重型發(fā)動(dòng)機(jī)氨排放特性的臺(tái)架試驗(yàn)研究

張凡，李昂，于津濤

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

氨(NH3)作為大氣氮循環(huán)的關(guān)鍵成分之一，可以與大氣中的NOx和SO2等酸性成分發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO3-和SO4+，進(jìn)而通過中和反應(yīng)形成硝酸銨、硫酸銨等二次顆粒物[1]。這些物質(zhì)均是大氣中PM2.5的重要組成部分，是導(dǎo)致我國京津冀等地區(qū)嚴(yán)重霧霾的重要原因之一。因此，NH3也是大氣中二次顆粒物的重要前驅(qū)物，對(duì)灰霾污染的形成有重要作用[2]。大氣中的氨排放主要來源于人為和天然兩種途徑，人為源可以分為農(nóng)業(yè)源和非農(nóng)業(yè)源，而機(jī)動(dòng)車的氨排放屬于非農(nóng)業(yè)源。一般來說，農(nóng)業(yè)源是大氣中NH3的最主要排放源，但是近期的研究表明，機(jī)動(dòng)車尾氣中的氨排放已經(jīng)成為高度城市化區(qū)域中一個(gè)不能忽視的污染物[3]。2000年Chitjia等研究發(fā)現(xiàn)，在美國加利福尼亞州南海岸地區(qū)由機(jī)動(dòng)車排放的NH3大約占該地區(qū)總氨排放量的18%[4]。美國環(huán)保署2007年研究報(bào)告表明，2006年美國大約有8%的NH3來源于機(jī)動(dòng)車尾氣排放，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的氨排放不容忽視[5]。

機(jī)動(dòng)車(發(fā)動(dòng)機(jī))的氨排放主要來源于兩方面：一方面是車輛燃料燃燒產(chǎn)生的污染物；另一方面是在車輛后處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的二次產(chǎn)物[6]。對(duì)于輕型車來說，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒生成的CO和NOx在三元催化器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了大量的氨排放[7]，而重型車(發(fā)動(dòng)機(jī))的氨排放主要來自于選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)的NH3泄漏[8]。相關(guān)文獻(xiàn)表明，暨南大學(xué)[3]、清華大學(xué)[8]、北京理工大學(xué)[9]、同濟(jì)大學(xué)[10]、江蘇大學(xué)[11]、北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院[12]、密西根理工大學(xué)[13]、TNO汽車公司[14]等國內(nèi)外研發(fā)機(jī)構(gòu)通過隧道法、遠(yuǎn)程遙感法、轉(zhuǎn)鼓(臺(tái)架)試驗(yàn)法和數(shù)值模擬等研究方法，分別針對(duì)區(qū)域機(jī)動(dòng)車的氨排放因子、氨存儲(chǔ)釋放瞬態(tài)過程和尿素噴射控制策略等內(nèi)容開展了試驗(yàn)研究，但還缺少發(fā)動(dòng)機(jī)氨排放特性影響因素方面的定量研究工作。

本研究在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了ESC、ETC和WHTC等循環(huán)的排放測試，使用可調(diào)諧激光二極管氣體分析儀測量了裝用不同后處理裝置的重型發(fā)動(dòng)機(jī)催化劑后尾氣中的氨排放水平，重點(diǎn)分析了不同后處理裝置型式、催化劑溫度和測試循環(huán)等因素對(duì)重型發(fā)動(dòng)機(jī)氨排放特性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)用燃料

試驗(yàn)用柴油是0號(hào)京標(biāo)(Ⅵ)車用柴油，柴油油樣送至北京石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行分析，關(guān)鍵油樣參數(shù)的分析結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)用柴油油樣參數(shù)

試驗(yàn)用天然氣是液化天然氣，將天然氣樣品進(jìn)行分析，關(guān)鍵氣樣參數(shù)的分析結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)用天然氣氣樣參數(shù)

1.2 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)

