当量比天然气发动机氨排放特性研究

2021-02-05田茂军

内燃机工程 2021年1期

田茂军，唐卜，徐辉，张腾，康婵

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；2.潍柴西港新能源动力有限公司，潍坊 261061)

0 概述

NH3是一种刺激性有毒气体，能与大气中的NOx、SO2等发生中和反应生成各种铵盐并导致二次颗粒污染。铵盐对粒径小于2.5 μm的颗粒物(PM2.5)具有稳定和促进作用[1]，而PM2.5是导致雾霾的重要因素。农业源是大气中NH3的最主要排放源。随着社会的发展，机动车保有量逐年上升，据公安部信息披露，截至2019年底全国机动车保有量已达到3.48亿辆，其中小型载客汽车保有量达2.20亿辆。对于车辆密集的城市地区，机动车尾气已经取代农业活动，成为大气中NH3浓度的首要影响因素[2]。机动车尾气污染物主要有NOx、HC、CO、颗粒物(particulate matter, PM)、NH3，其中NOx、HC、CO、PM是机动车尾气污染控制的主要研究对象，文献[3-5]等对此已经开展了大量研究。中国现执行的轻型车第六阶段排放标准未对NH3设定明确的排放限值[6]，导致公众对汽车源NH3排放未引起足够重视。现有文献对汽车源NH3排放的研究较少，主要集中在NH3的区域时空分布和排放总量估算上[7-12]，针对汽车源NH3排放产生机理虽然已经开展了一些研究，但大多局限在选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)系统柴油机和轻型车。文献[13]中对加装SCR的柴油机NH3排放进行了相关研究，发现NH3产生的原因主要是尿素喷射释放的NH3没有完全与NOx反应。文献[14]中对不同里程、不同排量、不同排放阶段的轻型车NH3排放进行了相关研究，发现车辆在加速过程中产生的NH3比低速工况时多，天然气(natural gas, NG)燃料车辆在城郊工况NH3排放高于汽油燃料车辆。文献[15]中对全球轻型汽车驾驶循环(worldwide light-duty test cycle, WLTC)下汽油车的NH3排放进行了研究，发现加速过程会通过直接或间接影响CO和NOx的排放间接影响NH3的生成。文献[16]中对柴油机和天然气发动机NH3排放进行了相关研究，发现市郊高速加浓工况有助于NH3的生成。文献[17]中研究发现三元催化器(three-way catalyst, TWC)内部会发生以下化学反应：

(1)

(2)

(3)

虽然重型车保有量比轻型车少，但其单机排量大，相同排气污染物浓度下，其单机污染物排放量高，因此针对重型车用发动机开展NH3排放研究对控制大气中NH3排放水平具有显著意义。当前中国正在逐步推行重型车第六阶段排放标准(GB 17691—2018)[18]。为满足标准对污染物的控制要求，发动机生产企业也将天然气发动机排放控制策略从稀薄燃烧+氧化催化器转变为当量比燃烧+TWC。排放控制策略的转变导致污染物排放特性变化，但公开的文献中鲜有针对重型车用当量比天然气发动机NH3排放特性的研究。

在一台具备燃料自适应性的当量比天然气发动机上进行试验，采用傅里叶变换红外光谱仪重点研究了不同的发动机运行工况下，当量比天然气发动机TWC前的各组分排气污染物浓度变化、排气温度变化及废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)率变化对TWC 后NH3排放的影响，对控制天然气发动机NH3排放具有重要指导意义，为NH3排放的台架标定控制提供了一定的理论参考。

1 试验装置及方案

1.1 试验装置

本文采用一台满足GB17691—2018法规b阶段排放要求的当量比天然气发动机，其发动机及后处理的主要技术参数如表1所示。

表1 发动机及后处理的主要技术参数

试验采用HORIBA MEXA-ONE-FT-E傅里叶变换红外线光谱仪对TWC前后的NH3进行测量，采用HORIBA MEXA-ONE-DC排气分析仪对TWC前后的CO、CH4、NOx进行测量。图1为测试系统布置图，其中CFV为临界文丘里管(critical flow Venturi)。

图1 测试系统布置

1.2 试验方案

本文研究当量比天然气发动机加装TWC后NH3排放特性。试验方案如下：(1) 按GB/T 18297—2001标准进行外特性测试，选取发动机标定转速点及以下转速每100 r/min选一个测试点，共12个测试点。(2) 按GB/T 18297—2001标准选取具有代表性的转速进行负荷特性测试，本文中选取最大转矩转速，每10%负荷一个测试点。(3) 同一转速和负荷以不同加速时间加载到另一相同转速、负荷。(4) 分别使用市售天然气和低热值基准燃料G25按GB 17691—2018规定的世界统一瞬态循环(world harmonized transient cycle，WHTC)进行冷、热态测试。市售液化天然气(LNG)和G25主要参数如表2所示。

