輕型汽油車主要含氮化合物排放特性研究

羅佳鑫 溫 溢 朱慶功 潘 朋 楊正軍

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

氮氧化物是輕型汽油車排放的主要污染物之一，主要包括NO、NO2以及N2O 等。2016 年全國輕型客車的NOx排放量可達(dá)55.0×104t[1]。NO 可與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，對人體健康造成危害，同時NO在空氣中可被氧化生成NO2。NO2是引起光化學(xué)煙霧的主要原因之一。N2O 是重要的溫室氣體，其全球變暖潛勢約為CO2的300 倍左右。此外研究顯示，輕型車在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一定量的NH3排放[2-3]。

關(guān)于輕型車主要含氮化合物排放的研究中，通常認(rèn)為輕型車含氮化合物的主要成分是NO，其次為NO2。然而最近研究表明，輕型車排放產(chǎn)生的N2O 與NH3排放量同樣不可忽視[4-8]。Joseph Woodburn 等[6]研究證明輕型車氨排放約占含氮化合物排放的18%左右。Gray Bishop 等[7]研究顯示美國三個城市地區(qū)，輕型車NH3占含氮化合物比例可達(dá)22%～27%。

在理想狀態(tài)下，NOx進(jìn)入三元催化劑后被徹底還原形成N2，但是在實(shí)際車輛運(yùn)行過程中，空燃比在理論空燃比周圍波動，經(jīng)常出現(xiàn)較稀或較濃的情況。在混合氣較濃的情況下，三元催化劑內(nèi)可能發(fā)生部分NOx被還原生成N2O 或NH3的反應(yīng)。研究表明，催化劑溫度、空燃比以及催化劑老化等因素對N2O 與NH3的生成都存在一定影響[9-14]。Matsuo Odaka 等[9，11]測試顯示，N2O 開始生成的溫度基本為150 ℃，在320 ℃達(dá)到頂峰，隨著溫度繼續(xù)升高，N2O 不能穩(wěn)定存在，濃度開始下降。此外在經(jīng)過老化后，該溫度窗口會上升大約100 ℃，導(dǎo)致N2O 排放的增加。Edward Jobson 等[12]證明在稍濃或稍稀的空燃比下，N2O 的生成量較多。

本文主要研究滿足不同排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車主要含氮化合物的排放情況，主要包括NO、NO2、N2O以及NH3。本文根據(jù)輕型汽油車在不同實(shí)驗(yàn)室工況循環(huán)（NEDC 與WLTC）下的排放特性，分析了排放階段、技術(shù)手段等對含氮化合物排放的影響，同時對比試驗(yàn)車三元催化劑前后的排放情況，分析了不同行駛工況下含氮化合物的排放情況以及CO 對部分含氮化合物排放的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛與試驗(yàn)設(shè)備

本文中涉及的試驗(yàn)車輛共18 輛，主要為滿足國5 與國6 排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車。車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1，所有測試車輛均采用三元催化劑作為后處理系統(tǒng)。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

本文中主要使用的試驗(yàn)設(shè)備見表2，其中底盤測功機(jī)為四驅(qū)型。本文中采用傅里葉變換紅外光譜測試法（FTIR，F(xiàn)ourier Transform Infrared）測試NO2、NO、N2O 以及NH3等污染物濃度。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案

本文中利用滿足不同排放標(biāo)準(zhǔn)的16 輛輕型汽油車進(jìn)行了測試，其中國5 試驗(yàn)車測試循環(huán)為NEDC 循環(huán)，國6 試驗(yàn)車測試循環(huán)為WLTC 循環(huán)，分析對比了不同試驗(yàn)車的主要含氮化合物排放特性。同時為了分析發(fā)動機(jī)原始排氣經(jīng)過三元催化劑后的成分變化，本文中在2 輛試驗(yàn)車三元催化劑前后分別進(jìn)行測試，測試循環(huán)為WLTC 測試循環(huán)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同排放階段各種含氮化合物的變化

本文中對滿足國5 與國6 排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行了測試，其中包括國5 標(biāo)準(zhǔn)輕型車7 輛、國6標(biāo)準(zhǔn)輕型車9 輛，得出所有試驗(yàn)車輛主要含氮化合物的排放因子。表3 所示為不同排放標(biāo)準(zhǔn)車輛排放因子對比。

表3 不同排放標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)車排放因子對比

由表中可知，所有試驗(yàn)車排放因子基本都能夠滿足排放法規(guī)的限值要求，與滿足國5 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)車輛相比，國6 試驗(yàn)車NO 與NO2排放因子平均值較大，同時其標(biāo)準(zhǔn)偏差同樣較大，說明不同試驗(yàn)車之間的NO 與NO2排放分化差異較大。而隨著法規(guī)的加嚴(yán)，輕型車N2O 與NH3排放因子出現(xiàn)下降趨勢。

