天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)氨排放控制應(yīng)用研究

張 騰，譚建偉，田茂軍，韓文濤，周偉偉，李云強(qiáng)

(1.濰柴西港新能源動(dòng)力有限公司，濰坊 261061；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊 261061)

0 概述

近年來(lái)，全球大氣中氨(NH3)的排放量急劇上升，其主要的排放源有養(yǎng)殖業(yè)、氮肥施用及汽車尾氣等[1]。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究[2]發(fā)現(xiàn)，在機(jī)動(dòng)車保有量較高的城市，大氣中NH3的主要來(lái)源是機(jī)動(dòng)車尾氣中的NH3排放，機(jī)動(dòng)車尾氣中的NH3已成為一種不可忽視的污染物。

目前中國(guó)已經(jīng)發(fā)布GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。相比于國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的測(cè)試方法要求更加嚴(yán)格，污染物限值更嚴(yán)格并且要求控制的污染物種類也有所增加，如已經(jīng)明確要求天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在全球統(tǒng)一瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)中NH3的體積分?jǐn)?shù)均值控制在10×10-6以內(nèi)。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已于2019年7月實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用理論空燃比+三元催化器(three way catalyst， TWC)的技術(shù)路線。該技術(shù)路線可以有效地降低一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、全碳?xì)浠衔?total hydrocarbons, THC)等污染物的排放,但使用TWC后也帶來(lái)了在其內(nèi)部發(fā)生的副反應(yīng)生成NH3造成二次污染的問(wèn)題,因此需要對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3的排放進(jìn)行研究及控制。

由于國(guó)五及以前法規(guī)未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3的排放進(jìn)行限制，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)對(duì)NH3排放的研究主要集中在被動(dòng)選擇性還原催化劑方面，其他方面的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[2]中對(duì)7輛中國(guó)C6認(rèn)證的低里程汽油車的尾氣氨排放量的測(cè)量表明絕大多數(shù)氨排放在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生。文獻(xiàn)[4]中對(duì)輕型車NH3排放展開(kāi)研究，得出當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)原排氣中CO濃度較高時(shí)NH3的排放也較高，同時(shí)在環(huán)境溫度較低時(shí)更容易生成大量NH3的結(jié)論。國(guó)外文獻(xiàn)[5]中的試驗(yàn)研究表明NH3主要是在TWC后生成，TWC前NH3的排放量為5 mg/km，而在TWC后NH3的排放量為20～75 mg/km。文獻(xiàn)[6]中的研究表明NH3的生成主要與發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比及環(huán)境溫度有關(guān)。文獻(xiàn)[7]中研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)CO排放對(duì)NH3排放的影響超過(guò)了NOx的影響。

柴油機(jī)的NH3排放主要來(lái)自于選擇性催化還原(selective catalytic reduction， SCR)系統(tǒng)的NH3泄漏。在國(guó)六排放階段，柴油機(jī)通常在SCR后面串聯(lián)氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst， ASC)處理發(fā)動(dòng)機(jī)的NH3排放。而對(duì)于汽油機(jī)來(lái)講，NH3排放主要來(lái)自于TWC內(nèi)的副反應(yīng)。汽油機(jī)對(duì)NH3排放的控制主要從后處理器入手，包括：調(diào)整貴金屬種類及含量、反應(yīng)溫度等參數(shù)，提高催化器的低溫催化能力，開(kāi)發(fā)不利于NH3生成的催化劑配方，采用電加熱后處理，采用雙層壁保溫排氣管等方式提高后處理催化效率；優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，特別是針對(duì)后處理老化后進(jìn)行單獨(dú)控制標(biāo)定等技術(shù)。但當(dāng)前對(duì)汽油機(jī)NH3排放沒(méi)有法規(guī)限值要求，因此并未采取實(shí)際控制策略對(duì)汽油機(jī)NH3排放進(jìn)行控制[2]。

