當量比天然氣發動機氨排放特性研究

田茂軍，唐 卜，徐 輝，張 騰，康 嬋

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.濰柴西港新能源動力有限公司，濰坊 261061)

0 概述

NH3是一種刺激性有毒氣體，能與大氣中的NOx、SO2等發生中和反應生成各種銨鹽并導致二次顆粒污染。銨鹽對粒徑小于2.5 μm的顆粒物(PM2.5)具有穩定和促進作用[1]，而PM2.5是導致霧霾的重要因素。農業源是大氣中NH3的最主要排放源。隨著社會的發展，機動車保有量逐年上升，據公安部信息披露，截至2019年底全國機動車保有量已達到3.48億輛，其中小型載客汽車保有量達2.20億輛。對于車輛密集的城市地區，機動車尾氣已經取代農業活動，成為大氣中NH3濃度的首要影響因素[2]。機動車尾氣污染物主要有NOx、HC、CO、顆粒物(particulate matter, PM)、NH3，其中NOx、HC、CO、PM是機動車尾氣污染控制的主要研究對象，文獻[3-5]等對此已經開展了大量研究。中國現執行的輕型車第六階段排放標準未對NH3設定明確的排放限值[6]，導致公眾對汽車源NH3排放未引起足夠重視。現有文獻對汽車源NH3排放的研究較少，主要集中在NH3的區域時空分布和排放總量估算上[7-12]，針對汽車源NH3排放產生機理雖然已經開展了一些研究，但大多局限在選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)系統柴油機和輕型車。文獻[13]中對加裝SCR的柴油機NH3排放進行了相關研究，發現NH3產生的原因主要是尿素噴射釋放的NH3沒有完全與NOx反應。文獻[14]中對不同里程、不同排量、不同排放階段的輕型車NH3排放進行了相關研究，發現車輛在加速過程中產生的NH3比低速工況時多，天然氣(natural gas, NG)燃料車輛在城郊工況NH3排放高于汽油燃料車輛。文獻[15]中對全球輕型汽車駕駛循環(worldwide light-duty test cycle, WLTC)下汽油車的NH3排放進行了研究，發現加速過程會通過直接或間接影響CO和NOx的排放間接影響NH3的生成。文獻[16]中對柴油機和天然氣發動機NH3排放進行了相關研究，發現市郊高速加濃工況有助于NH3的生成。文獻[17]中研究發現三元催化器(three-way catalyst, TWC)內部會發生以下化學反應：

(1)

(2)

(3)

雖然重型車保有量比輕型車少，但其單機排量大，相同排氣污染物濃度下，其單機污染物排放量高，因此針對重型車用發動機開展NH3排放研究對控制大氣中NH3排放水平具有顯著意義。當前中國正在逐步推行重型車第六階段排放標準(GB 17691—2018)[18]。為滿足標準對污染物的控制要求，發動機生產企業也將天然氣發動機排放控制策略從稀薄燃燒+氧化催化器轉變為當量比燃燒+TWC。排放控制策略的轉變導致污染物排放特性變化，但公開的文獻中鮮有針對重型車用當量比天然氣發動機NH3排放特性的研究。

在一臺具備燃料自適應性的當量比天然氣發動機上進行試驗，采用傅里葉變換紅外光譜儀重點研究了不同的發動機運行工況下，當量比天然氣發動機TWC前的各組分排氣污染物濃度變化、排氣溫度變化及廢氣再循環(exhaust gas recirculation,EGR)率變化對TWC 后NH3排放的影響，對控制天然氣發動機NH3排放具有重要指導意義，為NH3排放的臺架標定控制提供了一定的理論參考。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

本文采用一臺滿足GB17691—2018法規b階段排放要求的當量比天然氣發動機，其發動機及后處理的主要技術參數如表1所示。

表1 發動機及后處理的主要技術參數

試驗采用HORIBA MEXA-ONE-FT-E傅里葉變換紅外線光譜儀對TWC前后的NH3進行測量，采用HORIBA MEXA-ONE-DC排氣分析儀對TWC前后的CO、CH4、NOx進行測量。圖1為測試系統布置圖，其中CFV為臨界文丘里管(critical flow Venturi)。

圖1 測試系統布置

1.2 試驗方案

本文研究當量比天然氣發動機加裝TWC后NH3排放特性。試驗方案如下：(1) 按GB/T 18297—2001標準進行外特性測試，選取發動機標定轉速點及以下轉速每100 r/min選一個測試點，共12個測試點。(2) 按GB/T 18297—2001標準選取具有代表性的轉速進行負荷特性測試，本文中選取最大轉矩轉速，每10%負荷一個測試點。(3) 同一轉速和負荷以不同加速時間加載到另一相同轉速、負荷。(4) 分別使用市售天然氣和低熱值基準燃料G25按GB 17691—2018規定的世界統一瞬態循環(world harmonized transient cycle，WHTC)進行冷、熱態測試。市售液化天然氣(LNG)和G25主要參數如表2所示。

