SCR系统对公交车NOX排放降低效果的研究

郭佳栋，葛蕴珊，郝利君，谭建伟，彭子航，张传桢

(1.北京理工大学汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081; 2.中国重汽集团技术发展中心, 济南 250002)



2015209

SCR系统对公交车NOX排放降低效果的研究

郭佳栋1,2，葛蕴珊1，郝利君1，谭建伟1，彭子航1，张传桢1

(1.北京理工大学汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081; 2.中国重汽集团技术发展中心, 济南 250002)

使用便携排放测试系统测试了3辆带有SCR系统的公交车在实际运行条件下的NOX排放，对比喷射和不喷射尿素两种情况下的NOX排放因子，计算了SCR系统对NOX的降低率。结果表明：国Ⅳ柴油车由于其排气温度低，催化剂体积小，SCR系统对NOX的降低率最低，只当车速高于30 km/h以后才能逐步显现出催化效果，NOX平均降低率只有10%；国Ⅴ天然气车SCR系统对NOX的降低率最高，它在低速时排气温度就很高，且NOX排放中NO2的比例较高，使其SCR系统对NOX的降低率基本上不随车速而变化，NOX平均降低率达85%；国V柴油车介乎两者之间，使其SCR系统对NOX的降低率约为70%。至于NOX+HC排放，则是国V柴油车最低，国IV柴油车最高，国V天然气车由于其甲烷的排放量很高，使其NOX+HC排放接近而稍低于国Ⅳ柴油车。

柴油机；SCR系统；天然气；NOX排放；实际道路测试

前言

柴油机因为其经济性好、转矩大、可靠耐用等优点被普遍用作重型车的动力。同时，柴油车的排放也越来越受到研究人员的关注。这一方面是由于柴油车本身压缩着火、扩散燃烧、总体稀燃等特点使颗粒物(PM)和氮氧化物(NOX)排放较高。另一方面，以汽油机为主要动力的轻型车，其尾气排放经过较长阶段的控制已经有了很大程度的降低，这就更突出了重型车在机动车尾气排放中的重要性。

由于柴油机NOX和PM排放存在此消彼长的关系，故单靠机内净化措施已经很难达到国IV以上的排放标准，使用先进的后处理技术来配合机内净化成为柴油机减排的必要手段。总体上，柴油机的减排有两条技术路线：一种是通过推迟喷油、使用废气再循环(EGR)等在机内减少NOX排放，同时在机外使用氧化催化器(DOC)、颗粒捕集器(DPF)等后处理系统降低PM微粒排放；另一种是利用喷油提前、优化燃烧等方式在机内降低PM排放，同时在机外使用选择性催化转化(SCR)等后处理器降低NOX排放。

为使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]。这些成分中的重金属组分会使燃油中的硫组分转化成硫酸和硫酸盐的比例大大增加。比如，研究表明，当硫质量分数超过300×10-6时，使用连续再生过滤系统(CRTTM)的柴油机PM排放就会高于欧III限值；当硫质量分数超过50×10-6时，PM排放就会超过欧IV限值[2]。因此，鉴于中国柴油高含硫量的现状，第一种技术路线的实施遇到了较大的困难。相比而言，SCR系统对柴油硫含量的敏感程度较低，并且使用SCR技术路线的柴油机经济性较好，因此SCR系统在国内的柴油机上得到了大规模的使用。同时，作为柴油机的重要替代者，稀薄燃烧的天然气发动机除了可以使用氧化催化转化器来降低一氧化碳(CO)和总碳氢化合物(THC)排放,也可以同时使用SCR系统来降低NOX排放。

目前，北京市对市区内重型车的使用有较为严格的限制，公交车是市内主要的重型车，并且其尾气排放直接影响乘客和市民的健康，因此降低公交车排放有着重要的意义。本研究旨在通过使用便携式排放测试系统(PEMS)，测量使用SCR系统的公交车在实际道路上的NOX排放，同时评估SCR系统对NOX的降低效果。

