重型國六柴油發(fā)動機N₂O排放水平研究

摘 要：本文以某重型國六車用銅基SCR增壓柴油發(fā)動機為研究對象，搭建排放測試系統(tǒng)，在《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]的不同工況測試循環(huán)下，研究了標準工況下N2O的排放水平及特性。研究表明：發(fā)動機原始排放中N2O的排放幾乎為零，但是在后處理的作用下N2O的排放會極大提升，且SCR對于N2O的形成影響最大；在標準排放循環(huán)中，由于尿素噴射的影響，在過渡工況下N2O的生成量較大，且N2O的排放水平在各含氮污染物占比較高。

關(guān)鍵詞：重型柴油機；N2O；排放

中圖分類號：U467.2" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0034-05

A Study on N2O Emission of Heavy Duty Diesel Engine of China VI

JIANG Yi-zuo，YE Chao，CAI Cheng-yang，WEI Lai

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang），

Xiangyang 441004， China）

Abstract： In this paper， a copper-based SCR turbocharged diesel engine used by a heavy-duty Chinese Sixth vehicle was taken as the research object， and an emission test system was set up.

under different test cycles of《Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles》[1].the EMISSION level and characteristics of N2O under standard working conditions were studied. The results show that the N2O emission of the engine is almost zero in the original emission， but the N2O emission will be greatly increased under the action of post-treatment， and SCR has the greatest influence on the formation of N2O. In the standard emission cycle， due to the influence of urea injection， the amount of N2O generation is large in the transition condition， and the emission level of N2O is relatively high in each nitrogen pollutant.

Key" Words： Heavy Duty Diesel Engine；N2O；Emission

姜易佐

畢業(yè)于長安大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于國家汽車質(zhì)量檢驗檢測中心（襄陽），任動力系統(tǒng)室責任工程師，主要研究方向：節(jié)能排放試驗研究。

引" " 言

隨著國家對環(huán)境污染的重視，中國排放法規(guī)對汽車排氣污染物排放限值進行不斷加嚴，國內(nèi)車用柴油發(fā)動機廠為滿足法規(guī)要求，多數(shù)采用DOC+DPF+SCR+ASC的方式配置后處理系統(tǒng)。為降低尾氣中的NOx，通過尿素噴射產(chǎn)生NH3，從而將NOx還原為N2和水。但是這也會增加其他氣體污染物的增加，比如N2O、NH3。N2O是一種溫室氣體，在大氣中穩(wěn)定性極高，具有極強的溫室效應(yīng)，其溫室效應(yīng)是CO2的298倍，并且對臭氧層具有強烈的破壞作用[2]。

國外方面，僅美國的國家環(huán)境保護局在車用排氣污染物中的N2O排放作出規(guī)定。國內(nèi)方面，為了降低車用尾氣中的溫室氣體，目前輕型車國六排放法規(guī)已經(jīng)對尾氣中N2O排放作出要求[3]，但重型柴油車排放法規(guī)沒有將N2O列為氣體污染物進行測試要求，因此目前國內(nèi)關(guān)于重型柴油車排放污染物N2O的研究相對較少。由于國六標準實施以來，采用SCR后處理技術(shù)使得尾氣中N2O含量大幅增加。清華大學(xué)唐韜團隊[4]對N2O排放研究發(fā)現(xiàn)，Cu沸石催化劑容易形成N2O，同時ASC可與SCR泄漏的氨氣反應(yīng)形成N2O，且N2O生成量與氨泄漏量成正比。下階段排放法規(guī)將會把N2O納入排放氣體，所以本文通過在國六標準工況下，研究某重型柴油機N2O的排放水平及排放特性。

1" " 試驗樣機設(shè)備與方法

1.1" "試驗樣機

試驗用發(fā)動機為1臺7.5L增壓中冷國六柴油發(fā)動機，排氣后處理系統(tǒng)采用DOC+DPF+SCR+ASC的組合方式。表1列出本柴油機相關(guān)參數(shù)：