表2 市售LNG和G25主要参数

2 试验结果与分析

2.1 外特性状态下NH3排放分析

经外特性和WHTC冷、热态循环试验测量TWC前NH3排放发现发动机原始排气中无NH3排放,但经过TWC催化反应后，尾气中存在NH3。与SCR不同，TWC催化反应过程不需要添加任何反应剂，NH3不可能来源于反应剂的裂化分解。由此可知，NH3是发动机原始排气经过TWC的催化反应产物。

图2是外特性状态下TWC前污染物排放NOx、CO、CH4和TWC后NH3的排放结果。由图2可知，随转速升高，TWC后NH3排放明显升高。当转速低于1 100 r/min时NH3排放均低于重型车国六标准排放限值(10×10-6)[10]，测量结果最低为4.3 mL/m3；当转速高于 1 100 r/min 时，NH3排放均高于重型车国六标准排放限值，测量结果最高达23.8×10-6。外特性下发动机原始排气中NOx浓度较高，当发动机转速高于1 000 r/min时发动机原始排气NOx浓度明显下降，当转速超过1 400 r/min后NOx浓度相对稳定，随转速的升高NOx浓度变化不再显著。外特性下发动机原始排气中CO和CH4浓度同样较高，CO浓度随发动机转速提高先下降后升高。CH4排放特征与CO相似，但变化幅度相对不显著。由图2可知，在转速低于1 000 r/min和高于 1 800 r/min 的两段转速区间，原机CO、CH4浓度相当；在低转速区间NOx浓度明显升高，NH3浓度明显降低。因此当原机CO和CH4浓度保持稳定时，提高NOx浓度可在一定程度上抑制NH3的产生。

图2 外特性TWC前排气污染物排放和TWC后NH3排放

外特性状态下TWC前排放和EGR率见图3。由图3可知，EGR率随发动机转速提高而不断增加，在发动机低转速时EGR率较低，在800 r/min时仅为1.3%，当发动机转速为 1 900 r/min 时EGR率最高，为17.3%。该天然气发动机采用当量比燃烧技术路线。为降低缸盖、活塞、增压器等零部件的热负荷，同时降低发动机爆震倾向，在外特性下随发动机转速提高而不断加大EGR率。随EGR率增大，引入的惰性气体增加，缸内气体热容增加，从而迟滞火焰传播速度，降低最高燃烧压力，降低最高排气温度，能有效控制发动机热负荷。由图4可知外特性下随发动机转速提高，TWC入口排气温度增加不显著，除 1 000 r/min 以下的转速区间外排温始终保持在650 ℃左右，即随转速增加而提高EGR率的目的在于将发动机热负荷控制在合理范围内。EGR率对该发动机NOx原机排放的影响有限，但随着EGR率的增加，缸内燃烧条件恶化，导致CO排放明显增加。

图3 外特性TWC前污染物排放和EGR率

图4 外特性TWC入口排气温度和EGR率

图5是1 100 r/min满负荷时不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放。由图5可知：在EGR率低于10%时，随EGR率的提高，发动机TWC前NOx、CO、CH4浓度相对稳定；但当EGR率高于10%后，随EGR率的提高，发动机原机NOx排放不断降低，CO排放不断增加，但NOx随EGR率提高的降低幅度不如CO增加的幅度大，CH4排放特性与CO相似但变化幅度无CO明显。TWC后NH3排放随发动机原机CO和CH4排放的提高及NOx排放的降低而不断增加，较高的EGR率能促进NH3的产生。

图5 满负荷不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

2.2 负荷特性状态下NH3排放分析

最大转矩转速1 100 r/min负荷特性状态下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放见图6。由图6可知：随着负荷的增加，TWC前NOx浓度快速增加；当负荷超过80%后，TWC前NOx浓度随负荷变化不再显著。随发动机负荷的增加TWC前CO浓度不断降低；在50%～70%负荷区间CO浓度达到最低值且在该负荷范围较稳定，浓度变化不显著；在接近满负荷区域，TWC前CO排放再次升高。CH4随发动机负荷变化特性与CO相似。在负荷低于50%时，TWC后NH3浓度随负荷的增加而降低；在60%负荷时达到最低值；当负荷超过60%后，TWC后NH3排放随负荷的增加有所回升，但NH3排放相对稳定，随负荷的增加变化不大。

