低温型车用尿素溶液的研究及应用

李海平，刘泉山，谢建海

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，甘肃 兰州 730060)

1 国内外低温型车用尿素溶液研究现状

随着国家排放法规的日益严格，SCR(选择性催化还原)技术在车用柴油机上得到越来越广泛的应用，与此同时，车用尿素溶液AUS 32的需求量也逐年上升。众所周知，AUS 32的冰点为-11℃，而中国北方地区的冬季气温通常低于-11℃，且低温天气持续时间长，导致 AUS 32的使用和存储不便。因此，低冰点的低温型车用尿素溶液有一定的市场需求。

近年来，国内众多车用尿素溶液厂家已经研发出低温型车用尿素溶液并推广应用，但由于低温型车用尿素溶液还没有国家标准和行业标准，各企业在产品生产和销售中均执行各自的企业标准。如江苏可兰素汽车环保科技有限公司推出的-20℃、-25℃、30℃、35℃"冰畅"系列低温型车用尿素溶液，执行标准为Q/3200 KLS 05。辽宁润迪汽车环保科技股份有限公司推出的-25℃和-35℃两种低温型车用尿素溶液，执行标准为Q/CAM-267-2010。通过文献及专利调研发现[1-3]，低温型车用尿素溶液所用的冰点改性剂主要为铵类、酰胺类、以及小分子醇类化合物，通过一种或几种改性剂复配来降低尿素溶液的冰点。

低温型车用尿素溶液最早在欧洲开始研究，欧洲在优化尿素水溶液的低温稳定性时试验了很多抗结冰添加剂，例如典型的发动机防冻液添加剂：乙醇、丙二醇和甲醇，但发现冰点下降的幅度不理想。芬兰Kemira公司曾研发了商品名称为“DenoxiumTM”的低温型车用尿素溶液产品，包括Denoxium-20和Denoxium-30两种。“DenoxiumTM”产品与AUS 32产品的理化性质如下表1所示。从表1可以看出，使用低温改性剂后，两种低温型车用尿素溶液的理化性质发生变化，但NH3含量与AUS 32相同。

表1 DenoxiumTM产品及AUS 32产品理化性质Tab.1 Physicochemical property of DenoxiumTM and AUS 32

一直以来，低温型车用尿素溶液的推广应用具有一定争议。主要争议点在于使用低温型车用尿素溶液的必要性:首先，柴油车SCR系统本身具有加热功能，可以不用成本较高的低温型车用尿素溶液；此外，有学者认为低温型车用尿素溶液会造成如有毒的非常规污染物排放，以及对SCR系统的腐蚀性。出于技术研究目的，本文通过配方筛选，研制了冰点为分别为-25℃和-35℃的两种低温型车用尿素溶液，通过理化分析和行车试验考察了产品性能。

2 试验试剂和方法

2.1 试验试剂

试验中所用的原材料包括生产车用尿素溶液所用的尿素和纯水，以及A,B,C,D四种低温改性剂(两种铵类，两种酰胺类)。尿素和纯水质量指标如下表2和表3所示。四种低温改性剂均为含量98.0%以上的工业品。

表2 专用尿素质量指标Tab.2 Quality indicators of urea

表3 纯水质量指标Tab.3 Quality indicators of pure water

2.2 试验方法

试验中所用的理化分析方法如表4所示。

表4试验方法Tab.4 The test method

3 低温型车用尿素溶液配方考察

对于常温型车用尿素溶液而言，尿素浓度直接影响NOx转化效率。由于采用SCR技术的发动机和汽车制造商已经在32.5%尿素溶液作为NOx还原剂的问题上达成一致，所以制造商都用32.5%的尿素浓度来标定SCR系统，以保证NOx降低水平满足排放标准要求。随着尿素浓度的降低，NOx转化率也随之降低，当低于28%时一般就会造成NOx排放超标[4]。对于低温型车用尿素溶液而言，加入低温改性剂使得尿素含量相应减少，为保证还原效率不受影响，应保持NH3的总量不变。从尿素与铵类以及酰胺类低温改性剂的化学结构对比可知，1mol尿素可产生2mol NH3，而1mol低温改性剂只产生1mol的NH3。因此，通过摩尔质量换算可得到低温改性剂添加量与AUS 32中尿素减少量的重量比关系，以保证低温型车用尿素溶液中的NH3含量不变。

在低温型车用尿素溶液配方研制过程中，首先进行了低温改性剂筛选。在尿素含量、改性剂含量、以及纯水含量均相同的情况下，对比了四种改性剂降低冰点的性能大小，结果如下图1所示。从图1可以看出，四种低温改性剂在一定添加量下均可降低尿素溶液冰点，其中改性剂A在同等加量下降低冰点的性能最好。

图1 四种低温改性剂降低冰点性能大小Fig.1 The performance of reducing freezing point

以车用尿素溶液AUS 32(尿素含量以32.5%计算)为基础，尿素与改性剂A在不同质量配比时，混合溶液的冰点值如下表5所示，表5中冰点变化曲线如下图2所示。

表5 尿素-改性剂A混合溶液冰点考察Tab.5 The freezing point of urea-modifier A mixture

注：8组溶液的理论氨含量相同。

图2 尿素-改性剂A混合溶液冰点变化趋势Fig.2 The freezing point trend of urea-modifier A mixture

从表5和图2中冰点变化趋势可以看出，4号样和6号样可以满足-25℃和-35℃两种低温型车用尿素溶液冰点要求，因此，将4号样的比例确定为-25℃低温型车用尿素溶液的配方体系，将6号样的比例确定为-35℃低温型车用尿素溶液的配方体系。

4 低温型车用尿素溶液的理化性质

两种低温型车用尿素溶液样品的理化性质考察如下表6所示，从理化结果可以看出，两种低温型车用尿素溶液均满足指标要求。

表6 两种低温型车用尿素溶液理化性质考察Tab.6 Physicochemical property of two freezing point aqueous urea solution

5 低温型车用尿素溶液行车试验

两种低温型车用尿素溶液在东北地区物流公司开展了冬季行车试验，并与常温型车用尿素溶液AUS 32进行了对比考察，试验车辆如下图2所示。使用-25℃低温型车用尿素溶液的行车路线为大庆-杭州-海拉尔，全程高速路况，时速80～100km/h，载重8～31吨。使用-35℃低温型车用尿素溶液的行车路线为大庆-伊春，全程高速路况，时速80～90km/h，载重10～18吨。行车试验统计数据如下表7所示。

图3 行车试验车辆Fig.3 The running test cars

表7 低温型车用尿素溶液及AUS 32行车试验统计数据Tab.7 Statistical data of running test

从表7统计数据可以看出，使用低温型车用尿素溶液时，车辆平均油耗及平均尿素消耗都略低于使用AUS 32，而且据司机反馈，使用低温型车用尿素溶液时无需等待SCR系统解冻尿素箱，使用过程中SCR系统也未出现堵塞、结晶等报警信号，感受性良好。

6 结论

通过添加低温改性剂A可以得到符合指标要求的两种低温型车用尿素溶液，且低温型车用尿素溶液的NH3含量与AUS 32相同。两种低温型车用尿素溶液在行车试验中的实际使用性能表现良好，车辆平均油耗和平均尿素消耗均低于AUS 32。目前，低温型车用尿素溶液还需更加深入、系统的研究，并形成统一的标准，才能作为成熟的产品推向市场满足需求。