在國(guó)五及以前的排放法規(guī)階段，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均采用稀薄燃燒+氧化催化器的技術(shù)路線，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中未產(chǎn)生NH3，所以對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放的控制技術(shù)了解不夠深入。在國(guó)六排放階段，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)與汽油機(jī)采用的后處理裝置均為TWC，因此對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放的控制可以在借鑒汽油機(jī)的控制技術(shù)的同時(shí)結(jié)合天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，探究天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放的控制技術(shù)。盡管很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)NH3生成的因素展開(kāi)了研究，但缺少針對(duì)國(guó)六階段天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放與控制在實(shí)際應(yīng)用方面的研究工作。

本研究基于裝有TWC的當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，選取天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常用工況進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，探究了過(guò)量空氣系數(shù)、TWC溫度對(duì)NH3排放的影響；并在WHTC下研究了NOx、CO等污染物對(duì)NH3排放的影響。本研究為控制國(guó)六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的NH3排放提供了有效的辦法。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

本研究中以某款天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象。該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用電控單點(diǎn)噴射，節(jié)氣門前預(yù)混合，并采用高壓廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)+理論空燃比+TWC技術(shù)路線，可滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見(jiàn)表1，試驗(yàn)臺(tái)的布置如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架布置示意圖

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)用設(shè)備

本研究用于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)的設(shè)備包含AVLDYNO FORCE ASM 3000/1.8-4.5電力測(cè)功機(jī)、HORIBA MEXA-ONE-DC直采排放分析儀和HORIBA MEXA-ONE-FT-E多組份分析儀，見(jiàn)表2。排放分析儀的測(cè)量原理、精度符合GB 17691—2018的要求。

表2 主要的測(cè)試儀器設(shè)備參數(shù)

1.3 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)

研究中采用的測(cè)試循環(huán)為國(guó)家生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布的GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的WHTC，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC運(yùn)行曲線

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3產(chǎn)生的理論分析

文獻(xiàn)[8]中研究發(fā)現(xiàn)，TWC內(nèi)的NH3主要是由反應(yīng)(1)生成的。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量的H2O和CO，而CO與H2O發(fā)生水煤氣反應(yīng)生成H2，NO被H2還原生成NH3。在TWC內(nèi)部達(dá)到起燃溫度后，TWC內(nèi)部會(huì)進(jìn)行以下化學(xué)反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由化學(xué)反應(yīng)式可知，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的NH3來(lái)源于NOx和CO及H2的反應(yīng)，CO和NOx是NH3生成的必要因素。若要控制NH3的產(chǎn)生，則必須控制NOx和H2的濃度，而H2主要來(lái)源于CO和H2O的反應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)尾氣中的H2首先與O2發(fā)生反應(yīng)生成H2O，只有O2全部消耗完H2才能與NO反應(yīng)生成NH3；但當(dāng)尾氣中有CO存在時(shí)，CO會(huì)抑制H2的氧化，增加NH3的排放，因此NH3主要在還原條件下生成[2]。實(shí)際上，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的CO更容易被控制和測(cè)量，因此通常選擇控制CO的濃度以實(shí)現(xiàn)對(duì)NH3排放的控制[5]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NH3排放的影響

為了分析發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放的影響，隨機(jī)選擇了發(fā)動(dòng)機(jī)的常用工況點(diǎn)：轉(zhuǎn)速1 500 r/min、轉(zhuǎn)矩1 000 N·m。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況并未發(fā)生改變，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量保持穩(wěn)定，對(duì)TWC的空速比的影響較小，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)忽略此參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響。試驗(yàn)中利用發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)λ，研究發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NH3排放的影響。由于發(fā)動(dòng)機(jī)采用理論空燃比技術(shù)路線，因此以發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)0.91～1.10為區(qū)間進(jìn)行研究發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放隨著過(guò)量空氣系數(shù)變化的特性，如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3與過(guò)量空氣系數(shù)的關(guān)系