圖1 中所示為國5 與國6 試驗(yàn)車各個主要含氮化合物的成分比例，該比例是利用各成分排放物質(zhì)的量計算得出的。由圖中可知，國6 試驗(yàn)車NO 與NO2成分比例出現(xiàn)增加，氧化亞氮成分比例基本持平，NH3成分比例出現(xiàn)下降趨勢。N2O 成分比例約為6%，NH3所占比例較大，約為30%～40%。在輕型車含氮化合物排放中，N2O 與NH3已經(jīng)成為極其重要的組成部分。

圖1 試驗(yàn)車主要含氮化合物成分比例

2.2 不同技術(shù)手段試驗(yàn)車排放結(jié)果

本文主要分析了進(jìn)氣形式與燃油噴射技術(shù)對輕型汽油車排放的影響。表4 中所示為本文中具有代表性的采用不同技術(shù)方案的試驗(yàn)車輛，其中1 號車與7 號車為滿足國5 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)車，其余試驗(yàn)車輛滿足國6 標(biāo)準(zhǔn)。

表4 不同技術(shù)方案排放因子

噴油方式主要影響車輛加速過程中的CO 排放，采用進(jìn)氣道噴射技術(shù)的車輛在需要加速時，通過改變節(jié)氣門開度，調(diào)整過量空氣系數(shù)，噴入較濃的混合氣來滿足負(fù)荷要求。而采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的車輛可以較為精確地控制過量空氣系數(shù)，負(fù)荷加大時只需適當(dāng)加大噴油量即可，不會出現(xiàn)持續(xù)過濃的混合氣。因此進(jìn)氣道噴射輕型車容易出現(xiàn)較濃混合氣、缸內(nèi)燃燒不充分的情況，導(dǎo)致CO 排放相對較高，本文中進(jìn)氣道噴射形式為進(jìn)氣道內(nèi)多點(diǎn)噴射。

進(jìn)氣形式的不同將影響缸內(nèi)混合氣的過量空氣系數(shù)，同時影響缸內(nèi)NOx（主要為NO）的生成。相對自然吸氣發(fā)動機(jī)，渦輪增壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量較為充足，缸內(nèi)燃燒更充分，NOx生成量較大。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用MPI+NA 的7 號與9 號試驗(yàn)車加速過程中缸內(nèi)進(jìn)氣量不足，噴油量較大，混合氣較濃，燃燒不充分，導(dǎo)致CO 排放相對較高，而NO與NO2排放相對較低，N2O 與NH3排放相對較高。采用GDI+T 的1 號與13 號試驗(yàn)車缸內(nèi)燃燒充分，CO相對較低，NO 相對較高，N2O 與NH3排放相對較低。采用MPI+T 的12 號試驗(yàn)車進(jìn)氣量充分，混合氣相對較稀，導(dǎo)致CO 較低，NO 較高，NH3較低，同時應(yīng)注意到該車N2O 排放較高。采用GDI+NA 的16 號試驗(yàn)車進(jìn)氣不充分，NO 較低，NH3較高。

2.3 三元催化劑前后排放對比

為了分析發(fā)動機(jī)原始排氣經(jīng)過三元催化劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)后含氮化合物的成分變化，本文利用17 號車與18 號車分析對比了發(fā)動機(jī)原排與經(jīng)過三元催化劑后的排放情況。表5 所示為三元催化劑前后排放因子對比情況。

表5 三元前后排放因子對比

從表中可知，發(fā)動機(jī)原排中N2O 與NH3排放量極少，而排氣經(jīng)過三元催化劑后，N2O 與NH3排放迅速增加，說明原排中部分NO 被還原生成N2O 與NH3。2 輛試驗(yàn)車的催化效率均較高，17 號車三元催化劑對NO 的轉(zhuǎn)化效率為95.90%，N2O 的選擇性為0.102%，NH3的選擇性為6.13%；18 號車對NO 的轉(zhuǎn)化效率為99.58%，N2O 的選擇性為0.039%，NH3的選擇性為0.24%。由于18 號車原排中NO 排放較高，在三元催化劑內(nèi)被還原的量較大，導(dǎo)致N2O 與NH3的選擇性相對較低。

圖2 與圖3 所示為17 號車原排與經(jīng)過三元催化劑后的排氣中N2O 與NH3的瞬態(tài)排放量?？梢猿醪秸J(rèn)為，N2O 與NH3生成主要集中在車輛的加速工況下，其中N2O 在車輛加速的開始階段生成量較明顯，隨著加速持續(xù)時間的延長，N2O 生成量迅速降低，NH3生成量持續(xù)增加；當(dāng)車輛由加速轉(zhuǎn)入勻速行駛或開始減速時，NH3生成量迅速下降。

圖2 發(fā)動機(jī)原排與三元催化劑后N2O 排放量

圖3 發(fā)動機(jī)原排與三元催化劑后NH3 排放量

由上述內(nèi)容可知，車輛行駛狀態(tài)對含氮化合物的排放存在較大影響，為了進(jìn)一步分析行駛狀態(tài)的影響，本文分析了在循環(huán)內(nèi)不同速度段（低速、中速、高速、超高速）內(nèi)各成分的比例變化，如圖4 所示。由圖可知，NO/RNC 由低速段向超高速段逐漸減小，超高速段比例最低（31.96%）；NH3/RNC 由低速段向超高速段逐漸增大，超高速段NH3比例最高（65.58%）；N2O/RNC 低速段成分比例最高（1.89%）；NO2/RNC 的變化范圍較小，穩(wěn)定在2%左右。

