SCR系統(tǒng)尿素水溶液消耗量的測量與應(yīng)用

禚爰紅，劉亞飛，劉 波

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶 401122）

目前，為滿足國IV以及更高的汽車尾氣排放標準，越來越多的柴油車生產(chǎn)企業(yè)和公交服務(wù)系統(tǒng)開始傾向于選擇催化還原，即SCR后處理技術(shù)路線[1-2]。北京、天津、蘇州、杭州等多個城市的公交系統(tǒng)和客運公司都開始批量采用SCR后處理凈化系統(tǒng)的柴油車輛營運。而這些配備SCR后處理系統(tǒng)的發(fā)動機，由于在機內(nèi)設(shè)計過程中對油耗進行了最大限度的優(yōu)化[3]，因此，在燃料消耗量的法規(guī)檢驗中的油耗結(jié)果較低。但是SCR系統(tǒng)需要額外消耗尿素水溶液來降低NOx排放物[4]，這增加了用戶的使用成本。因此，筆者認為，針對采用SCR后處理技術(shù)路線的柴油商用車輛，在測量其燃料消耗量時，不應(yīng)該僅考慮燃料本身的消耗量，而應(yīng)該同時檢測尿素水溶液的消耗量[5]，并在產(chǎn)品信息中加以說明。

1 檢驗過程

為進一步證明測量尿素水溶液消耗量的必要性和可行性，筆者依據(jù)GB/T 27840-2011[6]中規(guī)定的檢驗方法，在對兩輛配備SCR后處理系統(tǒng)的商用車輛進行正常的燃料消耗量檢測的同時，采用比較直觀的稱重法對尿素水溶液消耗量也進行了測量。

標準[6]規(guī)定的C-WTVC循環(huán)由三部分組成，分別模擬市區(qū)工況、公路工況和高速工況。此次檢驗將完整的C-WTVC循環(huán)的三種工況分開，分別對每種工況單獨進行檢驗，以便測得每種工況下的尿素水溶液消耗量和燃料消耗量。

1.1 檢驗條件

燃料消耗量常規(guī)檢驗所需的儀器設(shè)備有底盤測功機、油耗儀、溫度計、壓力表等；測量尿素水溶液消耗量所需儀器設(shè)備有稱重用的量程為30kg、精度為1g的電子秤和一套液體密度計。與此同時，利用SCR后處理診斷儀連接到整車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測催化器入口溫度和尿素水溶液噴射情況[7]。

選取配套SCR后處理系統(tǒng)的客車和貨車檢驗樣車各一輛。試驗開始前，先對樣車的尿素容器固定裝置進行改裝，以求能夠快速拆裝，便于稱重。

1.2 檢驗過程

1）樣車在試驗臺架上充分預(yù)熱后，拆下尿素容器。使用電子秤對其進行第一次稱重，完成后立即裝復(fù)。

2）依據(jù)標準曲線進行市區(qū)工況的燃料消耗量測試，結(jié)束后拆下尿素容器進行第二次稱重，完成后立即裝復(fù)。

3）依據(jù)標準曲線進行公路工況的燃料消耗量測試，結(jié)束后拆下尿素容器進行第三次稱重，完成后立即裝復(fù)。

4）依據(jù)標準曲線進行高速工況的燃料消耗量測試，結(jié)束后拆下尿素容器進行第四次稱重。

5）使用密度計測量尿素水溶液的密度（1.090kg/L），將稱重結(jié)果從質(zhì)量單位換算為體積單位。

1.3 注意事項

1）樣車在整個檢驗開始之前必須要充分預(yù)熱，因為冷車起動初期排溫較低，SCR不能及時滿足尿素起噴的溫度條件，這將導(dǎo)致所測量的尿素水溶液消耗量偏低。

2）拆卸尿素容器時，要從距離尿素容器最近的快裝接頭處拆開容器與樣車的連接，并盡量避免管路中的尿素水溶液外漏，帶來測量誤差。

3）裝拆過程動作幅度要盡量小，因為檢驗時間短，每次測得的尿素水溶液消耗量最低可能僅有幾十克，測量結(jié)果容易受外界影響。

1.4 工況分析

1）市區(qū)工況。市區(qū)工況持續(xù)時間長達900 s，但樣車怠速時間比例超過15%，平均車速僅為22.9km/h左右，行駛距離5.7km左右，全程平均排氣溫度較低。SCR系統(tǒng)在樣車怠速狀態(tài)和發(fā)動機排溫低于200℃的條件下不噴射尿素水溶液。期間尿素水溶液噴射量應(yīng)較少。

2）公路工況。公路工況持續(xù)時間468 s，樣車怠速時間30 s左右，平均車速43.7km/h，行駛距離5.6km左右。車速上升致使發(fā)動機排溫升高，尿素水溶液噴射量應(yīng)比市區(qū)工況明顯增加。

3）高速工況。高速工況持續(xù)時間432 s，樣車怠速時間比例僅為1.4%，全程最高車速超過85km/h，行駛距離達到9km左右。催化器入口溫度從未低于200℃，SCR系統(tǒng)全程正常噴射尿素水溶液。高速工況尿素水溶液消耗量應(yīng)最高。

