SCR系統(tǒng)對公交車NOX排放降低效果的研究

郭佳棟，葛蘊珊，郝利君，譚建偉，彭子航，張傳楨

(1.北京理工大學汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實驗室，北京 100081; 2.中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心, 濟南 250002)

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2015209

SCR系統(tǒng)對公交車NOX排放降低效果的研究

郭佳棟1,2，葛蘊珊1，郝利君1，譚建偉1，彭子航1，張傳楨1

(1.北京理工大學汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實驗室，北京 100081; 2.中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心, 濟南 250002)

使用便攜排放測試系統(tǒng)測試了3輛帶有SCR系統(tǒng)的公交車在實際運行條件下的NOX排放，對比噴射和不噴射尿素兩種情況下的NOX排放因子，計算了SCR系統(tǒng)對NOX的降低率。結(jié)果表明：國Ⅳ柴油車由于其排氣溫度低，催化劑體積小，SCR系統(tǒng)對NOX的降低率最低，只當車速高于30 km/h以后才能逐步顯現(xiàn)出催化效果，NOX平均降低率只有10%；國Ⅴ天然氣車SCR系統(tǒng)對NOX的降低率最高，它在低速時排氣溫度就很高，且NOX排放中NO2的比例較高，使其SCR系統(tǒng)對NOX的降低率基本上不隨車速而變化，NOX平均降低率達85%；國V柴油車介乎兩者之間，使其SCR系統(tǒng)對NOX的降低率約為70%。至于NOX+HC排放，則是國V柴油車最低，國IV柴油車最高，國V天然氣車由于其甲烷的排放量很高，使其NOX+HC排放接近而稍低于國Ⅳ柴油車。

柴油機；SCR系統(tǒng)；天然氣；NOX排放；實際道路測試

前言

柴油機因為其經(jīng)濟性好、轉(zhuǎn)矩大、可靠耐用等優(yōu)點被普遍用作重型車的動力。同時，柴油車的排放也越來越受到研究人員的關注。這一方面是由于柴油車本身壓縮著火、擴散燃燒、總體稀燃等特點使顆粒物(PM)和氮氧化物(NOX)排放較高。另一方面，以汽油機為主要動力的輕型車，其尾氣排放經(jīng)過較長階段的控制已經(jīng)有了很大程度的降低，這就更突出了重型車在機動車尾氣排放中的重要性。

由于柴油機NOX和PM排放存在此消彼長的關系，故單靠機內(nèi)凈化措施已經(jīng)很難達到國IV以上的排放標準，使用先進的后處理技術(shù)來配合機內(nèi)凈化成為柴油機減排的必要手段。總體上，柴油機的減排有兩條技術(shù)路線：一種是通過推遲噴油、使用廢氣再循環(huán)(EGR)等在機內(nèi)減少NOX排放，同時在機外使用氧化催化器(DOC)、顆粒捕集器(DPF)等后處理系統(tǒng)降低PM微粒排放；另一種是利用噴油提前、優(yōu)化燃燒等方式在機內(nèi)降低PM排放，同時在機外使用選擇性催化轉(zhuǎn)化(SCR)等后處理器降低NOX排放。

為使DPF更有效、可靠地再生，一般在DPF或者在DPF前置的DOC中大都含有催化成分[1]。這些成分中的重金屬組分會使燃油中的硫組分轉(zhuǎn)化成硫酸和硫酸鹽的比例大大增加。比如，研究表明，當硫質(zhì)量分數(shù)超過300×10-6時，使用連續(xù)再生過濾系統(tǒng)(CRTTM)的柴油機PM排放就會高于歐III限值；當硫質(zhì)量分數(shù)超過50×10-6時，PM排放就會超過歐IV限值[2]。因此，鑒于中國柴油高含硫量的現(xiàn)狀，第一種技術(shù)路線的實施遇到了較大的困難。相比而言，SCR系統(tǒng)對柴油硫含量的敏感程度較低，并且使用SCR技術(shù)路線的柴油機經(jīng)濟性較好，因此SCR系統(tǒng)在國內(nèi)的柴油機上得到了大規(guī)模的使用。同時，作為柴油機的重要替代者，稀薄燃燒的天然氣發(fā)動機除了可以使用氧化催化轉(zhuǎn)化器來降低一氧化碳(CO)和總碳氫化合物(THC)排放,也可以同時使用SCR系統(tǒng)來降低NOX排放。