試驗過程中發(fā)動機邊界條件的控制如表2所示：

測試系統(tǒng)為AVL李斯特公司生產(chǎn)的排放測試系統(tǒng)，排放采樣方式為直采，污染物的測量設(shè)備為FTIR（傅里葉變換紅外吸收光譜儀），設(shè)備參數(shù)如表3所示。

1.2" "試驗方法

采用《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]中的標準測試循環(huán)，按照表2所示的發(fā)動機試驗參數(shù)嚴格控制發(fā)動機邊界條件，利用表3所示的排放設(shè)備在發(fā)動機帶后處理和不帶后處理以及尿素停噴三種狀態(tài)下，分別運行標準工況冷熱態(tài)WHTC、WHSC循環(huán)，并對各種循環(huán)下各含氮氣體污染物N2O、NO、NO2、NH3的排放水平進行比較，研究在國六標準工況下尾氣中N2O的排放水平、生成機理以及影響因素。

2" " 試驗結(jié)果與分析

2.1" "帶后處理狀態(tài)下冷態(tài)WHTC循環(huán)N2O排放水平

觀察圖1和表4可知，在冷態(tài)WHTC測試循環(huán)工況下，由于尿素的噴射機理導(dǎo)致冷態(tài)工況初期后處理溫度沒有達到尿素起噴溫度，導(dǎo)致尾氣中NO濃度最大。N2O排放水平位居第二，其體積濃度和循環(huán)比排放量分別為17.193ppm和230.314mg/kWh。同時我們可以發(fā)現(xiàn)，冷態(tài)WNTC工況下，N2O的體積濃度的波動是和瞬態(tài)循環(huán)急劇變化的工況相關(guān)的。

2.2" "帶后處理狀態(tài)下熱態(tài)WHTC循環(huán)下N2O排放水平

觀察圖2和表5可知，在熱態(tài)WHTC測試循環(huán)中，N2O的排放水平在各含氮污染物中最大，其體積平均濃度為19.974ppm，平均體積濃度是NOx（NO+NO2）體積濃度（17.621ppm）的1.1倍。N2O的循環(huán)比排放量為265.782mg/kWh，是NOx（NO+NO2）循環(huán)比排放量（160.176 mg/kWh）的1.7倍。熱態(tài)WNTC工況下，N2O的體積濃度的波動也是和瞬態(tài)循環(huán)急劇變化的工況相關(guān)的。

我們通過對比圖3中冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況下N2O的體積濃度隨工況的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)的N2O排放瞬態(tài)特性與瞬態(tài)變化的工況息息相關(guān)，且除前500秒外，冷熱WHTC的N2O排放變化的趨勢基本一致。由于前500s后處理溫度較低，SCR內(nèi)尿素未達到起噴溫度，所以N2O生成較少，500s以后冷熱態(tài)WHTC工況下N2O的排放濃度與趨勢基本一致，且熱態(tài)WHTC的N2O峰值濃度略高于冷態(tài)WHTC。此外，從圖3我們還可以發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：在熱態(tài)WHTC循環(huán)的初期N2O有一個80ppm的峰值，原因是是由于冷態(tài)循環(huán)ASC中存儲的NH3經(jīng)過反應(yīng)生成，生成機理后文有詳細分析。

表6為冷熱態(tài)WHTC各含氮污染物的比排放及加權(quán)值對比。加權(quán)值是按照國六標準要求的加權(quán)系數(shù)計算的，加權(quán)比為冷態(tài)：熱態(tài)=0.14：0.86。冷熱態(tài)WHTC工況下，N2O加權(quán)比排放量為260.789mg/kWh，NOx的加權(quán)比排放量為388.891mg/kWh，N2O的比排放值的數(shù)量級幾乎等同NOx，由此可以看出下階段排放法規(guī)將N2O納入污染物中是十分必要的。

