當(dāng)量比天然氣發(fā)動機氨排放特性研究

田茂軍，唐 卜，徐 輝，張 騰，康 嬋

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.濰柴西港新能源動力有限公司，濰坊 261061)

0 概述

NH3是一種刺激性有毒氣體，能與大氣中的NOx、SO2等發(fā)生中和反應(yīng)生成各種銨鹽并導(dǎo)致二次顆粒污染。銨鹽對粒徑小于2.5 μm的顆粒物(PM2.5)具有穩(wěn)定和促進作用[1]，而PM2.5是導(dǎo)致霧霾的重要因素。農(nóng)業(yè)源是大氣中NH3的最主要排放源。隨著社會的發(fā)展，機動車保有量逐年上升，據(jù)公安部信息披露，截至2019年底全國機動車保有量已達(dá)到3.48億輛，其中小型載客汽車保有量達(dá)2.20億輛。對于車輛密集的城市地區(qū)，機動車尾氣已經(jīng)取代農(nóng)業(yè)活動，成為大氣中NH3濃度的首要影響因素[2]。機動車尾氣污染物主要有NOx、HC、CO、顆粒物(particulate matter, PM)、NH3，其中NOx、HC、CO、PM是機動車尾氣污染控制的主要研究對象，文獻(xiàn)[3-5]等對此已經(jīng)開展了大量研究。中國現(xiàn)執(zhí)行的輕型車第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)未對NH3設(shè)定明確的排放限值[6]，導(dǎo)致公眾對汽車源NH3排放未引起足夠重視。現(xiàn)有文獻(xiàn)對汽車源NH3排放的研究較少，主要集中在NH3的區(qū)域時空分布和排放總量估算上[7-12]，針對汽車源NH3排放產(chǎn)生機理雖然已經(jīng)開展了一些研究，但大多局限在選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)系統(tǒng)柴油機和輕型車。文獻(xiàn)[13]中對加裝SCR的柴油機NH3排放進行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)NH3產(chǎn)生的原因主要是尿素噴射釋放的NH3沒有完全與NOx反應(yīng)。文獻(xiàn)[14]中對不同里程、不同排量、不同排放階段的輕型車NH3排放進行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)車輛在加速過程中產(chǎn)生的NH3比低速工況時多，天然氣(natural gas, NG)燃料車輛在城郊工況NH3排放高于汽油燃料車輛。文獻(xiàn)[15]中對全球輕型汽車駕駛循環(huán)(worldwide light-duty test cycle, WLTC)下汽油車的NH3排放進行了研究，發(fā)現(xiàn)加速過程會通過直接或間接影響CO和NOx的排放間接影響NH3的生成。文獻(xiàn)[16]中對柴油機和天然氣發(fā)動機NH3排放進行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)市郊高速加濃工況有助于NH3的生成。文獻(xiàn)[17]中研究發(fā)現(xiàn)三元催化器(three-way catalyst, TWC)內(nèi)部會發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

雖然重型車保有量比輕型車少，但其單機排量大，相同排氣污染物濃度下，其單機污染物排放量高，因此針對重型車用發(fā)動機開展NH3排放研究對控制大氣中NH3排放水平具有顯著意義。當(dāng)前中國正在逐步推行重型車第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 17691—2018)[18]。為滿足標(biāo)準(zhǔn)對污染物的控制要求，發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)也將天然氣發(fā)動機排放控制策略從稀薄燃燒+氧化催化器轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)量比燃燒+TWC。排放控制策略的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致污染物排放特性變化，但公開的文獻(xiàn)中鮮有針對重型車用當(dāng)量比天然氣發(fā)動機NH3排放特性的研究。

在一臺具備燃料自適應(yīng)性的當(dāng)量比天然氣發(fā)動機上進行試驗，采用傅里葉變換紅外光譜儀重點研究了不同的發(fā)動機運行工況下，當(dāng)量比天然氣發(fā)動機TWC前的各組分排氣污染物濃度變化、排氣溫度變化及廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)率變化對TWC 后NH3排放的影響，對控制天然氣發(fā)動機NH3排放具有重要指導(dǎo)意義，為NH3排放的臺架標(biāo)定控制提供了一定的理論參考。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

本文采用一臺滿足GB17691—2018法規(guī)b階段排放要求的當(dāng)量比天然氣發(fā)動機，其發(fā)動機及后處理的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機及后處理的主要技術(shù)參數(shù)

試驗采用HORIBA MEXA-ONE-FT-E傅里葉變換紅外線光譜儀對TWC前后的NH3進行測量，采用HORIBA MEXA-ONE-DC排氣分析儀對TWC前后的CO、CH4、NOx進行測量。圖1為測試系統(tǒng)布置圖，其中CFV為臨界文丘里管(critical flow Venturi)。

