就冷启动排放标准谈SCR的低温排放

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1、41重汽集团技术发展中心)I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 I! 12 13 24 15 16 17 18 19 20 21 22号厦值ittMivilgHEAVY TRUCK 重型汽车丈/邹和中国重汽會&车公司)潘n10图2国IV公交车使用车栽测试设备(PEMS)进行排放测试2012年8月7日环保部发布制定国家坏境保护标准 车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车冷自动排气 污染物排放限值及测議方法的通知.拟定2013年开始实 施.因为现在执行的标准GB17691-2005车用压燃式、代 体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及測方 法中的新车型式核准测试循环ETC对城市公交车(或

2、城 市车辆)的低速、低负荷工况不具备代表性，使得企业开发 机型时基本没有考虑低速、低负荷的城市工况，导致城市车 辆实际运行时尤其在低温工况时氮氧化物(NOx)排放严重 超标，所以冷启动排放标准中可以考虑:加入全球统一的瓯型 发动机试验循环(World Harmonized Transient Cycle, WHTC),以完善标准GB 17691-2005中ETC测试循环在 低速、低负荷工况的缺陷.1背景北京、上海提前实施国四排放标准以来，发现了城市 公交车装用的选择性催化还原系统(SCR)在一些低速、 低负荷工况下不起作用、车用尿索溶液结晶等问题，导致 车辆氮氧化物实际排放超标的悄况，低温排放

3、差的问题巳 经成为环境污染的重要因索.国内相关研究发现，国IV公 交车实际运行时，所排放的NOx远远超出型式核准时的水 平，直接导致产生大N的NOx污染物。对于城市车辆实际 运行时的NOx排放超标问题，我国相关机构已经开展相应 的实车测试试验，采用车载测量设备(Portable Emission Mearsurement System, PEMS)进行排放检测，所收集到的22辆城市车辆实际运行的平均NOx比排放数据见图1.图1 22辆整车NOx排放数据由图1可以看出，在22辆车的平均推放数据中，只有3 辆车满足国IV标准3.5g/kwh的排放限值，有15辆车的排 放数据超过排放限值的两倍，甚至

4、还有6辆车的排放数据趙 过了排放限值的3倍。可见，在城市车辆实际运行时，NOx 排放超标问题十分严雨。标准管理BIAOZHUNGUANLI2欧盟标准欧洲在实施欧IV和欧V的过程中也发现了类似的问题， 许多装配有SCR欧IV和欧V的车辆尽管能够在型式核准 时满足排放法规的要求，但是在实际运行中，特别是在城区 行驶的情况下，实际排放的NOx却远高于排放法规的限值。 在实际道路上使用车载排放测債设备（PEMS）进行NOx排 放测试的结果中，在平均车速较低的城市工况，NOx排放是 限值的2 3倍左右，玩远髙于排放限值。2009年，欧盟发 布 EC/595/2009 法规，并于 2011 年发布了 EC

5、/582/2011 法规，规定了重型车辆欧VI排放标准，在欧VI法规中，加 入全球统一的就型发动机试验循坏（WHTC）,该工况对各 种路况（包括城区路况）具有较好的代表性，并规定了相应 限值。欧盟的重型车排放法视，采用不同的排放測试循环，对 比了 ETC、WHTC循环在各个转速和负荷区域的时间比例。 ETC的主要工作区域是中速的低、中、高负荷，WHTC显 善提高了低速、低负荷的比例。在欧IV和欧V阶段，法规 中的ETCI况存在缺陷，对于低速、低负荷的城市工况不 具备代表性，同时也没有冷启动测试要求，导致城市车辆实 际运行时NOxft放过高。在欧VI阶段，欧盟引入了更具代 表性的WHTCM试循环