目前，北京市對市區(qū)內(nèi)重型車的使用有較為嚴格的限制，公交車是市內(nèi)主要的重型車，并且其尾氣排放直接影響乘客和市民的健康，因此降低公交車排放有著重要的意義。本研究旨在通過使用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)，測量使用SCR系統(tǒng)的公交車在實際道路上的NOX排放，同時評估SCR系統(tǒng)對NOX的降低效果。

1 實驗方案

1.1 測試車輛與路線

本研究共進行了3輛公交車的測試，分別為國IV柴油車、國V柴油車和國V天然氣車各1輛，實驗車輛的狀況見表1。3輛車都帶有SCR系統(tǒng)，為了降低CO和THC排放，天然氣公交車在SCR系統(tǒng)前還裝有氧化催化器。測試都在其運行線路上進行，車輛按照日常運行進行?？空?。

表1 測試車輛的狀況

1.2 實驗設備

本研究的主要測試設備為一臺SEMTECH-DS便攜式尾氣分析儀。該儀器使用不分光紫外分析儀(non-dispersive ultraviolet, NDUV)來測試NO和NO2的體積濃度，使用不分光紅外分析儀(non-dispersive infrared, NDIR)來測試CO2和CO的體積濃度，使用加熱型氫火焰離子化分析儀(heated flame ionization detector)來測試THC的體積濃度，使用集成的尾氣流量計(exhaust flow meter)來測試排氣體積流量，同時流量計上的熱電偶可以測試排氣溫度。分析儀上還帶有GPS接收器和溫濕度傳感器，分別用來測試車速和大氣溫度、濕度、壓力等。每次測試前，用氮氣對儀器進行標零，并用量距氣對儀器進行標定。該設備主要模塊的測試范圍、精度等參數(shù)以及量距氣濃度見表2。

表2 尾氣分析儀的主要參數(shù)

一臺雅馬哈EF5500發(fā)電機被用來為測試設備供電。另外，車輛中加裝了1 000kg的負載，整套儀器設備和負載的總質(zhì)量在2 500kg左右，以模擬公交車的平均載荷(30～50人)。

1.3 對SCR系統(tǒng)催化效果的評估

為了評估SCR系統(tǒng)對NOX的降低效果，對于帶有SCR系統(tǒng)的公交車，首先在SCR系統(tǒng)正常工作，也就是尿素噴射時進行一個往返行程的排放測試；然后，通過改變噴射命令將尿素的噴射量變?yōu)榱悖又龠M行一個往返行程的測試。通過對比兩個行程中NOX排放的不同以評估SCR系統(tǒng)在車輛實際運行條件下的效果。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 基于油耗的排放因子

使用污染物的濃度值X(10-6或%)，標況下的體積流量V(L/s)和密度值ρ(g/L)可以按照式(1)計算污染物i的瞬時排放速率ER(g/s)。

ER(i)=X(i)×V×ρ(i)

(1)

使用污染物的瞬時排放速率ER(g/s)和車速v(km/h)，可以按照式(2)計算污染物i基于里程的排放因子EFt(g/km)：

(2)

基于里程的排放因子EFt(g/km)是常用的污染物評價指標，但是它受車速和負荷的影響很大。研究表明，基于油耗的排放因子受車速、負荷和車輛自身參數(shù)的影響較小[3]。因此，針對實際道路上車速變化大和實驗車輛質(zhì)量不完全一致的情況，本研究主要使用基于油耗的排放因子EFf(g/kg)，計算公式為

(3)

式中：油耗FR(kg/s)根據(jù)碳平衡法算出。

FR=

(4) 式中：ωcarbon為燃料中碳的質(zhì)量分數(shù)，假定柴油的碳氫比為CH1.85，天然氣的碳氫比為CH4[4]，則對于柴油，ωcarbon=0.866，對于天然氣，ωcarbon=0.75。

2.2 SCR系統(tǒng)對NOX的降低效果

將公交車噴射尿素時相對于不噴射尿素時NOX排放的減少比例降低率定義為SCR系統(tǒng)對NOX的降低率RE(SCR)，即

(5)

