國(guó)六重型車用柴油機(jī)溫室氣體排放研究

關(guān)敏，黃強(qiáng)煒，王明達(dá)，鄭建，毛賽龍

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；2.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

全球溫室效應(yīng)逐漸加劇，極端天氣出現(xiàn)的頻率增大，溫室氣體成為當(dāng)前污染防治的重點(diǎn)。我國(guó)當(dāng)前提出的“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)，進(jìn)一步推進(jìn)相關(guān)減排技術(shù)的研究和實(shí)踐。溫室氣體主要由CO2、CH4和N2O構(gòu)成，這三者的排放量占據(jù)溫室氣體排放總量的主體部分。與此同時(shí)，道路交通的相關(guān)溫室氣體排放也逐年增加。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)這三類溫室氣體排放開(kāi)展相關(guān)的研究[1-11]，涵蓋整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、替代能源等多個(gè)領(lǐng)域。目前現(xiàn)行有效的重型車第六階段標(biāo)準(zhǔn)[12]對(duì)N2O無(wú)單獨(dú)的減排要求。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際溫室氣體排放水平的研究較少，且多是針對(duì)單一特定研究對(duì)象展開(kāi)，試驗(yàn)樣本不具備代表性。我國(guó)高原和山地在領(lǐng)土面積中的占比較大，此類地區(qū)大氣環(huán)境的差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫室氣體排放影響的研究目前較為缺乏。因此，本研究將基于大量試驗(yàn)樣本，研究其溫室氣體排放水平差異，同時(shí)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排量、EGR路線、海拔等因素的影響。

1 平原環(huán)境下溫室氣體排放水平

以國(guó)六重型柴油機(jī)為主要研究對(duì)象，基于WHSC循環(huán)和WHTC循環(huán)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)[12]，分析溫室氣體排放情況。WHSC循環(huán)側(cè)重于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能，WHTC循環(huán)可在一定程度上表征發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能。由于重型柴油機(jī)的總碳?xì)渑欧泡^低，其中CH4含量較少，因此本文針對(duì)CO2和N2O開(kāi)展相關(guān)研究，探索下一階段標(biāo)準(zhǔn)的溫室氣體減排目標(biāo)。

1.1 CO2排放分析

選取具有普遍代表性的277臺(tái)國(guó)六重型柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣本，覆蓋了不同發(fā)動(dòng)機(jī)排量(包括小于3 L和大于12 L)、不同技術(shù)路線(是否裝用EGR)，其整體分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 國(guó)六重型柴油機(jī)樣本分布情況

WHTC循環(huán)中試驗(yàn)樣本的CO2比排放量分布情況見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，大部分發(fā)動(dòng)機(jī)CO2比排放量在620～740 g/(kW·h)區(qū)間，樣本數(shù)量占比達(dá)到88%。WHSC循環(huán)排放結(jié)果中，試驗(yàn)樣本的CO2排放差異見(jiàn)圖3。其中，CO2比排放量小于720 g/(kW·h)的發(fā)動(dòng)機(jī)占比高達(dá)96%。以此類樣本發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，可按照一定減排比例來(lái)擬定下階段CO2排放限值的預(yù)研范圍。

圖2 WHTC循環(huán)試驗(yàn)樣本CO2排放分布

圖3 WHSC循環(huán)試驗(yàn)樣本CO2排放分布

考慮樣本中發(fā)動(dòng)機(jī)排量的差異，分析重型柴油機(jī)在WHTC循環(huán)和WHSC循環(huán)下CO2比排放的分布規(guī)律，結(jié)果如圖4和圖5所示。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量的增加，WHTC和WHSC循環(huán)的CO2比排放水平均呈下降趨勢(shì)，最大差異約90 g/(kW·h)。由于CO2比排放量與燃料消耗量直接相關(guān)，因此,發(fā)動(dòng)機(jī)排量增加時(shí)，相應(yīng)的技術(shù)調(diào)整使得缸內(nèi)燃燒效率提高，經(jīng)濟(jì)性得到改善。

