汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒NOx后處理系統(tǒng)試驗(yàn)研究

李鈺懷,張 凱,羅亨波,李 薛,杜家坤,陳 泓

(1. 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

0 概述

隨著節(jié)能減排和油耗法規(guī)收緊，45%甚至更高有效熱效率的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)成為追求的目標(biāo)。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒能提高混合氣的絕熱指數(shù)，降低燃燒溫度，抑制爆震，是實(shí)現(xiàn)45%熱效率的有效手段[1-2]。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒能提高5%～10%燃油經(jīng)濟(jì)性，此外還能降低CO、H2、碳?xì)浠衔?HC)等排放。然而，在過量空氣系數(shù)大于1時(shí)，傳統(tǒng)汽油機(jī)后處理系統(tǒng)三效催化器(three-way catalytic，TWC)對(duì)NOx的催化能力急劇下降，導(dǎo)致NOx排放超標(biāo)[3-5]。

稀燃NOx捕集器(lean NOxtrap, LNT)能吸附稀薄燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx，濃燃時(shí)排氣中的還原性氣體如HC、CO 等能將LNT脫附出的NOx還原為N2。傳統(tǒng)的TWC在濃燃時(shí)能產(chǎn)生NH3,儲(chǔ)存在被動(dòng)選擇性催化還原器(passive selective catalytic reduction, PSCR)中。NH3有很強(qiáng)的還原性，能在稀燃時(shí)將NOx還原成N2和H2O[5-9]。此外，TWC能增強(qiáng)LNT的性能。LNT與PSCR在處理NOx排放上有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的關(guān)系。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒模式在濃稀之間切換， TWC+LNT、TWC+PSCR或TWC+LNT/PSCR等后處理技術(shù)成為稀燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足排放法規(guī)的最有希望采用的技術(shù)方案。

國內(nèi)方面，文獻(xiàn)[10-12]中通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了TWC+LNT組合：試驗(yàn)結(jié)果表明TWC+LNT的NOx轉(zhuǎn)化率大于 93%，然而單獨(dú)使用LNT的 NOx轉(zhuǎn)化率只有 62.5%；模擬結(jié)果表明TWC 有助于促進(jìn) LNT 對(duì) NOx的催化轉(zhuǎn)化，并且能提高 LNT 吸附位失效后的 NOx催化轉(zhuǎn)化效率。國內(nèi)其他關(guān)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒NOx后處理的研究很少。國外方面，文獻(xiàn)[13]中研究結(jié)果表明TWC+LNT/PSCR系統(tǒng)可以在滿足美國滿排放法規(guī)前提下實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃運(yùn)行；文獻(xiàn)[14]中結(jié)果顯示TWC+LNT/PSCR系統(tǒng)中NH3與NOx的比例為1.15∶1.00時(shí)， NOx的轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到 99.7%；文獻(xiàn)[15]中的研究表明TWC產(chǎn)生NH3的最佳工作溫度為500 ℃，PSCR 在 250～350 ℃時(shí)對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率最高。

本文中基于一臺(tái)廣汽自主研發(fā)的1.5 L直列4缸廢氣渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，采用TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR等催化器后處理組合，試驗(yàn)研究汽油發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒下不同NOx后處理催化器的性能。

1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)及數(shù)據(jù)分析方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)邊界

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度96 kW/L，轉(zhuǎn)矩密度 180 N·m/L，滿足國六b排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)特征參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)特征參數(shù)

排氣后處理裝置布置示意圖見圖1，沿著發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流向依次布置TWC、LNT、PSCR。在TWC、LNT和PSCR前端布置溫度測(cè)量點(diǎn)和排放測(cè)量點(diǎn)，并在PSCR后端布置排放測(cè)量點(diǎn)。TWC、LNT、PSCR基本參數(shù)如表2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖

表2 排氣后處理裝置特征參數(shù)

試驗(yàn)中使用 AVL 733S 瞬態(tài)油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗量，缸內(nèi)壓力曲線通過 KISLER 6115 型傳感器測(cè)量，缸壓曲線采集及燃燒數(shù)據(jù)計(jì)算使用 AVL INDICOM燃燒分析儀，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放通過AVL AMA-i60-FT排放分析儀測(cè)量。

1.2 試驗(yàn)研究方法

濃燃模式下(過量空氣系數(shù)小于1)，在TWC中NH3通過NO與H2、CO反應(yīng)生成，見式(1)和式(2)。H2通過水煤氣變換反應(yīng)(式(3))或重整反應(yīng)(式(4))產(chǎn)生。研究表明發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放中H2與NO的比例越高，NH3的生成量越大。在過量空氣系數(shù)為0.96時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣中產(chǎn)生的H2最多。同時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)和負(fù)荷越大時(shí)，溫度越高，更有利于通過水煤氣變換反應(yīng)(式(3))產(chǎn)生H2。