本研究使用的發(fā)動(dòng)機(jī)包括8臺(tái)重型柴油機(jī)和2臺(tái)重型氣體機(jī)(1號(hào)和2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī))。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的排量范圍為2.5～7.5 L，最大凈功率范圍為77～215 kW，排放水平涵蓋國Ⅳ和國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，后處理類型涵蓋所有的主流技術(shù)路線，包括SCR(選擇性催化還原器)、DOC(氧化型催化器)+SCR、EGR(排氣再循環(huán)系統(tǒng))+DOC+DPF(柴油機(jī)顆粒捕集器)和DOC+DPF+SCR+ASC(氨氧化催化轉(zhuǎn)化器)。1號(hào)氣體機(jī)為1臺(tái)9.7 L排量的滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的稀薄燃燒氣體機(jī)，后處理裝置為DOC。2號(hào)氣體機(jī)為1臺(tái)7.5 L排量的滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的理論空燃比燃燒氣體機(jī)，后處理裝置為TWC(三效催化轉(zhuǎn)化器)。發(fā)動(dòng)機(jī)排量、最大凈功率、排放標(biāo)準(zhǔn)和后處理型式等相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

1.3 試驗(yàn)流程和主要測試儀器

依據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的要求，本研究對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行ETC，ESC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循環(huán)排放測試，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行ETC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循環(huán)排放測試。

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)、測功機(jī)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制系統(tǒng)以及采樣和排放分析系統(tǒng)等部分組成，臺(tái)架示意見圖1，具體的試驗(yàn)裝置及儀器型號(hào)見表4。氨排放分析儀的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表5。

表4 試驗(yàn)裝置及儀器

表5 氨排放分析儀技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試系統(tǒng)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 氨排放測量重復(fù)性驗(yàn)證

循環(huán)工況是一個(gè)瞬態(tài)過程，因此整個(gè)試驗(yàn)過程和設(shè)備測試精度的重復(fù)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有著至關(guān)重要的影響。為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)氨排放測量的重復(fù)性，試驗(yàn)中使用帶SCR后處理的6號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了14次ESC循環(huán)排放測試。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分別計(jì)算出14次ESC循環(huán)試驗(yàn)中NH3，NOx，CO2，CO，THC和PM排放測量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(見圖2)。由圖2可以看出，雖然氨排放測量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，為11.1%，但是與NOx(3.6%)、CO2(0.1%)、CO(2.4%)、THC(7.0%)和PM(8.4%)相差不大，在可以接受的范圍之內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用氨排放分析儀在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中直接測量氨排放的方法，可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)重復(fù)性的要求。

圖2 各種污染物測量重復(fù)性對(duì)比

2.2 重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氨排放特性

本試驗(yàn)對(duì)使用稀薄燃燒方式的1號(hào)氣體機(jī)進(jìn)行了ETC循環(huán)排放試驗(yàn)，試驗(yàn)的NOx比排放結(jié)果為1.939 g/(kW·h)，而氨排放量為0，這說明無論是在稀薄燃燒氣體機(jī)內(nèi)，還是在DOC催化器上都沒有氨排放產(chǎn)生。對(duì)使用理論空燃比燃燒方式的2號(hào)氣體機(jī)進(jìn)行了WHTC循環(huán)排放測試，試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，理論空燃比燃燒的氣體機(jī)在三效催化器后有氨排放產(chǎn)生，這與輕型汽油車的氨排放情況類似，說明三效催化器有利于尾氣中氨排放的產(chǎn)生。2號(hào)氣體機(jī)冷熱態(tài)WHTC循環(huán)氨排放的加權(quán)平均值為6.9×10-6，沒有超過歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10×10-6限值，而冷態(tài)氨排放平均值為8.4×10-6，略高于熱態(tài)的6.7×10-6。NOx排放平均值冷態(tài)為55.8×10-6，遠(yuǎn)高于熱態(tài)的15.6×10-6。

