張凡，李昂，于津濤

(中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300)

氨(NH3)作為大氣氮循環(huán)的關鍵成分之一，可以與大氣中的NOx和SO2等酸性成分發(fā)生氧化反應生成NO3-和SO4+，進而通過中和反應形成硝酸銨、硫酸銨等二次顆粒物[1]。這些物質(zhì)均是大氣中PM2.5的重要組成部分，是導致我國京津冀等地區(qū)嚴重霧霾的重要原因之一。因此，NH3也是大氣中二次顆粒物的重要前驅(qū)物，對灰霾污染的形成有重要作用[2]。大氣中的氨排放主要來源于人為和天然兩種途徑，人為源可以分為農(nóng)業(yè)源和非農(nóng)業(yè)源，而機動車的氨排放屬于非農(nóng)業(yè)源。一般來說，農(nóng)業(yè)源是大氣中NH3的最主要排放源，但是近期的研究表明，機動車尾氣中的氨排放已經(jīng)成為高度城市化區(qū)域中一個不能忽視的污染物[3]。2000年Chitjia等研究發(fā)現(xiàn)，在美國加利福尼亞州南海岸地區(qū)由機動車排放的NH3大約占該地區(qū)總氨排放量的18%[4]。美國環(huán)保署2007年研究報告表明，2006年美國大約有8%的NH3來源于機動車尾氣排放，機動車產(chǎn)生的氨排放不容忽視[5]。

機動車(發(fā)動機)的氨排放主要來源于兩方面：一方面是車輛燃料燃燒產(chǎn)生的污染物；另一方面是在車輛后處理系統(tǒng)中產(chǎn)生的二次產(chǎn)物[6]。對于輕型車來說，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒生成的CO和NOx在三元催化器內(nèi)發(fā)生反應產(chǎn)生了大量的氨排放[7]，而重型車(發(fā)動機)的氨排放主要來自于選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)的NH3泄漏[8]。相關文獻表明，暨南大學[3]、清華大學[8]、北京理工大學[9]、同濟大學[10]、江蘇大學[11]、北京市環(huán)境保護科學研究院[12]、密西根理工大學[13]、TNO汽車公司[14]等國內(nèi)外研發(fā)機構通過隧道法、遠程遙感法、轉(zhuǎn)鼓(臺架)試驗法和數(shù)值模擬等研究方法，分別針對區(qū)域機動車的氨排放因子、氨存儲釋放瞬態(tài)過程和尿素噴射控制策略等內(nèi)容開展了試驗研究，但還缺少發(fā)動機氨排放特性影響因素方面的定量研究工作。

本研究在發(fā)動機臺架上進行了ESC、ETC和WHTC等循環(huán)的排放測試，使用可調(diào)諧激光二極管氣體分析儀測量了裝用不同后處理裝置的重型發(fā)動機催化劑后尾氣中的氨排放水平，重點分析了不同后處理裝置型式、催化劑溫度和測試循環(huán)等因素對重型發(fā)動機氨排放特性的影響。

1 試驗設備和方法

1.1 試驗用燃料

試驗用柴油是0號京標(Ⅵ)車用柴油，柴油油樣送至北京石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行分析，關鍵油樣參數(shù)的分析結果見表1。

表1 試驗用柴油油樣參數(shù)

試驗用天然氣是液化天然氣，將天然氣樣品進行分析，關鍵氣樣參數(shù)的分析結果見表2。

表2 試驗用天然氣氣樣參數(shù)