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本研究試驗(yàn)的LNT采用Pt/Pd/Rh/Al2O3型催化劑。發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒排氣中的NOx通過涂覆在LNT載體上的堿金屬或堿土金屬化合物(如Ba等)吸附形成硝酸鹽或亞硝酸鹽。LNT儲(chǔ)存NOx主要有兩條路徑：第一條是硝酸鹽路線， NO在貴金屬表面被氧化為NO2再儲(chǔ)存為硝酸鹽(式(5)和式(6))；第二條路徑是亞硝酸鹽路線， NO 直接儲(chǔ)存為亞硝酸鹽而后逐漸被氧化為穩(wěn)定的硝酸鹽(式(7)和式(8))。在濃燃狀態(tài)下，LNT中的NOx脫附，被排氣中的還原性氣體(HC、CO 等)還原為N2，使催化器及時(shí)釋放出吸附位繼續(xù)進(jìn)行下一循環(huán)的吸附過程。

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本研究試驗(yàn)的PSCR采用Cu-SSZ-13型催化劑。根據(jù)Eley-Rideal機(jī)理，濃燃工況下PSCR化學(xué)反應(yīng)過程中會(huì)伴隨著氣態(tài)NH3吸附在催化劑活性位上。稀燃狀態(tài)下,NOx與PSCR脫附產(chǎn)生的NH3進(jìn)行反應(yīng)生成N2。NOx選擇性催化還原反應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)(式(11))和快速反應(yīng)(式(12))，由于大多數(shù)情況下尾氣中NO比例超過85%，因此PSCR催化器中NOx選擇性催化還原反應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)為主。

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試驗(yàn)過程中保持各邊界條件穩(wěn)定，固定氣門正時(shí)相位及噴油策略，通過點(diǎn)火時(shí)刻調(diào)節(jié)燃燒重心CA50 到壓縮上止點(diǎn)后8°左右或爆震邊界，平均指示壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)不超過3%。

選擇該發(fā)動(dòng)機(jī)在某車型下全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)工況的14個(gè)聚類工況點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。工況點(diǎn)分布圖如圖2所示，詳細(xì)值如表3所示，表3中，BMEP為平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直噴汽油機(jī)稀燃燃燒及原始排放特性分析

圖3為稀燃模式下節(jié)油明顯工況的有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)。不

圖2 14個(gè)聚類點(diǎn)工況點(diǎn)

表3 14個(gè)聚類點(diǎn)工況點(diǎn)詳細(xì)值

同工況稀燃極限見表3。不同負(fù)荷下稀燃極限的BSFC比過量空氣系數(shù)為1時(shí)低3.1%～10.1%。工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)在稀燃模式下BSFC降低10.1%，有最大的節(jié)油潛力。

圖3 不同工況下有效燃油消耗率

圖4～圖6為不同工況下原始排氣中的NO、NO2、NOx的體積分?jǐn)?shù)。濃燃模式下， NO占NOx總量的99.5%以上，隨著過量空氣系數(shù)的下降，氧的分壓下降， NOx排放降低。除工況9和工況10外，其余工況稀燃模式的NOx排放均比加濃工況低。主要原因是過量空氣系數(shù)既影響燃燒溫度，又影響燃燒產(chǎn)物中的氧含量，發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)為0.9左右時(shí)已燃?xì)怏w的溫度達(dá)到最高，但是這時(shí)的已燃?xì)怏w中的氧含量低，抑制了NOx的生成；當(dāng)過量空氣系數(shù)從0.9開始增大時(shí)，氧分壓增大的效果抵消溫度下降的效果而有余，NOx排放量的峰值出現(xiàn)在過量空氣系數(shù) 1.1左右的略稀混合氣工況；如果過量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大，溫度下降的優(yōu)勢(shì)占優(yōu)，使 NOx生成量減少[16]。工況9與工況10的稀燃極限更加接近過量空氣系數(shù)1.1，而其他工況的稀燃極限相對(duì)遠(yuǎn)離1.1。

圖4 不同工況下原始NO排放

圖5 不同工況下原始NO2排放

圖6 不同工況下原始NOx排放

圖7為稀燃模式下，不同過量空氣系數(shù)下NO占NOx排放的比例，簡(jiǎn)稱為NO占比。相關(guān)系數(shù)R2為0.63。隨著過量空氣系數(shù)的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)每增加0.1，NO在NOx總量中占比約降低6.9%。這是由于過量空氣系數(shù)越大，O2濃度越大，因此NO被氧化成NO2的比例增大。

