基于國六標(biāo)準(zhǔn)工況的車用柴油機N2O排放特性研究

劉冰

(招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司，重慶 401329)

柴油機由于其功率覆蓋范圍廣、油耗低、耐久性好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各類重型貨車、客車及特種車輛，為我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展提供了強大動力。但是柴油機由于氮氧化物、顆粒物排放遠高于汽油機而飽受詬病。因此柴油機氮氧化物(NO)排放一直都是監(jiān)管部門關(guān)注的重點。NO是光化學(xué)污染的罪魁禍?zhǔn)?，目前公認(rèn)的溫室氣體。因此重型車國六標(biāo)準(zhǔn)也對NO排放做了嚴(yán)格的限制。NO通常是NO和NO的統(tǒng)稱，其中NO占比約95%。在NO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(NO)。其增溫能力是CO的300多倍，是《京都議定書》規(guī)定的強溫室氣體。

大氣中NO含量極低，且柴油機原機排放中NO排放并不高，因而長期以來并沒有引起人們的關(guān)注，重型車國六標(biāo)準(zhǔn)也沒有對NO提出要求。隨著排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，目前國六柴油機普遍采用氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)+顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)+選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，SCR)+氨氣氧化催化器(Ammonia Slip Catalysts，ASC)的后處理型式。一些試驗研究表明，后處理裝置的使用會導(dǎo)致 NO排放大幅增加。國家監(jiān)管部門也對柴油機的NO排放問題越來越重視，在輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)增加了NO的限值要求，因此很有可能在下一階段重型車排放標(biāo)準(zhǔn)中增加對NO的限值要求。

國六標(biāo)準(zhǔn)實施以前車用柴油機NO排放很低，因此國內(nèi)學(xué)者對其研究較少。清華大學(xué)帥石金團隊對柴油機NO排放研究發(fā)現(xiàn)，與Fe沸石和釩基SCR相比，Cu沸石催化劑更容易形成NO，SCR中泄漏的氨氣在ASC中容易生成NO，并隨氨泄漏增加而增大。浙江大學(xué)劉彪深入研究了不同SCR載體材料中NO生成機理，結(jié)果表明SCR催化劑上NO生成過程存在高溫和低溫兩種機理，且催化劑中銅含量對NO生成量影響很大。此前國內(nèi)的一些研究多集中在SCR載體材料對NO排放影響上，而針對標(biāo)準(zhǔn)工況下的NO排放研究則幾乎沒有。為此本研究以一臺車用柴油機為研究對象，搭建排放測試系統(tǒng)，進行了國六階段WHSC穩(wěn)態(tài)循環(huán)和冷熱態(tài)WHTC瞬態(tài)循環(huán)試驗，并通過試驗數(shù)據(jù)對比了標(biāo)準(zhǔn)工況下柴油機NO的排放特征。

1 試驗儀器與設(shè)備

以1臺3.0 L增壓中冷柴油機為研究對象，其后處理技術(shù)路線為DOC+SCR+ASC+DPF。表1列出該柴油機相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

試驗采用HORIBA HT350電力測功機、全流稀釋采樣系統(tǒng)、MEXA-ONE-C1-OV排放分析系統(tǒng)、MEXA-ONE-FT-E氨分析儀、AVL740油耗儀、久鼎進氣空調(diào)系統(tǒng)、ABB 進氣流量計等試驗設(shè)備，所構(gòu)建的柴油機排放測試臺架見圖1。

表1 柴油機技術(shù)參數(shù)

圖1 柴油機排放測試臺架示意

2 試驗循環(huán)及測試方法

為了探究重型柴油機在國六標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下的NO排放特性，分別采用GB 17691—2018標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的壓燃式發(fā)動機穩(wěn)態(tài)循環(huán)WHSC(如圖2所示)和瞬態(tài)WHTC循環(huán)(如圖3所示)進行排放測試試驗。

進行WHSC循環(huán)穩(wěn)態(tài)試驗時，需要對發(fā)動機運行邊界條件進行控制，設(shè)定發(fā)動機進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為22 ℃、進氣濕度為45%，設(shè)定發(fā)動機冷卻水溫度為85 ℃、中冷后溫度為50 ℃。發(fā)動機在額定點維持運轉(zhuǎn)10 min左右，觀察各邊界條件是否穩(wěn)定。水循環(huán)溫度為(85±2) ℃，排氣溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值±2 ℃時，即可開始對應(yīng)的排放測試循環(huán)試驗。