式中：EFfa(NOX)和EFfb(NOX)分別為尿素噴射和不噴射兩種情況下公交車基于油耗的NOX排放因子。

3 實驗結(jié)果

3.1 平均排放因子

3種車的平均車速和排放因子見表3。從該表中可以看出，正常噴射尿素時，國V天然氣車的NOX排放最低，國V柴油車的NOX排放高于天然氣車。國IV柴油車的NOX排放最高。而停止噴射尿素后，3輛車的NOX排放有了不同程度的增加。從整體來說，國IV柴油車、國V柴油車及國V天然氣公交車SCR系統(tǒng)對NOX的平均降低率分別為9.73%，71.66%和84.90%。

3.2 不同速度下SCR系統(tǒng)對NOX的降低效果

圖1為不同車速下SCR系統(tǒng)對NOX的降低率。由圖可見，國IV柴油車SCR的降低率明顯低于其他兩輛車，特別是在低速時降低率為負值，說明此時噴射尿素后NOX排放沒有下降，只有當車速上升到30 km/h以后，SCR系統(tǒng)才能發(fā)揮出作用。國V柴油車SCR對NOX的降低率隨著車速的增加逐漸提高，由低速時的低于60%上升到高速時的大于80%。而天然氣車SCR對NOX的降低率在低速時就在90%以上， 隨著車速的增加， 降低率略有下降，在30 km/h以后效率趨于穩(wěn)定，維持在85%～90%之間。3輛車的SCR系統(tǒng)對NO2的降低率均高于其對NOX的降低率。造成3輛車SCR系統(tǒng)的效果不同的原因如下。

表3 測試車輛的NOX平均排放因子

(1)排氣溫度的影響

較高的排氣溫度是尿素水解的必要條件，也是決定SCR催化效果的重要因素[5-6]。研究表明，不同排氣溫度下，尿素的噴射比例(噴射尿素的時間占該條件下的總時間)近似于排氣溫度的階梯函數(shù)[7]，在小于臨界噴射溫度時，尿素噴射比例為零，大于該溫度時，噴射比例接近于100%。因此，隨著車速的增加和排氣溫度的提高，尿素噴射比例逐漸增加[7]。所以較高的排氣溫度對降低NOX排放至關重要。如圖2所示，3種車的排氣溫度隨著車速的增加都有不同程度的上升，該排氣溫度從流量計處得到，比催化劑處的排氣溫度稍低。

由于天然氣發(fā)動機的空燃比小于柴油機，并且燃燒速度較慢，后燃較多，其排氣溫度高于柴油機，在低速時就接近柴油機高速時的排氣溫度。相反，國IV柴油車的排氣溫度很低，在30 km/h以后才達到200℃以上，因此在速度很低時，正常噴射尿素后NOX基本上不降低(圖1)。國V柴油車的排氣溫度介于以上兩者之間。

國V柴油車的排氣溫度明顯高于國IV柴油車，這可能是廠家針對柴油車低速時排氣溫度和SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效果偏低的問題，通過推遲噴射或者排氣節(jié)流等方式提高國V柴油車的排氣溫度，以使其在低速時的NOX排放得到降低。從理論上來說，國V柴油機通過進一步增大噴射壓力、優(yōu)化燃燒等方式，燃油消耗率應該比國IV柴油機略有降低或者相差不大[8]。但是上述提高排氣溫度的措施會使國V柴油車犧牲一部分經(jīng)濟性。如圖3所示，在車速較低時，由于上述措施的使用，國V柴油車的油耗明顯高于國IV柴油車，而在車速大于40 km/h以后，排氣溫度上升，該措施的使用頻率逐漸降低，國V柴油車的油耗有所下降，兩者的油耗差距不大。不過，較少的高速數(shù)據(jù)點、車輛傳動系統(tǒng)以及運行工況的差異性可能會給油耗數(shù)據(jù)的對比造成一定誤差。

(2)NO2的影響

在SCR的各種反應中，有NO2參與的快速SCR反應(見式(6))比只有NO參與的標準SCR反應(見式(7))的速率要快很多[9]。因此在SCR系統(tǒng)中，NO2比NO更容易被NH3還原，這可以解釋圖1中SCR系統(tǒng)對NO2的降低率高于其對NOX的降低率。

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O

(6)

2NH3+NO+NO2=2N2+3H2O

(7)