1 实验方案

1.1 测试车辆与路线

本研究共进行了3辆公交车的测试，分别为国IV柴油车、国V柴油车和国V天然气车各1辆，实验车辆的状况见表1。3辆车都带有SCR系统，为了降低CO和THC排放，天然气公交车在SCR系统前还装有氧化催化器。测试都在其运行线路上进行，车辆按照日常运行进行停靠站。

表1 测试车辆的状况

1.2 实验设备

本研究的主要测试设备为一台SEMTECH-DS便携式尾气分析仪。该仪器使用不分光紫外分析仪(non-dispersive ultraviolet, NDUV)来测试NO和NO2的体积浓度，使用不分光红外分析仪(non-dispersive infrared, NDIR)来测试CO2和CO的体积浓度，使用加热型氢火焰离子化分析仪(heated flame ionization detector)来测试THC的体积浓度，使用集成的尾气流量计(exhaust flow meter)来测试排气体积流量，同时流量计上的热电偶可以测试排气温度。分析仪上还带有GPS接收器和温湿度传感器，分别用来测试车速和大气温度、湿度、压力等。每次测试前，用氮气对仪器进行标零，并用量距气对仪器进行标定。该设备主要模块的测试范围、精度等参数以及量距气浓度见表2。

表2 尾气分析仪的主要参数

一台雅马哈EF5500发电机被用来为测试设备供电。另外，车辆中加装了1 000kg的负载，整套仪器设备和负载的总质量在2 500kg左右，以模拟公交车的平均载荷(30～50人)。

1.3 对SCR系统催化效果的评估

为了评估SCR系统对NOX的降低效果，对于带有SCR系统的公交车，首先在SCR系统正常工作，也就是尿素喷射时进行一个往返行程的排放测试；然后，通过改变喷射命令将尿素的喷射量变为零，接着再进行一个往返行程的测试。通过对比两个行程中NOX排放的不同以评估SCR系统在车辆实际运行条件下的效果。

2 数据处理

2.1 基于油耗的排放因子

使用污染物的浓度值X(10-6或%)，标况下的体积流量V(L/s)和密度值ρ(g/L)可以按照式(1)计算污染物i的瞬时排放速率ER(g/s)。

ER(i)=X(i)×V×ρ(i)

(1)

使用污染物的瞬时排放速率ER(g/s)和车速v(km/h)，可以按照式(2)计算污染物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)是常用的污染物评价指标，但是它受车速和负荷的影响很大。研究表明，基于油耗的排放因子受车速、负荷和车辆自身参数的影响较小[3]。因此，针对实际道路上车速变化大和实验车辆质量不完全一致的情况，本研究主要使用基于油耗的排放因子EFf(g/kg)，计算公式为

(3)

式中：油耗FR(kg/s)根据碳平衡法算出。

FR=

(4) 式中：ωcarbon为燃料中碳的质量分数，假定柴油的碳氢比为CH1.85，天然气的碳氢比为CH4[4]，则对于柴油，ωcarbon=0.866，对于天然气，ωcarbon=0.75。

2.2 SCR系统对NOX的降低效果

将公交车喷射尿素时相对于不喷射尿素时NOX排放的减少比例降低率定义为SCR系统对NOX的降低率RE(SCR)，即

(5)

式中：EFfa(NOX)和EFfb(NOX)分别为尿素喷射和不喷射两种情况下公交车基于油耗的NOX排放因子。

3 实验结果

3.1 平均排放因子

3种车的平均车速和排放因子见表3。从该表中可以看出，正常喷射尿素时，国V天然气车的NOX排放最低，国V柴油车的NOX排放高于天然气车。国IV柴油车的NOX排放最高。而停止喷射尿素后，3辆车的NOX排放有了不同程度的增加。从整体来说，国IV柴油车、国V柴油车及国V天然气公交车SCR系统对NOX的平均降低率分别为9.73%，71.66%和84.90%。