由化學(xué)反應(yīng)式(1)和式(2)可知，NH3的生成受H2和CO的影響，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中H2和CO的濃度較高可能會(huì)直接導(dǎo)致較高的NH3排放。圖3表明了NH3的排放量在過(guò)量空氣系數(shù)0.91到1.10之間的變化情況，其中過(guò)量空氣系數(shù)在0.965以下時(shí)NH3排放呈現(xiàn)連續(xù)上升的趨勢(shì)；在0.965以上時(shí)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)從0.91到1.10變化過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了從缺氧到稀燃的狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)下生成的CO比較多，TWC內(nèi)部處于較強(qiáng)的還原環(huán)境，促進(jìn)NH3的生成；當(dāng)空燃比逐漸變大，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處于氧化性較強(qiáng)的環(huán)境，抑制了NH3的生成，因此產(chǎn)生的NH3也逐漸減少[2,5,8]，這與文獻(xiàn)[6]的研究結(jié)果一致。

3.2 尾氣中CO和NOx對(duì)NH3排放量的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的污染物(如CO、NOx、CmHn、H2O等)均會(huì)影響NH3的排放，但根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式(1)～式(8)可知，CO、NOx對(duì)NH3排放的影響較大且在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中占比較大，因此需要研究CO和NOx對(duì)NH3排放的影響。

3.2.1 CO對(duì)NH3排放量的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO與NH3的體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如圖4所示。隨著CO的含量的降低，NH3的排放量呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)。當(dāng)CO的濃度達(dá)到1 800×10-6～2 300×10-6時(shí)，NH3的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到180×10-6～195×10-6。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO的體積分?jǐn)?shù)大于2 300×10-6時(shí)，NH3的排放量會(huì)隨著CO濃度增加而增加。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO的含量增加使TWC處于還原性較強(qiáng)的環(huán)境中，隨著CO的含量增加，CO和H2O反應(yīng)產(chǎn)生的大量H2為NH3的生成提供了必要的條件，同時(shí)NH3被氧化的速率開(kāi)始減緩而出現(xiàn)累積，因此NH3會(huì)隨著CO濃度的增加而增多[9-10]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO的體積分?jǐn)?shù)小于2 300×10-6時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)已大于0.965，由此可知發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃?xì)饣旌蠚庵饾u變稀，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣氧含量逐漸增加，使尾氣呈現(xiàn)氧化氛圍[11]。發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中多余的O2優(yōu)先氧化消耗掉CO和H2O反應(yīng)生成的H2，破壞NH3生成的必要條件，同時(shí)還存在 NH3與尾氣中氧化物的反應(yīng)，NH3一旦生成便會(huì)被尾氣中氧化物氧化，不會(huì)有NH3的累積，因此發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放減少。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3與CO體積分?jǐn)?shù)的變化

3.2.2 NOx對(duì)NH3排放量的影響

根據(jù)NH3的化學(xué)組成元素可知，NOx主要是為NH3的生成提供氮原子，因此可認(rèn)為NH3是NOx進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物[12]，有必要研究發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx對(duì)NH3排放量的影響，如圖5所示。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放隨NOx排放的變化

由圖5分析可知，NOx的排放量與NH3關(guān)系并不明確。這主要是因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NOx濃度比較低時(shí)，根據(jù)CH4燃燒特性分析可知，此時(shí)CH4與氣缸中的氧氣反應(yīng)生成大量的CO和H2，由于H2的還原性強(qiáng)于NO等污染物，抑制了NO的生成[2,12]。當(dāng)尾氣中NOx的濃度增加時(shí)，NOx作為氧化劑參與到NH3的生成反應(yīng)中，使NH3的排放量增加，但NOx的濃度繼續(xù)增加，TWC內(nèi)部的生成的NH3就會(huì)與NOx反應(yīng)生成N2，使NH3排放降低。綜上，NH3的排放量與NOx的濃度并沒(méi)有明顯關(guān)系，因此在控制NH3排放時(shí)不參考NOx排放濃度。

3.3 三元催化器溫度對(duì)NH3排放的影響

為了研究三元催化器溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物中NH3的影響，在該試驗(yàn)中采用厚度為10 mm的保溫材料包裹排氣管路及TWC進(jìn)行保溫處理(見(jiàn)圖6)。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試條件一致，采用WHTC進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試。