圖1 測試系統(tǒng)布置

1.2 試驗方案

本文研究當(dāng)量比天然氣發(fā)動機加裝TWC后NH3排放特性。試驗方案如下：(1) 按GB/T 18297—2001標(biāo)準(zhǔn)進行外特性測試，選取發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速點及以下轉(zhuǎn)速每100 r/min選一個測試點，共12個測試點。(2) 按GB/T 18297—2001標(biāo)準(zhǔn)選取具有代表性的轉(zhuǎn)速進行負(fù)荷特性測試，本文中選取最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速，每10%負(fù)荷一個測試點。(3) 同一轉(zhuǎn)速和負(fù)荷以不同加速時間加載到另一相同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷。(4) 分別使用市售天然氣和低熱值基準(zhǔn)燃料G25按GB 17691—2018規(guī)定的世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)進行冷、熱態(tài)測試。市售液化天然氣(LNG)和G25主要參數(shù)如表2所示。

表2 市售LNG和G25主要參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 外特性狀態(tài)下NH3排放分析

經(jīng)外特性和WHTC冷、熱態(tài)循環(huán)試驗測量TWC前NH3排放發(fā)現(xiàn)發(fā)動機原始排氣中無NH3排放,但經(jīng)過TWC催化反應(yīng)后，尾氣中存在NH3。與SCR不同，TWC催化反應(yīng)過程不需要添加任何反應(yīng)劑，NH3不可能來源于反應(yīng)劑的裂化分解。由此可知，NH3是發(fā)動機原始排氣經(jīng)過TWC的催化反應(yīng)產(chǎn)物。

圖2是外特性狀態(tài)下TWC前污染物排放NOx、CO、CH4和TWC后NH3的排放結(jié)果。由圖2可知，隨轉(zhuǎn)速升高，TWC后NH3排放明顯升高。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 100 r/min時NH3排放均低于重型車國六標(biāo)準(zhǔn)排放限值(10×10-6)[10]，測量結(jié)果最低為4.3 mL/m3；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于 1 100 r/min 時，NH3排放均高于重型車國六標(biāo)準(zhǔn)排放限值，測量結(jié)果最高達(dá)23.8×10-6。外特性下發(fā)動機原始排氣中NOx濃度較高，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于1 000 r/min時發(fā)動機原始排氣NOx濃度明顯下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 400 r/min后NOx濃度相對穩(wěn)定，隨轉(zhuǎn)速的升高NOx濃度變化不再顯著。外特性下發(fā)動機原始排氣中CO和CH4濃度同樣較高，CO濃度隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高先下降后升高。CH4排放特征與CO相似，但變化幅度相對不顯著。由圖2可知，在轉(zhuǎn)速低于1 000 r/min和高于 1 800 r/min 的兩段轉(zhuǎn)速區(qū)間，原機CO、CH4濃度相當(dāng)；在低轉(zhuǎn)速區(qū)間NOx濃度明顯升高，NH3濃度明顯降低。因此當(dāng)原機CO和CH4濃度保持穩(wěn)定時，提高NOx濃度可在一定程度上抑制NH3的產(chǎn)生。

圖2 外特性TWC前排氣污染物排放和TWC后NH3排放

外特性狀態(tài)下TWC前排放和EGR率見圖3。由圖3可知，EGR率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高而不斷增加，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時EGR率較低，在800 r/min時僅為1.3%，當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為 1 900 r/min 時EGR率最高，為17.3%。該天然氣發(fā)動機采用當(dāng)量比燃燒技術(shù)路線。為降低缸蓋、活塞、增壓器等零部件的熱負(fù)荷，同時降低發(fā)動機爆震傾向，在外特性下隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高而不斷加大EGR率。隨EGR率增大，引入的惰性氣體增加，缸內(nèi)氣體熱容增加，從而遲滯火焰?zhèn)鞑ニ俣龋档妥罡呷紵龎毫?，降低最高排氣溫度，能有效控制發(fā)動機熱負(fù)荷。由圖4可知外特性下隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高，TWC入口排氣溫度增加不顯著，除 1 000 r/min 以下的轉(zhuǎn)速區(qū)間外排溫始終保持在650 ℃左右，即隨轉(zhuǎn)速增加而提高EGR率的目的在于將發(fā)動機熱負(fù)荷控制在合理范圍內(nèi)。EGR率對該發(fā)動機NOx原機排放的影響有限，但隨著EGR率的增加，缸內(nèi)燃燒條件惡化，導(dǎo)致CO排放明顯增加。