3.2 不同速度下SCR系统对NOX的降低效果

图1为不同车速下SCR系统对NOX的降低率。由图可见，国IV柴油车SCR的降低率明显低于其他两辆车，特别是在低速时降低率为负值，说明此时喷射尿素后NOX排放没有下降，只有当车速上升到30 km/h以后，SCR系统才能发挥出作用。国V柴油车SCR对NOX的降低率随着车速的增加逐渐提高，由低速时的低于60%上升到高速时的大于80%。而天然气车SCR对NOX的降低率在低速时就在90%以上， 随着车速的增加， 降低率略有下降，在30 km/h以后效率趋于稳定，维持在85%～90%之间。3辆车的SCR系统对NO2的降低率均高于其对NOX的降低率。造成3辆车SCR系统的效果不同的原因如下。

表3 测试车辆的NOX平均排放因子

(1)排气温度的影响

较高的排气温度是尿素水解的必要条件，也是决定SCR催化效果的重要因素[5-6]。研究表明，不同排气温度下，尿素的喷射比例(喷射尿素的时间占该条件下的总时间)近似于排气温度的阶梯函数[7]，在小于临界喷射温度时，尿素喷射比例为零，大于该温度时，喷射比例接近于100%。因此，随着车速的增加和排气温度的提高，尿素喷射比例逐渐增加[7]。所以较高的排气温度对降低NOX排放至关重要。如图2所示，3种车的排气温度随着车速的增加都有不同程度的上升，该排气温度从流量计处得到，比催化剂处的排气温度稍低。

由于天然气发动机的空燃比小于柴油机，并且燃烧速度较慢，后燃较多，其排气温度高于柴油机，在低速时就接近柴油机高速时的排气温度。相反，国IV柴油车的排气温度很低，在30 km/h以后才达到200℃以上，因此在速度很低时，正常喷射尿素后NOX基本上不降低(图1)。国V柴油车的排气温度介于以上两者之间。

国V柴油车的排气温度明显高于国IV柴油车，这可能是厂家针对柴油车低速时排气温度和SCR系统转化效果偏低的问题，通过推迟喷射或者排气节流等方式提高国V柴油车的排气温度，以使其在低速时的NOX排放得到降低。从理论上来说，国V柴油机通过进一步增大喷射压力、优化燃烧等方式，燃油消耗率应该比国IV柴油机略有降低或者相差不大[8]。但是上述提高排气温度的措施会使国V柴油车牺牲一部分经济性。如图3所示，在车速较低时，由于上述措施的使用，国V柴油车的油耗明显高于国IV柴油车，而在车速大于40 km/h以后，排气温度上升，该措施的使用频率逐渐降低，国V柴油车的油耗有所下降，两者的油耗差距不大。不过，较少的高速数据点、车辆传动系统以及运行工况的差异性可能会给油耗数据的对比造成一定误差。

(2)NO2的影响

在SCR的各种反应中，有NO2参与的快速SCR反应(见式(6))比只有NO参与的标准SCR反应(见式(7))的速率要快很多[9]。因此在SCR系统中，NO2比NO更容易被NH3还原，这可以解释图1中SCR系统对NO2的降低率高于其对NOX的降低率。

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

(6)

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

(7)

同时，快速SCR反应使NO和NO2以1∶1的比例进行反应，因此NO2的存在使NO的反应速率也得到了提高。所以，天然气公交车由于DOC的存在而产生较多的NO2也是其SCR系统对NOX较高降低率的重要原因。不过，随着车速的增加，柴油车中NO2占NOX的比例变化不大，而天然气公交车原机排放的NO2的比例在0-30 km/h范围内随着车速的增加逐渐下降(图4)，这主要是因为随着车速的增加，排气温度逐渐上升，在DOC中NO被氧化为NO2的反应速率逐渐增加，但是随着温度升高该放热反应在达到化学平衡时NO2占NOX的比例逐渐下降，因此在反应温度超过350℃后，NO2的转化率逐渐下降[10]。因此，随着NO2比例的降低，天然气SCR对NOX的降低率在该范围内略有下降(图1)。