同時，快速SCR反應使NO和NO2以1∶1的比例進行反應，因此NO2的存在使NO的反應速率也得到了提高。所以，天然氣公交車由于DOC的存在而產(chǎn)生較多的NO2也是其SCR系統(tǒng)對NOX較高降低率的重要原因。不過，隨著車速的增加，柴油車中NO2占NOX的比例變化不大，而天然氣公交車原機排放的NO2的比例在0-30 km/h范圍內(nèi)隨著車速的增加逐漸下降(圖4)，這主要是因為隨著車速的增加，排氣溫度逐漸上升，在DOC中NO被氧化為NO2的反應速率逐漸增加，但是隨著溫度升高該放熱反應在達到化學平衡時NO2占NOX的比例逐漸下降，因此在反應溫度超過350℃后，NO2的轉(zhuǎn)化率逐漸下降[10]。因此，隨著NO2比例的降低，天然氣SCR對NOX的降低率在該范圍內(nèi)略有下降(圖1)。

與還原劑反應后，NOX中NO2的比例有了明顯下降(圖4)。但是，天然氣的NOX排放中仍有很大比例的NO2，考慮到NO2對環(huán)境和人類健康的影響比NO更大[11]，天然氣公交車的NO2排放須要引起重視。

此外，柴油車的SCR催化劑為釩基，而天然氣車的SCR催化劑為Cu-Fe分子篩，不同催化劑的特性也會導致SCR催化效果不同[12]。3輛公交車不同的行駛里程也會導致催化劑活性有區(qū)別。

3.3 不同速度下公交車的實際NOX排放

圖5為不同車速下實驗車輛的NOX排放。由圖可見，在3種車當中，國IV柴油車由于排氣溫度低，其SCR系統(tǒng)對NOX的降低率最低，在30km/h以后才逐漸體現(xiàn)出催化效果，因此在實際運行條件下，國IV柴油車的NOX排放最高，并且在車速較高時才有所降低(圖5)；國V柴油車的排氣溫度較高，對NOX的降低率高于國IV柴油機，隨著車速增加NOX排放逐漸降低，在高速時與天然氣公交車相差不大；天然氣公交車的排氣溫度最高，同時NOX中較高的NO2比例有利于增加反應速率，這些使得其SCR系統(tǒng)對NOX的降低率最高，其NOX排放在低速時很低，隨著車速增加NOX排放略有上升。

總之，排氣溫度是制約柴油車SCR系統(tǒng)催化效果的關鍵因素，SCR系統(tǒng)對NOX的降低率隨著車速和排溫的增加而逐漸提高。因此,通過技術(shù)手段提高柴油車低速時的排氣溫度是改善其SCR系統(tǒng)對NOX降低效果的重要手段。而天然氣公交車的排氣溫度在車速較低時就已經(jīng)很高，此時其NOX排放很低，特別適合應用于城市道路。

3.4 3種公交車的NOX+HC排放

圖6為3種公交車的NOX+HC排放因子。由圖可見，雖然天然氣公交車的NOX排放低于柴油車，但是其NOX+HC排放與國IV柴油車相差不大，并且高于國V柴油車。研究表明[13]，天然氣發(fā)動機的HC排放中大約有10%為非甲烷碳氫化合物(NMHC)，剩下90%為無臭氧活性的甲烷(CH4)；而柴油機的HC排放幾乎全部是非甲烷碳氫化合物。按照這個比例，天然氣公交車的尾氣排放中，對光化學煙霧的形成有較大貢獻的NOX+NMHC排放低于柴油車；但是其甲烷排放非常高，這點會增加天然氣公交車尾氣的溫室效應。

4 結(jié)論

(1)通過對比噴射尿素和不噴射尿素兩種情況下的NOX排放，計算出3種公交車SCR系統(tǒng)對NOX的降低率。國V天然氣車SCR系統(tǒng)的降低率最高，國V柴油車次之，國IV柴油車最低。

(2) 柴油車由于排氣溫度的限制，在低速時SCR系統(tǒng)對NOX的降低率較低，隨著車速增高，降低率逐漸上升。天然氣車由于排氣溫度較高，車速較低時SCR系統(tǒng)對NOX的降低率就很高。

(3)由于DOC的存在，天然氣車NOX排放中NO2的比例很高，這使快速SCR反應增加，提高了反應速度和SCR系統(tǒng)的催化效果。但是，經(jīng)過反應以后，天然氣公交車尾氣中的NO2比例依然高于柴油車，須要引起注意。

(4)由于SCR系統(tǒng)對NOX降低率的不同，在實際道路下，國IV、國V柴油車以及天然氣車的NOX排放有很大不同。國V柴油車的NOX排放隨著車速增加而逐漸降低，而國IV柴油車的NOX排放在30 km/h以后才逐漸下降。天然氣車在車速較低時NOX排放就很低，而隨著車速增加，NOX排放不再降低。

(5)雖然天然氣公交車的NOX排放較低，但是其NOX+HC排放與國IV柴油車相差不大，并且高于國V柴油車。另外天然氣公交車的甲烷排放值得引起關注。

[1] Kittelson D B, Watts W F, Johnson J P, et al. On-road Evaluation of Two Diesel Exhaust Aftertreatment Devices[J]. Journal of Aerosol Science, 2006,37(9):1140-1151.