2.2" "帶后處理狀態(tài)下WHSC循環(huán)N2O排放水平

觀察圖4和表7可知，WHSC循環(huán)工況排氣中各含氮氣體污染物中，N2O的平均體積濃度為38.711ppm，是NOx（NO+NO2）體積濃度（33.705ppm）的1.2倍。N2O的循環(huán)比排放量為427.768mg/kWh，是NOx（NO+NO2）循環(huán)比排放量（250.657mg/kWh）的1.7倍，由此可看到，在WHSC工況下，重型柴油機的N2O在含氮氣體污染物中占比最高。

分析圖5可知，N2O濃度在大負荷向小負荷工況過渡的狀態(tài)下會增加，如250s、680s、1350s、1750s等；原因是在大工況變小工況的過渡工況下，SCR系統(tǒng)噴射了較多尿素，從而生成較多NH3，NH3在高溫下在SCR和ASC中生成N2O，具體生成機理見后文。為滿足下階段排放標準N2O限值，可考慮通過精確尿素噴射控制來降低過渡工況下N2O的排放。

2.3" "不帶后處理狀態(tài)下WHTC循環(huán)N2O排放水平

我們將發(fā)動機后處理系統(tǒng)拆除更換為空管后進行單熱WHTC試驗，測得各含氮污染物體積濃度如圖6所示，結(jié)合圖6可知WHTC循環(huán)中發(fā)動機原始排放中含氮污染物中主要成分為NO2和NO，N2O幾乎為0。對比原排和正常排放熱態(tài)WHTC循環(huán)中的N2O的排放值，我們可以得到，N2O是在后處理系統(tǒng)的作用下生成的。

2.4" "SCR系統(tǒng)不噴尿素

我們將SCR的尿素噴嘴拔出置于空氣中，進行單熱態(tài)WHTC試驗，研究尿素噴射對N2O排放的影響，由圖7和表8可知，在后處理無尿素噴射的狀態(tài)下，熱態(tài)WHTC循環(huán)過程中也會產(chǎn)生N2O，且會根據(jù)工況的變化產(chǎn)生尖峰，但是N2O的平均濃度相對于正常排放有極大降低，熱態(tài)WHTC的N2O的平均濃度為1.261ppm，比正常尿素噴射時熱態(tài)N2O的平均濃度（19.974ppm）降低93.7%，由此可見大部分的N2O排放是受尿素噴射影響所生成的。

經(jīng)過以上分析可知，該國六柴油發(fā)動機在國六標準工況下原始排放中N2O濃度幾乎為0，N2O主要是受后處理影響生成的且尿素噴射對N2O的生成影響較大。同時N2O的排放水平在各含氮污染物中占比較大，國六階段排放法規(guī)沒有將N2O列為排放污染物，基于以上數(shù)據(jù)分析，重型發(fā)動機下階段排放標準加入N2O這一氣體污染物是極有必要的。

3" " N2O瞬態(tài)排放特性分析

3.1" "N2O的穩(wěn)態(tài)生成機理

對于N2O的穩(wěn)態(tài)生成機理，目前研究較為清楚。主要由后處理中DOC、SCR、ASC共3個方面組成[5]。

3.1.1 DOC

在DOC上N2O主要是尾氣中HC還原NOx生成的。DOC溫度較低時，催化劑沒有起催化作用，HC催化還原NOx的活性較低，因而產(chǎn)生的N2O極少，而當DOC在較高溫度下，還原劑HC被空氣中的氧氣氧化，導(dǎo)致沒有足夠的HC還原NOx，從而也降低了N2O的生成量。

