SCR系统尿素水溶液消耗量的测量与应用

2014-04-04禚爰红刘亚飞

客车技术与研究 2014年3期

禚爰红，刘亚飞，刘波

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

目前，为满足国IV以及更高的汽车尾气排放标准，越来越多的柴油车生产企业和公交服务系统开始倾向于选择催化还原，即SCR后处理技术路线[1-2]。北京、天津、苏州、杭州等多个城市的公交系统和客运公司都开始批量采用SCR后处理净化系统的柴油车辆营运。而这些配备SCR后处理系统的发动机，由于在机内设计过程中对油耗进行了最大限度的优化[3]，因此，在燃料消耗量的法规检验中的油耗结果较低。但是SCR系统需要额外消耗尿素水溶液来降低NOx排放物[4]，这增加了用户的使用成本。因此，笔者认为，针对采用SCR后处理技术路线的柴油商用车辆，在测量其燃料消耗量时，不应该仅考虑燃料本身的消耗量，而应该同时检测尿素水溶液的消耗量[5]，并在产品信息中加以说明。

1 检验过程

为进一步证明测量尿素水溶液消耗量的必要性和可行性，笔者依据GB/T 27840-2011[6]中规定的检验方法，在对两辆配备SCR后处理系统的商用车辆进行正常的燃料消耗量检测的同时，采用比较直观的称重法对尿素水溶液消耗量也进行了测量。

标准[6]规定的C-WTVC循环由三部分组成，分别模拟市区工况、公路工况和高速工况。此次检验将完整的C-WTVC循环的三种工况分开，分别对每种工况单独进行检验，以便测得每种工况下的尿素水溶液消耗量和燃料消耗量。

1.1 检验条件

燃料消耗量常规检验所需的仪器设备有底盘测功机、油耗仪、温度计、压力表等；测量尿素水溶液消耗量所需仪器设备有称重用的量程为30kg、精度为1g的电子秤和一套液体密度计。与此同时，利用SCR后处理诊断仪连接到整车CAN通讯网络，实时监测催化器入口温度和尿素水溶液喷射情况[7]。

选取配套SCR后处理系统的客车和货车检验样车各一辆。试验开始前，先对样车的尿素容器固定装置进行改装，以求能够快速拆装，便于称重。

1.2 检验过程

1）样车在试验台架上充分预热后，拆下尿素容器。使用电子秤对其进行第一次称重，完成后立即装复。

2）依据标准曲线进行市区工况的燃料消耗量测试，结束后拆下尿素容器进行第二次称重，完成后立即装复。

3）依据标准曲线进行公路工况的燃料消耗量测试，结束后拆下尿素容器进行第三次称重，完成后立即装复。

4）依据标准曲线进行高速工况的燃料消耗量测试，结束后拆下尿素容器进行第四次称重。

5）使用密度计测量尿素水溶液的密度（1.090kg/L），将称重结果从质量单位换算为体积单位。

1.3 注意事项

1）样车在整个检验开始之前必须要充分预热，因为冷车起动初期排温较低，SCR不能及时满足尿素起喷的温度条件，这将导致所测量的尿素水溶液消耗量偏低。

2）拆卸尿素容器时，要从距离尿素容器最近的快装接头处拆开容器与样车的连接，并尽量避免管路中的尿素水溶液外漏，带来测量误差。

3）装拆过程动作幅度要尽量小，因为检验时间短，每次测得的尿素水溶液消耗量最低可能仅有几十克，测量结果容易受外界影响。

1.4 工况分析

1）市区工况。市区工况持续时间长达900 s，但样车怠速时间比例超过15%，平均车速仅为22.9km/h左右，行驶距离5.7km左右，全程平均排气温度较低。SCR系统在样车怠速状态和发动机排温低于200℃的条件下不喷射尿素水溶液。期间尿素水溶液喷射量应较少。

2）公路工况。公路工况持续时间468 s，样车怠速时间30 s左右，平均车速43.7km/h，行驶距离5.6km左右。车速上升致使发动机排温升高，尿素水溶液喷射量应比市区工况明显增加。