[2] Van Setten B A, Makkee M, Moulijn J A. Science and Technology of Catalytic Diesel Particulate Filters[J]. Catalysis Reviews: Science and Engineering,2001,43(4):489-564.

[3] Singer B C, Harley R A. A Fuel Based Motor Vehicle Emission Inventory[J]. Journal of theAir & Waste Management Association,1996,46(6):481-493.

[4] 國家環(huán)境保護總局,國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 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].北京：中國環(huán)境出版社,2005.

[5] 徐月云,李晶華,李孟良,等.國IV城市公交車NOX排放特性的實驗研究[J].汽車工程,2011,33(11):947-950.

[6] Zheng G, Fila A, Kotrba A, et al. Investigation of Urea Deposits in Urea SCR Systems for Medium and Heavy Duty Trucks[C]. SAE Paper 2010-01-1941.

[7] 郭佳棟,葛蘊珊,譚建偉,等.國IV公交車實際道路排放特征[J].環(huán)境科學研究,2014,27(5)：477-483.

[8] 張亮. 噴射參數(shù)對共軌柴油機燃燒、排放的影響及其優(yōu)化[D].長春：吉林大學,2008.

[9] Koebel M, Elsener M, Kleemann M. Urea-SCR: A Promising Technique to Reduce NOXEmissions from Automotive Diesel Engines[J]. Catalysis today, 2000,59(3-4):335-345.

[10] 帥石金,唐韜,趙彥光,等.柴油車排放法規(guī)及后處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].汽車安全與節(jié)能學報,2012,3(3):200-217.

[11] Carslaw D C. Evidence of an Increasing NO2/NOXEmissions Ratio from Road Traffic Emissions[J]. Atmospheric Environment,2005,39(26):4793-4802.

[12] Metkar P S, Harold M P, Balakotaiah V. Selective Catalytic Reduction of NOXon Combined Fe- and Cu-zeolite Monolithic Catalysts: Sequential and Dual Layer Configurations[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2012,111(12):67-80.

[13] Clark N N, Gadapati C J, Kelly K, et al. Comparative Emissions from Natural Gas and Diesel Buses[C]. SAE Paper 952746.

A Research on the NOXReduction Effects of SCR Systems in City Buses

Guo Jiadong1,2, Ge Yunshan1,Hao Lijun1, Tan Jianwei1, Peng Zihang1& Zhang Chuanzhen1

1.NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081;2.TechnicalDevelopmentCenter,SinotrukLtd.,Jinan250002

NOXemissions from three buses with SCR systems are measured by using portable emission measurement system in real-world conditions, the NOXemission factors in both conditions (with and without urea injection) are compared and their NOXreduction rates of SCR systems are calculated. The results show that the State-IV diesel bus has the lowest NOx reduction rate of SCR system due to its low exhaust temperature and less volume of catalyst, whose effects gradually become apparent only when vehicle speed is higher than 30km/h, with an average NOXreduction rate of only 10 %; the State-V CNG bus has the highest NOXreduction rate due to its high exhaust temperature even at low speed and higher proportion of NO2in NOXemission, and its NOXreduction rate basically does not change with vehicle speed, resulting in an average NOXreduction rate of 85%; while the NOXreduction rate of State-V diesel bus is in-between with an average NOXreduction rate of around 70%. As for the emission of NOX+ HC, the lowest is the State-V diesel bus, the highest is the State-IV diesel bus, while the NOX+ HC emission of State-V CNG bus, due to its high emission of methane, is close to but slightly lower than that of State-IV diesel bus.

diesel engine; SCR system; natural gas; NOXemission; real road test

*國家自然科學基金(51276021)資助。

原稿收到日期為2014年4月2日，修改稿收到日期為2014年6月26日。