不符合标准的尿素对重型柴油车辆选择性催化还原（SCR）系统性能及多种污染物排放的影响

本研究通过台架试验、PEMS监测和GC-MS分析，模拟真实驾驶循环，评估不同尿素浓度（20%、28%、32.5%）对柴油车SCR系统效率及NOx、VOCs、PN、CO等污染物排放的影响。结果表明：非合规尿素显著降低SCR效率（最高降幅42%），增加二次污染物VOCs（1.5-2.0倍）和PN排放（20-25%），CO排放呈U型曲线，峰值达3.54 g/kWh；OBD与PEMS数据高度一致（R2=0.92），验证方法可靠性；PCA分析揭示尿素浓度与SCR效率正相关，与VOCs/PN负相关。该研究为尿素质量监管和SCR优化提供量化依据。

　　

杨彦彦|冯倩|卢阳|王鹏瑞|周彦青|吴叶|沈秀娥

北京市生态环境监测中心，中国北京100048

摘要

² = 0.92），验证了数据的可靠性。主成分分析 (PCA) 显示尿素浓度与 SCR 效率呈正相关，与卤代烃/PN 排放量呈负相关。本研究为不合格尿素的环境风险提供了定量证据，支持尿素质量监督和 SCR 系统的优化。

引言

柴油车辆是重要的交通工具，截至 2021 年，中国的柴油车辆总数约为 1.3 亿辆，占所有车辆的 25%左右。柴油车辆排放的氮氧化物 (NOx) 和颗粒物 (PM) 对环境和人类健康构成严重威胁 [1]。柴油车辆排放是全球 PM 排放的主要来源之一，约占 PM 总排放量的 25% [2]、[3]。柴油车辆排放的 NOx 也是空气污染的重要因素。具体来说，NOx 会形成臭氧 (O₃) 和硝酸盐 (NO₃^– 等二次污染物，对人类健康和植物生长产生不利影响。2019 年中国城市细颗粒物 (PM_2.5) 和臭氧的很大一部分来自柴油车辆排放 [4]。为了减少 NOx 排放，最新一代柴油发动机通常会降低空燃比以控制气缸内的燃烧温度。然而，较低的空燃比可能导致 VOCs 增加。柴油车辆尾气中的 VOCs 主要来自未完全燃烧的燃料 [5]。此外，由于近年来柴油车辆使用量的增加，柴油车辆尾气中的挥发性有机化合物 (VOCs) 含量也在上升。一些研究表明，不同地区和车型之间的尾气 VOCs 排放量存在显著差异 [6]、[7]。在大气中，VOCs 还可以参与生成二次有机气溶胶 (SOA)，这些气溶胶会对着陆区域的空气质量造成威胁，尤其是在大城市中，可能对人类健康和环境造成更严重的危害。

由 SCR、DPF 和 DOC 组成的尾气后处理系统已成为柴油车辆减少上述污染物的核心技术。SCR 是柴油车辆脱 NOx 的核心技术。SCR 催化剂具有多孔结构，其表面涂有贵金属以降低脱 NOx 反应的温度。尾气被 SCR 催化剂分成多股气流，以确保与生成的氨气充分接触，从而在催化剂完全参与的情况下实现高效反应。尿素作为反应物被注入后处理系统，在其中加热转化为氨气并储存起来。储存的氨气持续与尾气中的 NOx 反应，生成无害的氮气。同时，尾气中的 VOCs、CO 和 PM 也在后处理系统内部基材上的催化剂帮助下转化为无害的二氧化碳和水。然而，不同的条件和参数会影响转化率，例如进口 NOx 浓度、尿素喷射量和催化剂反应温度 [8]。特别是尿素溶液的浓度对 SCR 的脱 NOx 效率有显著影响。SCR 的参数是在标准尿素浓度下校准的，如果使用浓度低于标准的尿素，可能会导致整体脱 NOx 反应效率下降，甚至无法顺利完成脱 NOx 过程。研究表明，尿素溶液浓度的变化会直接影响 SCR 系统的净化效率。当尿素浓度低于 30% 时，NOx 的净化效率会下降，因为硝酸盐的生成速率快于亚硝酸盐；当尿素浓度高于 30% 时，尿素水解产生的氨气量增加，净化效率显著提高。尿素浓度在 30% 到 35% 之间被认为是实现较高 NOx 净化效率的合适范围 [9]。然而，在实际应用中，柴油车辆中的尿素浓度并不完全符合标准 [10]、[11]。2019 年，中国石油和化学工业联合会在全国多个省份对加油和维护站进行了调查，结果显示大多数车辆使用的尿素浓度在 30% 到 33% 之间，但有些车辆的尿素浓度低于标准要求 [12]。浓度低于 30% 的尿素溶液通常被视为不合格尿素溶液。2018 年，中国质量新闻对北京、上海、广州和深圳等城市的柴油车辆进行了抽样检测，结果显示不到 50% 的车辆使用的尿素浓度符合标准，超过 30% 的车辆使用的尿素浓度低于标准值 [13]。Dong 等人 [14]、Yao 等人 [15] 和 Shahariar 等人 [16] 的研究表明，使用不合格尿素溶液会损害 SCR 系统的性能，直接降低 SCR 对 NOx 的转化效率，并间接影响非传统污染物的生成。尽管如此，这些研究尚未具体探讨不同尿素浓度对柴油车辆污染物排放和 SCR 转化效率在测试循环条件下的影响。