3.1.2 SCR

低溫下： SCR中尿素噴射產(chǎn)生的NH3和NO2反應(yīng)產(chǎn)生銨鹽，銨鹽分解產(chǎn)生N2O。反應(yīng)方程式如下：

高溫下：主要通過銅沸石氧化氨氣反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下：

3.1.3 ASC

NH3、NO、O2三者在ASC的催化作用下生成N2O，反應(yīng)方程式如下：

由于柴油機排氣溫度較低，且N2O比較穩(wěn)定，因此N2O一旦生成就很難分解。

基于3.1所述的N2O的生成機理，在正常排放的狀態(tài)下，N2O主要是在后處理SCR內(nèi)產(chǎn)生的，在低溫狀態(tài)下，尿素噴射產(chǎn)生的NH3與NO2產(chǎn)生反應(yīng)生成銨鹽，銨鹽分解后產(chǎn)生N2O。在高溫狀態(tài)下，NH3通過銅沸石催化直接和氧氣反應(yīng)生成N2O。在DOC內(nèi)N2O可由HC還原NOx生成，在ASC內(nèi)，前面提到冷態(tài)WHTC工況結(jié)束后，在熱態(tài)WHTC循環(huán)的初期N2O會有一個80ppm的突增。原因是冷態(tài)WHTC循環(huán)的后期工況較大，SCR系統(tǒng)會有大量尿素噴射，形成較多NH3。在冷態(tài)循環(huán)結(jié)束后大量NH3被儲存在ASC載體中。研究表明，NH3在ASC中會被氧化生成NO等自由基吸附在貴金屬表面，N與NO反應(yīng)可生成N2O[6]，所以在熱態(tài)WHTC循環(huán)開始時N2O會出現(xiàn)一個較大波峰。

在后處理尿素停噴的狀態(tài)下，由于沒有NH3的存在，N2O基本是在DOC內(nèi)HC還原NOx的作用下生成的，在急加速工況，過量空氣系數(shù)減小，造成燃燒室局部混合氣過濃，燃燒不充分，從而導(dǎo)致HC排放增加，在DOC內(nèi)部催化劑作用下，NOx被HC還原生成副反應(yīng)產(chǎn)物N2O。

4" " 結(jié)論

a. 標準工況下，正常排放的N2O排放水平在各含氮污染物中相對較高，N2O的生成是在后處理系統(tǒng)DOC、SCR、ASC催化作用下生成的，其中SCR中尿素噴射對于N2O生成的影響最大。原始排放污染物中N2O的含量幾乎為0；

b. 標準工況下，N2O在過渡工況以及急加速工況下生成較多，為滿足下階段排放標準，可針對過渡工況以及急加速工況下尿素噴射的精確控制來實現(xiàn)；

c. 標準WHTC循環(huán)工況下，熱態(tài)WHTC循環(huán)的N2O排放高于冷態(tài)WHTC循環(huán)，且由于冷態(tài)WHTC循環(huán)后期的氨存儲，熱態(tài)循環(huán)初期N2O排放會有一個激增，所以應(yīng)合理控制尿素噴射來平衡NOx和N2O兩者的排放。

參考文獻：

[1]生態(tài)環(huán)境部.GB 17691-2018《重型柴歐車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[S].北京：中國標準出版社，2018.

[2]HU Z，LEE J W，CHANDRAN K，et al. Nitrous Oxide（N2O）Emission from Aquaculture：A Review [J].Environmental Science ＆ Technology，2012，46（12）：6470-6480.

[3]生態(tài)環(huán)境部.GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測試方法》[S].北京：中國標準出版社，2016.

[4]唐韜，張俊，帥石金，等.柴油機后處理系統(tǒng)N2O排放特性的試驗研究[J].汽車工程，2014，36（10）：1193-1196.

[5]Krishna Kamasamudram，Cary Henry，Nenry，Neal Currier，etc. N2O Formation and Mitigation in Diesel Aftertreatment Systems[J].SAE，2012-01-1085.

[6]Kamasamudram K，Yezersts A，Chen X，et al，New Insights into Reaction Mechannism of Selective Catalytic Ammoina Oxidation Technology for Diesel Aftertreatment Application[C].SAE Paper 2011-01-1314.

專家推薦語

張建東

東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

研究員級高級工程師

本文在試驗的基礎(chǔ)上探討國六車用銅基SCR增壓柴油發(fā)動機在各種工況下N2O生成和排放量的影響因素。并對這些因素進行了原因分析，提出了一些應(yīng)對的措施，對應(yīng)對國六及后續(xù)更嚴格排放法規(guī)提出建議，有一定的參考意義。