滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)在不同海拔高度非常規(guī)污染物排放特性研究

劉典云、鄭永明、李世峰、李瑞、李章恒

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司，昆明 651701）

0 引言

隨著重型車(chē)最新排放法規(guī)的實(shí)施，當(dāng)前汽車(chē)排放污染物中的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳?xì)浠衔锟偭浚═HC）以及顆粒物排放都得到有效管控。而且通過(guò)對(duì)實(shí)際道路排放提出海拔擴(kuò)展要求后，法規(guī)對(duì)主要污染物在高海拔地區(qū)的排放提出限值要求，主要污染物的全地形排放水平已處于較低水平。但是，重型車(chē)用柴油機(jī)非常規(guī)污染物的排放僅對(duì)氨（NH3）有限值要求，對(duì)于一氧化二氮（N2O，俗稱(chēng)笑氣）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、甲酸（HCOOH，又稱(chēng)蟻酸）和苯（C6H6）等都未有明確規(guī)定。

N2O是一種典型的溫室氣體，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的300多倍。它能消耗平流層中的臭氧，使平流層中臭氧減少[1]。N2O在大氣中經(jīng)氧化轉(zhuǎn)變成硝酸，和SO2一樣是造成酸雨的原因之一。HCHO和HCOOH等對(duì)人體健康都有影響。而C6H6等過(guò)量的非甲烷總烴（NMHC）除了會(huì)直接對(duì)人體造成危害之外，其在紫外光線的照射下，會(huì)很快被空氣中的氫氧基所氧化，進(jìn)一步生成成分較為復(fù)雜的過(guò)氧化碳?xì)浠铮瑥墓饣瘜W(xué)污染，進(jìn)一步危害環(huán)境和人類(lèi)身體健康。特別是在高原地區(qū)，紫外線強(qiáng)、環(huán)境敏感性強(qiáng)并且生物多樣性豐富，環(huán)境更易被破壞、難恢復(fù)。

1 研究方法、對(duì)象及設(shè)備

1.1 研究方法

研究高原環(huán)境下柴油機(jī)的非常規(guī)污染物排放具有非常現(xiàn)實(shí)的必要性。本研究針對(duì)高海拔環(huán)境下進(jìn)行非常規(guī)污染物排放試驗(yàn)研究，分析國(guó)六柴油機(jī)后處理技術(shù)路線下非常規(guī)污染物的排放特性，以期對(duì)下階段高海拔環(huán)境下車(chē)用柴油機(jī)及后處理技術(shù)提供參考。

在本研究中，通過(guò)進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)模擬柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)兩端的壓力，分別為101.0 kPa、90.0 kPa、80.0 kPa、75.6 kPa、70.0 kPa和60.0 kPa共6個(gè)大氣壓強(qiáng)，對(duì)應(yīng)海拔分別是0 m、1 000 m、2 000 m、2 400 m、3 000 m和4 000 m。試驗(yàn)室環(huán)境氣壓為79.0～81.0 kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度控制在25±2℃，進(jìn)氣相對(duì)濕度控制在50%±10%。

在每個(gè)模擬海拔條件下均重新進(jìn)行瞬態(tài)性能曲線試驗(yàn)，用于生成當(dāng)前模擬海拔下的世界統(tǒng)一的瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（WHTC）和世界統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（WHSC）。本文主要討論WHTC循環(huán)，測(cè)試用燃油為同一批次國(guó)六市售燃油。證測(cè)試過(guò)程中，曲軸箱內(nèi)壓強(qiáng)應(yīng)當(dāng)保持與模擬海拔氣壓一致，否則將會(huì)引起增壓器潤(rùn)滑不暢。為此，本次試驗(yàn)將曲軸箱通風(fēng)管接入進(jìn)排氣海拔模擬中，并將連接點(diǎn)設(shè)置在排放設(shè)備采樣點(diǎn)之后。

1.2 研究對(duì)象及油品

本次試驗(yàn)以一臺(tái)重型國(guó)六柴油機(jī)為研究對(duì)象，該柴油機(jī)采用電控高壓共軌、缸內(nèi)直噴和廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），后處理形式包括氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、顆粒過(guò)濾器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 測(cè)試設(shè)備

