)生影響，試驗分別將兩種尿素通過專用尿素加注裝置和桶裝直接加注兩種方式加入尿素罐，驗證不同尿素加注方式對于發(fā)動機排放性能的影響。

1.2 試驗方法

1.2.1 車用尿素溶液試驗方法

主要包括常規(guī)化學分析方法及儀器分析方法。對各品牌車用溶液進行指標分析時，至少對每種品牌的車用尿素溶液進行2次平行測定，每次測定結(jié)果之間的差異不能超過相關(guān)規(guī)定，否則重新進行試驗。其中使用蒸餾后滴定方法測定尿素含量，其余指標均按照GB,29518—2013規(guī)定進行。[2]

1.2.2 測試SCR系統(tǒng)對NOx的轉(zhuǎn)化效率

選擇裝備SCR技術(shù)的國Ⅴ柴油機1臺，要求發(fā)動機性能穩(wěn)定，試驗結(jié)果一致性良好。試驗按照GB,17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》的標準，進行壓燃式發(fā)動機 ESC排氣污染物檢驗；每種尿素樣本進行兩次試驗，兩次NOx結(jié)果偏差小于 5%,視為一致性良好，取平均值作為該組試驗最終結(jié)果。試驗共分為 3組，并配合空白試驗一次，3組試驗分別對比不同品牌尿素、不同儲藏溫度以及不同加注方式對同一發(fā)動機 NOx排放的影響程度。同時進行一組空白試驗，即在柴油機 SCR系統(tǒng)不噴射尿素條件下完成，主要目的是確定發(fā)動機原始狀態(tài)，同時配合后續(xù)試驗，驗證發(fā)動機SCR系統(tǒng)對降低NOx的作用效果。

1.3 臺架試驗設備及樣品

試驗選用AVL電力測功機(見表1)，精確控制發(fā)動機各工況扭矩、轉(zhuǎn)速及油門開度，通過尾氣采樣及測量系統(tǒng)判定發(fā)動機排放性能，尤其是 NOx的排放量在不同SCR狀況下的變化趨勢；并配合進氣空調(diào)、水溫控制、中冷溫度控制、機油溫度控制滿足試驗各方面的要求；通過油耗儀測量發(fā)動機燃油消耗情況。

表1 試驗設備型號Tab.1 Parameters of test equipment

試驗選擇1臺國Ⅴ柴油發(fā)動機，采用電控高壓共軌＋增壓中冷＋選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，該機型最大凈功率為100,kW@2,800,rpm，設備連接見圖1。

圖1 測試設備連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of equipment connection

如圖1所示，尾氣排放結(jié)果主要通過直采分析系統(tǒng)、全流定容稀釋采樣分析系統(tǒng)和氨分析儀產(chǎn)生；直采系統(tǒng)安裝于催化器前，主要收集發(fā)動機原始排放數(shù)據(jù)；全流定容稀釋采樣系統(tǒng)可收集催化器后排放數(shù)據(jù)，通過分析原始排放及催化器后排放數(shù)據(jù)可分析催化器轉(zhuǎn)化效率，了解催化器對排放污染物改善效果。由于使用 SCR技術(shù)可能會造成氨泄漏，實驗安裝氨分析儀對尾氣中的氨含量進行檢測。

2 尿素水溶液指標結(jié)果分析

2.1 不同品牌尿素水溶液指標分析(見表2)

表2 4種尿素水溶液常規(guī)指標Tab.2 Conventional parameters of 4 types of AUS 32

由表 2可知，經(jīng)檢測，4品牌車用尿素的質(zhì)量均符合國家標準的要求，其中樣品B尿素含量最高；樣品A尿素含量最低，溶液密度、折光率均符合國家標準。B、C兩品牌的車用尿素溶液的密度、折光率稍高，D車用尿素溶液縮二脲含量略高。部分品牌的車用尿素溶液中鈣、鎂、鋅、鈉含量較高。最終選擇 A、B兩種市場占有率最高，且尿素含量差異最大的樣品進行后續(xù)發(fā)動機SCR轉(zhuǎn)化效率的試驗驗證。