圖3 外特性TWC前污染物排放和EGR率

圖4 外特性TWC入口排氣溫度和EGR率

圖5是1 100 r/min滿負(fù)荷時不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放。由圖5可知：在EGR率低于10%時，隨EGR率的提高，發(fā)動機TWC前NOx、CO、CH4濃度相對穩(wěn)定；但當(dāng)EGR率高于10%后，隨EGR率的提高，發(fā)動機原機NOx排放不斷降低，CO排放不斷增加，但NOx隨EGR率提高的降低幅度不如CO增加的幅度大，CH4排放特性與CO相似但變化幅度無CO明顯。TWC后NH3排放隨發(fā)動機原機CO和CH4排放的提高及NOx排放的降低而不斷增加，較高的EGR率能促進NH3的產(chǎn)生。

圖5 滿負(fù)荷不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

2.2 負(fù)荷特性狀態(tài)下NH3排放分析

最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 100 r/min負(fù)荷特性狀態(tài)下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放見圖6。由圖6可知：隨著負(fù)荷的增加，TWC前NOx濃度快速增加；當(dāng)負(fù)荷超過80%后，TWC前NOx濃度隨負(fù)荷變化不再顯著。隨發(fā)動機負(fù)荷的增加TWC前CO濃度不斷降低；在50%～70%負(fù)荷區(qū)間CO濃度達(dá)到最低值且在該負(fù)荷范圍較穩(wěn)定，濃度變化不顯著；在接近滿負(fù)荷區(qū)域，TWC前CO排放再次升高。CH4隨發(fā)動機負(fù)荷變化特性與CO相似。在負(fù)荷低于50%時，TWC后NH3濃度隨負(fù)荷的增加而降低；在60%負(fù)荷時達(dá)到最低值；當(dāng)負(fù)荷超過60%后，TWC后NH3排放隨負(fù)荷的增加有所回升，但NH3排放相對穩(wěn)定，隨負(fù)荷的增加變化不大。

圖6 負(fù)荷特性TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 100 r/min負(fù)荷特性狀態(tài)下TWC前污染物排放和EGR率見圖7。在發(fā)動機中低負(fù)荷時EGR率均為0，當(dāng)負(fù)荷高于70%時EGR率不斷增大，滿負(fù)荷時EGR率最大。在發(fā)動機負(fù)荷較低時，因缸內(nèi)燃燒條件較差，CO和CH4排放較高，而NOx排放較低；隨負(fù)荷的增加，缸內(nèi)燃燒條件改善，CO和CH4排放不斷降低，NOx排放不斷增加；當(dāng)負(fù)荷超過70%之后，由于EGR廢氣的引入及EGR率的增加，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)惡化，CO和CH4排放有所提高，NOx排放不再隨負(fù)荷的提高而增加。由式(1)～式(3)可知，CO有利于NH3的產(chǎn)生，所以低負(fù)荷時較高的CO原機排放導(dǎo)致了較高的NH3排放；高負(fù)荷時CO濃度與低負(fù)荷相當(dāng)，而NOx濃度明顯增加，因為NOx具備較強的氧化性而NH3是還原性氣體，所以高負(fù)荷下原機CO和CH4保持穩(wěn)定而NOx濃度提高可一定程度抑制NH3的產(chǎn)生。

圖7 負(fù)荷特性TWC前污染物排放和EGR率

最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速1 100 r/min負(fù)荷特性TWC入口排氣溫度和TWC后NH3排放見圖8。由圖8可知，因發(fā)動機采用當(dāng)量比控制策略同時高負(fù)荷時采用EGR控制發(fā)動機熱負(fù)荷，所以發(fā)動機排氣溫度隨發(fā)動機負(fù)荷增加而增加，但排氣溫度均較高，且高負(fù)荷時發(fā)動機排氣溫度隨發(fā)動機負(fù)荷增加升高不顯著。由圖8也可知在該轉(zhuǎn)速的負(fù)荷特性下NH3排放與發(fā)動機溫度無顯著相關(guān)性。

圖8 負(fù)荷特性TWC入口排氣溫度和TWC后NH3排放

2.3 負(fù)荷加載過程NH3排放分析

圖9、圖10、圖11分別是在900 r/min、15%負(fù)荷工況點以3.0 s、1.0 s、0.1 s加速時間加載到 900 r/min、70%負(fù)荷工況點然后穩(wěn)定20 s的加載過程中TWC前各污染物排放和TWC后NH3排放。由圖可知，在負(fù)荷加載過程中，加速時間越短，加速過程中TWC后的NH3排放峰值越高，加速時間為3.0 s時NH3體積分?jǐn)?shù)峰值為11.3×10-6,當(dāng)加速時間為1.0 s時NH3體積分?jǐn)?shù)峰值為23.2×10-6。當(dāng)加速時間為0.1 s時NH3體積分?jǐn)?shù)峰值為53.8×10-6。該轉(zhuǎn)速下外特性狀態(tài)時NH3體積分?jǐn)?shù)為5.5×10-6。由此可知TWC后NH3排放與加載速度正相關(guān)，且當(dāng)發(fā)動機急速加載時，NH3排放的峰值較外特性狀態(tài)下顯著提高，加載速度是影響NH3峰值排放的關(guān)鍵因素。