研究所用測(cè)試設(shè)備主要包括進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)、油耗儀、進(jìn)氣流量計(jì)和非常規(guī)氣體分析儀等。主要測(cè)試設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用測(cè)試設(shè)備參數(shù)

2 研究結(jié)果及分析

2.1 NH3在不同海拔下的排放特性分析

中國(guó)第六階段重型車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NH3的排放量，要求在平原地區(qū)小于10ppm[2]。而NH3的來(lái)源主要是柴油機(jī)為降低NOx排放，噴入選擇性催化還原反應(yīng)器SCR中的尿素與NOx反應(yīng)，多余的尿素分解產(chǎn)生NH3。從圖1和圖2可以看到，隨著海拔的升高，轉(zhuǎn)速特性下柴油機(jī)的NH3泄露量在高海拔條件下（＞2 400 m）保持在0ppm附近（FITR測(cè)得值為負(fù)），在低海拔（≤2 400m）則隨著海撥升高逐漸降低，與NOx排放呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[3]。

圖1 不同海拔下速度特性的NH3排氣濃度

圖2 不同海拔下速度特性的NOx排氣濃度

從圖3可以得知，不同海拔下的NH3排氣濃度在不同負(fù)荷特性下，基本保持在0ppm左右，不受負(fù)荷變化的影響。同時(shí)圖4的WHTC熱態(tài)循環(huán)的NH3比排放結(jié)果展示了，NH3排放隨著海拔的增加，由平原的6 mg/kWh降低到1 900 m及以上海拔的接近0 mg/kWh。

圖3 不同海拔下負(fù)荷特性的NH3排氣濃度

圖4 不同海拔下熱態(tài)WHTC的NH3比排放

2.2 N2O在不同海拔下的排放特性分析

國(guó)六柴油機(jī)尾氣中的N2O來(lái)源主要包括幾部分：①NOx被THC在DOC的貴金屬催化劑涂層表面還原產(chǎn)生；②NOx在SCR內(nèi)部當(dāng)溫度較低時(shí)容易生成NH4NO3，NH4NO3再受熱分解生成副產(chǎn)物N2O；NH3在溫度較高時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，部分生成N2O；④泄露的NH3在ASC中同樣會(huì)被氧化生成一定量的N2O。

由圖5可知，隨著海拔的升高，速度特性下N2O的排氣濃度在0 m海拔可以達(dá)到50ppm（1 200 r/min），而5 000 m海拔降低到12ppm（1 200 r/min），表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。由圖6看出，不同海拔下N2O的排放隨著負(fù)荷的變化，呈現(xiàn)波動(dòng)的特性，但隨著海拔的增加，N2O在負(fù)荷特性下的波動(dòng)區(qū)間逐漸減小，由60ppm減小到19ppm。

圖5 不同海拔下速度特性的N2O排氣濃度

圖6 不同海拔下負(fù)荷特性的N2O排氣濃度

不同海拔下熱態(tài)WHTC的N2O比排放結(jié)果如圖7?？梢钥闯?，熱態(tài)WHTC的N2O比排放隨著海拔的升高呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，由平原的337 mg/kWh降低到2 400 m海拔的204 mg/kWh。隨著海拔的增加，N2O比排放變化不明顯，N2O排氣濃度的WHTC循環(huán)秒采結(jié)果展示了同樣的變化規(guī)律。

圖7 不同海拔下熱態(tài)WHTC的N2O比排放

產(chǎn)生這種變化的主要原因是，在低海拔時(shí)NH3泄露量大，多余的NH3在后處理中反應(yīng)生成N2O；隨著海拔的增加，大部分 NH3與NOx發(fā)生反應(yīng)，減小了N2O的生成。而在高海拔時(shí)，隨著NOx排放的增加，經(jīng)過(guò)后處理中DOC和SCR的還原作用，又會(huì)增加N2O的生成。兩者的相互作用，使N2O隨海拔的進(jìn)一步升高變化不明顯，而處于較高排放水平甚至略有增加。