圖4 不同排量下WHTC循環(huán)CO2排放差異

圖5 不同排量下WHSC循環(huán)CO2排放差異

圖6和圖7示出不同發(fā)動(dòng)機(jī)功率下WHTC循環(huán)和WHSC循環(huán)的CO2排放分布規(guī)律。由圖6和圖7可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增加，柴油機(jī)CO2循環(huán)比排放水平呈下降趨勢(shì)，最大差異約100 g/(kW·h)。因此，在當(dāng)前國(guó)六技術(shù)路線下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響程度與發(fā)動(dòng)機(jī)排量接近。

圖6 不同功率下WHTC循環(huán)CO2排放差異

圖7 不同功率下WHSC循環(huán)CO2排放差異

綜上可知，發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率均可使國(guó)六重型柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況的CO2比排放量產(chǎn)生較為明顯的差異。所以，可將發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率作為CO2排放限值劃分的依據(jù)，以在當(dāng)前市場(chǎng)不同機(jī)型排放水平存在差異的情況下實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的減排治理。

1.2 N2O排放分析

柴油機(jī)原機(jī)排放的N2O含量較低，尤其在富氧狀態(tài)下幾乎不會(huì)生成N2O。但發(fā)動(dòng)機(jī)排氣流經(jīng)后處理裝置(DOC，SCR，ASC)會(huì)顯著增加N2O排放，其主要生成過(guò)程如下[13-15]。

1) DPF主動(dòng)再生時(shí)，將從缸內(nèi)或排氣管內(nèi)噴入額外的柴油；由此在高溫下生成HC組分，在DOC的貴金屬催化劑表面與NOx發(fā)生副反應(yīng)生成N2O，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如式(1)至式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

2) 在SCR催化器中，當(dāng)溫度比較低時(shí)(<350 ℃)，SCR催化劑面會(huì)生成硝酸銨(NH4NO3)，NH4NO3分解會(huì)生成部分N2O；在高溫條件下(>450 ℃)，NH3被氧化也會(huì)生成N2O?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理如式(4)和式(5)所示。

a) 硝酸銨分解

(4)

b) NH3氧化

(5)

3) SCR催化器泄漏的NH3在ASC中被氧化時(shí)生成N2O，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

以46臺(tái)國(guó)六柴油機(jī)為試驗(yàn)樣本，使用傅里葉紅外光譜儀采集N2O的排放數(shù)據(jù)，分析N2O排放水平。其中EGR發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量為28臺(tái)，非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)為18臺(tái)，覆蓋了大、中、小排量范圍(見(jiàn)圖8)。

圖8 不同排量下的EGR和非EGR試驗(yàn)樣本占比

圖9示出WHSC循環(huán)下試驗(yàn)樣本N2O排放的分布和占比?？傮w來(lái)看，98%國(guó)六柴油機(jī)的N2O比排放量小于0.5 g/(kW·h)。圖10示出EGR和非EGR重型柴油機(jī)在WHSC循環(huán)下的N2O分布情況。EGR路線下N2O排放整體相對(duì)較低，循環(huán)比排放量基本小于0.2 g/(kW·h)。而對(duì)于非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，N2O分布占比相對(duì)分散，但N2O排放介于0.1～0.4 g/(kW·h)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量占到95%。

圖9 WHSC循環(huán)下N2O分布及占比

圖10 EGR和非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在WHSC循環(huán)下的N2O排放

WHTC循環(huán)試驗(yàn)樣本的N2O排放分布和占比見(jiàn)圖11，由圖可知，所有國(guó)六柴油機(jī)的N2O比排放量均小于0.5 g/(kW·h)。圖12示出EGR和非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在WHTC循環(huán)下的N2O排放分布。對(duì)于樣本中的EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，循環(huán)比排放量小于0.2 g/(kW·h)的發(fā)動(dòng)機(jī)比例為82%。對(duì)于非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，N2O排放分布相對(duì)分散，N2O比排放量介于0.1～0.2 g/(kW·h)的發(fā)動(dòng)機(jī)樣本占比達(dá)到50%。

