國六輕型汽油車氨排放特性研究

溫 溢，蔣 震，羅佳鑫

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300；2. 北京卡達(dá)克汽車檢測技術(shù)中心有限公司 北京 100176)

大氣中的顆粒物包括一次顆粒物與二次顆粒物，在交通繁忙、機(jī)動(dòng)車保有量大的城市區(qū)域，機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的氨對(duì)大氣中的細(xì)顆粒物排放有較大貢獻(xiàn)[1-2]。研究表明：在WLTC 循環(huán)下，輕型汽油車氨排放因子分布范圍為10～40 mg/km，而在實(shí)際道路工況下，輕型汽油車平均氨排放因子為(6±2)mg/km，冷啟動(dòng)階段氨排放因子可達(dá)134 mg/km[3]。輕型車排放產(chǎn)生的氨進(jìn)入大氣后形成陽離子(NH4+)，其將與游離的硫酸根或硝酸根等陰離子結(jié)合形成銨鹽，主要參與二次顆粒物的形成，并增加大氣中的細(xì)顆粒物排放。

輕型汽油車的氨生成途徑已經(jīng)基本確定，與其他常規(guī)污染物不同，氨并不直接產(chǎn)生于缸內(nèi)燃燒，而是三元催化器內(nèi)部發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的副產(chǎn)物[4-6]。目前研究認(rèn)為，在三元催化器內(nèi)部，CO 與H2O 發(fā)生“水煤氣反應(yīng)”生成H2，氮氧化物被H2還原形成氨，其生成機(jī)理如下列反應(yīng)式所示[4-7]：

研究證明氨排放與CO 排放存在較強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)CO 排放較高時(shí)，三元催化器內(nèi)部存在較強(qiáng)的還原性環(huán)境，導(dǎo)致氮氧化物中的+2 或+4 價(jià)的氮原子被還原形成-3 價(jià)的氮原子，進(jìn)而與游離態(tài)的氫原子結(jié)合形成NH3[8]。

輕型汽油車的氨排放正逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)研究的熱點(diǎn)。2014 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》中提供了交通源氨排放因子，其中輕型汽油車氨排放因子為26 mg/km。在歐盟第7 階段輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中計(jì)劃引入氨排放要求，并且通過對(duì)不同類型車輛(包括汽油車、柴油車、混合動(dòng)力車輛和燃?xì)廛囕v等)進(jìn)行氨排放測試，初步提出了5 mg/km(scenario A)與2 mg/km(scenario B)的建議限值。在中國輕型車第七階段標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研過程中同樣提出了對(duì)氨排放的相關(guān)要求，并提出以整車底盤測功機(jī)測試作為主要手段。因此，有必要對(duì)國六輕型汽油車的氨排放特性進(jìn)行研究，同時(shí)驗(yàn)證以試驗(yàn)室工況為主的測試方法的有效性。

本文基于底盤測功機(jī)結(jié)合氨分析儀的測試方法對(duì)9 臺(tái)國六輕型汽油車的氨排放因子進(jìn)行了測試，對(duì)比了不同環(huán)境溫度下的氨排放特性和混合動(dòng)力車型氨排放的特點(diǎn)，以期為國七標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

本文涉及的試驗(yàn)車輛均為國六輕型汽油車，其后處理系統(tǒng)中均包含三元催化器。試驗(yàn)車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of test vehicles

本文主要使用的試驗(yàn)設(shè)備見表2，其中環(huán)境試驗(yàn)艙可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境溫度-10～40 ℃的改變，并且可提供全光譜模擬陽光照射。

