基于WLTC和NEDC循環(huán)的輕型車氨排放特性研究*

羅佳鑫，崔健超，譚建偉，楊正軍，朱慶功

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2.一汽豐田技術(shù)開發(fā)有限公司，天津 300462；3.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

前言

在交通對(duì)氨排放的貢獻(xiàn)中，重型車的氨排放主要來源于 SCR（selective catalytic reduction）的氨泄漏，而在城市區(qū)域保有量占主要地位的輕型車同樣也會(huì)產(chǎn)生氨排放，輕型車氨排放的主要來源是三元催化器內(nèi)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。目前研究認(rèn)為，三元催化器內(nèi)氨的主要生成反應(yīng)是在催化劑的作用下，CO與H2O發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成H2，NO被H2還原生成氨［5-7］，其生成機(jī)理為

本文中主要針對(duì)輕型汽油車在實(shí)驗(yàn)室工況（NEDC工況循環(huán)與WLTC工況循環(huán)）下氨的排放特性進(jìn)行了研究，內(nèi)容包括輕型汽油車行駛過程中氨生成的主要工況、機(jī)動(dòng)車在使用過程中氨排放的變化情況和在不同環(huán)境溫度條件下輕型車的氨排放情況。

1 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)車輛與設(shè)備

1.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

本文中涉及的試驗(yàn)車輛共3輛，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

主要使用的試驗(yàn)設(shè)備見表2，其中底盤測(cè)功機(jī)為四驅(qū)型，環(huán)境艙可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境溫度從-7到40℃的改變。

1.2 試驗(yàn)方案

氨與常規(guī)污染物的理化特性存在較大差異，因此需要采用與常規(guī)污染物不同的采樣分析策略。由于氨是極易溶于水的氣體，可能被管壁吸收，氣袋采樣和全流稀釋采樣可能會(huì)導(dǎo)致氨被吸收同時(shí)出現(xiàn)采樣分析延遲，因此不適用于對(duì)氨的采樣和分析，直采法可減少管路中水蒸氣冷凝造成的氨損失，因此本文中采用直采法進(jìn)行采樣，利用傅里葉變化紅外測(cè)試法（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）進(jìn)行分析。此外為了最大程度減少氨的損失，對(duì)氨的采樣位置盡量靠近排氣管出口，同時(shí)在進(jìn)行采樣前使用標(biāo)準(zhǔn)氣與純氮?dú)鈽?biāo)定分析儀的量程與零點(diǎn)，標(biāo)定完成后使用加熱的純氮?dú)鈱?duì)采樣管路進(jìn)行吹掃。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

本文中對(duì)試驗(yàn)車輛采用的測(cè)試工況為國五法規(guī)規(guī)定的NEDC循環(huán)與國六法規(guī)規(guī)定的WLTC循環(huán)，其中試驗(yàn)車A進(jìn)行常溫冷起動(dòng)污染物排放試驗(yàn)，在三元催化器前后分別進(jìn)行采樣，測(cè)試循環(huán)為WLTC工況循環(huán)，通過對(duì)比可得三元催化器前后的常規(guī)污染物與氨的瞬態(tài)排放特性以及排放因子；試驗(yàn)車B進(jìn)行了國五法規(guī)中規(guī)定的V型試驗(yàn)即耐久性試驗(yàn)，每1萬km進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)I型試驗(yàn)（NEDC工況循環(huán)），并對(duì)氨與常規(guī)污染物的排放情況進(jìn)行分析；試驗(yàn)車C進(jìn)行不同環(huán)境溫度條件下的排放試驗(yàn)，其中低溫環(huán)境為-7℃，高溫環(huán)境為40℃，試驗(yàn)工況為WLTC循環(huán)。

2 結(jié)果分析

2.1 常溫冷起動(dòng)下輕型車排放特性

對(duì)輕型汽油車A發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣與經(jīng)過三元催化器凈化后的氣體成分進(jìn)行分析，表3為三元催化器前后常規(guī)污染物與氨的排放情況對(duì)比。由表3可知，試驗(yàn)車A的原始排放較差，CO與 NOx濃度較高，經(jīng)過三元催化器后，原排氣中的NOx與CO在催化劑的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，體積濃度與質(zhì)量排放大大降低，三元催化器對(duì)NOx的催化效率可達(dá)95.49%，對(duì)CO的催化效率為64.09%。NOx向氨轉(zhuǎn)化的選擇性的計(jì)算公式［6］為

