基于國六標(biāo)準(zhǔn)工況的甲醇增程式發(fā)動機(jī)N2O和NH3排放特性研究

劉冰,吳滴,張超,熊衛(wèi)東,閆少鋒

(1.招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司,重慶 401329;2.博世電動工具(中國)有限公司,浙江 杭州 310052)

隨著我國汽車行業(yè)的高速發(fā)展,我國汽車保有量也快速增加。根據(jù)預(yù)測,2031年我國汽車保有量將達(dá)到3.5億輛[1]。能源安全和環(huán)境污染問題一直是內(nèi)燃機(jī)研究的重點(diǎn),因此我國加強(qiáng)了汽車排放法規(guī)的要求,鼓勵(lì)發(fā)展清潔能源。甲醇是一種高效清潔的內(nèi)燃機(jī)替代燃料,近年來越來越受到關(guān)注。早在2019年,工信部等八部委就發(fā)布了關(guān)于在部分地區(qū)開展甲醇汽車應(yīng)用的指導(dǎo)意見[2],規(guī)定新生產(chǎn)的甲醇汽車按照GB 17691—2018重型柴油車標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行型式檢驗(yàn),該指導(dǎo)意見對甲醇發(fā)動機(jī)發(fā)展起到了重要推動作用,但是沒有給出甲醇和甲醛非常規(guī)污染物的測量方法。2020年生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)HJ 1137—2020《甲醇燃料汽車非常規(guī)污染物排放測量方法》,明確了甲醇和甲醛非常規(guī)污染物的測量方法,又一次加速了甲醇汽車的發(fā)展。目前國內(nèi)吉利汽車已經(jīng)推出了甲醇乘用車商用車,為甲醇汽車市場化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

甲醇發(fā)動機(jī)具有較低的CO、HC、NOx等常規(guī)氣態(tài)污染物排放和顆粒物排放[3],但尾氣中含有對人體有害的未然甲醇及甲醛。目前國內(nèi)外針對甲醇發(fā)動機(jī)排放的研究主要集中在常規(guī)的CO、HC、NOx排放和非常規(guī)的醇醛類排放[4],而對NH3和N2O排放的研究卻很少。NH3是一種無色有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體,易損傷人體的黏膜、呼吸道等組織器官[5]。汽車尾氣中NH3含量較少,但對環(huán)境的影響卻非常大,所以輕型車和重型車國六標(biāo)準(zhǔn)都對NH3排放進(jìn)行了嚴(yán)格限制。有研究表明,機(jī)動車尾氣中NH3排放大多數(shù)來源于后處理系統(tǒng)的催化反應(yīng)[6]。

汽車尾氣中NOx通常是NO和NO2的統(tǒng)稱,其中NO占比約95%。在NOx化合物群體中還存在另一種不可忽視的污染物,即氧化亞氮(N2O),其增溫能力是CO2的300多倍[7],是《京都議定書》規(guī)定的強(qiáng)溫室氣體。以前汽車尾氣中N2O排放并不高,也沒有引起人們的關(guān)注。但隨著排放法規(guī)不斷加嚴(yán),柴油機(jī)普遍采用DOC+DPF+SCR+ASC的后處理型式,而汽油機(jī)、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、甲醇發(fā)動機(jī)則采用普遍采用三元催化后處理裝置。一些學(xué)者的試驗(yàn)研究表明,這些后處理裝置的使用會導(dǎo)致N2O排放大幅增加[8]。因此監(jiān)管部門在輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)增加了對N2O的要求,在下一階段重型車排放標(biāo)準(zhǔn)中也會增加對N2O的限值要求。

增程式電動汽車作為新能源汽車的一種,相較于純電動車解決了里程焦慮的問題,相較于燃油車又增加了電車的駕駛體驗(yàn)。由于增程式發(fā)動機(jī)僅作為發(fā)電用,發(fā)動機(jī)可以保持在高熱效率工況運(yùn)行,因而又可以降低燃油消耗。在當(dāng)前電池價(jià)格高居不下的市場環(huán)境下,結(jié)構(gòu)簡單的增程式汽車在乘用車領(lǐng)域越來越受到青睞。但增程器在商用車領(lǐng)域應(yīng)用不多,僅在輕型商用車有一些應(yīng)用。乘用車和大多數(shù)輕型商用車都使用技術(shù)成熟的汽油機(jī)作為增程器,也有一些廠商看到甲醇發(fā)動機(jī)節(jié)能減排的優(yōu)勢后開始研究甲醇增程式汽車。本研究以試驗(yàn)方法探究了甲醇增程發(fā)動機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下的NH3和N2O的排放特性,意在為甲醇增程發(fā)動機(jī)的NH3和N2O排放研究及認(rèn)證標(biāo)定提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