1.2 試驗用發(fā)動機

本研究使用的發(fā)動機包括8臺重型柴油機和2臺重型氣體機(1號和2號發(fā)動機)。柴油發(fā)動機的排量范圍為2.5～7.5 L，最大凈功率范圍為77～215 kW，排放水平涵蓋國Ⅳ和國Ⅴ標準，后處理類型涵蓋所有的主流技術路線，包括SCR(選擇性催化還原器)、DOC(氧化型催化器)+SCR、EGR(排氣再循環(huán)系統(tǒng))+DOC+DPF(柴油機顆粒捕集器)和DOC+DPF+SCR+ASC(氨氧化催化轉(zhuǎn)化器)。1號氣體機為1臺9.7 L排量的滿足國Ⅴ排放標準的稀薄燃燒氣體機，后處理裝置為DOC。2號氣體機為1臺7.5 L排量的滿足國Ⅴ排放標準的理論空燃比燃燒氣體機，后處理裝置為TWC(三效催化轉(zhuǎn)化器)。發(fā)動機排量、最大凈功率、排放標準和后處理型式等相關參數(shù)見表3。

表3 試驗用發(fā)動機關鍵參數(shù)

1.3 試驗流程和主要測試儀器

依據(jù)法規(guī)標準的要求，本研究對柴油發(fā)動機進行ETC，ESC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循環(huán)排放測試，對天然氣發(fā)動機進行ETC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循環(huán)排放測試。

試驗用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)主要由試驗用發(fā)動機、測功機系統(tǒng)、發(fā)動機水溫控制系統(tǒng)、發(fā)動機進氣控制系統(tǒng)以及采樣和排放分析系統(tǒng)等部分組成，臺架示意見圖1，具體的試驗裝置及儀器型號見表4。氨排放分析儀的關鍵技術參數(shù)見表5。

表4 試驗裝置及儀器

表5 氨排放分析儀技術參數(shù)

圖1 試驗用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)示意

2 試驗結果和分析

2.1 氨排放測量重復性驗證

循環(huán)工況是一個瞬態(tài)過程，因此整個試驗過程和設備測試精度的重復性對試驗結果的準確性有著至關重要的影響。為了確保發(fā)動機臺架試驗氨排放測量的重復性，試驗中使用帶SCR后處理的6號發(fā)動機進行了14次ESC循環(huán)排放測試。依據(jù)統(tǒng)計學方法，分別計算出14次ESC循環(huán)試驗中NH3，NOx，CO2，CO，THC和PM排放測量結果的相對標準偏差(見圖2)。由圖2可以看出，雖然氨排放測量的相對標準偏差最大，為11.1%，但是與NOx(3.6%)、CO2(0.1%)、CO(2.4%)、THC(7.0%)和PM(8.4%)相差不大，在可以接受的范圍之內(nèi)。試驗結果表明，使用氨排放分析儀在發(fā)動機排氣管中直接測量氨排放的方法，可以滿足發(fā)動機臺架試驗重復性的要求。

圖2 各種污染物測量重復性對比

2.2 重型天然氣發(fā)動機的氨排放特性

本試驗對使用稀薄燃燒方式的1號氣體機進行了ETC循環(huán)排放試驗，試驗的NOx比排放結果為1.939 g/(kW·h)，而氨排放量為0，這說明無論是在稀薄燃燒氣體機內(nèi)，還是在DOC催化器上都沒有氨排放產(chǎn)生。對使用理論空燃比燃燒方式的2號氣體機進行了WHTC循環(huán)排放測試，試驗結果見表6。試驗結果表明，理論空燃比燃燒的氣體機在三效催化器后有氨排放產(chǎn)生，這與輕型汽油車的氨排放情況類似，說明三效催化器有利于尾氣中氨排放的產(chǎn)生。2號氣體機冷熱態(tài)WHTC循環(huán)氨排放的加權平均值為6.9×10-6，沒有超過歐Ⅵ標準規(guī)定的10×10-6限值，而冷態(tài)氨排放平均值為8.4×10-6，略高于熱態(tài)的6.7×10-6。NOx排放平均值冷態(tài)為55.8×10-6，遠高于熱態(tài)的15.6×10-6。