圖11 WHTC循環(huán)試驗(yàn)樣本N2O分布及占比

圖12 EGR和非EGR發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)N2O排放分布

因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況的N2O排放限值擬定，同理可依據(jù)總體排放水平來(lái)設(shè)置減排目標(biāo)，并考慮不同技術(shù)路線(有無(wú)EGR)的影響。

WHSC循環(huán)下N2O排放與發(fā)動(dòng)機(jī)排量的相關(guān)性見(jiàn)圖13。隨著排量的增加，N2O排放總體呈上升的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)排量增大后，燃燒劇烈程度增加，此時(shí)原機(jī)NOx排放升高，使得SCR系統(tǒng)所需尿素噴射量增多，相應(yīng)地NH3含量增大，所以促進(jìn)N2O的生成。

圖13 WHSC循環(huán)下不同排量試驗(yàn)樣本的N2O排放分布

WHTC循環(huán)下N2O排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)排量的變化見(jiàn)圖14。其排放規(guī)律與WHSC循環(huán)相似，N2O比排放量在排量增加時(shí)整體呈上升的趨勢(shì)。

圖14 WHTC循環(huán)下不同排量試驗(yàn)樣本的N2O排放分布

由圖13和圖14可知，排量為9～12 L的發(fā)動(dòng)機(jī)的N2O排放量最大，由圖8可知該排量對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)樣本均采用非ERG路線。發(fā)動(dòng)機(jī)排量較大時(shí)缸內(nèi)氧氣含量有所增加，抑制了部分原機(jī)排放中N2O的生成，但在發(fā)動(dòng)機(jī)排量與非EGR路線的疊加效應(yīng)下NOx排放增加明顯，加之尿素噴射量與尾氣中NH3濃度大幅上升，因此N2O排放快速增長(zhǎng)。發(fā)動(dòng)機(jī)排量大于12 L的試驗(yàn)樣本同樣是采用非EGR路線，但該排量的發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)與排氣系統(tǒng)中富氧狀態(tài)明顯，使得原機(jī)排放與后處理系統(tǒng)中N2O的生成受到明顯抑制，因此N2O排放量相對(duì)9～12 L的發(fā)動(dòng)機(jī)有所下降。

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)排量變化對(duì)重型柴油機(jī)N2O排放有較大影響，制定下一階段排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可將發(fā)動(dòng)機(jī)排量作為N2O排放限值關(guān)鍵影響因素納入考慮，以此劃分不同減排目標(biāo)。

2 海拔對(duì)溫室氣體排放的影響

選擇3臺(tái)國(guó)六柴油機(jī)(排量分別為5 L,6.7 L,9.5 L)在不同的海拔模擬條件下進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同海拔下溫室氣體排放差異，從而探索將海拔因素納入溫室氣體排放監(jiān)管范圍內(nèi)的必要性。

2.1 對(duì)CO2排放的影響

同一海拔下，每臺(tái)樣本發(fā)動(dòng)機(jī)分別在各自的萬(wàn)有工況下測(cè)量穩(wěn)態(tài)CO2排放濃度(原排和尾排)，綜合3個(gè)機(jī)型的試驗(yàn)結(jié)果，以此來(lái)表征該海拔下國(guó)六柴油機(jī)整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的CO2排放水平。不同海拔下樣本發(fā)動(dòng)機(jī)整體CO2排放水平差異見(jiàn)圖15。

圖15 不同海拔下柴油機(jī)整體CO2排放水平

由圖15可知，隨著海拔的增加，柴油機(jī)整體CO2排放濃度(原排和尾排)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，海拔5 000 m時(shí)有所下降。海拔升高時(shí)大氣壓力與密度有所下降，因此進(jìn)氣量減少，使得缸內(nèi)燃燒惡化，燃油消耗量增大，CO2排放濃度升高。海拔5 000 m時(shí)，進(jìn)氣量的降低到達(dá)臨界值，缸內(nèi)燃燒急劇惡化，完全燃燒生成的CO2減少，此時(shí)輸出扭矩大幅減少。