圖3和圖4分別示出2號(hào)氣體機(jī)在冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況NH3和NOx污染物的瞬時(shí)排放曲線。從圖3可以看出，冷熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx瞬態(tài)排放的區(qū)別在于前 300 s內(nèi)冷態(tài)循環(huán)NOx排放出現(xiàn)了連續(xù)的峰值，其原因是冷態(tài)循環(huán)時(shí)三效催化器的起燃速度慢，在沒達(dá)到起燃溫度的時(shí)候有大量NOx排放產(chǎn)生。從圖4可以看出，在500 s之后才有第一個(gè)氨排放峰值產(chǎn)生，說明氨排放在三效催化器上的產(chǎn)生也需要達(dá)到起燃溫度。在1 400 s后的市郊工況，氨排放連續(xù)出現(xiàn)了幾個(gè)高達(dá)200×10-6的峰值，說明市郊工況中的高速加濃工況有助于三效催化器上氨排放的產(chǎn)生。對(duì)比冷熱態(tài)WHTC循環(huán)的氨排放瞬時(shí)曲線，區(qū)別在于500～700 s的氨排放峰值冷態(tài)要高于熱態(tài)，這是因?yàn)槔鋺B(tài)時(shí)NO排放高于熱態(tài)，促進(jìn)了三效催化器上氨排放的產(chǎn)生。

表6 2號(hào)氣體機(jī)WHTC循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 2號(hào)氣體機(jī)冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況氨瞬時(shí)排放的對(duì)比

2.3 重型柴油機(jī)的氨排放特性

2.3.1循環(huán)工況對(duì)柴油機(jī)氨排放的影響

為了研究不同轉(zhuǎn)速和扭矩條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的氨排放水平，試驗(yàn)中使用3～9號(hào)等7臺(tái)柴油機(jī)分別進(jìn)行了ESC，ETC和WHTC-H等循環(huán)工況的排放測試，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 柴油機(jī)不同循環(huán)工況的排放試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，所有發(fā)動(dòng)機(jī)在不同循環(huán)工況下的氨排放平均值都低于25×10-6，滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，但是不同循環(huán)工況的氨排放水平變化很大，而且無明顯變化規(guī)律。ESC循環(huán)包括3個(gè)轉(zhuǎn)速的全負(fù)荷點(diǎn)，為了降低全負(fù)荷點(diǎn)的高NOx排放，一般來說尿素噴射量會(huì)加大，但過高的氨氮比會(huì)造成整個(gè)ESC循環(huán)的氨排放平均值增大。而WHTC循環(huán)包括較大部分的低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷點(diǎn)，排氣溫度較低，為了提高SCR催化器NOx轉(zhuǎn)化效率，尿素噴射量也會(huì)增加，這容易造成氨氮比過高，SCR催化器后的氨排放水平也增加。結(jié)果說明，柴油機(jī)的氨排放水平與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩等工況條件沒有直接聯(lián)系，關(guān)鍵因素是SCR后處理裝置匹配標(biāo)定的合理性。

圖5和圖6分別示出柴油機(jī)在不同循環(huán)工況下NOx和氨污染物比排放量的變化。從圖5可以看出，WHTC循環(huán)的NOx比排放量要高于ETC和ESC循環(huán)，這是因?yàn)樵囼?yàn)用柴油機(jī)是針對(duì)國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的ESC和ETC循環(huán)開發(fā)的，而WHTC循環(huán)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷較低，排氣溫度偏低，不利于SCR后處理裝置對(duì)NOx排放進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖5 柴油機(jī)在不同循環(huán)工況下NOx比排放量的對(duì)比

圖6 柴油機(jī)在不同循環(huán)工況下氨比排放量的對(duì)比

圖6中不同循環(huán)工況的氨比排放量變化沒有明顯規(guī)律，但是總的來說，氨比排放量要遠(yuǎn)小于NOx。5號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)氨比排放量和NOx比排放量的比值較大，ESC循環(huán)為20.7%，ETC循環(huán)為10.3%，WHTC-H循環(huán)為2.4%，說明5號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)SCR后處理裝置匹配標(biāo)定不合理。而其他發(fā)動(dòng)機(jī)的氨比排放量和NOx比排放量的比值一般都在1%以下，氨氮比水平合理，能在維持較低的氨排放條件下有效降低NOx排放。