在進行冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗時，需對發(fā)動機進行不少于6 h的冷機處理，使其循環(huán)水溫、機油溫度和后處理溫度在20～30 ℃，然后設(shè)定進氣空調(diào)進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為85 ℃，中冷后溫度為50 ℃。從停機狀態(tài)直接進入冷、熱態(tài)WHTC排放測試循環(huán)。

圖2 WHSC循環(huán)工況

圖3 WHTC循環(huán)工況

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 WHSC循環(huán)N2O排放特性研究

國六WHSC循環(huán)是由13個穩(wěn)態(tài)的工況點組成的試驗循環(huán)。為保證發(fā)動機進入試驗循環(huán)的狀態(tài)一致，標(biāo)準(zhǔn)要求WHSC循環(huán)開始前必須在第九工況熱機10 min。本研究進行了原機排放(拆掉全部后處理)和正常帶后處理裝置兩種情況下的WHSC試驗，圖4示出WHSC循環(huán)中兩種試驗?zāi)Ｊ较碌腘O排放情況。從圖4可以看出，兩種試驗?zāi)Ｊ较碌腘O排放差異巨大。原機在整個循環(huán)期間NO排放波動都不大，并沒有形成明顯的排放峰值，循環(huán)中平均值為2.2×10，峰值為僅為5.2×10。而帶后處理模式中的NO排放波動劇烈，在第220 s、620 s和1 300 s左右出現(xiàn)峰值，最大峰值為23×10，平均值為7.6×10。在怠速工況時，NO排放很低，基本都在5×10以下。

國外一些學(xué)者的研究表明柴油機排放中NO與SCR的尿素噴射密切相關(guān)：a)溫度較低時SCR表面生成NHNO，然后分解成NO，高溫時NH在SCR中也會生成NO；b)SCR泄漏的NH在ASC中被氧化生成NO。對比WHSC工況圖發(fā)現(xiàn)，NO排放3個峰值都是出現(xiàn)在柴油機從大扭矩急速下降到小扭矩的時刻，這是因為在大負(fù)荷下排溫較高，SCR系統(tǒng)噴射較多尿素，在SCR載體中形成較多的NH。排溫較高時NH在SCR和ASC中形成了大量的NO。

圖4 WHSC循環(huán)原排與帶后處理裝置的N2O排放

3.2 WHTC循環(huán)N2O排放特性研究

與穩(wěn)態(tài)WHSC循環(huán)不同，WHTC循環(huán)是由1 800個逐秒變化的工況點組成的瞬態(tài)循環(huán)。一個完整的WHTC試驗包含一個冷態(tài)和一個熱態(tài)的WHTC循環(huán)，中間停機熱浸10 min，最終排放結(jié)果按照冷態(tài)14%、熱態(tài)86%加權(quán)得到。發(fā)動機及后處理系統(tǒng)所有溫度達到20～30 ℃后開始冷熱態(tài)WHTC試驗，并設(shè)定進氣空調(diào)進氣壓力101 kPa、進氣溫度22 ℃、進氣濕度45%。

圖5示出原機和帶后處理裝置兩種模式下的冷態(tài)WHTC循環(huán)中的NO排放情況。從圖5可看出，在整個冷態(tài)循環(huán)中原機排放的NO都很少，幾乎沒有。而帶后處理模式下NO排放在400 s以前也和原機一樣很小，但是在400 s左右開始NO排放出現(xiàn)一個較大峰值，達到60×10，400 s以后NO排放波動很大，在1 200～1 500 s排放明顯增大，并在1 500 s左右形成90×10左右的大峰值。前400 s NO幾乎沒有是因為冷起動階段排溫較低，SCR系統(tǒng)還沒有噴射尿素，后處理系統(tǒng)中NH存儲較少。由此也可看出，NO排放與尿素噴射量和排氣溫度密切相關(guān)，在冷起動排溫很低時幾乎不會生成NO。

