李鈺懷,張 凱,羅亨波,李 薛,杜家坤,陳 泓

(1. 天津大學 內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072;2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

0 概述

隨著節(jié)能減排和油耗法規(guī)收緊，45%甚至更高有效熱效率的汽油發(fā)動機成為追求的目標。汽油發(fā)動機稀薄燃燒能提高混合氣的絕熱指數(shù)，降低燃燒溫度，抑制爆震，是實現(xiàn)45%熱效率的有效手段[1-2]。汽油發(fā)動機稀薄燃燒能提高5%～10%燃油經(jīng)濟性，此外還能降低CO、H2、碳氫化合物(HC)等排放。然而，在過量空氣系數(shù)大于1時，傳統(tǒng)汽油機后處理系統(tǒng)三效催化器(three-way catalytic，TWC)對NOx的催化能力急劇下降，導致NOx排放超標[3-5]。

稀燃NOx捕集器(lean NOxtrap, LNT)能吸附稀薄燃燒時產(chǎn)生的NOx，濃燃時排氣中的還原性氣體如HC、CO 等能將LNT脫附出的NOx還原為N2。傳統(tǒng)的TWC在濃燃時能產(chǎn)生NH3,儲存在被動選擇性催化還原器(passive selective catalytic reduction, PSCR)中。NH3有很強的還原性，能在稀燃時將NOx還原成N2和H2O[5-9]。此外，TWC能增強LNT的性能。LNT與PSCR在處理NOx排放上有優(yōu)勢互補的關(guān)系。汽油發(fā)動機燃燒模式在濃稀之間切換， TWC+LNT、TWC+PSCR或TWC+LNT/PSCR等后處理技術(shù)成為稀燃汽油發(fā)動機可滿足排放法規(guī)的最有希望采用的技術(shù)方案。

國內(nèi)方面，文獻[10-12]中通過試驗和數(shù)值模擬研究了TWC+LNT組合：試驗結(jié)果表明TWC+LNT的NOx轉(zhuǎn)化率大于 93%，然而單獨使用LNT的 NOx轉(zhuǎn)化率只有 62.5%；模擬結(jié)果表明TWC 有助于促進 LNT 對 NOx的催化轉(zhuǎn)化，并且能提高 LNT 吸附位失效后的 NOx催化轉(zhuǎn)化效率。國內(nèi)其他關(guān)于汽油發(fā)動機稀薄燃燒NOx后處理的研究很少。國外方面，文獻[13]中研究結(jié)果表明TWC+LNT/PSCR系統(tǒng)可以在滿足美國滿排放法規(guī)前提下實現(xiàn)發(fā)動機稀燃運行；文獻[14]中結(jié)果顯示TWC+LNT/PSCR系統(tǒng)中NH3與NOx的比例為1.15∶1.00時， NOx的轉(zhuǎn)化效率能達到 99.7%；文獻[15]中的研究表明TWC產(chǎn)生NH3的最佳工作溫度為500 ℃，PSCR 在 250～350 ℃時對NOx的轉(zhuǎn)化效率最高。

本文中基于一臺廣汽自主研發(fā)的1.5 L直列4缸廢氣渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機，采用TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR等催化器后處理組合，試驗研究汽油發(fā)動機稀薄燃燒下不同NOx后處理催化器的性能。

1 試驗用發(fā)動機及數(shù)據(jù)分析方法

1.1 試驗對象和試驗邊界

試驗發(fā)動機功率密度96 kW/L，轉(zhuǎn)矩密度 180 N·m/L，滿足國六b排放標準，發(fā)動機特征參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機特征參數(shù)

排氣后處理裝置布置示意圖見圖1，沿著發(fā)動機排氣流向依次布置TWC、LNT、PSCR。在TWC、LNT和PSCR前端布置溫度測量點和排放測量點，并在PSCR后端布置排放測量點。TWC、LNT、PSCR基本參數(shù)如表2所示。

圖1 試驗臺架布置示意圖

表2 排氣后處理裝置特征參數(shù)

試驗中使用 AVL 733S 瞬態(tài)油耗儀測量發(fā)動機燃油消耗量，缸內(nèi)壓力曲線通過 KISLER 6115 型傳感器測量，缸壓曲線采集及燃燒數(shù)據(jù)計算使用 AVL INDICOM燃燒分析儀，發(fā)動機NOx排放通過AVL AMA-i60-FT排放分析儀測量。