表2 試驗(yàn)設(shè)備信息Tab.2 Test equipment

1.2 試驗(yàn)方案

由于氨極易溶于水的特性，本文采用原排直采法進(jìn)行采樣，并利用傅里葉變化紅外測試方法(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)進(jìn)行分析。為減少采樣與分析過程中對(duì)氨的損失，試驗(yàn)中氨的采樣點(diǎn)盡量靠近排氣管出口，并對(duì)采樣管路(130 ℃)和分析模塊(113 ℃)進(jìn)行加熱，采樣前使用標(biāo)準(zhǔn)氣與純氮?dú)鈽?biāo)定分析儀的量程點(diǎn)與零點(diǎn)，采樣開始前與結(jié)束后均使用加熱的純氮?dú)鈱?duì)采樣管路進(jìn)行吹掃。試驗(yàn)結(jié)果采用CVS 瞬態(tài)流量結(jié)合FTIR 分析儀所測瞬態(tài)濃度累積方法計(jì)算。

本文選取9 臺(tái)試驗(yàn)車進(jìn)行常溫冷起動(dòng)污染物排放試驗(yàn)，其中9#試驗(yàn)車為插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，試驗(yàn)過程中為電量保持模式(CS 模式)，試驗(yàn)工況為GB 18352.6—2016 中規(guī)定的WLTC 測試循環(huán)[9]；此外，8#試驗(yàn)車與9#試驗(yàn)車進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的排放試驗(yàn)以模擬車輛在不同季節(jié)的環(huán)境條件下的行駛工況，低溫環(huán)境為-10 ℃與0 ℃，低溫試驗(yàn)過程中開啟暖風(fēng)空調(diào)，高溫環(huán)境為40 ℃，高溫試驗(yàn)中開啟冷風(fēng)空調(diào)并開啟陽光模擬，光強(qiáng)為850 W/m2。

2 結(jié)果分析

2.1 國六輕型車氨排放因子

本文分析了國六輕型車在WLTC 循環(huán)中的氨排放因子分布。由圖1 可知，對(duì)于國六輕型汽油車，由于三元催化器的貴金屬比例提高和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定水平的不斷提升，NOx等常規(guī)污染物已降至較低水平，本文中NOx平均排放因子為8.22 mg/km，低于國六標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于氮氧化物的限值(35 mg/km)，然而氨作為三元催化器的副產(chǎn)物，其排放量已經(jīng)達(dá)到與氮氧化物同一量級(jí)的水平，氨排放因子達(dá)2.90 mg/km，最高可達(dá)11.62 mg/km。

圖2 為氨排放與NOx的排放量(物質(zhì)的量)對(duì)比，可知氨氮比最高可達(dá)4.56，平均值為1.04。結(jié)合圖1 與圖2 可知不同技術(shù)手段的輕型車均會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的氨排放，氨排放水平已與NOx處于同一量級(jí)。

圖1 試驗(yàn)車的氨排放與氮氧化物排放Fig.1 NH3 and NOx emission of test vehicles

圖2 試驗(yàn)車的氨氮比(物質(zhì)的量)Fig.2 Ammonia nitrogen ratio of test vehicles(amount of substance)

本文通過對(duì)氨排放的瞬態(tài)排放情況進(jìn)行分析，以1#試驗(yàn)車為例，氨主要生成于低速與中速段的加速過程中，在冷啟動(dòng)初始階段，由于三元催化器尚未達(dá)到起燃溫度，此時(shí)不會(huì)形成氨，但隨著催化器溫度的升高，其逐漸達(dá)到氨生成的窗口溫度，在加速的過程中，缸內(nèi)燃燒不充分，導(dǎo)致進(jìn)入三元催化器的CO 與未燃HC 增加，并且CO 排放持續(xù)較高導(dǎo)致三元內(nèi)部持續(xù)保持還原環(huán)境狀態(tài)，氮氧化物被徹底還原形成氨，進(jìn)而出現(xiàn)氨的排放峰值，見圖3。即氨排放生成的必要條件為：三元催化器達(dá)到氨生成的窗口溫度，同時(shí)出現(xiàn)持續(xù)較高的CO 排放導(dǎo)致三元催化器內(nèi)部的還原環(huán)境。二者必須同時(shí)滿足。