与还原剂反应后，NOX中NO2的比例有了明显下降(图4)。但是，天然气的NOX排放中仍有很大比例的NO2，考虑到NO2对环境和人类健康的影响比NO更大[11]，天然气公交车的NO2排放须要引起重视。

此外，柴油车的SCR催化剂为钒基，而天然气车的SCR催化剂为Cu-Fe分子筛，不同催化剂的特性也会导致SCR催化效果不同[12]。3辆公交车不同的行驶里程也会导致催化剂活性有区别。

3.3 不同速度下公交车的实际NOX排放

图5为不同车速下实验车辆的NOX排放。由图可见，在3种车当中，国IV柴油车由于排气温度低，其SCR系统对NOX的降低率最低，在30km/h以后才逐渐体现出催化效果，因此在实际运行条件下，国IV柴油车的NOX排放最高，并且在车速较高时才有所降低(图5)；国V柴油车的排气温度较高，对NOX的降低率高于国IV柴油机，随着车速增加NOX排放逐渐降低，在高速时与天然气公交车相差不大；天然气公交车的排气温度最高，同时NOX中较高的NO2比例有利于增加反应速率，这些使得其SCR系统对NOX的降低率最高，其NOX排放在低速时很低，随着车速增加NOX排放略有上升。

总之，排气温度是制约柴油车SCR系统催化效果的关键因素，SCR系统对NOX的降低率随着车速和排温的增加而逐渐提高。因此,通过技术手段提高柴油车低速时的排气温度是改善其SCR系统对NOX降低效果的重要手段。而天然气公交车的排气温度在车速较低时就已经很高，此时其NOX排放很低，特别适合应用于城市道路。

3.4 3种公交车的NOX+HC排放

图6为3种公交车的NOX+HC排放因子。由图可见，虽然天然气公交车的NOX排放低于柴油车，但是其NOX+HC排放与国IV柴油车相差不大，并且高于国V柴油车。研究表明[13]，天然气发动机的HC排放中大约有10%为非甲烷碳氢化合物(NMHC)，剩下90%为无臭氧活性的甲烷(CH4)；而柴油机的HC排放几乎全部是非甲烷碳氢化合物。按照这个比例，天然气公交车的尾气排放中，对光化学烟雾的形成有较大贡献的NOX+NMHC排放低于柴油车；但是其甲烷排放非常高，这点会增加天然气公交车尾气的温室效应。

4 结论

(1)通过对比喷射尿素和不喷射尿素两种情况下的NOX排放，计算出3种公交车SCR系统对NOX的降低率。国V天然气车SCR系统的降低率最高，国V柴油车次之，国IV柴油车最低。

(2) 柴油车由于排气温度的限制，在低速时SCR系统对NOX的降低率较低，随着车速增高，降低率逐渐上升。天然气车由于排气温度较高，车速较低时SCR系统对NOX的降低率就很高。

(3)由于DOC的存在，天然气车NOX排放中NO2的比例很高，这使快速SCR反应增加，提高了反应速度和SCR系统的催化效果。但是，经过反应以后，天然气公交车尾气中的NO2比例依然高于柴油车，须要引起注意。

(4)由于SCR系统对NOX降低率的不同，在实际道路下，国IV、国V柴油车以及天然气车的NOX排放有很大不同。国V柴油车的NOX排放随着车速增加而逐渐降低，而国IV柴油车的NOX排放在30 km/h以后才逐渐下降。天然气车在车速较低时NOX排放就很低，而随着车速增加，NOX排放不再降低。

(5)虽然天然气公交车的NOX排放较低，但是其NOX+HC排放与国IV柴油车相差不大，并且高于国V柴油车。另外天然气公交车的甲烷排放值得引起关注。

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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

*国家自然科学基金(51276021)资助。

原稿收到日期为2014年4月2日，修改稿收到日期为2014年6月26日。