2.3.2后處理設(shè)備對(duì)柴油機(jī)氨排放的影響

對(duì)使用不同后處理型式的柴油機(jī)進(jìn)行了ETC循環(huán)工況的排放測試，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。其中10號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是EGR+DOC+DPF技術(shù)路線，沒有氨排放產(chǎn)生。3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的后處理型式為DOC+DPF+SCR+ASC，其ETC循環(huán)的NOx排放低(0.115 g/(kW·h))，氨排放平均值也很低，說明加裝ASC氨氧化催化器能夠有效降低氨排放。7號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)在SCR前面加裝了DOC，其ETC循環(huán)的氨排放平均值為3.2×10-6，NOx比排放量為1.978 g/(kW·h)，與其他加裝SCR的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，加裝DOC對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氨排放沒有明顯影響，規(guī)律不明確。其他發(fā)動(dòng)機(jī)都是安裝SCR后處理設(shè)備，其ETC循環(huán)氨比排放量變化范圍為0.003～0.049 g/(kW·h)，氨比排放與NOx比排放的比值變化范圍為0.1%～10.3%。

圖7 不同柴油機(jī)ETC循環(huán)工況氨排放的對(duì)比

圖8示出不同后處理型式的柴油機(jī)進(jìn)行WHTC-H循環(huán)工況排放試驗(yàn)的結(jié)果，由圖8可知，其氨排放變化情況與ETC循環(huán)類似。氨比排放量變化范圍為0.006～0.139 g/(kW·h)，氨與NOx比排放的比值變化范圍為0.2%～8.2%。總的來說，發(fā)動(dòng)機(jī)的氨排放水平越高，其NOx排放值相對(duì)越低。

圖8 不同柴油機(jī)WHTC-H循環(huán)氨排放的對(duì)比

2.3.3試驗(yàn)溫度對(duì)柴油機(jī)氨排放的影響

圖9和圖10分別示出不同柴油機(jī)在WHTC循環(huán)工況下冷熱態(tài)氨和NOx排放結(jié)果的對(duì)比。從圖中看出，除了7號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)之外，熱態(tài)循環(huán)的氨排放平均值都要高于冷態(tài)，為冷態(tài)的114%～196%，而熱態(tài)循環(huán)的NOx比排放值略低于冷態(tài)，為冷態(tài)的32%～106%。

圖9 不同柴油機(jī)WHTC循環(huán)冷熱態(tài)氨排放的對(duì)比

圖10 不同柴油機(jī)WHTC循環(huán)冷熱態(tài)NOx排放的對(duì)比

圖11和圖12分別示出5號(hào)柴油機(jī)在冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況氨和NOx污染物的瞬時(shí)排放曲線。5號(hào)柴油機(jī)在WHTC循環(huán)的氨排放平均值冷態(tài)為3.7×10-6，略低于熱態(tài)的5.0×10-6，而NOx排放平均值冷態(tài)為146.3×10-6，明顯高于熱態(tài)的95.2×10-6。從圖11可以看出，在WHTC循環(huán)的前1 300 s，冷態(tài)NOx瞬態(tài)排放略高于熱態(tài)，之后兩者基本一致。而圖12顯示，前1 300 s冷態(tài)和熱態(tài)的氨排放瞬時(shí)排放都維持在一個(gè)很低的水平，其后在市郊工況出現(xiàn)了一個(gè)持續(xù)的氨排放峰值，熱態(tài)的氨排放峰值明顯高于冷態(tài)，說明熱態(tài)循環(huán)的催化劑溫度較高，尿素噴射量增大，會(huì)產(chǎn)生更多的氨泄漏。

圖11 5號(hào)柴油機(jī)在冷熱態(tài)工況瞬態(tài)NOx排放的對(duì)比

圖12 5號(hào)柴油機(jī)在冷熱態(tài)工況瞬態(tài)氨排放的對(duì)比

3 結(jié)論

a) 理論空燃比燃燒的氣體機(jī)在三效催化器達(dá)到起燃溫度后有氨排放產(chǎn)生，市郊工況中的高速加濃工況有助于三效催化器上氨排放的產(chǎn)生，與汽油車氨排放類似；

b) 對(duì)于使用SCR技術(shù)的柴油機(jī)，其氨排放與NOx排放是互逆的，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氨排放水平遠(yuǎn)低于其NOx排放，在SCR后處理器匹配標(biāo)定合理的情況下，氨比排放與NOx比排放的比值一般不大于2%；

c) 柴油機(jī)在冷態(tài)WHTC循環(huán)的氨排放低于熱態(tài)，氨排放峰值出現(xiàn)在市郊工況。