2.3 HCHO在不同海拔下的排放特性分析

從圖8可以看出，柴油機(jī)尾氣中HCHO的排放速度特性在不同海拔保持在1ppm～3ppm，并隨著海拔的升高整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)HCHO的排放影響較小。同時(shí)，柴油機(jī)HCHO的負(fù)荷特性同樣受到海拔的影響（圖9），呈現(xiàn)隨著海拔的升高整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而負(fù)荷變化對(duì)HCHO的影響不大。

圖8 不同海拔下速度特性的HCHO排氣濃度

圖9 不同海拔下負(fù)荷特性的HCHO排氣濃度

HCHO整體在柴油機(jī)尾氣中的排放處于較低水平，受轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化的影響較小。同時(shí)對(duì)比不同海拔下WHTC循環(huán)的HCHO比排放（圖10），隨著海拔的增加，HCHO的比排放由平原的14 mg/kWh降低到4 000 m海拔的7 mg/kWh，與速度特性和負(fù)荷特性受海拔影響一致。

圖10 不同海拔下熱態(tài)WHTC的HCHO比排放

2.4 C6H6在不同海拔下的排放特性分析

柴油機(jī)中的碳?xì)渑欧胖饕侨紵煌耆a(chǎn)生。經(jīng)測(cè)試，柴油機(jī)尾氣中C6H6的排放速度特性隨海拔的變化整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)（圖11），由平原的2ppm～3ppm降低到5 000 m海拔的0ppm，且不受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化影響[4]。同時(shí)，柴油機(jī)負(fù)荷特性下的C6H6排放受海拔變化規(guī)律與速度特性一致，同樣隨著海拔的升高而降低（圖12）。

圖11 不同海拔下速度特性的C6H6排氣濃度

對(duì)比不同海拔下WHTC循環(huán)的C6H6比排放，可以得到不同海拔下穩(wěn)定在20～50 mg/kWh的排放區(qū)間，并未表現(xiàn)出與速度特性和負(fù)荷特性受海拔的影響規(guī)律（圖13）。主要原因是隨著海拔的升高空氣逐漸變稀薄，柴油機(jī)在變工況下燃燒惡化，導(dǎo)致C6H6比排放增加。同時(shí)高海拔進(jìn)氣量減小，C6H6總排放量減小，兩者共同作用使C6H6在不同海拔下在區(qū)間內(nèi)波動(dòng)[5]。

圖12 不同海拔下負(fù)荷特性的C6H6排氣濃度

圖13 不同海拔下熱態(tài)WHTC的C6H6比排放

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著柴油機(jī)后處理系統(tǒng)“DOC+SCR+ASC+DPF”技術(shù)的普及，其衍生帶來(lái)的NH3和N2O排放應(yīng)引起重視。從本次的研究結(jié)果得知，不同海拔下NH3排放與NOx排放呈現(xiàn)蹺蹺板效應(yīng)。隨著海拔的升高，不同海拔下熱態(tài)WHTC的N2O比排放呈現(xiàn)先減小后持平的變化趨勢(shì)，并都超過(guò)200 mg/kWh，已經(jīng)達(dá)到常規(guī)污染物的排放水平，并受到NH3和NOx排放的影響。而柴油機(jī)速度特性和負(fù)荷特性下尾氣中HCHO和C6H6的排氣濃度，都隨著海拔的升高呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

針對(duì)下階段排放法規(guī)中，可能存在對(duì)更高海拔的排放限值要求，以及增加非常規(guī)污染物排放管控，建議柴油機(jī)生產(chǎn)廠家在整機(jī)及后處理技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，就需要綜合考慮不同海拔下NOx和NH3的排放平衡問(wèn)題。同時(shí)，對(duì)N2O在不同海拔整體排放水平過(guò)高問(wèn)題應(yīng)提前進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)，降低柴油機(jī)在高海地區(qū)的NOx原始排放或尿素的精確控制，減少多余NH3的生成，阻斷N2O生成的基礎(chǔ)。