圖5 冷態(tài)WHTC循環(huán)原排與帶后處理裝置的N2O排放

圖6示出原機和帶后處理兩種模式下的熱態(tài)WHTC循環(huán)中的NO排放情況。由圖6可知，和冷態(tài)循環(huán)一樣，熱態(tài)原機NO排放整個循環(huán)幾乎為0。帶后處理模式下,在循環(huán)開始即出現(xiàn)一個80×10左右的峰值。這是因為冷態(tài)循環(huán)后期負(fù)荷大、排溫高，噴射的尿素較多，形成較多的NH，由于循環(huán)結(jié)束而存儲在ASC載體中。一般認(rèn)為NH在ASC中被氧化會生成NO等自由基吸附在貴金屬表面，N會與NO反應(yīng)生成NO。貴金屬的存在可以使NH氧化成生NO所需的溫度大大降低。因此循環(huán)剛啟動排溫較低時,NH在ASC表面大量生成，熱態(tài)循環(huán)一開始便出現(xiàn)了較大峰值。熱態(tài)循環(huán)在隨后的第500 s和1 500 s左右分別出現(xiàn)峰值110×10和75×10，且平均排放也較大。表2和圖7分別對比了NO的循環(huán)總排放量和瞬態(tài)排放情況。由表2可知，WHTC循環(huán)中熱態(tài)NO排放比冷態(tài)稍大。從圖7可看出，在循環(huán)開始500 s，由于冷起動排溫非常低導(dǎo)致熱態(tài)的NO排放遠高于冷態(tài),而500 s以后由于冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)排溫已經(jīng)接近，冷熱和熱態(tài)的NO排放特性也趨于一致。

圖6 熱態(tài)WHTC循環(huán)原排與帶后處理裝置的N2O排放

表2 冷熱態(tài)N2O排放對比

圖7 冷熱態(tài)WHTC循環(huán)帶后處理裝置的N2O排放對比

圖8示出熱態(tài)WHTC循環(huán)中NO、NH排放及排溫的關(guān)系。從圖8可看出，熱態(tài)循環(huán)開始階段，排溫僅為170 ℃左右，但是NO和NH都出現(xiàn)排放峰值。這是因為冷態(tài)結(jié)束時形成較多的NH積累在SCR和ASC中。從循環(huán)開始到1 300 s，排溫在300 ℃左右上下波動，NO排放也劇烈波動并在500 s左右形成大峰值，但這期間NH排放量卻一直緩慢下降,這說明這期間生成的NH被大量轉(zhuǎn)化為NO。1 300 s以后隨著排溫繼續(xù)增加(400 ℃左右)，NH和NO排放一起快速增加，在1 500 s左右分別形成32×10和75×10左右的大峰值。NH的增加趨勢與NO增加趨勢相同，但時間稍晚且波動沒有NO劇烈。綜合以上分析可知，NO排放與NH排放量及排溫的關(guān)系較為復(fù)雜，低溫和高溫時NO生成的機理不同，但總的來說，排溫較低(300 ℃以下)時NO排放與NH不一致，而在排溫較高(400 ℃)時NO和NH排放特性表現(xiàn)為同時增減。

圖8 熱態(tài)WHTC循環(huán)N2O，NH3排放及排溫的關(guān)系

4 結(jié)論

a) 柴油機原機排放中NO排放量很低，但是后處理系統(tǒng)的使用會造成NO排放大幅增加；

b) 在WHSC循環(huán)試驗中，NO排放變化劇烈，在整個循環(huán)中形成多個排放峰值，且峰值都是出現(xiàn)在大負(fù)荷急速過渡到小負(fù)荷的時刻；在WHTC循環(huán)試驗中，冷態(tài)循環(huán)開始的前400 s NO排放幾乎沒有，400 s以后冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)的NO排放趨勢基本一致，都是在400 s和1 500 s左右形成較大峰值，且熱態(tài)的循環(huán)比排放結(jié)果要大于冷態(tài)；

c) NO排放與NH排放量及排溫的關(guān)系比較復(fù)雜,總的來說排溫較低時NO排放與NH基本不一致，而在排溫較高時NO和NH排放趨勢較為一致。