圖4 不同速度段各成分比例

圖5 與圖6 所示為不同加速度區(qū)間內(nèi)的N2O 與NH3排放因子，在加速度小于0 即減速時，N2O 與NH3排放因子均較小。當(dāng)加速度大于0 時，隨著加速度的增大，N2O 排放因子呈現(xiàn)明顯的增加趨勢。加速過程中NH3的排放因子遠(yuǎn)大于減速過程，在（0，0.5]區(qū)間內(nèi)，NH3排放因子最大。在WLTC 循環(huán)中，加速度最大的時刻基本為車輛剛開始加速的時刻，隨著加速過程的進(jìn)行，加速度逐漸下降。

圖5 不同加速度區(qū)間內(nèi)的N2O 排放因子

圖6 不同加速度區(qū)間內(nèi)的NH3 排放因子

2.4 含氮化合物與CO 之間的相關(guān)性

結(jié)合上文中瞬態(tài)排放與不同加速度區(qū)間內(nèi)的排放特性，本文認(rèn)為在車輛加速的初始階段，N2O 在三元催化劑內(nèi)開始大量生成，隨著加速過程的持續(xù)進(jìn)行，N2O 不能穩(wěn)定存在，因此N2O 生成量迅速下降，NH3生成量開始增加。由于17 號車與18 號車均為非直噴車輛，在加速過程中缸內(nèi)混合氣較濃，導(dǎo)致CO 排放較高，而CO 將參與三元催化劑內(nèi)N2O 與NH3的生成過程，因此本文分析了發(fā)動機(jī)原排中CO與NH3、N2O 排放的相關(guān)性，如圖7、8 所示。

圖7 CO 與NH3 的相關(guān)性（17 號車）

從圖7 與圖8 可知，三元催化劑前CO 的排放量與三元催化劑內(nèi)NH3的生成量之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，CO 生成量較大的時刻通常將伴隨著大量NH3的生成。其中17 號車相關(guān)系數(shù)為0.782，18 號車相關(guān)系數(shù)為0.732。

圖8 CO 與NH3 的相關(guān)性（18 號車）

圖9 與圖10 所示為17 號車與18 號車原排中CO 排放與三元催化劑內(nèi)生成的N2O 之間的相關(guān)性。由圖示可知，N2O 與CO 之間存在輕微的負(fù)相關(guān)，N2O生成量較大的時刻對應(yīng)原排中CO 排放量相對較小的情況，而當(dāng)CO 排放量相對較大時，N2O 的生成量較小。

圖9 CO 與N2O 的相關(guān)性（17 號車）

圖10 CO 與N2O 的相關(guān)性（18 號車）

為了進(jìn)一步說明CO 對NH3和N2O 生成的影響，本文中選取了CO 排放較為顯著的冷起動過程進(jìn)行分析。圖11 所示為冷起動過程中CO、N2O 與NH3的瞬態(tài)排放量。在冷起動過程中，由于進(jìn)氣道與氣缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化較差，為了滿足起動階段對功率的要求，燃油供給系統(tǒng)將向缸內(nèi)噴入較濃的混合氣；同時為了盡快完成暖機(jī)過程，同樣需要混合氣加濃。綜合上述因素，在冷起動階段，缸內(nèi)的混合氣較濃，燃燒不充分程度較高。由圖11 可知，在冷起動加速過程中，CO 排放迅速增加，導(dǎo)致三元催化劑內(nèi)部呈現(xiàn)還原環(huán)境，NH3與N2O 開始生成，當(dāng)CO 排放量較大時，三元催化劑內(nèi)還原環(huán)境較強(qiáng)，導(dǎo)致N2O 不能穩(wěn)定存在，生成量迅速下降。

圖11 冷起動過程中的CO、N2O 與NH3 排放（18 號車）

3 結(jié)論

1）相比于滿足國5 標(biāo)準(zhǔn)的輕型車，國6 輕型車N2O 與NH3出現(xiàn)下降趨勢。國5 輕型車N2O 與NH3的成分比例分別為6.5%與40.1%，國6 輕型車N2O與NH3的成分比例分別為5.9%與28.9%。采用進(jìn)氣道噴射與自然吸氣相結(jié)合的輕型車NH3與N2O 排放量較高。

2）N2O 與NH3是三元催化劑內(nèi)氧化還原反應(yīng)的副產(chǎn)物，主要生成于循環(huán)中的加速過程，N2O 排放因子隨加速度的增加而增大。

3）在加速的過程中，缸內(nèi)混合氣較濃，導(dǎo)致CO排放增加。原排中起還原作用的CO 與三元催化劑內(nèi)N2O、NH3的生成量存在較強(qiáng)的相關(guān)性。