1.2 試驗研究方法

濃燃模式下(過量空氣系數(shù)小于1)，在TWC中NH3通過NO與H2、CO反應(yīng)生成，見式(1)和式(2)。H2通過水煤氣變換反應(yīng)(式(3))或重整反應(yīng)(式(4))產(chǎn)生。研究表明發(fā)動機原始排放中H2與NO的比例越高，NH3的生成量越大。在過量空氣系數(shù)為0.96時發(fā)動機原始排氣中產(chǎn)生的H2最多。同時轉(zhuǎn)數(shù)和負荷越大時，溫度越高，更有利于通過水煤氣變換反應(yīng)(式(3))產(chǎn)生H2。

(1)

(2)

(3)

(4)

本研究試驗的LNT采用Pt/Pd/Rh/Al2O3型催化劑。發(fā)動機稀薄燃燒排氣中的NOx通過涂覆在LNT載體上的堿金屬或堿土金屬化合物(如Ba等)吸附形成硝酸鹽或亞硝酸鹽。LNT儲存NOx主要有兩條路徑：第一條是硝酸鹽路線， NO在貴金屬表面被氧化為NO2再儲存為硝酸鹽(式(5)和式(6))；第二條路徑是亞硝酸鹽路線， NO 直接儲存為亞硝酸鹽而后逐漸被氧化為穩(wěn)定的硝酸鹽(式(7)和式(8))。在濃燃狀態(tài)下，LNT中的NOx脫附，被排氣中的還原性氣體(HC、CO 等)還原為N2，使催化器及時釋放出吸附位繼續(xù)進行下一循環(huán)的吸附過程。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

本研究試驗的PSCR采用Cu-SSZ-13型催化劑。根據(jù)Eley-Rideal機理，濃燃工況下PSCR化學反應(yīng)過程中會伴隨著氣態(tài)NH3吸附在催化劑活性位上。稀燃狀態(tài)下,NOx與PSCR脫附產(chǎn)生的NH3進行反應(yīng)生成N2。NOx選擇性催化還原反應(yīng)包括標準反應(yīng)(式(11))和快速反應(yīng)(式(12))，由于大多數(shù)情況下尾氣中NO比例超過85%，因此PSCR催化器中NOx選擇性催化還原反應(yīng)以標準反應(yīng)為主。

(11)

(12)

試驗過程中保持各邊界條件穩(wěn)定，固定氣門正時相位及噴油策略，通過點火時刻調(diào)節(jié)燃燒重心CA50 到壓縮上止點后8°左右或爆震邊界，平均指示壓力循環(huán)變動系數(shù)不超過3%。

選擇該發(fā)動機在某車型下全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)工況的14個聚類工況點進行試驗。工況點分布圖如圖2所示，詳細值如表3所示，表3中，BMEP為平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 直噴汽油機稀燃燃燒及原始排放特性分析

圖3為稀燃模式下節(jié)油明顯工況的有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)。不

圖2 14個聚類點工況點

表3 14個聚類點工況點詳細值

同工況稀燃極限見表3。不同負荷下稀燃極限的BSFC比過量空氣系數(shù)為1時低3.1%～10.1%。工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)在稀燃模式下BSFC降低10.1%，有最大的節(jié)油潛力。

圖3 不同工況下有效燃油消耗率

圖4～圖6為不同工況下原始排氣中的NO、NO2、NOx的體積分數(shù)。濃燃模式下， NO占NOx總量的99.5%以上，隨著過量空氣系數(shù)的下降，氧的分壓下降， NOx排放降低。除工況9和工況10外，其余工況稀燃模式的NOx排放均比加濃工況低。主要原因是過量空氣系數(shù)既影響燃燒溫度，又影響燃燒產(chǎn)物中的氧含量，發(fā)動機過量空氣系數(shù)為0.9左右時已燃氣體的溫度達到最高，但是這時的已燃氣體中的氧含量低，抑制了NOx的生成；當過量空氣系數(shù)從0.9開始增大時，氧分壓增大的效果抵消溫度下降的效果而有余，NOx排放量的峰值出現(xiàn)在過量空氣系數(shù) 1.1左右的略稀混合氣工況；如果過量空氣系數(shù)進一步增大，溫度下降的優(yōu)勢占優(yōu)，使 NOx生成量減少[16]。工況9與工況10的稀燃極限更加接近過量空氣系數(shù)1.1，而其他工況的稀燃極限相對遠離1.1。