圖3和圖4分別示出2號氣體機在冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況NH3和NOx污染物的瞬時排放曲線。從圖3可以看出，冷熱態(tài)WHTC循環(huán)NOx瞬態(tài)排放的區(qū)別在于前 300 s內(nèi)冷態(tài)循環(huán)NOx排放出現(xiàn)了連續(xù)的峰值，其原因是冷態(tài)循環(huán)時三效催化器的起燃速度慢，在沒達到起燃溫度的時候有大量NOx排放產(chǎn)生。從圖4可以看出，在500 s之后才有第一個氨排放峰值產(chǎn)生，說明氨排放在三效催化器上的產(chǎn)生也需要達到起燃溫度。在1 400 s后的市郊工況，氨排放連續(xù)出現(xiàn)了幾個高達200×10-6的峰值，說明市郊工況中的高速加濃工況有助于三效催化器上氨排放的產(chǎn)生。對比冷熱態(tài)WHTC循環(huán)的氨排放瞬時曲線，區(qū)別在于500～700 s的氨排放峰值冷態(tài)要高于熱態(tài)，這是因為冷態(tài)時NO排放高于熱態(tài)，促進了三效催化器上氨排放的產(chǎn)生。

表6 2號氣體機WHTC循環(huán)試驗結果

圖4 2號氣體機冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況氨瞬時排放的對比

2.3 重型柴油機的氨排放特性

2.3.1循環(huán)工況對柴油機氨排放的影響

為了研究不同轉(zhuǎn)速和扭矩條件下發(fā)動機的氨排放水平，試驗中使用3～9號等7臺柴油機分別進行了ESC，ETC和WHTC-H等循環(huán)工況的排放測試，試驗結果見表7。

表7 柴油機不同循環(huán)工況的排放試驗結果

從表7可以看出，所有發(fā)動機在不同循環(huán)工況下的氨排放平均值都低于25×10-6，滿足國Ⅴ排放標準，但是不同循環(huán)工況的氨排放水平變化很大，而且無明顯變化規(guī)律。ESC循環(huán)包括3個轉(zhuǎn)速的全負荷點，為了降低全負荷點的高NOx排放，一般來說尿素噴射量會加大，但過高的氨氮比會造成整個ESC循環(huán)的氨排放平均值增大。而WHTC循環(huán)包括較大部分的低轉(zhuǎn)速低負荷點，排氣溫度較低，為了提高SCR催化器NOx轉(zhuǎn)化效率，尿素噴射量也會增加，這容易造成氨氮比過高，SCR催化器后的氨排放水平也增加。結果說明，柴油機的氨排放水平與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩等工況條件沒有直接聯(lián)系，關鍵因素是SCR后處理裝置匹配標定的合理性。

圖5和圖6分別示出柴油機在不同循環(huán)工況下NOx和氨污染物比排放量的變化。從圖5可以看出，WHTC循環(huán)的NOx比排放量要高于ETC和ESC循環(huán)，這是因為試驗用柴油機是針對國Ⅴ標準的ESC和ETC循環(huán)開發(fā)的，而WHTC循環(huán)的轉(zhuǎn)速和負荷較低，排氣溫度偏低，不利于SCR后處理裝置對NOx排放進行轉(zhuǎn)換。

圖5 柴油機在不同循環(huán)工況下NOx比排放量的對比

圖6 柴油機在不同循環(huán)工況下氨比排放量的對比

圖6中不同循環(huán)工況的氨比排放量變化沒有明顯規(guī)律，但是總的來說，氨比排放量要遠小于NOx。5號發(fā)動機氨比排放量和NOx比排放量的比值較大，ESC循環(huán)為20.7%，ETC循環(huán)為10.3%，WHTC-H循環(huán)為2.4%，說明5號發(fā)動機SCR后處理裝置匹配標定不合理。而其他發(fā)動機的氨比排放量和NOx比排放量的比值一般都在1%以下，氨氮比水平合理，能在維持較低的氨排放條件下有效降低NOx排放。