圖7 不同過量空氣系數(shù)下NO占比

2.2 TWC對(duì)NOx、NH3排放的影響

試驗(yàn)用TWC是滿足國六b排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的量產(chǎn)件。隨著過量空氣系數(shù)從1開始下降，NH3的生成量上升，在過量空氣系數(shù) 0.96附近時(shí)NH3的生成量達(dá)到峰值；隨著過量空氣系數(shù)的繼續(xù)下降，NH3的生成量開始減小[17]。因此本試驗(yàn)中選取過量空氣系數(shù) 0.95的工況進(jìn)行濃燃研究。

圖8是濃燃模式(過量空氣系數(shù)為0.95)時(shí)不同工況下TWC前后的NOx量及NOx轉(zhuǎn)化率。TWC中的銠催化劑會(huì)促使NOx還原為氮?dú)猓瑵馊寄Ｊ较耇WC后基本無NOx，NOx轉(zhuǎn)化率趨近于100%。TWC在過量空氣系數(shù)為1.00±0.01時(shí)有最大的NOx轉(zhuǎn)化能力，稀燃模式下隨著過量空氣系數(shù)的變大，TWC的NOx的轉(zhuǎn)化能力急劇下降。圖9是稀燃極限時(shí)不同工況下TWC前后NOx體積分?jǐn)?shù)(不同工況的稀燃極限見表3)。在稀燃極限時(shí)TWC的NOx的轉(zhuǎn)化能力非常弱，TWC后的NOx排放高。

圖8 濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時(shí)不同工況下TWC前后NOx體積分?jǐn)?shù)及NOx轉(zhuǎn)化率

圖9 稀燃極限時(shí)不同工況下TWC前后NOx體積分?jǐn)?shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放中不會(huì)產(chǎn)生NH3，濃燃模式(過量空氣系數(shù)小于1)下NH3是TWC脫硝過程中產(chǎn)生的二次污染物，由NO還原產(chǎn)生。研究表明NO向NH3的轉(zhuǎn)化受轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度、催化劑成份等影響較大。

圖10是濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時(shí)TWC前NO排放與TWC后NH3排放的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。總體趨勢(shì)上， NO體積分?jǐn)?shù)每增加100×10-6，NH3體積分?jǐn)?shù)增加48×10-6。工況4(1 184 r/min、0.24 MPa)和工況12(1 331 r/min、0.41 MPa)TWC前NO的含量幾乎相同，體積分?jǐn)?shù)均為1 100×10-6左右，但TWC后的NH3卻相差較大，體積分?jǐn)?shù)分別為898×10-6和654×10-6。這是由于工況4的排氣流量約為工況12的一半，排氣在TWC內(nèi)停留時(shí)間長，從而造成NH3生成量大。工況5(2 231 r/min、1.29 MPa)、工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)和工況14(2 443 r/min、1.31 MPa)的 NH3的生成量幾乎相同，體積分?jǐn)?shù)均為1 150×10-6左右，然而TWC入口的NO量卻相差較大，體積分?jǐn)?shù)分別為 2 034×10-6、1 688×10-6、1 516×10-6，說明這幾個(gè)工況下TWC入口的NO含量不是制約NH3生成的關(guān)鍵因素。工況5、7、14的TWC前的溫度均超過了600 ℃，研究表明溫度超過600 ℃時(shí)TWC中的銠催化劑對(duì)NO轉(zhuǎn)NH3的催化效果減弱，使NH3生成量減小，即排氣溫度過高限制了NH3的生成。

圖10 濃燃時(shí)不同工況下TWC前NO排放與TWC后NH3排放對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖11為濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時(shí)不同工況下NO—NH3轉(zhuǎn)化率。TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率在51%～74%之間，其中工況4(1 187 r/min、0.24 MPa)最高，為74%；工況10(1 448 r/min、1.26 MPa)最低，為51%。試驗(yàn)用TWC為滿足國六b排放標(biāo)準(zhǔn)的量產(chǎn)TWC，采用Pd/Rh型催化劑。研究表明，改變TWC中Pd、Rh的比例，同時(shí)調(diào)整涂層配方中氧化鋁和儲(chǔ)氧材料的配比，能提高NO—NH3轉(zhuǎn)化率至100%[17]。提高NO—NH3轉(zhuǎn)化率有助于減少濃稀燃燒模式切換時(shí)濃燃時(shí)間占比，更充分發(fā)揮稀薄燃燒的節(jié)油潛力。