6、，増加了冷启动要求，同时还增加 了校为严格的在用符合性要求，这些措施将有望改进城市工 况下NOx排放过高的问题.3 ETC和WHTC测试循环3. 1 ETC的缺点根据相关研究表明，在城市运行的公交和市政车辆，在 交通高峰时段的平均车速只有15km/h左右，在正常时段的 平均车速也超不过30km/h,在整个运行工况中怠速占很大 的比例。柴油公交车排气温度基本在200以F,即使在车 速较高的路段，排温也就在2501C左右，这将导致公交车采 用的SCR系统效率大为降低，NOx排放出现升高的情况。在整个ETC测试循环中，平均的发动机转速是額定转 速的57%,平均的发动机功率是额定功宰的引，怠速时间 占

7、幣个循坏时间的6%. ETC测试循环与我国城市公交车实 际运行情况差别校大，见图九图3 ETCI况与城市公交实际运行情况比较ETC测试循环相比城市公交实际运行悄况，发动机平均 负荷相对较髙，这就意味着彼个循环内的平均排气温度也较 高.而且，在型式核准測试之爾，厂家可以完全预热发动机, 使发动机排气沮度高于300C.在这种高温的测试条件下进 行试验，装配SCR的发动机完全能够满足国IV和国V的 NOx排放限值。对于采用SCR技术的发动机，由于型式核 准中ETC试检工况的缺陷，企业在开发时，基本没有考虑 低温、低负荷的工况，以至于在实际的低温、低负荷的城区 工况中运行时，会产生很高的NOx排放。因

8、此采用冷启动 测试循环WHTC可以弥补ETCS!试循环在低温、低负荷工 况的缺陷。3. 2 WHTC的优点ETC测试工况与城市车辆实际行驶情况花别较大，而欧 VI标准将采用的WHTC工况足具有较好代表性的循环工况, 由于我国标准一直沿用欧盟排放法规体系，为保持标准体系 的一致性，选择同一体系的欧VI标准WHTC工况更为合理。 WHTCI况是联合国世界车辆法规协调论坛（WP29）第4 号全球性技术法规全球统一的重型车测试规程（WHDC） 中的试验循环，WHTC瞬态试验循坏包括一组1800秒逐秒 变化的規范转速和扭矩百分值。为在发动机试验台架上进行 试验，首先要根据毎台发动机的瞬态性能曲线将规范百

9、分值 转化成发动机实际转速和扭矩值，形成基准试验循环，再按 照发动机基准循环进行试验。WHTC側试循环相比ETC循环，与我国城市车辆的实 际运行状况（功車、转速和排花沮度铮）更为接近，ETC、 WHTC试验循环和城市公交实际运行情况对比，城市公交 车在实际运行时的排温悄况与WHTC冷启动的排温情况更 为类似，全程最高温度都在300C左右，且都是起步时温度 较條，之后逐渐升高。为与现行标准体系保持一致，WHTC 冷启动測试循环相比较TETCI况，更具代表性，更接近 于城市车辆的实际运行状况，所以选择WHTC冷启动试验 循环，来作为现行标准（GB17691-2005）的补充，测量并 考孩城市车辆在

10、低温、低负荷运行状态下污染物排放的实际 情况.I00K0%M 400 too too 10001200wooNHbl图4 WHTC测试循环我国标准GB17691-2005規定的第IV、V阶段ETC的 NOx排放限值为3.5g/kwh和2.0g/kwh. WHTC冷启动 排放限值是在发动机原有水平上，斎点改善其低温排放性能, 根据低沮排放性能改进后，发动机所能达到的冷启动排放水 平，确定WHTC冷启动排放限值.11 WHTC冷启动排放限值阶段一氧化碳(CO)非甲烷碳 氢化合物(NMHC)甲烷 (CH4)氮氧化物 (NOx)倾粒物 (PM)第四阶段4.01.551.14.90.03第血阶段4.00

11、.551.12.80.034低温排放的危害及控制4.1 SCR低温排放星国IV车辆在城市的实际运行当中.排放大大超出了型 式核准时的水平，这对我国城市NOx总滅排目标的实现 极为不利.据国际清洁交通委员会(ICCT)估计，中国自 2008年至2015年间，由于国【V车辆在主要城市的城区行驶， NOx将会比预期多排放约4万盹.研究国四车辆在城市运行中NOx排放严电超标的问 题，发现超标车主要为采用SCR技术的车辆。当企业设计 国四发动机时，通常主要有两条技术路线：EGR+DOC (或 DPF)和缸内净化+SCR,到国五时，基本上所有的发动机 生产厂家都要采用SCR系统。在巳经满足国四标准并且在