圖3 低速段與高速段中的CO與氨排放Fig.3 CO and NH3 emission in low and high speed sections

2.2 不同溫度下氨排放因子對(duì)比

本文對(duì)8#試驗(yàn)車與9#試驗(yàn)車進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下的排放試驗(yàn)。通過圖4、5 中的氨排放因子與溫度影響系數(shù)可知低溫環(huán)境(-10 ℃與0 ℃)下氨排放大大增加，其主要原因在于低溫環(huán)境下浸車后，冷啟動(dòng)過程中需要克服的車輛內(nèi)阻增加，為盡快完成暖機(jī)工況，將向缸內(nèi)噴入較濃的混合氣，同時(shí)缸壁溫度較低，冷卻液與機(jī)油溫度均較低，導(dǎo)致燃油噴入缸內(nèi)后霧化較差，油氣組織較差，缸內(nèi)燃燒不完全程度加劇，排放的CO 與未燃HC 增加，進(jìn)入三元催化器后，較強(qiáng)的還原環(huán)境直接導(dǎo)致氨排放的增加。

圖4 溫度影響系數(shù)(8#車)Fig.4 Temperature influence coefficient(8# vehicle)

圖5 溫度影響系數(shù)(9#車)Fig.5 Temperature influence coefficient(9# vehicle)

通過對(duì)比8#車與9#車的溫度影響系數(shù)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采用自然吸氣技術(shù)的輕型車，氨排放更容易受到環(huán)境溫度的影響。其主要原因?yàn)榄h(huán)境溫度直接影響進(jìn)氣溫度，而采用自然吸氣技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)更容易受到進(jìn)氣溫度的影響，尤其在冷啟動(dòng)階段，環(huán)境溫度將對(duì)缸內(nèi)油氣組織與燃燒產(chǎn)生較大影響。式(4)為溫度影響系數(shù)計(jì)算公式：

式中：I FT為溫度影響系數(shù)，E F _ NH3T為在環(huán)境溫度為T 時(shí)的氨排放因子(T 取值分別為-10 ℃、0 ℃與40 ℃)，E F _NH323℃為23 ℃下的氨排放因子。

本文對(duì)不同環(huán)境溫度下氨的瞬態(tài)排放進(jìn)行了對(duì)比。如圖6 所示，對(duì)于8#試驗(yàn)車，在冷啟動(dòng)試驗(yàn)過程中，氨排放主要生成于低速段與中速段。

圖6 不同溫度下的瞬態(tài)氨排放Fig.6 Transient ammonia emission at different temperatures

本文通過對(duì)比8#試驗(yàn)車在不同溫度的瞬態(tài)氨排放，認(rèn)為低溫環(huán)境將導(dǎo)致排氣中所含有的水蒸氣在采樣管中存在冷凝現(xiàn)象。這是因?yàn)镹H3極易溶于水，在冷啟動(dòng)的過程中，大量的氨形成后并沒有直接釋放，而是被冷凝水吸收，而隨著時(shí)間的推移，采樣管溫度上升，液態(tài)水將所吸收的NH3逐漸釋放，由此出現(xiàn)NH3的“后釋放”現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致了在低速與中速段始終存在NH3的緩慢釋放現(xiàn)象。該現(xiàn)象在0 ℃環(huán)境下同樣存在，其后釋放弱于-10 ℃環(huán)境，在常溫環(huán)境與高溫環(huán)境試驗(yàn)中該現(xiàn)象并未出現(xiàn)。本文通過采用加熱氨采樣管路的方式盡量減少了冷凝水對(duì)氨排放的影響，然而在低溫環(huán)境下仍存在后釋放的現(xiàn)象，說明局部采樣管加熱的方式仍不能完全消除采樣管路冷凝的影響。因此，本文認(rèn)為在下一階段對(duì)氨排放的研究過程中，特別是在低溫環(huán)境下，需要考慮通過對(duì)全部采樣管路進(jìn)行預(yù)熱，試驗(yàn)前需達(dá)到100 ℃以上，并且在試驗(yàn)的過程中始終保持采樣管溫度，方能消除低溫下冷凝水對(duì)氨排放的影響。