圖11 濃燃時(shí)不同工況下NO—NH3轉(zhuǎn)化率

2.3 TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR對(duì)NOx排放的影響分析

LNT能在稀燃時(shí)存儲(chǔ)NOx，PSCR能在濃燃時(shí)存儲(chǔ)TWC產(chǎn)生的NH3，因此LNT與PSCR在處理汽油機(jī)稀薄燃燒NOx排放問題時(shí)存在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在工況3(1 824 r/min、0.92 MPa)下重點(diǎn)研究了TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR的NOx排放后處理能力。當(dāng)試驗(yàn)TWC+PSCR組合時(shí)，將排氣管路中的LNT拆卸移除。

1 824 r/min、0.92 MPa下，首先使發(fā)動(dòng)機(jī)在過量空氣系數(shù) 0.95的濃燃模式運(yùn)行85 s，使得PSCR吸收NH3并達(dá)到氨飽和，之后迅速切換至過量空氣系數(shù)1.4的稀燃模式。圖12為稀燃模式TWC+PSCR催化劑后NOx體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，380 s后NOx濃度開始上升，說明此時(shí)PSCR內(nèi)的氨已經(jīng)全部消耗，稀燃工況運(yùn)行時(shí)間占比為82%。圖13為稀燃工況TWC+LNT+PSCR后NOx體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化，580 s后NOx濃度開始上升，相比TWC+PSCR時(shí)間延長了53%，稀燃工況運(yùn)行時(shí)間占比為87%。LNT在稀燃工況下通過吸附存儲(chǔ)NOx延長了稀燃模式運(yùn)行時(shí)間。綜上，相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR組合能大幅提升稀燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)濃稀工況切換時(shí)稀燃工況的時(shí)間，提高稀燃運(yùn)行時(shí)間占比，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖12 TWC+PSCR后NOx體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

圖13 TWC+LNT+PSCR后NOx體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化

圖14是稀燃模式下PSCR中的氨全部消耗后的NOx排放情況。TWC+PSCR、TWC+LNT+PSCR的NOx排放中的NO2占比分別為14%、46%。TWC+LNT+PSCR的NO2占比大幅提高，這得益于LNT中較高的Pt負(fù)載量， Pt促進(jìn)了NO氧化成NO2，NO2氧化性更強(qiáng)，有助于促進(jìn)PSCR內(nèi)的NOx選擇性催化還原反應(yīng)的快速反應(yīng)，提高PSCR的催化效率。

圖14 稀燃模式PSCR的氨全部消耗后的NOx排放

圖15是1 824 r/min、0.92 MPa時(shí)不同燃燒模式和后處理組合的NOx排放處理能力對(duì)比。在過量空氣系數(shù)為1時(shí)，TWC對(duì)NOx有較強(qiáng)的催化轉(zhuǎn)化能力， TWC后基本無NOx，NOx轉(zhuǎn)化率趨近于100%。在稀燃極限，TWC對(duì)NOx的催化轉(zhuǎn)化能力大幅減弱， NOx轉(zhuǎn)化率趨近于50%，而加裝TWC+LNT+PSCR或TWC+PSCR后，NOx基本全部轉(zhuǎn)化，與過量空氣系數(shù)為1時(shí)TWC后的排放水平相當(dāng)。

圖15 不同后處理組合NOx排放處理能力對(duì)比

3 結(jié)論

(1) 稀薄燃燒能有效減少汽油機(jī)的有效燃油消耗率，部分負(fù)荷下減少3.1%～10.1%，汽油機(jī)稀薄燃燒有較大的節(jié)油潛力。

(2) 稀燃模式下，隨著過量空氣系數(shù)的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)每增加0.1，NO在NOx總量中占比降低6.9%。

(3) 濃燃模式下， 總體趨勢(shì)上， TWC前NO體積分?jǐn)?shù)每增加100×10-6，NH3體積分?jǐn)?shù)增加48×10-6。TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率受轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、排氣溫度等影響較大。過量空氣系數(shù) 0.95時(shí)，廣汽某款滿足國六b標(biāo)準(zhǔn)的1.5 L增壓發(fā)動(dòng)機(jī)TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率在51%～74%之間。

(4) 相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR能有效提高濃稀工況切換時(shí)稀燃模式運(yùn)行時(shí)間，提高稀薄燃燒運(yùn)行時(shí)間占比。

(5) 稀燃模式下，LNT能促進(jìn)NO氧化成NO2，提高NO2比例，促進(jìn)PSCR內(nèi)的NOx選擇性催化還原反應(yīng)的快速反應(yīng)，提高PSCR催化效率。