2.2 尿素水溶液穩(wěn)定性結(jié)果及分析

將A、B品牌車用尿素溶液分別在20,℃、30,℃、40,℃、50,℃避光、密封存放 6,d。在這些不同的存放條件下，對這兩個品牌的車用尿素溶液的尿素含量進行分析測試。兩個品牌車用尿素溶液含量變化結(jié)果如圖2和圖3所示：

圖2 樣品A不同存儲溫度下尿素含量變化Fig.2 Urea content changes in Sample A under different storage temperatures

圖3 樣品B不同存儲溫度下尿素含量變化Fig.3 Urea content changes in Sample B under different storage temperatures

可以看出，在 20,℃下，隨著存放時間的變化，其溶液中的尿素含量基本維持不變，且都基本符合國家標準中對于尿素含量的要求。而在 30,℃以上時，尿素的水解程度隨溫度升高不斷加大，尿素含量不斷下降，尤其在初始 2,d呈快速下降趨勢，在 50,℃時，車用尿素溶液中的尿素含量已遠遠不能達到國家標準的要求。但下降到一定程度后尿素含量便基本不發(fā)生變化，說明在這個時間，水解反應已經(jīng)達到了一定的平衡。

同樣，兩種尿素水溶液樣品在20,℃和30,℃分別保存30,d后，雖然兩種樣品產(chǎn)品有一定差異性，初始尿素含量有一定偏差，但尿素水溶液含量相比新鮮樣品時均有所下降，而且在同樣存儲時間內(nèi)置于 30,℃保存時，尿素含量衰減大于20,℃的保存環(huán)境，如表3所示。但由于在尿素水溶液的水解系統(tǒng)中，尿素、氨、二氧化碳的稀水溶液發(fā)生電離，存在著電離平衡，而且氣相與液相之間也存在著氣液平衡，因此存儲時間到達一定階段就會發(fā)生平衡，在密封保存條件下，尿素含量不會無限下降而是達到一定平衡。

表3 不同存儲溫度保存30天后尿素含量的變化Tab.3 Urea content changes under different storage temperatures after 30,days

3 發(fā)動機試驗SCR轉(zhuǎn)化效率結(jié)果分析

3.1 總體試驗結(jié)果分析

除空白試驗外，將試驗分為 3組，每組每次試驗均為2次試驗的平均值。試驗結(jié)果如表4所示：

表4 試驗結(jié)果匯總Tab.4 Summary of test results

從表 4可以發(fā)現(xiàn)，3組試驗在不同品牌、不同存儲溫度、不同加注方式等條件下，該發(fā)動機的SCR系統(tǒng)均可實現(xiàn)80%,±1%,的NOx轉(zhuǎn)化效率，并且該發(fā)動機可以滿足國Ⅴ階段 NOx不超過 2.0,g/kWh的排放限值，該結(jié)果證明該發(fā)動機 SCR系統(tǒng)對于發(fā)動機降低 NOx排放作用明顯，有助于改善發(fā)動機的排放性能。

圖4 SCR催化后NOx排放量與空白試驗NOx排放量對比及各工況轉(zhuǎn)化效率Fig.4 NOxemission with/without SCR catalyst and conversion efficiency in various test conditions

由于SCR在反應過程中尿素噴射量是根據(jù)發(fā)動機排氣溫度及扭矩變化確定的。圖4為ESC試驗中13工況下空白試驗(無尿素噴射)和3組試驗不同工況下通過分析儀檢測到的 SCR后端 NOx的排放情況，以及不同工況下SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率，而表5則顯示了 3組試驗各工況尿素平均噴射量(mL/h)。從以上數(shù)據(jù)可以看出，ESC中不同工況的尿素噴射量不同，SCR轉(zhuǎn)化效率也不同。