2.3.2后處理設備對柴油機氨排放的影響

對使用不同后處理型式的柴油機進行了ETC循環(huán)工況的排放測試，試驗結果見圖7。其中10號發(fā)動機采用的是EGR+DOC+DPF技術路線，沒有氨排放產(chǎn)生。3號發(fā)動機的后處理型式為DOC+DPF+SCR+ASC，其ETC循環(huán)的NOx排放低(0.115 g/(kW·h))，氨排放平均值也很低，說明加裝ASC氨氧化催化器能夠有效降低氨排放。7號發(fā)動機在SCR前面加裝了DOC，其ETC循環(huán)的氨排放平均值為3.2×10-6，NOx比排放量為1.978 g/(kW·h)，與其他加裝SCR的發(fā)動機相比，加裝DOC對發(fā)動機的氨排放沒有明顯影響，規(guī)律不明確。其他發(fā)動機都是安裝SCR后處理設備，其ETC循環(huán)氨比排放量變化范圍為0.003～0.049 g/(kW·h)，氨比排放與NOx比排放的比值變化范圍為0.1%～10.3%。

圖7 不同柴油機ETC循環(huán)工況氨排放的對比

圖8示出不同后處理型式的柴油機進行WHTC-H循環(huán)工況排放試驗的結果，由圖8可知，其氨排放變化情況與ETC循環(huán)類似。氨比排放量變化范圍為0.006～0.139 g/(kW·h)，氨與NOx比排放的比值變化范圍為0.2%～8.2%。總的來說，發(fā)動機的氨排放水平越高，其NOx排放值相對越低。

圖8 不同柴油機WHTC-H循環(huán)氨排放的對比

2.3.3試驗溫度對柴油機氨排放的影響

圖9和圖10分別示出不同柴油機在WHTC循環(huán)工況下冷熱態(tài)氨和NOx排放結果的對比。從圖中看出，除了7號發(fā)動機之外，熱態(tài)循環(huán)的氨排放平均值都要高于冷態(tài)，為冷態(tài)的114%～196%，而熱態(tài)循環(huán)的NOx比排放值略低于冷態(tài)，為冷態(tài)的32%～106%。

圖9 不同柴油機WHTC循環(huán)冷熱態(tài)氨排放的對比

圖10 不同柴油機WHTC循環(huán)冷熱態(tài)NOx排放的對比

圖11和圖12分別示出5號柴油機在冷熱態(tài)WHTC循環(huán)工況氨和NOx污染物的瞬時排放曲線。5號柴油機在WHTC循環(huán)的氨排放平均值冷態(tài)為3.7×10-6，略低于熱態(tài)的5.0×10-6，而NOx排放平均值冷態(tài)為146.3×10-6，明顯高于熱態(tài)的95.2×10-6。從圖11可以看出，在WHTC循環(huán)的前1 300 s，冷態(tài)NOx瞬態(tài)排放略高于熱態(tài)，之后兩者基本一致。而圖12顯示，前1 300 s冷態(tài)和熱態(tài)的氨排放瞬時排放都維持在一個很低的水平，其后在市郊工況出現(xiàn)了一個持續(xù)的氨排放峰值，熱態(tài)的氨排放峰值明顯高于冷態(tài)，說明熱態(tài)循環(huán)的催化劑溫度較高，尿素噴射量增大，會產(chǎn)生更多的氨泄漏。

圖11 5號柴油機在冷熱態(tài)工況瞬態(tài)NOx排放的對比

圖12 5號柴油機在冷熱態(tài)工況瞬態(tài)氨排放的對比

3 結論

a) 理論空燃比燃燒的氣體機在三效催化器達到起燃溫度后有氨排放產(chǎn)生，市郊工況中的高速加濃工況有助于三效催化器上氨排放的產(chǎn)生，與汽油車氨排放類似；

b) 對于使用SCR技術的柴油機，其氨排放與NOx排放是互逆的，柴油發(fā)動機的氨排放水平遠低于其NOx排放，在SCR后處理器匹配標定合理的情況下，氨比排放與NOx比排放的比值一般不大于2%；

c) 柴油機在冷態(tài)WHTC循環(huán)的氨排放低于熱態(tài)，氨排放峰值出現(xiàn)在市郊工況。