馮曉暉[2]建議教師合理、充分地利用各種模塊的教學(xué)功能，將網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的移動(dòng)資源進(jìn)行整合，并且全面地應(yīng)用到實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道變得越來越豐富。所以，在線開放課程的智能手機(jī)APP教學(xué)模式的應(yīng)用值得探索和推廣，具有非常重要的意義。

式中：S表示NOx向氨轉(zhuǎn)化的選擇性；EFi表示排放因子，g／km；MNOx取 30 g／mol；MNH3取 17 g／mol。由式（4）算得在整個(gè)循環(huán)內(nèi)NOx向氨轉(zhuǎn)化的選擇性為6.13%。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)原排放與經(jīng)過三元催化器后的排放對(duì)比

圖1為在整個(gè)WLTC循環(huán)內(nèi)三元催化器前后氨的瞬態(tài)體積濃度。結(jié)合表3和圖1，對(duì)比三元催化器前后氨的瞬態(tài)排放可知，在三元催化器前，氨的濃度極低，在缸內(nèi)燃燒的過程中并沒有產(chǎn)生氨，然而原始排氣經(jīng)過三元催化器后，氨的濃度急劇增加，證明氨是三元催化器內(nèi)部氧化還原反應(yīng)的副產(chǎn)物。綜合表1中的排氣成分，根據(jù)元素守恒與電子守恒，認(rèn)為三元催化器內(nèi)反應(yīng)生成氨的過程中，N原子的來源應(yīng)為氮氧化物（主要為NO），氮氧化物起氧化劑作用，H原子可能來源于THC或水蒸氣中脫離的H原子［6-7］，主要還原劑為 CO。

由試驗(yàn)車A的氨瞬態(tài)排放特性可知，氨生成的工況主要集中于循環(huán)內(nèi)車輛的加速過程，為進(jìn)一步分析車輛在加速過程中氨的排放情況，計(jì)算了整個(gè)循環(huán)內(nèi)基于不同車速和加速區(qū)間的氨排放因子，其中加速區(qū)間的劃分通過計(jì)算（v·a）實(shí)現(xiàn)［8］。圖2為不同加速區(qū)間內(nèi)的氨排放因子。由圖2可知，加速工況尤其是在高速段與超高速段持續(xù)時(shí)間較長的加速工況是導(dǎo)致氨排放生成較高的行駛工況，隨著加速程度的增加，氨排放因子呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中最大氨排放因子可達(dá)181.99 mg／km。另外，頻繁起停工況下的氨排放因子同樣較高，在城市區(qū)域早晚高峰時(shí)段，道路較為擁堵，此時(shí)起停工況發(fā)生頻繁，因此頻繁起停工況下的氨排放須引起關(guān)注。

圖1 三元催化器前后氨的體積濃度對(duì)比

圖2 不同車速與加速區(qū)間內(nèi)的氨排放因子

圖3為不同車速區(qū)間內(nèi)NOx向氨轉(zhuǎn)化的選擇性。由圖可知：當(dāng)車速高于20 km／h時(shí)，選擇性穩(wěn)定在10%以下；在車速較低時(shí)，選擇性最高可達(dá)38.02%。因此，NOx向氨轉(zhuǎn)化的最高選擇性發(fā)生于車速較低的工況。

圖3 不同車速區(qū)間內(nèi)NO x的選擇性

機(jī)動(dòng)車比功率（vehicle specific power，VSP）的物理意義是發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單位質(zhì)量（1 t）車輛時(shí)所輸出的功率，單位為 kW／t，其計(jì)算公式［8］為

式中θ為道路坡度，本文中取0。

近年來，多種宏觀或微觀排放模型中采用了基于VSP值的建模分析方法，為更好地分析車輛在不同行駛過程中的氨排放，本文中計(jì)算了在不同VSP區(qū)間內(nèi)的氨排放因子。