2 檢驗結(jié)果及成本分析

2.1 檢驗結(jié)果

依據(jù)瞬態(tài)測試數(shù)據(jù)，計算出以上三種工況下樣車催化器入口平均溫度和燃料消耗量，再根據(jù)幾次稱重得到的結(jié)果，整理出該三種工況下的尿素水溶液消耗量?？蛙嚇榆嚨慕y(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 客車樣車檢驗結(jié)果

通過向SCR系統(tǒng)廠家了解，尿素水溶液噴射量的控制受催化器前端溫度影響最大，而排氣溫度與車輛運行的工況有著緊密的聯(lián)系。按照SCR尿素水溶液噴射的常規(guī)控制策略，車輛在怠速狀態(tài)或者當(dāng)催化器入口溫度低于200℃的情況下，由于轉(zhuǎn)化效率非常低，系統(tǒng)是完全不噴射尿素的[8]；當(dāng)溫度在200℃～350℃之間時，尿素水溶液噴射量也是隨著溫度的升高而逐步增加[9]。從表1中可以看出，市區(qū)工況測得的尿素水溶液消耗量較少；公路工況測得的尿素水溶液消耗量明顯上升；高速工況測得的尿素水溶液消耗量占燃料消耗量的比例最高。

為了進一步了解尿素水溶液消耗量的情況，按照相同的檢驗方法，對另一輛配備SCR后處理系統(tǒng)的貨車進行檢驗，測得結(jié)果與客車樣車相近。具體如表2所示。

表2 貨車樣車檢驗結(jié)果

表1和表2的試驗結(jié)果顯示，在相同工況下，兩輛樣車的尿素水溶液消耗量與燃料消耗量比例相近。表面上似乎有相對穩(wěn)定的比例關(guān)系，但究竟怎樣，還需要進行大量的試驗才能得出結(jié)論。

2.2 尿素水溶液消耗量使用成本

依據(jù)上述公式，分別計算兩輛樣車的燃料綜合消耗量和尿素水溶液綜合消耗量，具體如表3所示。

表3 綜合尿素水溶液消耗量與綜合燃料消耗量結(jié)果

通過市場了解，專門用于SCR后處理系統(tǒng)的濃度為32.5%的尿素水溶液，國內(nèi)產(chǎn)品市場價格在10元/L左右，而進口的價格高達20元/L，甚至更高。由于這種專用尿素水溶液的生產(chǎn)以及銷售渠道，遠遠沒有達到普通燃料的供應(yīng)能力，大部分使用單位都只能采用遠程運輸、大量倉儲的方法貯存。很多用戶反映，使用1 L尿素水溶液的總成本比購買1 L 0#柴油的花費更高。依據(jù)上述檢驗得到的尿素水溶液消耗比例以及尿素的市場價格判斷，尿素使用成本與燃料使用成本的比例可能超過8%。

另外，筆者認為，采用SCR路線車輛的燃料消耗量合格判定，應(yīng)該考慮尿素水溶液消耗量的影響。依據(jù)尿素水溶液和0#柴油目前的市場價格關(guān)系，假定尿素水溶液消耗量與燃料消耗量的容積結(jié)果當(dāng)量比為1:1，將上述檢驗測得的尿素水溶液消耗量與燃料消耗量直接相加，分別得到兩輛樣車的尿素水溶液與燃料的總體消耗量，筆者稱其為燃料當(dāng)量消耗量（L/100km），如表4所示。

表4 尿素水溶液與燃料的總體消耗量

上述的兩輛樣車，其單純的燃料消耗量結(jié)果能夠滿足標準限值的要求，但是如果用增加尿素水溶液以后的燃料當(dāng)量消耗量與燃料消耗量限值比較，貨車樣車的綜合結(jié)果剛剛滿足限值要求，而客車樣車的綜合結(jié)果已經(jīng)超出限值的要求了。

采用SCR系統(tǒng)的車輛，尿素水溶液消耗量將不可避免地增加用戶的使用成本，而且國外SCR技術(shù)路線的研發(fā)者們，在宣傳該路線的節(jié)油效果時，都是將理論上需要的尿素消耗成本考慮其中的[10]。因此，筆者建議，針對配備SCR系統(tǒng)的重型柴油車，在進行燃料消耗量檢驗時，同時檢測尿素水溶液消耗量，并以適當(dāng)?shù)姆椒▽⒛蛩叵牧空鬯愠扇剂舷牧康玫骄C合消耗結(jié)果，或者另外增加尿素水溶液消耗量限值，從而更直觀地體現(xiàn)SCR系統(tǒng)的節(jié)油性能。

3 結(jié) 論

1）采用SCR后處理技術(shù)路線的重型柴油車，在進行燃料消耗量檢驗時，應(yīng)該同時檢驗?zāi)蛩厮芤旱南牧浚⒁赃m當(dāng)方式體現(xiàn)出來。

2）相同的運行工況下，尿素水溶液消耗量與燃料消耗量似乎有相對穩(wěn)定的體積比例關(guān)系，建議進行大量試驗驗證。

[1]QC/T 924-2011，重型商用車輛燃料消耗量限值（第一階段）[S].北京：中國計劃出版社，2012.

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[5]趙鵬.SCR技術(shù)在柴油發(fā)動機排放控制中的應(yīng)用[C].中國汽車工程學(xué)會燃料與潤滑油分會第15屆年會論文集，2012.

[6]GB/T 27840-2011，重型商用車輛燃料消耗量測量方法[S].北京：中國標準出版社，2011.

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