3）高速工况。高速工况持续时间432 s，样车怠速时间比例仅为1.4%，全程最高车速超过85km/h，行驶距离达到9km左右。催化器入口温度从未低于200℃，SCR系统全程正常喷射尿素水溶液。高速工况尿素水溶液消耗量应最高。

2 检验结果及成本分析

2.1 检验结果

依据瞬态测试数据，计算出以上三种工况下样车催化器入口平均温度和燃料消耗量，再根据几次称重得到的结果，整理出该三种工况下的尿素水溶液消耗量。客车样车的统计结果如表1所示。

表1 客车样车检验结果

通过向SCR系统厂家了解，尿素水溶液喷射量的控制受催化器前端温度影响最大，而排气温度与车辆运行的工况有着紧密的联系。按照SCR尿素水溶液喷射的常规控制策略，车辆在怠速状态或者当催化器入口温度低于200℃的情况下，由于转化效率非常低，系统是完全不喷射尿素的[8]；当温度在200℃～350℃之间时，尿素水溶液喷射量也是随着温度的升高而逐步增加[9]。从表1中可以看出，市区工况测得的尿素水溶液消耗量较少；公路工况测得的尿素水溶液消耗量明显上升；高速工况测得的尿素水溶液消耗量占燃料消耗量的比例最高。

为了进一步了解尿素水溶液消耗量的情况，按照相同的检验方法，对另一辆配备SCR后处理系统的货车进行检验，测得结果与客车样车相近。具体如表2所示。

表2 货车样车检验结果

表1和表2的试验结果显示，在相同工况下，两辆样车的尿素水溶液消耗量与燃料消耗量比例相近。表面上似乎有相对稳定的比例关系，但究竟怎样，还需要进行大量的试验才能得出结论。

2.2 尿素水溶液消耗量使用成本

依据上述公式，分别计算两辆样车的燃料综合消耗量和尿素水溶液综合消耗量，具体如表3所示。

表3 综合尿素水溶液消耗量与综合燃料消耗量结果

通过市场了解，专门用于SCR后处理系统的浓度为32.5%的尿素水溶液，国内产品市场价格在10元/L左右，而进口的价格高达20元/L，甚至更高。由于这种专用尿素水溶液的生产以及销售渠道，远远没有达到普通燃料的供应能力，大部分使用单位都只能采用远程运输、大量仓储的方法贮存。很多用户反映，使用1 L尿素水溶液的总成本比购买1 L 0#柴油的花费更高。依据上述检验得到的尿素水溶液消耗比例以及尿素的市场价格判断，尿素使用成本与燃料使用成本的比例可能超过8%。

另外，笔者认为，采用SCR路线车辆的燃料消耗量合格判定，应该考虑尿素水溶液消耗量的影响。依据尿素水溶液和0#柴油目前的市场价格关系，假定尿素水溶液消耗量与燃料消耗量的容积结果当量比为1:1，将上述检验测得的尿素水溶液消耗量与燃料消耗量直接相加，分别得到两辆样车的尿素水溶液与燃料的总体消耗量，笔者称其为燃料当量消耗量（L/100km），如表4所示。

表4 尿素水溶液与燃料的总体消耗量

上述的两辆样车，其单纯的燃料消耗量结果能够满足标准限值的要求，但是如果用增加尿素水溶液以后的燃料当量消耗量与燃料消耗量限值比较，货车样车的综合结果刚刚满足限值要求，而客车样车的综合结果已经超出限值的要求了。

采用SCR系统的车辆，尿素水溶液消耗量将不可避免地增加用户的使用成本，而且国外SCR技术路线的研发者们，在宣传该路线的节油效果时，都是将理论上需要的尿素消耗成本考虑其中的[10]。因此，笔者建议，针对配备SCR系统的重型柴油车，在进行燃料消耗量检验时，同时检测尿素水溶液消耗量，并以适当的方法将尿素消耗量折算成燃料消耗量得到综合消耗结果，或者另外增加尿素水溶液消耗量限值，从而更直观地体现SCR系统的节油性能。