圖4為不同VSP區(qū)間內(nèi)氨的排放因子。由圖4可知，隨著VSP值的增大，氨的排放因子呈增長趨勢(shì)，VSP值的增大意味著車輛的行駛速度或加速度較大，說明隨著車輛行駛速度或加速度的提升，氨排放因子增大。VSP值在［-0.5，0.5］區(qū)間內(nèi)時(shí)，氨排放因子出現(xiàn)階段性的極值，該區(qū)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛工況為起停工況。VSP值在［20.5，21.5］區(qū)間內(nèi)時(shí)，氨排放因子出現(xiàn)最大值，為109.67 mg／km。

由上述分析可知，試驗(yàn)車A在加速工況中生成的氨較多。圖5為循環(huán)內(nèi)氨（三元催化器內(nèi)生成量）與CO（三元催化器前）排放的相關(guān)關(guān)系。由圖可知，CO與氨之間存在一定的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.781 7。造成該現(xiàn)象的主要原因是CO濃度較大時(shí)，三元催化器內(nèi)部將呈現(xiàn)還原環(huán)境，從而有利于氨的生成。

圖4 不同VSP區(qū)間內(nèi)氨的排放因子

圖5 氨與CO的相關(guān)關(guān)系

試驗(yàn)車A采用的技術(shù)方案為多點(diǎn)噴射（MPI）＋自然吸氣（NA），該試驗(yàn)車燃油噴射點(diǎn)均位于進(jìn)氣道內(nèi)。在加速等需要加大負(fù)荷時(shí)，采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要通過增加噴油量（保證空燃比工作在化學(xué)計(jì)量比附近）提供更大功率，而采用進(jìn)氣道噴射技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)增加功率的方式為增大節(jié)氣門開度，調(diào)整過量空氣系數(shù)，向缸內(nèi)噴入較濃的混合氣；同時(shí)，采用渦輪增壓進(jìn)氣形式的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量更充足，過量空氣系數(shù)高于自然吸氣形式，在加速過程中自然吸氣形式發(fā)動(dòng)機(jī)更容易在缸內(nèi)出現(xiàn)較濃混合氣。因此，在循環(huán)過程中需要加速時(shí)，試驗(yàn)車A噴入的混合氣較濃，燃料不完全燃燒加劇，導(dǎo)致原始排氣中CO排放較高，進(jìn)入三元催化器后，極易造成較強(qiáng)的還原環(huán)境而促進(jìn)氨的生成。本文中認(rèn)為采用進(jìn)氣道噴射與自然吸氣技術(shù)方案的輕型汽油車更容易產(chǎn)生高CO排放，進(jìn)而導(dǎo)致高的氨排放。

2.2 耐久性試驗(yàn)排放結(jié)果

本文中對(duì)試驗(yàn)車B進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，圖6為在不同行駛里程下NEDC循環(huán)內(nèi)氨的體積濃度排放情況。由圖6可知，在車輛行駛里程增加的過程中，試驗(yàn)車B的氨瞬態(tài)排放特性規(guī)律較為一致，氨生成的工況主要集中于冷起動(dòng)過程中三元催化器達(dá)到起燃溫度后的兩個(gè)加速過程，同時(shí)里程的增加伴隨著氨體積濃度的上升。

圖6 不同里程的氨排放

與試驗(yàn)車A不同的是，試驗(yàn)車B在冷起動(dòng)完成后的其它行駛階段內(nèi)氨排放量較少，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因主要是由于試驗(yàn)車B采用了GDI＋渦輪增壓技術(shù)，在冷起動(dòng)階段為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的需要，噴入缸內(nèi)的混合氣較濃，原始排放中CO濃度較高，還原環(huán)境始終較強(qiáng)，較強(qiáng)的還原環(huán)境導(dǎo)致大量氨的生成。而在冷起動(dòng)過程結(jié)束后，采用閉環(huán)控制的缸內(nèi)直噴技術(shù)導(dǎo)致缸內(nèi)不會(huì)長時(shí)間持續(xù)出現(xiàn)過濃混合氣，原始排氣中CO濃度始終較低，導(dǎo)致三元催化器內(nèi)還原環(huán)境較弱，氨生成量較少。

