非道路柴油機(jī)氧化亞氮排放特性試驗(yàn)研究

白鳳月,王振宇,申富強(qiáng),張佑源*,吳春玲,張琳,景曉軍

1.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300;2.東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司,廣西 柳州 545500

0 引言

銅基分子篩催化劑具有良好的低溫性能,廣泛應(yīng)用到非道路四階段柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中,但同時(shí)導(dǎo)致氧化亞氮N2O等污染物排放增加。高溫和低溫時(shí),N2O在選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)銅基分子篩催化劑上的生成機(jī)理不同。低溫條件下,有研究表明N2O主要來(lái)源于NH3與NO或NO2之間的反應(yīng)[1],也有研究認(rèn)為N2O是由SCR反應(yīng)過(guò)程中生成的NH4NO3分解導(dǎo)致[2]。高溫條件下,N2O主要由NH3的直接氧化和NH3與NOx的非選擇催化還原生成[3-4]。此外,排氣中NO2的含量、氨氮比、O2和H2O的體積分?jǐn)?shù)等對(duì)N2O生成均有影響[5-7]。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架的柴油機(jī)后處理系統(tǒng)N2O排放特性的研究較多。唐韜等[8]研究表明使用鈾銅沸石、銅-鐵復(fù)合沸石、釩基、鐵沸石催化劑的SCR系統(tǒng)中,銅沸石基的SCR反應(yīng)生成的N2O最多,柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)主動(dòng)再生時(shí),排氣中的柴油與NOx在催化劑表面發(fā)生副反應(yīng)生成N2O,生成量隨氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)出口溫度升高先增大后減小;劉冰[9]研究了基于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)工況的重型車(chē)用柴油機(jī)N2O排放特性,結(jié)果表明,后處理的使用使N2O排放大幅增加,世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)(world harmonized steady cycle, WHSC)中,負(fù)荷降低時(shí)N2O排放出現(xiàn)峰值,且隨著世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle, WHTC)進(jìn)行,排溫升高,N2O排放增加;范振陽(yáng)等[10]研究了使用銅基SCR系統(tǒng)的重型國(guó)六柴油機(jī)在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試循環(huán)下的N2O排放,結(jié)果表明,N2O排放接近或超過(guò)了NOx排放,且N2O排放峰值與DOC有關(guān),尿素噴射是影響N2O生成的關(guān)鍵因素;王磊等[11]研究表明,重型國(guó)六柴油機(jī)排放的N2O主要來(lái)源于SCR和氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst, ASC),DPF再生過(guò)程中,DOC中的催化反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生N2O。但基于臺(tái)架試驗(yàn)的非道路柴油機(jī)N2O排放特性研究較少。

本文中以裝備銅基SCR系統(tǒng)的非道路四階段柴油機(jī)為研究對(duì)象,進(jìn)行非道路穩(wěn)態(tài)循環(huán)(non-road steady cycle, NRSC)和非道路瞬態(tài)循環(huán)(non-road transient cycle, NRTC)試驗(yàn),研究其在標(biāo)準(zhǔn)工況和再生狀態(tài)下的N2O排放特性,有助于了解非道路四階段柴油機(jī)的N2O排放水平,為N2O排放的控制及測(cè)試提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

以某直列6缸非道路柴油機(jī)為研究對(duì)象,其排放控制路線為廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)-DOC-DPF-SCR-ASC,其中SCR催化劑為銅基分子篩,該柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 非道路柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

采用HORIBA HD600型測(cè)功系統(tǒng)和FQ2100型油耗儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和油耗,采用MEXA-ONE-DC-OV型排放分析儀測(cè)試CO2排放和NOx等常規(guī)污染物排放,采用AVL SESAM i60 FT SII型傅里葉變換紅外分析儀(Fourier transform infrared spectrophotometer, FTIR)測(cè)試NH3和N2O等非常規(guī)污染物的排放,采用循環(huán)水溫控系統(tǒng)、中冷恒溫系統(tǒng)、進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)及全室空調(diào)系統(tǒng)等控制試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的邊界條件。測(cè)試過(guò)程中,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%的尿素水溶液作為SCR還原劑,柴油采用非道路四階段基準(zhǔn)柴油。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺(tái)架安裝完成后,使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)。運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)至額定點(diǎn),調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度、循環(huán)水出水溫度及中冷壓差等邊界條件,鎖定各閥門(mén)開(kāi)度。發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件穩(wěn)定后,從額定點(diǎn)進(jìn)入NRSC測(cè)試循環(huán)。循環(huán)結(jié)束后檢查轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與設(shè)置值的偏差及碳平衡,檢驗(yàn)循環(huán)的有效性。非恒速非道路柴油機(jī)的NRSC由8個(gè)工況組成,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷比(實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷之比)如表2所示,每個(gè)工況運(yùn)行10 min。