最近关于中国 VI 标准重型车辆的研究进一步证实了尿素质量在满足排放标准中的关键作用。Ge 等人 [17] 对 5 辆典型的中国 VI 标准重型柴油车和 LNG 车进行了道路排放测试，发现只有当尿素质量符合标准时，依赖 SCR 技术的柴油车辆才能有效控制 NO_x 排放——一旦使用不合格尿素，在高负荷条件下（例如 90% 满载），NO_x 排放因子超过了中国 VI 标准的 29%–41%。他们还指出，中国 VI 标准对 SCR 系统的校准要求比之前的中国 IV/V 标准更为严格，使其排放合规性对尿素浓度偏差更为敏感。然而，这项研究仅关注了 NO_x 和温室气体排放，缺乏对非合格尿素影响的多种污染物（如 VOCs、PN）的系统性分析，而这正是我们研究的重点。

尿素浓度过低不仅会降低 SCR 系统的脱 NOx 效率，还会引发一系列连锁反应。由于尿素喷射的闭环控制，尿素浓度降低会导致尿素喷射速率增加，进而导致催化剂内水蒸气含量上升。水的高比热容会导致排气温度下降，可能导致尿素分解不完全并形成尿素晶体，从而增加排气中的 PM 浓度。此外，过低的脱 NOx 效率可能引发一系列连锁反应，基材内升高的 NOx 浓度也会影响排气中的 VOCs 浓度。由于发动机转速和负荷的变化直接影响气缸内 NOx 的生成量，在特定的发动机转速和负荷条件下，尿素浓度可能对排气中的污染物产生更大影响。

虽然之前的研究普遍指出在测试循环条件下“尿素浓度-多种污染物排放”关系研究不足，但最近的出版物进一步明确了具体的研究空白。[18] 对典型城市的车辆尿素质量进行了大规模评估，发现 26% 的尿素样品不符合标准，关键指标如尿素含量、双缩脲和不溶性物质超过了限值——这些偏差直接降低了 SCR 的脱氮效率，但缺乏对非 NO_x 污染物的协同影响分析。此外，[19] 专注于中国 VI 标准重型发动机，证实尿素喷射显著增加了颗粒物数量 (PN) 的排放，在 WHTC 和 WHSC 循环下 SPN10（颗粒 > 10 nm）的排放量增加了 1300%–1600%，但他们的研究仅强调了颗粒大小分布，未将排放变化与特定的尿素浓度梯度联系起来。值得注意的是，现有文献缺乏对尿素浓度偏差与多种污染物排放（包括 VOCs 组分、PN 尺寸分级和二次污染潜力）在整个测试周期内的系统量化分析，也未全面总结排放数据（如污染物类型和颗粒特性的动态变化），这限制了尿素质量监督和 SCR 系统优化在先进排放标准下的科学支持。

本文旨在研究不合格尿素溶液浓度对柴油车辆污染物排放和 SCR 效率的影响。同时，本文模拟了柴油车辆在不同负荷下的运行情况，以获得更详细的柴油发动机微操作条件信息，并建立了柴油发动机微操作条件与污染物排放之间的关系。通过这项研究，我们还想揭示不符合要求的尿素溶液浓度对柴油车辆排放的影响，并引起监管机构对市场上尿素溶液浓度质量的关注和监管力度。

车辆规格

实验选用了一辆符合中国 VI 标准的重型柴油车辆。该车辆属于 N3 类别（非城市用途），最大总重量 (GCW) 为 40 吨。其后处理系统采用三阶段配置：柴油氧化催化剂 (DOC)、柴油颗粒过滤器 (DPF) 和选择性催化还原 (SCR)。

尿素溶液和燃料

测试中通过混合基础尿素溶液来调整尿素溶液的浓度

发动机工作参数和特性

在三种工作模式下，发动机转速和负荷随车辆转速的变化而变化，如图 1 所示。图 1a 展示了车辆运动与发动机工作之间的时间动态耦合关系，通过同时展示瞬时车辆转速和发动机参数（转速、负荷）的曲线，验证了三种工作模式（A：低负荷、B：高负荷、C：中等负荷）确实模拟了典型的真实驾驶场景——例如低速拥堵情况

结论

本研究系统地研究了不合格尿素溶液浓度对中国 VI 标准重型柴油车辆 SCR 性能和多种污染物排放的影响，明确了发动机微操作条件与排放之间的关系。主要结论如下：

1)

SCR 效率与 NO_x 排放：尿素浓度是影响脱 NO_x 效率的主要因素。标准浓度 32.5% 的尿素（C-Mode）在大多数条件下保持了 95% 以上的 SCR 效率，

CRediT 作者贡献声明

杨彦彦：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。冯倩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿。卢阳：研究。王鹏瑞：方法论。周彦青：数据管理。吴叶：方法论。沈秀娥：撰写 – 审稿与编辑，监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家科技部项目（2022YFC3703602）和北京市科学技术委员会项目（Z191100009119014）的支持。