圖6 包裹保溫材料的TWC

圖7給出了發(fā)動(dòng)機(jī)在WHTC工況TWC的溫度、NH3和CO濃度的瞬時(shí)變化曲線。由圖7知：TWC未包裹保溫材料時(shí)，WHTC瞬態(tài)測(cè)試中NH3峰值濃度高達(dá)306×10-6，而TWC包裹保溫材料后CO、NH3濃度明顯降低，NH3峰值濃度為63×10-6，降低了79.4%。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)WHTC循環(huán)測(cè)試

根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究，NH3的生成適宜溫度在300～350 ℃之間，當(dāng)溫度超過(guò)350 ℃后，NH3的生成率逐漸降低。在WHTC中，TWC包裹保溫材料后的溫度最低為480 ℃，其平均溫度比未包裹保溫材料時(shí)高約50 ℃，該溫度已經(jīng)超過(guò)NH3生成的適宜溫度，因此TWC包裹保溫材料可適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3排放控制方法

當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)尾氣中NH3的處理通常采用3種方式：通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)標(biāo)定調(diào)節(jié)NH3的排放、TWC串聯(lián)氨氧化催化器和采用兩級(jí)式TWC結(jié)構(gòu)。這3種技術(shù)方案都可使發(fā)動(dòng)機(jī)的NH3排放達(dá)到國(guó)六法規(guī)要求。

4.1 TWC技術(shù)方案

在發(fā)動(dòng)機(jī)使用TWC技術(shù)方案時(shí)，需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中CO的排放特別是冷起動(dòng)階段的CO排放，以控制尾氣中NH3排放。但是該技術(shù)方案對(duì)點(diǎn)火提前角、過(guò)量空氣系數(shù)等發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)的精度要求較高，而且NH3排放僅能控制在工程裕度附近。該技術(shù)方案可以滿足國(guó)六排放法規(guī)的NH3限值要求，但很難滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。

4.2 TWC+ASC的技術(shù)方案

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的NH3排放方法可以采用類似柴油機(jī)的排放控制技術(shù)路線，在TWC后面串連ASC以將尾氣中NH3催化氧化生成N2、N2O、NOx，同時(shí)催化NOx、NH3反應(yīng)生成N2，化學(xué)反應(yīng)式如下[13]：

(9)

(10)

應(yīng)用ASC可以有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)的NH3排放。ASC轉(zhuǎn)化效率在低溫下可以達(dá)到90%以上，但是700～800 ℃高溫環(huán)境下ASC的轉(zhuǎn)化效率會(huì)降至70%及以下[14]。因此發(fā)動(dòng)機(jī)在調(diào)整控制程序時(shí)需要根據(jù)ASC的劣化系數(shù)計(jì)算出NH3的原排值，同時(shí)結(jié)合TWC同步標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)性能排放數(shù)據(jù)。由于ASC可以確保NH3的排放滿足國(guó)六法規(guī)要求，因此該技術(shù)方案為發(fā)動(dòng)機(jī)排放優(yōu)化帶來(lái)很大的空間，實(shí)現(xiàn)降低TWC貴金屬含量的目標(biāo)。但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用當(dāng)量燃燒技術(shù)路線后渦后排溫比稀燃技術(shù)路線高約200 ℃，而且TWC持續(xù)進(jìn)行催化氧化還原反應(yīng)釋放出大量熱量，給TWC集成ASC帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，需要開(kāi)發(fā)適應(yīng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放溫度窗口的ASC技術(shù)方案。

采用相同催化器體積和貴金屬含量TWC分別測(cè)定在未增加ASC和增加ASC后測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)的排放值，如圖8所示。通過(guò)圖8分析可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用TWC+ASC結(jié)構(gòu)后，發(fā)動(dòng)機(jī)各排放成分的濃度均有所變化，如表3所示。這主要是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在使用TWC+ASC結(jié)構(gòu)后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)標(biāo)定時(shí)可以將過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)整至相對(duì)偏濃的工況[15-16]，既保證了TWC的高效催化轉(zhuǎn)化效率，又可使發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣處于還原性氣體和氧化性氣體同時(shí)共存的狀態(tài)下，由此使產(chǎn)生的NH3在經(jīng)過(guò)ASC后轉(zhuǎn)化為N2和H2O。