圖9 3.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

圖10 1.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

圖11 0.1 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

不同的負(fù)荷加載過程中，TWC前NOx濃度均有所提高，但其過程中的峰值差異不大，該加載過程NOx排放峰值與該轉(zhuǎn)速外特性狀態(tài)下接近。但TWC前CO和CH4的濃度差異顯著，加載時間越短，加載過程TWC前的CO和CH4排放峰值越高，同時TWC前CO和CH4排放的變化特性相似。加速時間為3.0 s時，TWC前CO和CH4排放峰值分別為4 170×10-6和5 394×10-6；當(dāng)加速時間為1.0 s時，TWC前CO和CH4排放峰值分別為 4 621×10-6和6 206×10-6；當(dāng)加速時間為0.1 s時，TWC前的CO和CH4排放峰值分別為 6 566×10-6和7 702×10-6。該加載過程NOx排放峰值差異不顯著，因此在加載過程中，加載速度通過影響CO和CH4排放而影響TWC后NH3排放，急速的加載能促進NH3的產(chǎn)生。

2.4 WHTC試驗結(jié)果分析

使用市售LNG和G25按GB 17691—2018規(guī)定的WHTC進行冷、熱態(tài)循環(huán)的測試結(jié)果見表3。

表3 WHTC試驗結(jié)果

雖然各污染物的排放結(jié)果有差異，但差異不顯著，且污染物互有漲跌，無規(guī)律性，因此該差異應(yīng)歸屬于測試系統(tǒng)測量誤差和測量不確定度范疇。市售LNG和G25燃料進行WHTC冷、熱態(tài)測試循環(huán)功均為31.6 kW·h，循環(huán)比氣耗分別為242 g/(kW·h)、 303 g/(kW·h)。用G25燃料進行測試時，循環(huán)比氣耗相比使用天然氣時增加25.2%，由表2的燃?xì)饨M份的差異可計算出兩者單位質(zhì)量CH4含量偏差為26.5%，循環(huán)比氣耗差異與燃料組分差異相當(dāng)。因該天然氣發(fā)動機具備燃料自適應(yīng)性，針對不同燃料成分可以通過調(diào)節(jié)燃料噴射量適應(yīng)各種燃料成分的變化，保證發(fā)動機動力輸出的一致性，因此該當(dāng)量比天然氣發(fā)動機燃料成分的差異對發(fā)動機動力性和氣態(tài)污染物的排放結(jié)果無影響。

表4是增壓器出口至TWC入口排氣管路包裹保溫材料與不保溫兩種狀態(tài)下分別進行WHTC熱態(tài)循環(huán)的NH3排放結(jié)果與TWC入口循環(huán)平均排氣溫度。分析循環(huán)過程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，TWC入口溫度在循環(huán)開始15 s后即高于350 ℃，兩個循環(huán)的最高溫度為651 ℃。由此可知TWC入口排氣溫度對NH3排放存在影響，當(dāng)TWC入口溫度處于催化器反應(yīng)正常工作溫度范圍時，較低的排氣溫度對NH3的產(chǎn)生有促進作用。該結(jié)論與文獻(xiàn)[19]相悖，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，兩者所用TWC涂層的貴金屬種類不同，這是產(chǎn)生該差異的因素之一。

表4 WHTC熱態(tài)試驗結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)量比天然氣發(fā)動機原始排氣中無NH3排放，發(fā)動機原始排氣經(jīng)過TWC時的催化反應(yīng)是其產(chǎn)生NH3排放的根本原因。

(2) 當(dāng)CO和CH4濃度保持穩(wěn)定時，提高NOx濃度可一定程度上抑制NH3的產(chǎn)生。

(3) 外特性下采用較高的EGR率可通過降低原機NOx排放及提高CO和CH4濃度促進NH3的產(chǎn)生。

(4) 在負(fù)荷加載過程中，加載速度通過影響原機CO和CH4排放進而影響NH3排放，急速的加載過程能促進NH3的產(chǎn)生。

(5) 具備燃料自適應(yīng)性的天然氣發(fā)動機可針對不同的燃料成分調(diào)節(jié)燃料噴射量，燃料成分的差異對發(fā)動機動力性和氣態(tài)污染物排放無影響。

(6) 排氣溫度對NH3排放存在影響，當(dāng)TWC入口溫度處于催化器正常工作溫度范圍時，較低的排氣溫度對NH3的產(chǎn)生有促進作用。