對(duì)比圖15中原排和尾排的CO2排放濃度，可知二者相差不大，后處理裝置對(duì)CO2排放的影響較小。因此，僅采集不同海拔下3臺(tái)樣機(jī)WHTC循環(huán)和WHSC循環(huán)的平均CO2原排結(jié)果(見(jiàn)圖16)進(jìn)行分析。隨著海拔的增加，標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的CO2原排在4 000 m之前基本穩(wěn)定，在4 000 m后升高較多。海拔5 000 m時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性急劇降低導(dǎo)致循環(huán)功急劇減小，且此時(shí)缸內(nèi)燃燒惡化，從而使得比排放量急劇升高。

圖16 不同海拔下柴油機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)CO2原排比排放量

由此可知，海拔升高使得CO2排放濃度增大，相應(yīng)功率降低，但在海拔4 000 m以前總體差異不明顯?？紤]到海拔5 000 m以上區(qū)域重型車用柴油機(jī)應(yīng)用相對(duì)較少，因此，制定CO2排放的限值與監(jiān)管措施時(shí)可一定程度上忽略高原環(huán)境的影響。

2.2 對(duì)N2O排放的影響

由前文可知，N2O主要在后處理系統(tǒng)中產(chǎn)生，因此，針對(duì)樣本發(fā)動(dòng)機(jī)的尾排進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。在相同海拔下獲得樣本發(fā)動(dòng)機(jī)在各自萬(wàn)有工況下的尾排N2O排放，將其匯總作為當(dāng)前海拔下柴油機(jī)N2O排放水平指標(biāo)，基于此分析不同海拔下柴油機(jī)N2O排放水平差異(見(jiàn)圖17)。

圖17 不同海拔下柴油機(jī)整體尾排N2O排放體積分?jǐn)?shù)

由圖17可知，尾排N2O濃度隨著海拔變化而呈現(xiàn)大小往復(fù)變化的趨勢(shì)，整體水平基本恒定，平均值在15×10-6～20×10-6之間。

圖17的試驗(yàn)結(jié)果基本涵蓋N2O穩(wěn)態(tài)排放水平，瞬態(tài)工況下其排放變化規(guī)律則采用WHTC循環(huán)進(jìn)行表征。隨著海拔的升高，柴油機(jī)WHTC循環(huán)的N2O比排放量都在0.1 g/(kW·h)以上(見(jiàn)圖18)。海拔4 000 m以下，N2O比排放量變化規(guī)律與穩(wěn)態(tài)時(shí)的N2O排放規(guī)律相近，數(shù)值在整體均值附近振蕩。海拔5 000 m時(shí)燃燒惡化使得排氣溫度降低，相應(yīng)地NOx轉(zhuǎn)化效率有所降低，因而尾氣中NH3的濃度增大，N2O濃度升高。

圖18 不同海拔下柴油機(jī)WHTC循環(huán) N2O比排放量

綜上所述，國(guó)六柴油機(jī)N2O排放水平隨著海拔的升高而呈現(xiàn)增減交替的振蕩規(guī)律，具備不確定性?？紤]到此類溫室氣體的監(jiān)管尚未完善，可將海拔影響作為相關(guān)減排策略與限值制定工作的參考依據(jù)。

3 結(jié)論

a) 基于平原環(huán)境下277臺(tái)試驗(yàn)樣本的CO2排放水平，可擬定下階段CO2排放限值的預(yù)研范圍，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)排量與功率作為限值劃分的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)減排；

b) 平原環(huán)境下46臺(tái)試驗(yàn)樣本的N2O排放結(jié)果可作為減排目標(biāo)制定依據(jù)，并考慮EGR路線差異，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排量對(duì)于界定N2O排放限值的應(yīng)用范圍有著積極的意義；

c) 海拔4 000 m下國(guó)六重型柴油機(jī)的CO2排放水平差異較小，因此關(guān)于CO2排放的監(jiān)管與限值制定可不考慮海拔因素；

d) 不同海拔下國(guó)六重型柴油機(jī)N2O排放大小呈現(xiàn)往復(fù)振蕩趨勢(shì)，存在特定海拔下N2O排放異常增大的可能性，應(yīng)將海拔影響納入N2O減排策略和限值制定工作中。