以一臺1.8 L自然吸氣點(diǎn)燃式甲醇增程發(fā)動機(jī)為研究對象,搭建發(fā)動機(jī)臺架排放測試系統(tǒng),進(jìn)行重型車國六階段冷熱態(tài)WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)。該甲醇增程發(fā)動機(jī)應(yīng)用在大于3.5 t的商用車上,根據(jù)八部委的指導(dǎo)意見,需按照GB 17691—2018標(biāo)準(zhǔn)中燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的要求進(jìn)行臺架WHTC循環(huán)排放測試。表1列出該甲醇發(fā)動機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù),后處理技術(shù)路線為三元催化器。三元催化器可將汽車尾氣排出的CO、HC和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、H2O和N2。汽油機(jī)、燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和甲醇發(fā)動機(jī)普遍都采用三元催化后處理系統(tǒng)。三元催化器僅在理論空燃比附近催化效率高,因而甲醇發(fā)動機(jī)空燃比必須控制在理論空燃比6.5左右。針對甲醇發(fā)動機(jī)專門開發(fā)的三元后處理系統(tǒng)與燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的三元后處理系統(tǒng)類似,但鉑銠鈀貴金屬含量及比例不同,且對甲醇、甲醛有也有深度的轉(zhuǎn)化效果。

表1 甲醇發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)采用HORIBA HT350電力測功機(jī)、同圓CMFD015甲醇油耗儀、久鼎進(jìn)氣空調(diào)系統(tǒng)、ABB 進(jìn)氣流量計(jì)等試驗(yàn)設(shè)備,NH3和N2O通過HORIBA MEXA-ONE-FT-E排放分析儀在尾氣中直接采樣分析。所構(gòu)建的甲醇發(fā)動機(jī)排放測試臺架示意見圖1,試驗(yàn)臺架布置見圖2。

圖1 發(fā)動機(jī)排放測試臺架示意

圖2 發(fā)動機(jī)測試臺實(shí)物

排放試驗(yàn)開始前需確認(rèn)發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)狀態(tài)。三元催化器應(yīng)在排氣溫度不低于450 ℃時(shí)運(yùn)行2 h,以達(dá)到充分激活的狀態(tài)。發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行查看功率扭矩是否正常并在標(biāo)定點(diǎn)調(diào)整進(jìn)氣負(fù)壓、排氣背壓、冷卻液溫度、進(jìn)氣溫濕度等試驗(yàn)邊界條件。發(fā)動機(jī)狀態(tài)確認(rèn)無誤后進(jìn)行動態(tài)外特性曲線試驗(yàn)(Powermap),檢查外特性曲線合格后即可冷機(jī)進(jìn)行排放試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)循環(huán)及測試方法

為了探究甲醇增程發(fā)動機(jī)在重型車國六標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下的NH3和N2O排放特性,采用GB 17691—2018標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的瞬態(tài)WHTC循環(huán)(見圖3)進(jìn)行排放測試試驗(yàn)。

圖3 WHTC循環(huán)工況

WHTC循環(huán)是由1 800個(gè)逐秒變化的工況點(diǎn)組成的測瞬態(tài)循環(huán),涵蓋了城市工況、郊區(qū)工況和高速工況。一個(gè)完整的WHTC試驗(yàn)包含一個(gè)冷態(tài)和一個(gè)熱態(tài)的WHTC循環(huán),中間停機(jī)熱浸10 min,最終排放結(jié)果按照冷態(tài)14%、熱態(tài)86%加權(quán)得到。進(jìn)行冷熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗(yàn)前,需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行不少于6 h的冷機(jī)處理,使其循環(huán)水溫、機(jī)油溫度和后處理溫度在20～30 ℃之間,然后設(shè)定進(jìn)氣空調(diào)進(jìn)氣壓力為101 kPa、進(jìn)氣溫度為25 ℃、進(jìn)氣濕度為45%,設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為85 ℃。從停機(jī)狀態(tài)直接進(jìn)入冷熱態(tài)WHTC排放測試循環(huán)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 WHTC試驗(yàn)N2O排放特性研究