圖4 不同工況下原始NO排放

圖5 不同工況下原始NO2排放

圖6 不同工況下原始NOx排放

圖7為稀燃模式下，不同過量空氣系數(shù)下NO占NOx排放的比例，簡稱為NO占比。相關(guān)系數(shù)R2為0.63。隨著過量空氣系數(shù)的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)每增加0.1，NO在NOx總量中占比約降低6.9%。這是由于過量空氣系數(shù)越大，O2濃度越大，因此NO被氧化成NO2的比例增大。

圖7 不同過量空氣系數(shù)下NO占比

2.2 TWC對NOx、NH3排放的影響

試驗用TWC是滿足國六b排放標準發(fā)動機的量產(chǎn)件。隨著過量空氣系數(shù)從1開始下降，NH3的生成量上升，在過量空氣系數(shù) 0.96附近時NH3的生成量達到峰值；隨著過量空氣系數(shù)的繼續(xù)下降，NH3的生成量開始減小[17]。因此本試驗中選取過量空氣系數(shù) 0.95的工況進行濃燃研究。

圖8是濃燃模式(過量空氣系數(shù)為0.95)時不同工況下TWC前后的NOx量及NOx轉(zhuǎn)化率。TWC中的銠催化劑會促使NOx還原為氮氣，濃燃模式下TWC后基本無NOx，NOx轉(zhuǎn)化率趨近于100%。TWC在過量空氣系數(shù)為1.00±0.01時有最大的NOx轉(zhuǎn)化能力，稀燃模式下隨著過量空氣系數(shù)的變大，TWC的NOx的轉(zhuǎn)化能力急劇下降。圖9是稀燃極限時不同工況下TWC前后NOx體積分數(shù)(不同工況的稀燃極限見表3)。在稀燃極限時TWC的NOx的轉(zhuǎn)化能力非常弱，TWC后的NOx排放高。

圖8 濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時不同工況下TWC前后NOx體積分數(shù)及NOx轉(zhuǎn)化率

圖9 稀燃極限時不同工況下TWC前后NOx體積分數(shù)

發(fā)動機原始排放中不會產(chǎn)生NH3，濃燃模式(過量空氣系數(shù)小于1)下NH3是TWC脫硝過程中產(chǎn)生的二次污染物，由NO還原產(chǎn)生。研究表明NO向NH3的轉(zhuǎn)化受轉(zhuǎn)速、負荷、排氣溫度、催化劑成份等影響較大。

圖10是濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時TWC前NO排放與TWC后NH3排放的對應(yīng)關(guān)系圖?？傮w趨勢上， NO體積分數(shù)每增加100×10-6，NH3體積分數(shù)增加48×10-6。工況4(1 184 r/min、0.24 MPa)和工況12(1 331 r/min、0.41 MPa)TWC前NO的含量幾乎相同，體積分數(shù)均為1 100×10-6左右，但TWC后的NH3卻相差較大，體積分數(shù)分別為898×10-6和654×10-6。這是由于工況4的排氣流量約為工況12的一半，排氣在TWC內(nèi)停留時間長，從而造成NH3生成量大。工況5(2 231 r/min、1.29 MPa)、工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)和工況14(2 443 r/min、1.31 MPa)的 NH3的生成量幾乎相同，體積分數(shù)均為1 150×10-6左右，然而TWC入口的NO量卻相差較大，體積分數(shù)分別為 2 034×10-6、1 688×10-6、1 516×10-6，說明這幾個工況下TWC入口的NO含量不是制約NH3生成的關(guān)鍵因素。工況5、7、14的TWC前的溫度均超過了600 ℃，研究表明溫度超過600 ℃時TWC中的銠催化劑對NO轉(zhuǎn)NH3的催化效果減弱，使NH3生成量減小，即排氣溫度過高限制了NH3的生成。

圖10 濃燃時不同工況下TWC前NO排放與TWC后NH3排放對應(yīng)關(guān)系

圖11為濃燃(過量空氣系數(shù)為0.95)時不同工況下NO—NH3轉(zhuǎn)化率。TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率在51%～74%之間，其中工況4(1 187 r/min、0.24 MPa)最高，為74%；工況10(1 448 r/min、1.26 MPa)最低，為51%。試驗用TWC為滿足國六b排放標準的量產(chǎn)TWC，采用Pd/Rh型催化劑。研究表明，改變TWC中Pd、Rh的比例，同時調(diào)整涂層配方中氧化鋁和儲氧材料的配比，能提高NO—NH3轉(zhuǎn)化率至100%[17]。提高NO—NH3轉(zhuǎn)化率有助于減少濃稀燃燒模式切換時濃燃時間占比，更充分發(fā)揮稀薄燃燒的節(jié)油潛力。