圖8 TWC和TWC+ASC排放結(jié)果對(duì)比

表3 TWC和TWC+ASC排放結(jié)果對(duì)比

4.3 兩級(jí)式TWC技術(shù)方案

由前文可知，NH3排放主要產(chǎn)生在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)及暖機(jī)階段，且受CO排放的影響較大。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)及暖機(jī)階段時(shí)，TWC未到達(dá)起燃溫度導(dǎo)致尾氣中CO排放濃度很高，約占整個(gè)排放測(cè)試循環(huán)總排放量的50%～80%[17]。而當(dāng)CO的濃度較大時(shí)生成的NH3也比較多，因此控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)及暖機(jī)階段CO的排放對(duì)控制NH3排放至關(guān)重要，快速提高催化器起燃溫度是當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制的重要環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)催化器起燃溫度提升，除采用TWC+ASC方案外，還可以采用兩級(jí)式TWC技術(shù)方案。前級(jí)TWC靠近渦輪增壓器，發(fā)動(dòng)機(jī)排溫較高可以使TWC快速到達(dá)起燃溫度，冷起動(dòng)和暖機(jī)階段的CO排放得到控制，從而可降低NH3的排放。發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)及暖機(jī)階段采用燃?xì)饧訚夥椒ㄊ拱l(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫到正常運(yùn)行狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)渦后排溫快速上升，因此有助于TWC快速達(dá)到起燃溫度可有效降低CO排放。后級(jí)TWC采用與單級(jí)TWC類似結(jié)構(gòu)，可以控制其他污染物排放。

為了分析兩級(jí)式TWC在冷起動(dòng)和暖機(jī)階段對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)NH3的排放影響，在該試驗(yàn)結(jié)果中選擇冷態(tài)WHTC循環(huán)前1/3段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知：發(fā)動(dòng)機(jī)采用兩級(jí)式TWC可以有效控制冷起動(dòng)及暖機(jī)階段的NH3排放，使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排放滿足法規(guī)要求。

圖9 兩級(jí)式TWC與TWC的NH3排放結(jié)果對(duì)比

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放控制方法需要綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)成本及后處理結(jié)構(gòu)在高溫下的催化轉(zhuǎn)化效率。綜合當(dāng)前NH3的排放控制方法分析，當(dāng)前可以選擇兩級(jí)式TWC結(jié)構(gòu)使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放達(dá)標(biāo)?？紤]到TWC+ASC技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)更方便，待開(kāi)發(fā)出適應(yīng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的ASC結(jié)構(gòu)后，TWC+ASC方案可以成為控制NH3排放的首選方法。

5 結(jié)論

(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)與NH3的排放量密切相關(guān)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)量空氣系數(shù)在0.965～1.100之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3的排放隨過(guò)量空氣系數(shù)的增加而逐漸降低；當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)在0.910～0.965之間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中NH3的排放隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加而增加。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放污染物CO與NH3的排放量密切相關(guān)。CO排放比較高時(shí)，NH3的排放也較高；但是NH3排放與NOx濃度無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制標(biāo)定時(shí)，通常需要嚴(yán)格控制CO排放。

(3) TWC是否包裹保溫材料對(duì)NH3的排放有較大的影響，包裹保溫材料后TWC溫度升高50 ℃左右，NH3排放峰值降低79.4%。

(4) 當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)NH3排放控制建議使用兩級(jí)式TWC結(jié)構(gòu)，保證TWC快速達(dá)到起燃溫度從而有效地降低NH3的排放；待開(kāi)發(fā)出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)專用ASC結(jié)構(gòu)后，TWC+ASC技術(shù)方案將成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制的首選方案。