進(jìn)行了原機(jī)(拆掉三元催化后處理裝置)和帶后處理裝置兩種模式下的WHTC試驗(yàn)。圖4和圖5分別示出冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)中兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较翹2O的排放情況。從圖中可看出,不管是冷態(tài)還是熱態(tài)循環(huán),兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌腘2O排放都差異巨大。在原機(jī)排放中,整個(gè)循環(huán)期間幾乎沒有N2O排放,也沒有形成明顯的排放峰值。而在帶三元催化后處理模式中,N2O排放波動劇烈,且在循環(huán)中冷熱態(tài)表現(xiàn)出相同的排放特性。不同的是冷起動時(shí)幾乎沒有N2O排放,而熱起動時(shí)N2O排放較高。這是因?yàn)槔淦饎訒r(shí)三元催化器還沒有到達(dá)起燃溫度,沒起到催化作用,因而冷起動時(shí)N2O排放與原排一致。在循環(huán)進(jìn)行300 s左右催化器開始起燃,此后冷熱態(tài)N2O排放趨勢基本一致,都是在第400 s、第1 100 s和第1 300 s左右出現(xiàn)N2O排放峰值。雖然冷熱態(tài)的排放趨勢相同,但是排放峰值卻相差較大。冷態(tài)循環(huán)中N2O排放峰值在75×10-6左右,而熱態(tài)僅僅為40×10-6左右。

圖4 冷態(tài)WHTC循環(huán)原機(jī)與帶后處理裝置的N2O排放對比

圖5 熱態(tài)WHTC循環(huán)原機(jī)與帶后處理裝置的N2O排放對比

表2列出了N2O的循環(huán)平均排放量和循環(huán)比排放情況。由表2可知,冷熱WHTC循環(huán)中N2O的循環(huán)平均排放和比排放結(jié)果相差不大,冷態(tài)僅僅稍大于熱態(tài)。由此可見,雖然冷態(tài)循環(huán)中峰值明顯高于熱態(tài),但由于熱態(tài)循環(huán)初始階段N2O排放較高,導(dǎo)致整個(gè)循環(huán)平均來看冷熱態(tài)N2O排放水平非常接近。

表2 冷熱態(tài)N2O排放對比

Graham等[9]在研究帶三元催化后處理系統(tǒng)的天然氣發(fā)動機(jī)排放時(shí)發(fā)現(xiàn),空燃比對N2O排放影響很大,且在混合氣較稀的時(shí)候容易生成N2O。本研究通過將N2O排放峰值和WHTC循環(huán)工況圖對比發(fā)現(xiàn),N2O峰值都是出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)突然從高轉(zhuǎn)速下降到低轉(zhuǎn)速區(qū)域,即空燃?xì)獗韧蝗蛔兇蟆⒒旌蠚庾兿”〉膮^(qū)域。這說明帶三元后處理系統(tǒng)的甲醇發(fā)動機(jī)N2O排放特性與燃?xì)鈾C(jī)是一致的。

3.2 WHTC試驗(yàn)NH3排放特性研究

圖6和圖7分別示出原機(jī)和帶三元催化后處理系統(tǒng)兩種模式下冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)中的NH3排放情況。從圖上可看出,在原機(jī)排放中NH3與N2O表現(xiàn)一樣,整個(gè)循環(huán)期間幾乎沒有NH3排放,也沒有形成明顯的排放峰值。在三元催化器模式下,不管是冷態(tài)還是熱態(tài)循環(huán),NH3排放并沒有和N2O一樣跟隨發(fā)動工況變化而劇烈波動,且冷熱態(tài)排放趨勢基本一致。區(qū)別是冷起動時(shí)沒有NH3排放,而熱起動時(shí)有少量的NH3排放。這是由于冷起動時(shí)催化器未達(dá)到工作溫度而未起到催化轉(zhuǎn)化作用。在后處理模式下,冷態(tài)和熱態(tài)NH3排放都是從循環(huán)開始一直在緩慢增加,1 000 s以后增長明顯加快,并在1 400 s左右形成峰值,然后又迅速下降直至循環(huán)結(jié)束。冷熱態(tài)峰值差距較大,冷態(tài)峰值為20×10-6左右,平均值為3.5×10-6,而熱態(tài)峰值達(dá)到30×10-6左右,平均值為4.9×10-6。由此可見,熱態(tài)循環(huán)NH3排放的峰值和平均值都要高于冷態(tài)循環(huán)。