圖11 濃燃時不同工況下NO—NH3轉(zhuǎn)化率

2.3 TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR對NOx排放的影響分析

LNT能在稀燃時存儲NOx，PSCR能在濃燃時存儲TWC產(chǎn)生的NH3，因此LNT與PSCR在處理汽油機稀薄燃燒NOx排放問題時存在優(yōu)勢互補。在工況3(1 824 r/min、0.92 MPa)下重點研究了TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR的NOx排放后處理能力。當試驗TWC+PSCR組合時，將排氣管路中的LNT拆卸移除。

1 824 r/min、0.92 MPa下，首先使發(fā)動機在過量空氣系數(shù) 0.95的濃燃模式運行85 s，使得PSCR吸收NH3并達到氨飽和，之后迅速切換至過量空氣系數(shù)1.4的稀燃模式。圖12為稀燃模式TWC+PSCR催化劑后NOx體積分數(shù)隨時間的變化，380 s后NOx濃度開始上升，說明此時PSCR內(nèi)的氨已經(jīng)全部消耗，稀燃工況運行時間占比為82%。圖13為稀燃工況TWC+LNT+PSCR后NOx體積分數(shù)隨時間的變化，580 s后NOx濃度開始上升，相比TWC+PSCR時間延長了53%，稀燃工況運行時間占比為87%。LNT在稀燃工況下通過吸附存儲NOx延長了稀燃模式運行時間。綜上，相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR組合能大幅提升稀燃汽油發(fā)動機濃稀工況切換時稀燃工況的時間，提高稀燃運行時間占比，改善發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

圖12 TWC+PSCR后NOx體積分數(shù)隨時間的變化

圖13 TWC+LNT+PSCR后NOx體積分數(shù)隨時間的變化

圖14是稀燃模式下PSCR中的氨全部消耗后的NOx排放情況。TWC+PSCR、TWC+LNT+PSCR的NOx排放中的NO2占比分別為14%、46%。TWC+LNT+PSCR的NO2占比大幅提高，這得益于LNT中較高的Pt負載量， Pt促進了NO氧化成NO2，NO2氧化性更強，有助于促進PSCR內(nèi)的NOx選擇性催化還原反應(yīng)的快速反應(yīng)，提高PSCR的催化效率。

圖14 稀燃模式PSCR的氨全部消耗后的NOx排放

圖15是1 824 r/min、0.92 MPa時不同燃燒模式和后處理組合的NOx排放處理能力對比。在過量空氣系數(shù)為1時，TWC對NOx有較強的催化轉(zhuǎn)化能力， TWC后基本無NOx，NOx轉(zhuǎn)化率趨近于100%。在稀燃極限，TWC對NOx的催化轉(zhuǎn)化能力大幅減弱， NOx轉(zhuǎn)化率趨近于50%，而加裝TWC+LNT+PSCR或TWC+PSCR后，NOx基本全部轉(zhuǎn)化，與過量空氣系數(shù)為1時TWC后的排放水平相當。

圖15 不同后處理組合NOx排放處理能力對比

3 結(jié)論

(1) 稀薄燃燒能有效減少汽油機的有效燃油消耗率，部分負荷下減少3.1%～10.1%，汽油機稀薄燃燒有較大的節(jié)油潛力。

(2) 稀燃模式下，隨著過量空氣系數(shù)的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)每增加0.1，NO在NOx總量中占比降低6.9%。

(3) 濃燃模式下， 總體趨勢上， TWC前NO體積分數(shù)每增加100×10-6，NH3體積分數(shù)增加48×10-6。TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率受轉(zhuǎn)速、負荷、排氣溫度等影響較大。過量空氣系數(shù) 0.95時，廣汽某款滿足國六b標準的1.5 L增壓發(fā)動機TWC的NO—NH3轉(zhuǎn)化率在51%～74%之間。

(4) 相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR能有效提高濃稀工況切換時稀燃模式運行時間，提高稀薄燃燒運行時間占比。

(5) 稀燃模式下，LNT能促進NO氧化成NO2，提高NO2比例，促進PSCR內(nèi)的NOx選擇性催化還原反應(yīng)的快速反應(yīng)，提高PSCR催化效率。