此外，隨著里程的增加，在0～8萬km范圍內(nèi)，氨排放呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。圖7為在0～8萬km范圍內(nèi)常規(guī)污染物與氨的排放因子變化情況。由圖7可知，在里程增加的過程中，CO的增加趨勢(shì)較為明顯，里程為8萬km時(shí)的排放因子為125.82 mg／km，可達(dá) 1萬 km時(shí)排放因子（55.33 mg／km）的2.27倍；氨排放呈現(xiàn)整體上升趨勢(shì)，當(dāng)里程達(dá)到8萬km時(shí)，氨的排放因子為1.47 mg／km，為1萬km時(shí)排放因子（0.319 mg／km）的4.62倍。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)CO與氨排放因子呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)，在CO排放較高的里程點(diǎn)，氨排放因子同樣較高，而氨與NOx之間存在輕微的負(fù)相關(guān)。

圖7 不同里程下的排放因子

在進(jìn)行耐久性試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)原排放將出現(xiàn)惡化的趨勢(shì)，同時(shí)后處理系統(tǒng)會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，發(fā)動(dòng)機(jī)原排放的惡化將導(dǎo)致進(jìn)入三元催化器內(nèi)的反應(yīng)物的濃度較高，有利于氨的生成，三元催化劑的老化將導(dǎo)致對(duì)NOx催化效率的下降，催化效率的下降同樣有利于氨的生成，導(dǎo)致氨排放隨里程增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.3 不同環(huán)境溫度下排放結(jié)果的分析

環(huán)境溫度的變化也會(huì)對(duì)輕型車的排放情況產(chǎn)生影響，因此有必要研究不同環(huán)境溫度下輕型車的氨排放情況。本文中利用環(huán)境艙對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用試驗(yàn)車C進(jìn)行了低溫（-7℃）與高溫環(huán)境（40℃）下的試驗(yàn)。圖8和圖9分別為在兩種環(huán)境溫度下氨與CO排放的瞬態(tài)體積濃度。由于不同溫度條件下的排放差異主要集中在冷起動(dòng)階段，因此圖8和圖9中截取了WLTC循環(huán)中的低速段與中速段數(shù)據(jù)。

表4為不同環(huán)境溫度條件下CO，NOx和氨的排放因子。結(jié)合圖8和圖9可知，與高溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下的冷起動(dòng)過程中輕型車氨與CO排放相對(duì)較高。低溫條件下，車輛在冷起動(dòng)過程中，由于進(jìn)氣溫度較低，燃油霧化較差，缸內(nèi)燃燒溫度低，滯燃期增長，燃燒不充分程度加劇，同時(shí)為了發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)和盡快完成暖機(jī)過程，須進(jìn)行附加的混合氣加濃，進(jìn)一步導(dǎo)致原始排放中CO濃度增加，進(jìn)入三元催化器后，導(dǎo)致三元催化器內(nèi)還原環(huán)境較強(qiáng)，氨的生成量較高。

圖8 不同環(huán)境溫度下氨的體積濃度

圖9 不同環(huán)境溫度下CO的體積濃度

表4 不同環(huán)境溫度下的排放因子

而在高溫條件下，燃油霧化情況較好，不完全燃燒程度較低，因此氨的生成量較少。同時(shí)，高溫環(huán)境下三元催化器達(dá)到起燃溫度的時(shí)間較短，因此氨出現(xiàn)的時(shí)刻要早于低溫環(huán)境。綜上所述，低溫環(huán)境下冷起動(dòng)過程將產(chǎn)生大量的CO與氨排放，高溫環(huán)境下產(chǎn)生的CO與氨排放較少。

3 結(jié)論

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣進(jìn)入三元催化器后，發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成副產(chǎn)物氨。持續(xù)時(shí)間較長的加速工況是氨生成的主要工況。原始排放中較高的CO排放將有利于氨的生成，采用進(jìn)氣道噴射與自然吸氣技術(shù)方案的輕型車更容易產(chǎn)生高的氨排放。

（2）隨著行駛里程的增加，氨排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在不同里程下氨與CO排放因子呈正相關(guān)。

（3）環(huán)境溫度對(duì)輕型車氨排放的影響主要集中于冷起動(dòng)階段，低溫環(huán)境更容易產(chǎn)生較高的CO與氨排放。

在后續(xù)的研究過程中，將利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架研究不同類型發(fā)動(dòng)機(jī)原始尾氣排放對(duì)三元催化器內(nèi)氨生成的相關(guān)影響。