表5 各工況車用尿素噴射量Tab.5 Urea injection amount in various test conditions

3.2 不同品牌對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

第1組試驗為使用A、B不同車用尿素品牌時的排放結(jié)果。兩種尿素均從北京廠家和總代理商直接采購，均為 10,kg桶制包裝，生產(chǎn)日期均為試驗前 1周內(nèi)。圖 5為使用兩種尿素樣品時發(fā)動機樣氣中氮氧化物排放量的對比，分別對比ESC中13個工況氮氧化物排放量。試驗發(fā)現(xiàn)，13個工況中9個工況時氮氧化物排放量相近，4個工況略有不同，兩個品牌不同工況時 NOx濃度差值不超過 1,mg/L，變化范圍較小。同時分析表 6中兩種車用尿素的催化效率，不同品牌尿素對于轉(zhuǎn)化效率影響在 1%,以內(nèi)，這一影響可以在實際應用中忽略，即本試驗提供的兩種尿素樣品均滿足標準要求，NOx轉(zhuǎn)化效率無明顯差異。

圖5 不同尿素品牌對各工況NOx排放影響Fig.5 Influence of AUS 32 brands on NOxemission under different test conditions

表6 不同品牌SCR效率分析Tab.6 SCR conversion efficiencies of various AUS 32 types

3.3 不同存儲溫度對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

第2組試驗為不同存儲溫度保存30,d對SCR效率的影響，使用尿素均為同一批次同一地點采購的樣品 A，分別在 30,℃恒溫箱和 20,℃試驗室中保存30,d(見圖6)。

圖6 存儲30 d每日溫度對照圖Fig.6 Temperatures in a 30,days storage period

為驗證試驗效果，額外追加了樣品 B的兩次試驗，同樣也是20,℃和30,℃分別存儲1個月，從表7可以看出，不同存放溫度對于催化效率的影響很小。樣品A為0.9%,，樣品B為0.2%,，二者變化均在1%,以內(nèi)。圖 7和圖 8分別為兩個品牌各工況測量 NOx稀釋濃度排放數(shù)據(jù)的對比，在 13個工況中，存儲溫度差異對于樣品A品牌影響較大，6個工況 30,℃存儲溫度時SCR后NOx排放要大于20,℃存儲溫度車用尿素；而樣品 B品牌兩種溫度存儲在各工況的差異很小，且存在起伏。但總體上看，在較短時間(1個月)內(nèi)，30,℃和20,℃不同的存儲溫度對SCR轉(zhuǎn)化效率影響不明顯。

圖7 樣品A存儲溫度對各工況NOx排放影響對比Fig.7 NOxemission of Sample A under different storage temperatures in different test conditions

圖8 樣品B存儲溫度對各工況NOx排放影響對比Fig.8 NOxemissions of Sample B under different storage temperatures in different test conditions

表7 不同存儲溫度SCR效率分析Tab.7 SCR conversion efficiencies at different storage temperatures

3.4 車用尿素不同存儲時間對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

表8為不同存儲時間對SCR的效率分析，從表中可以看出在常溫下存儲 30,d對于車用尿素影響很小，均在 0.5%以內(nèi)，實際應用可忽略不計，證明車用尿素可在保質(zhì)期允許范圍內(nèi)常溫存儲。圖 9和圖 10為不同存儲時間各工況 NOx排放量的對比，同樣驗證了上述結(jié)論。

表8 不同存儲時間SCR效率分析Tab.8 SCR conversion efficiencies in different storage time

圖9 樣品B存儲時間對各工況NOx排放影響對比Fig.9 NOx emission of Sample B in test conditions under different storage time

圖10 樣品A存儲時間對各工況NOx排放影響對比Fig.10 NOxemission of Sample A in test conditions under different storage time

3.5 不同加注方式對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響

第 3組試驗為不同加注方式對排放效果的驗證。表 9為使用專用加注設備和直接加注設備對SCR轉(zhuǎn)化效率的影響，分析發(fā)現(xiàn)加注設備對于轉(zhuǎn)化效率影響極小，對樣品 A轉(zhuǎn)化效率無影響。圖 11和圖 12為不同加注設備對各工況 NOx排放的影響分析，13個工況中僅有3個工況略有不同，驗證了上文中結(jié)論，專用加注設備對車用尿素影響極小。