表2 NRSC轉(zhuǎn)速和負(fù)荷比

冷、熱態(tài)NRTC試驗(yàn)前,運(yùn)行2次熱態(tài)NRTC進(jìn)行預(yù)處理;然后將發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理裝備冷卻6 h以上,使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度、水溫及后處理溫度降至25 ℃左右;接著運(yùn)行冷起動(dòng)NRTC,然后停車(chē)熱浸20 min,進(jìn)行熱態(tài)NTRC。NRTC過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩如圖1所示。

圖1 NRTC試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩

調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入主動(dòng)再生模式,然后運(yùn)行1個(gè)熱態(tài)NRTC,并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和排放性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 NRSC試驗(yàn)中N2O排放特性

通過(guò)NRSC試驗(yàn)研究該發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工況下的N2O排放特性,試驗(yàn)過(guò)程中排氣溫度和尾氣中N2O體積分?jǐn)?shù)如圖2所示,NRSC過(guò)程中的原機(jī)尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù)和泄漏的NH3體積分?jǐn)?shù)如圖3所示。

圖2 NRSC試驗(yàn)排氣溫度和N2O體積分?jǐn)?shù) 圖3 NRSC試驗(yàn)NOx體積分?jǐn)?shù)和NH3泄漏體積分?jǐn)?shù)

由圖2可知:額定轉(zhuǎn)速下,負(fù)荷比由100%至10%變化時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度由490 ℃降低至366 ℃,尾氣中N2O體積分?jǐn)?shù)由13.0×10-6增加至37.1×10-6;中間轉(zhuǎn)速下,負(fù)荷比由100%至50%變化時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度從469 ℃降至376 ℃,尾氣中N2O體積分?jǐn)?shù)由24.3×10-6增加至36.0×10-6;怠速工況初期,N2O的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,排氣溫度下降至180 ℃左右,N2O的體積分?jǐn)?shù)開(kāi)始下降,當(dāng)排氣溫度繼續(xù)下降至167 ℃,發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)熱管理系統(tǒng),排氣溫度立即升高,N2O生成量繼續(xù)下降后升高。經(jīng)計(jì)算,NRSC試驗(yàn)中N2O的平均體積分?jǐn)?shù)為22.8×10-6,平均比排放為147.1 mg/(kW·h)。

轉(zhuǎn)速不變時(shí),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低,原排中的HC和CO體積分?jǐn)?shù)增大,后處理空速降低,傳質(zhì)和傳遞增加,反應(yīng)效率增加,導(dǎo)致SCR入口的NO2比例增加[12],且排氣中O2體積分?jǐn)?shù)增加,導(dǎo)致SCR反應(yīng)生成的N2O增加[13]。

由圖3可知:第1、2、3、5、6工況,排氣溫度高于400 ℃時(shí),NRSC試驗(yàn)中N2O與NOx體積分?jǐn)?shù)有相同趨勢(shì),ASC中NH3在高溫下主要氧化為N2[14],說(shuō)明在高溫時(shí)N2O排放主要來(lái)源于SCR中NOx與NH3的反應(yīng);在第4工況,SCR空速約為36 000 h-1,采用過(guò)量的尿素噴射有利于提高NOx的轉(zhuǎn)化效率,同時(shí)溫度降低使ASC氧化NH3生成N2O的速率增加,因此N2O排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì);在第7工況,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定,原排中的NOx略降低,因此尿素噴射量略降低,且此工況下后處理空速較高,ASC對(duì)NH3的氧化速率降低,因此N2O排放降低。

怠速初期,NH3在ASC中氧化生成N2O,導(dǎo)致N2O排放體積分?jǐn)?shù)增大,當(dāng)排氣溫度降到180 ℃以下時(shí),尿素分解速率降低,停止噴射尿素,N2O排放降低;當(dāng)熱管理系統(tǒng)工作后,排氣溫度升高,尿素噴射系統(tǒng)開(kāi)始工作,N2O排放開(kāi)始上升。