在冷啟動(dòng)完成后，催化器溫度已經(jīng)達(dá)到氨的生成窗口溫度，然而空燃比在閉環(huán)控制下能夠較好地穩(wěn)定在理論空燃比附近，并不會(huì)出現(xiàn)較高的CO 排放，導(dǎo)致三元內(nèi)部還原環(huán)境不能持續(xù)保持，因而不會(huì)出現(xiàn)大量的氨排放。

40 ℃環(huán)境下冷啟動(dòng)試驗(yàn)過程與23 ℃環(huán)境類似，氨排放主要存在于低速段。與常溫環(huán)境不同的是，由于起始溫度較高，暖機(jī)工況較快完成，其氨排放首次出現(xiàn)的時(shí)刻早于常溫環(huán)境。

值得一提的是，在40 ℃熱啟動(dòng)試驗(yàn)中的高速段與超高速段在首次加速的過程中出現(xiàn)了氨排放的瞬態(tài)高峰，如圖7 所示。本文認(rèn)為在高溫環(huán)境開啟空調(diào)的工況下，急加速時(shí)將出現(xiàn)偏離理論空燃比的“開環(huán)”現(xiàn)象，此時(shí)缸內(nèi)混合氣濃度較大，CO 排放迅速增加，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的氨排放。以9#試驗(yàn)車為例，在高速段與超高速段的加速過程中，當(dāng)量比長時(shí)間保持在1 以下時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)混合氣較濃，CO 與未燃THC 增加，三元催化器內(nèi)部還原環(huán)境持續(xù)時(shí)間較長，氨排放出現(xiàn)持續(xù)較高的峰值。

圖7 高溫環(huán)境下不同啟動(dòng)狀態(tài)的氨排放Fig.7 Ammonia emission under different starting states in high temperature environment

2.3 混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)氨排放的影響

9#試驗(yàn)車為插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，在試驗(yàn)過程中為電量保持模式，對(duì)比不同溫度下的氨排放結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)在-10 ℃環(huán)境下，為盡快完成暖機(jī)工況，在冷啟動(dòng)初始階段，發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)轉(zhuǎn)，并存在瞬態(tài)加濃工況，導(dǎo)致CO 瞬態(tài)排放持續(xù)較高，此時(shí)氨生成的條件滿足，開始出現(xiàn)較高氨排放。在250 s 左右，催化器溫度達(dá)到800 ℃，此時(shí)暖機(jī)工況基本結(jié)束，動(dòng)力電池開始介入動(dòng)力系統(tǒng)，在減速制動(dòng)以及隨后的初始加速過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)開始出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，見圖8。在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)重啟時(shí)刻，缸內(nèi)將噴入較濃混合氣，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的停機(jī)將導(dǎo)致催化器溫度下降，對(duì)于CO 的催化效率隨之下降，導(dǎo)致三元內(nèi)部還原環(huán)境始終存在，在加速過程中CO 與氨排放出現(xiàn)瞬態(tài)峰值，見圖9。

圖8 -10 ℃環(huán)境試驗(yàn)過程中的CO排放與氨排放(9#車)Fig.8 CO and NH3 emission during -10 ℃ environmental test(9# vehicle)

圖9 -10 ℃環(huán)境試驗(yàn)過程中的催化器溫度與當(dāng)量比(9#車)Fig.9 Catalyst temperature and equivalence ratio during-10 ℃ environmental test(9# vehicle)

結(jié)合圖10、11 中不同環(huán)境溫度下瞬態(tài)氨排放與不同階段占比可知，在低溫環(huán)境下，氨排放主要生成于低速段與中速段；在常溫環(huán)境與高溫環(huán)境下，氨排放在低速段的生成量較少，主要集中于中速段之后的行駛過程中，造成該現(xiàn)象的主要原因是低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)對(duì)氨排放的影響不顯著，其主要影響因素為冷啟動(dòng)過程中的CO 排放。而在常溫與高溫環(huán)境下行駛過程中，由于冷啟動(dòng)過程動(dòng)力電池的介入，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)效果較為明顯，在降低油耗的同時(shí)降低催化器溫度與催化效率，導(dǎo)致在低速段的氨排放并不顯著。