圖6 冷態(tài)WHTC循環(huán)原機(jī)與帶后處理裝置的NH3排放對比

圖7 熱態(tài)WHTC循環(huán)原機(jī)與帶后處理裝置的NH3排放對比

為了探究N2O、NH3排放與排氣溫度的關(guān)系,圖8示出熱態(tài)WHTC循環(huán)中N2O、NH3排放與排氣溫度的關(guān)系。從圖8可看出,熱態(tài)循環(huán)開始階段,排溫為300～400 ℃時(shí),N2O大量生成,且隨著發(fā)動機(jī)工況變化劇烈波動,并在1 100 s形成峰值。在這期間排氣溫度波動上升,但是NH3排放很低,且增加極為緩慢。這說明甲醇發(fā)動機(jī)的N2O主要在400 ℃的低溫區(qū)間生成,且與發(fā)動機(jī)工況(空燃比)密切相關(guān)。唐飛等[10]對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的研究表明,N2O主要由低溫下CO還原NO反應(yīng)生成,這說明帶三元催化器的甲醇發(fā)動機(jī)和天然氣發(fā)動機(jī)N2O排放特性是一致的。

圖8 熱態(tài)WHTC循環(huán)N2O、NH3排放及排溫

與N2O主要在低溫段形成不同,NH3大量生成是在循環(huán)1 300 s以后、排溫達(dá)到500 ℃以上時(shí)。但排溫超過550 ℃以后,NH3排放又迅速降低,在這一高溫區(qū)間NH3排放量極低。循環(huán)中NH3排放并沒有跟隨發(fā)動機(jī)工況劇烈波動,這說明NH3排放與發(fā)動機(jī)工況變化關(guān)系不大,而與排溫密切相關(guān),且排溫在500～550 ℃的區(qū)間內(nèi)排放量最大。文獻(xiàn)[10]研究表明,NH3是通過H2還原NO反應(yīng)生成,H2是催化劑上的蒸氣重整和水煤氣變換反應(yīng)生成,NH3在高溫下極易發(fā)生氧化反應(yīng)生成N2,因此達(dá)到550 ℃高溫后,NH3排放會迅速降低。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn),H2O含量對NH3排放影響較大,而甲醇發(fā)動機(jī)尾氣中H2O含量很高,這可能也是甲醇發(fā)動機(jī)NH3排放高于柴油機(jī)的重要原因。

4 結(jié)論

a) 甲醇發(fā)動機(jī)原機(jī)排放中N2O和NH3排放量極低,但是在使用三元催化后處理系統(tǒng)后會造成N2O和NH3排放大幅增加;

b) 在WHTC循環(huán)試驗(yàn)中,N2O排放主要集中在400 ℃以下的低溫階段,在高溫階段幾乎沒有N2O排放;在整個(gè)循環(huán)中N2O跟隨發(fā)動機(jī)工況劇烈波動并形成多個(gè)峰值,且峰值都是出現(xiàn)在大轉(zhuǎn)速急速過渡到小轉(zhuǎn)速的時(shí)刻,即空燃比突然增大的區(qū)域;冷態(tài)循環(huán)峰值雖然大于熱態(tài)循環(huán),但循環(huán)平均排放結(jié)果相差不大;

c) 在WHTC循環(huán)試驗(yàn)中NH3排放主要集中在循環(huán)中后期的高溫段,排氣溫度在500～550 ℃區(qū)間時(shí)NH3排放最高,超過550 ℃后又迅速降低,且循環(huán)期間NH3排放并不隨發(fā)動工況劇烈波動;熱態(tài)循環(huán)的NH3排放峰值和循環(huán)平均值都要明顯高于冷態(tài)。