图6 负荷特性TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

最大转矩转速1 100 r/min负荷特性状态下TWC前污染物排放和EGR率见图7。在发动机中低负荷时EGR率均为0，当负荷高于70%时EGR率不断增大，满负荷时EGR率最大。在发动机负荷较低时，因缸内燃烧条件较差，CO和CH4排放较高，而NOx排放较低；随负荷的增加，缸内燃烧条件改善，CO和CH4排放不断降低，NOx排放不断增加；当负荷超过70%之后，由于EGR废气的引入及EGR率的增加，缸内燃烧状态恶化，CO和CH4排放有所提高，NOx排放不再随负荷的提高而增加。由式(1)～式(3)可知，CO有利于NH3的产生，所以低负荷时较高的CO原机排放导致了较高的NH3排放；高负荷时CO浓度与低负荷相当，而NOx浓度明显增加，因为NOx具备较强的氧化性而NH3是还原性气体，所以高负荷下原机CO和CH4保持稳定而NOx浓度提高可一定程度抑制NH3的产生。

图7 负荷特性TWC前污染物排放和EGR率

最大转矩转速1 100 r/min负荷特性TWC入口排气温度和TWC后NH3排放见图8。由图8可知，因发动机采用当量比控制策略同时高负荷时采用EGR控制发动机热负荷，所以发动机排气温度随发动机负荷增加而增加，但排气温度均较高，且高负荷时发动机排气温度随发动机负荷增加升高不显著。由图8也可知在该转速的负荷特性下NH3排放与发动机温度无显著相关性。

图8 负荷特性TWC入口排气温度和TWC后NH3排放

2.3 负荷加载过程NH3排放分析

图9、图10、图11分别是在900 r/min、15%负荷工况点以3.0 s、1.0 s、0.1 s加速时间加载到 900 r/min、70%负荷工况点然后稳定20 s的加载过程中TWC前各污染物排放和TWC后NH3排放。由图可知，在负荷加载过程中，加速时间越短，加速过程中TWC后的NH3排放峰值越高，加速时间为3.0 s时NH3体积分数峰值为11.3×10-6,当加速时间为1.0 s时NH3体积分数峰值为23.2×10-6。当加速时间为0.1 s时NH3体积分数峰值为53.8×10-6。该转速下外特性状态时NH3体积分数为5.5×10-6。由此可知TWC后NH3排放与加载速度正相关，且当发动机急速加载时，NH3排放的峰值较外特性状态下显著提高，加载速度是影响NH3峰值排放的关键因素。

图9 3.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

图10 1.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

图11 0.1 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

不同的负荷加载过程中，TWC前NOx浓度均有所提高，但其过程中的峰值差异不大，该加载过程NOx排放峰值与该转速外特性状态下接近。但TWC前CO和CH4的浓度差异显著，加载时间越短，加载过程TWC前的CO和CH4排放峰值越高，同时TWC前CO和CH4排放的变化特性相似。加速时间为3.0 s时，TWC前CO和CH4排放峰值分别为4 170×10-6和5 394×10-6；当加速时间为1.0 s时，TWC前CO和CH4排放峰值分别为 4 621×10-6和6 206×10-6；当加速时间为0.1 s时，TWC前的CO和CH4排放峰值分别为 6 566×10-6和7 702×10-6。该加载过程NOx排放峰值差异不显著，因此在加载过程中，加载速度通过影响CO和CH4排放而影响TWC后NH3排放，急速的加载能促进NH3的产生。

2.4 WHTC试验结果分析

使用市售LNG和G25按GB 17691—2018规定的WHTC进行冷、热态循环的测试结果见表3。

表3 WHTC试验结果

虽然各污染物的排放结果有差异，但差异不显著，且污染物互有涨跌，无规律性，因此该差异应归属于测试系统测量误差和测量不确定度范畴。市售LNG和G25燃料进行WHTC冷、热态测试循环功均为31.6 kW·h，循环比气耗分别为242 g/(kW·h)、 303 g/(kW·h)。用G25燃料进行测试时，循环比气耗相比使用天然气时增加25.2%，由表2的燃气组份的差异可计算出两者单位质量CH4含量偏差为26.5%，循环比气耗差异与燃料组分差异相当。因该天然气发动机具备燃料自适应性，针对不同燃料成分可以通过调节燃料喷射量适应各种燃料成分的变化，保证发动机动力输出的一致性，因此该当量比天然气发动机燃料成分的差异对发动机动力性和气态污染物的排放结果无影响。

表4是增压器出口至TWC入口排气管路包裹保温材料与不保温两种状态下分别进行WHTC热态循环的NH3排放结果与TWC入口循环平均排气温度。分析循环过程数据发现，TWC入口温度在循环开始15 s后即高于350 ℃，两个循环的最高温度为651 ℃。由此可知TWC入口排气温度对NH3排放存在影响，当TWC入口温度处于催化器反应正常工作温度范围时，较低的排气温度对NH3的产生有促进作用。该结论与文献[19]相悖，经对比发现，两者所用TWC涂层的贵金属种类不同，这是产生该差异的因素之一。