圖10 不同環(huán)境溫度下氨排放瞬態(tài)圖Fig.10 NH3 transient emission at different ambient temperatures

在0 ℃試驗(yàn)中，氨排放主要集中于低速段與中速段，在高速段與超高速段的氨排放量較少。在常溫(23 ℃)試驗(yàn)中，與低溫試驗(yàn)不同的是，在低速段并沒有出現(xiàn)較高的氨排放，其原因主要是常溫環(huán)境下由于動(dòng)力電池介入動(dòng)力供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)較為頻繁，導(dǎo)致催化器溫度并不能穩(wěn)定保持在氨生成窗口溫度，只有在300～400 s 時(shí)間段內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，催化器溫度穩(wěn)定，此時(shí)出現(xiàn)較少量的氨生成。而進(jìn)入中速段后，由于車速的增加，動(dòng)力電池參與動(dòng)力供應(yīng)較少，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)，催化器溫度穩(wěn)定上升，為氨的形成提供了必要條件，此時(shí)當(dāng)車輛加速時(shí)CO 排放增加，催化器內(nèi)部氨形成。

對(duì)于高溫環(huán)境，由于空氣密度下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣受到影響，實(shí)際進(jìn)氣量較小，充量系數(shù)降低，缸內(nèi)不完全燃燒程度高于常溫環(huán)境，同時(shí)開啟空調(diào)后發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，為滿足負(fù)荷要求，需要加濃混合氣。上述因素疊加將導(dǎo)致在中速與高速行駛過程中氨排放高于常溫環(huán)境。

圖11 不同環(huán)境溫度下不同速度段氨排放占比Fig.11 Proportion of ammonia emission at different speeds under different ambient temperatures

如圖12 與圖13 所示，在高溫?zé)釂?dòng)試驗(yàn)過程中，在高速段與超高速段，通過對(duì)比瞬態(tài)氨排放與當(dāng)量比可知，在高速段1 200 s 與超高速段的加速過程中，尤其是在車速高于100 km/h 的過程中，當(dāng)量比始終較低，同時(shí)CO 出現(xiàn)持續(xù)的峰值時(shí)，本文認(rèn)為在該時(shí)刻出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比偏離理論空燃比，即“發(fā)動(dòng)機(jī)開環(huán)”現(xiàn)象，此時(shí)將出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的氨排放。

圖12 40 ℃熱啟動(dòng)試驗(yàn)高速與超高速段的CO與氨排放Fig.12 CO and NH3 emissions in high and extra high sections of 40 ℃ hot start test

圖13 40 ℃熱啟動(dòng)試驗(yàn)高速與超高速段的催化器溫度與當(dāng)量比Fig.13 Catalyst temperature and equivalence ratio in high and extra high sections of 40 ℃ hot start test

3 結(jié) 語

①9 輛國六輕型汽油車平均氨排放因子為2.90 mg/km，常溫下氨排放主要集中于低速段與中速段的加速過程中，氨排放與CO 存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

②低溫環(huán)境下氨排放將遠(yuǎn)高于常溫環(huán)境。-10 ℃環(huán)境下，采用自然吸氣形式的輕型汽油車的溫度影響系數(shù)為73.19，高于增壓車型的溫度影響系數(shù)。高溫環(huán)境下熱起動(dòng)試驗(yàn)中，在高速與超高速的加速過程中，空燃比長時(shí)間偏離理論空燃比，出現(xiàn)瞬態(tài)氨排放峰值。

③對(duì)于混合動(dòng)力車輛，低溫環(huán)境下冷啟動(dòng)過程中空燃比保持在1 以下，發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，催化器溫度上升，出現(xiàn)較高的CO 排放與氨排放。而在常溫環(huán)境下，由于動(dòng)力電池參與能量供應(yīng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟停頻繁，催化器溫度低于氨生成的窗口溫度，導(dǎo)致啟動(dòng)階段氨排放較低，常溫環(huán)境下氨排放在中速段開始出現(xiàn)?！?/p>