圖11 樣品B不同加注設備對各工況NOx排放影響分析Fig.11 NOxemission of Sample B in test conditions using different filling methods

圖12 樣品A不同加注設備對各工況NOx排放影響分析Fig.12 NOxemission of Sample A in test conditions using different filling methods

表9 不同加注設備SCR效率分析Tab.9 SCR conversion efficiencies using different filling methods

4 結(jié) 論

試驗通過分析存儲及加注方式等因素對車用尿素水溶液的理化特性和對發(fā)動機SCR轉(zhuǎn)換效率的影響，得出以下結(jié)論：

①市場上隨機抽取的 4種尿素水溶液樣品雖然理化指標略有不同，但在滿足國標要求的前提下，通過對比空白試驗及各類尿素時 SCR的轉(zhuǎn)化效率，可以看出其應用于SCR系統(tǒng)時對于NOx排放控制效果明顯，轉(zhuǎn)化效率可達到 80%，采用 SCR技術(shù)是柴油車國Ⅴ排放法規(guī)達標的主流技術(shù)路線。②SCR在反應過程中，尿素噴射量是根據(jù)發(fā)動機排氣溫度及扭矩變化確定的，ESC中不同工況的尿素噴射量不同，SCR轉(zhuǎn)化效率也不同。③將尿素水溶液在不同溫度下保存會發(fā)生水解，其尿素含量隨時間會逐漸降低，溫度越高降低速度越快，但最終會達到某一平衡值。④存儲溫度差異對于某些工況會有一定影響，總體上看在較短時間(1個月內(nèi))，30,℃和20,℃對SCR轉(zhuǎn)化效率影響不明顯。存儲溫度對于車用尿素存儲影響較小，存儲時不出現(xiàn)極端天氣情況不會影響使用效果。⑤在保質(zhì)期允許范圍內(nèi)，存儲時間對車用尿素無明顯影響，常溫下存儲30,d對于車用尿素影響很小，可忽略不計。⑥使用專用加注設備對結(jié)果影響極小。

［1］ 中華人民共和國環(huán)境保護部. 中國機動車污染防治年報[Z]. 2014-01-05.

［2］ GB 29518—2013. 柴油發(fā)動機氮氧化物還原劑尿素水溶液(AUS 32)[S].

［3］ GB 17691—2005. 車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].

Effects of Storage and Filling on Vehicle-used AUS 32 and SCR Conversion Efficiency

YU Jintao1， GAO Xinlei1，ZHANG Kunfeng2
(1．China Automotive Technology and Research Center，Beijing 100176，China；2．Safety and Environmental Protection Technology Research Institute of China National Petroleum Corporation，Beijing 102206，China)

Sample A and B，two vehicle-used Aqueous Urea Solutions(AUS 32)were utilized under different storage temperatures and by different filling methods．ESC emissions tests were carried out foran engine with a SCR system to measure the system’s variation of NOxconversion efficiencies．The results show that using AUS 32 in different conditions and blank tests prove that SCR has an obvious control effect on NOx．The NOxconversion efficiency could reach 80%,．SCR technology is the mainstream technology roadmap to achieve National V emissions standard of diesel engines．The hydrolysis reaction of AUS 32 takes place at different temperatures．The higher the temperature is，the faster the decreasing rate it could be，and finally it could reach a balance value．Within one month，the influence of different storage temperatures at 30,℃and 20,℃ on SCR conversion efficiencies is not obvious．Within the warranty period，storing 30 days both at 30,℃and 20,℃ have little influence on the physical and chemical characteristics of AUS 32 and NOxconversion efficiencies．The use of specialized filling equipment has very little impact on the NOxconversion efficiency.

Aqueous Urea Solution(AUS 32)；SCR conversion efficiency；NOx

TK421

A

1006-8945(2016)01-0060-06

2015-12-06