12、中国通过型式核准在售的553个重型柴油机型号中，有13% 采用EGR. R7%采用SCR. SCR技术的原理是通过在富氧 的尾气中喷入还原剂氨气，在催化剂作用下，把NOx还原 成无害的氮气和水。在柴油车尾气排放控制领域，一般使用 尿素溶液作为还原剂.形响SCR系统NOx转换效專的因素 很多，除儀化器材料、催化器的容稅和尿素喷射的控制策略 等相关设计鲁数外，还与诅度有着密切的关系.当排气温度 低于某个闽值时，被喷射的尿索将无法转化成氮气，在低温 条件下，催化剂的活性也会显若降低。对于大多数卡车和公 交车装配的SCR系统来讲，在低于280时，催化剂活性会 显苦降低，低T2001C时，尿索将不能被转

13、化为氨气，系统 也被设计成不喷射尿索。对于柴油发动机而言.排气温度通常是随着发动机负荷 而变化的.在怠速时，排气温度能低至1OOC,而当发动机 负荷接近最大时能超过500C.城区工况的典型特征就是低 速而且反复停车、起步，车辆的负荷也相对较低。低转速、 低负荷的城区工况一般会导致排气温度低于300C.在这种 工况下，由于尿索喷射量的核少，并且催化捌活性较低， SCR系统工作效率很低，因此NOx排放较高.4. 2低温排放的控*蜡施截至目前，SCR后处理已经采用的催化剂主要有：锐基 催化剂.铜茶催化剂和铁基催化剂。任何一种单独的催化剂 都无法满足冷启动性能(到达催化剂起燃沮度的时间)、耐 久性、成

14、本和集成NOx/PM控制的所有条件.为了改善城 市车辆低温工况NOx排放，目前普遍可以应用的技术主要 有两大类，第一是提高低温时SCR催化剂的活性，第二是 对排气热債进行管理，具体的技术措施见表2.表2改蓦低温排放的技术措施顶H技术作用成本备注捉Id 低 温 S C R 催 化 剂性在SCR 询加装魚 化催化剂(DOC)优化NO：NO?比例体枳约为0.3 0.5 倍发 动机排債成 本为250元/L加收成本. 増加祈压铜分子9催化剂更好的低 活性价格人约是矶皋SCR的15倍低碓燃汕 (50ppm)加 啦成本优化控制域 略和尿索 喷射笫略(Mapping ns)高负荷时 增加氮储 备用J 低温时使

15、 用无成本堵加闭环控制、 氨泄漏风険增人SCR体 积降低排气速度每升大约增加 200元成本(會 衬垫和封装)加亚成本. 增加背压排 气理气缸内燃油燃油任排 气管中氧 化.提高 排Y温度无成本增加満足U S2010 标准.堆加进气或排气 肖流阀技术增加排气 温度1000 1500 元满足US20I0 标准,增加 油耗催化剂低用 F直接往排 久中喷射燃 油燃油氧化 后提升排P度需要i套崎射系统加喷成本、 增加油耗对排气管路 和SCR进行 保温包喪降低散热损失200 500 元综上所述，对于WHTC冷启动排放要求，在技术上有 多种措施可以应对。对于测试循坏WHTC,国内大多数实 验室的测fit设备在现有基础上进行软件升级，就能满足新 的测工况WHTC的耍求，大多数实验室可以自行解决， 不需要堆加額外费用。因此，在现有标准基础上，增加一 个更具代表性的冷启动测试循环WHTC和相应限值，可较 好地解决城市车辆NOx排放超标问越.根据相关数据，国 四公交牛在城市运行时，实际NOx排放可能达到8I0g/ kwh,远远超岀了国四标准的限值要求，WHTC冷启动排 放标准实施后，将控制其实际NOx排放在5.0g/kwh