2.2 NRTC試驗(yàn)中N2O排放特性

NRTC試驗(yàn)過(guò)程中排氣溫度和尾氣中N2O體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。由圖4可知:冷、熱態(tài)NRTC下,排氣溫度有相同的趨勢(shì);冷起動(dòng)階段,熱管理系統(tǒng)使后處理系統(tǒng)快速升溫;冷態(tài)NRTC的前60 s內(nèi),N2O排放較低,N2O體積分?jǐn)?shù)在第190秒左右出現(xiàn)峰值,為80.1×10-6;經(jīng)計(jì)算整個(gè)循環(huán)中N2O的平均體積分?jǐn)?shù)為15.7×10-6,平均比排放為130.2 mg/(kW·h);熱態(tài)NRTC中的N2O體積分?jǐn)?shù)有多個(gè)較為接近的峰值,約為50.0×10-6,經(jīng)計(jì)算整個(gè)循環(huán)中N2O的平均體積分?jǐn)?shù)為18.2×10-6,平均比排放為150.2 mg/(kW·h);冷、熱態(tài)NRTC加權(quán)的N2O平均比排放為148.2 mg/(kW·h)。

a)冷態(tài) b)熱態(tài)

為了進(jìn)一步探究N2O的生成方式,對(duì)比冷態(tài)和熱態(tài)NRTC下的N2O體積分?jǐn)?shù)與原機(jī)排放尾氣中NOx體積分?jǐn)?shù),如圖5所示。由圖5可知:冷起動(dòng)55 s后,在排氣中開(kāi)始有N2O產(chǎn)生,此時(shí)尿素噴射系統(tǒng)還沒(méi)有開(kāi)始工作,此排放來(lái)源于后處理系統(tǒng)中存儲(chǔ)的NH3在低溫下在ASC中氧化生成。冷起動(dòng)150 s后,發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)開(kāi)始噴射尿素,此后N2O的生成與原機(jī)NOx排放趨勢(shì)一致,且從熱起動(dòng)開(kāi)始,N2O排放即與NOx保持相同的趨勢(shì),說(shuō)明柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中形成的N2O與原機(jī)NOx排放和尿素噴射密切相關(guān)。

a)冷態(tài) b)熱態(tài)

2.3 再生過(guò)程中N2O排放特性

調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù),使后處理進(jìn)入主動(dòng)再生模式,然后運(yùn)行1個(gè)熱態(tài)NRTC,循環(huán)過(guò)程中N2O的體積分?jǐn)?shù)、排氣溫度和原機(jī)NOx排放如圖6、7所示。

圖6 再生試驗(yàn)NRTC中排氣溫度和N2O體積分?jǐn)?shù) 圖7 再生試驗(yàn)NRTC中N2O和原機(jī)NOx體積分?jǐn)?shù)

由圖6、7可知:再生過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度明顯高于非再生過(guò)程;循環(huán)前300 s內(nèi),N2O排放與非再生過(guò)程中NRTC的基本一致,之后明顯降低,但趨勢(shì)和原機(jī)NOx排放保持一致;N2O體積分?jǐn)?shù)在第180秒產(chǎn)生峰值,體積分?jǐn)?shù)為64.0×10-6;經(jīng)計(jì)算,循環(huán)中N2O平均體積分?jǐn)?shù)為7.8×10-6,平均比排放為67.6 mg/(kW·h)。

發(fā)動(dòng)機(jī)從停機(jī)狀態(tài)進(jìn)入熱態(tài)NRTC,后處理溫度較低,不具備主動(dòng)再生條件,發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有真正進(jìn)入再生狀態(tài),因此前300 s內(nèi)N2O排放與非再生循環(huán)基本相同;進(jìn)入主動(dòng)再生之后,后噴使后處理系統(tǒng)入口有大量的未燃THC,由于NO2會(huì)參與到THC的催化反應(yīng)中,導(dǎo)致SCR入口的NO2體積分?jǐn)?shù)降低[15],同時(shí)消耗掉大量的O2,因此,大大降低了SCR系統(tǒng)中NH3氧化為N2O的速率,使N2O排放大大降低。

3 結(jié)論

1)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低,N2O排放增加;在穩(wěn)態(tài)循環(huán)測(cè)試中,N2O排放存在逐漸穩(wěn)定的過(guò)程;冷態(tài)循環(huán)初期,后處理系統(tǒng)存儲(chǔ)的NH3會(huì)引起少量的N2O排放;發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中,應(yīng)連續(xù)記錄排放中N2O體積分?jǐn)?shù),用整個(gè)工況的平均值作為最終結(jié)果。

2)N2O排放與發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)NOx和后處理系統(tǒng)尿素噴射有很高的相關(guān)性,可以通過(guò)優(yōu)化原機(jī)NOx排放和尿素噴射策略降低N2O排放。

3)主動(dòng)再生可以大幅降低N2O排放。

4)應(yīng)繼續(xù)從熱管理及SCR催化劑研究等入手,進(jìn)一步探討降低N2O排放的措施。