表2 市售LNG和G25主要參數

2 試驗結果與分析

2.1 外特性狀態下NH3排放分析

經外特性和WHTC冷、熱態循環試驗測量TWC前NH3排放發現發動機原始排氣中無NH3排放,但經過TWC催化反應后，尾氣中存在NH3。與SCR不同，TWC催化反應過程不需要添加任何反應劑，NH3不可能來源于反應劑的裂化分解。由此可知，NH3是發動機原始排氣經過TWC的催化反應產物。

圖2是外特性狀態下TWC前污染物排放NOx、CO、CH4和TWC后NH3的排放結果。由圖2可知，隨轉速升高，TWC后NH3排放明顯升高。當轉速低于1 100 r/min時NH3排放均低于重型車國六標準排放限值(10×10-6)[10]，測量結果最低為4.3 mL/m3；當轉速高于 1 100 r/min 時，NH3排放均高于重型車國六標準排放限值，測量結果最高達23.8×10-6。外特性下發動機原始排氣中NOx濃度較高，當發動機轉速高于1 000 r/min時發動機原始排氣NOx濃度明顯下降，當轉速超過1 400 r/min后NOx濃度相對穩定，隨轉速的升高NOx濃度變化不再顯著。外特性下發動機原始排氣中CO和CH4濃度同樣較高，CO濃度隨發動機轉速提高先下降后升高。CH4排放特征與CO相似，但變化幅度相對不顯著。由圖2可知，在轉速低于1 000 r/min和高于 1 800 r/min 的兩段轉速區間，原機CO、CH4濃度相當；在低轉速區間NOx濃度明顯升高，NH3濃度明顯降低。因此當原機CO和CH4濃度保持穩定時，提高NOx濃度可在一定程度上抑制NH3的產生。

圖2 外特性TWC前排氣污染物排放和TWC后NH3排放

外特性狀態下TWC前排放和EGR率見圖3。由圖3可知，EGR率隨發動機轉速提高而不斷增加，在發動機低轉速時EGR率較低，在800 r/min時僅為1.3%，當發動機轉速為 1 900 r/min 時EGR率最高，為17.3%。該天然氣發動機采用當量比燃燒技術路線。為降低缸蓋、活塞、增壓器等零部件的熱負荷，同時降低發動機爆震傾向，在外特性下隨發動機轉速提高而不斷加大EGR率。隨EGR率增大，引入的惰性氣體增加，缸內氣體熱容增加，從而遲滯火焰傳播速度，降低最高燃燒壓力，降低最高排氣溫度，能有效控制發動機熱負荷。由圖4可知外特性下隨發動機轉速提高，TWC入口排氣溫度增加不顯著，除 1 000 r/min 以下的轉速區間外排溫始終保持在650 ℃左右，即隨轉速增加而提高EGR率的目的在于將發動機熱負荷控制在合理范圍內。EGR率對該發動機NOx原機排放的影響有限，但隨著EGR率的增加，缸內燃燒條件惡化，導致CO排放明顯增加。

圖3 外特性TWC前污染物排放和EGR率

圖4 外特性TWC入口排氣溫度和EGR率

圖5是1 100 r/min滿負荷時不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放。由圖5可知：在EGR率低于10%時，隨EGR率的提高，發動機TWC前NOx、CO、CH4濃度相對穩定；但當EGR率高于10%后，隨EGR率的提高，發動機原機NOx排放不斷降低，CO排放不斷增加，但NOx隨EGR率提高的降低幅度不如CO增加的幅度大，CH4排放特性與CO相似但變化幅度無CO明顯。TWC后NH3排放隨發動機原機CO和CH4排放的提高及NOx排放的降低而不斷增加，較高的EGR率能促進NH3的產生。

圖5 滿負荷不同EGR率下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

2.2 負荷特性狀態下NH3排放分析

最大轉矩轉速1 100 r/min負荷特性狀態下TWC前污染物排放和TWC后NH3排放見圖6。由圖6可知：隨著負荷的增加，TWC前NOx濃度快速增加；當負荷超過80%后，TWC前NOx濃度隨負荷變化不再顯著。隨發動機負荷的增加TWC前CO濃度不斷降低；在50%～70%負荷區間CO濃度達到最低值且在該負荷范圍較穩定，濃度變化不顯著；在接近滿負荷區域，TWC前CO排放再次升高。CH4隨發動機負荷變化特性與CO相似。在負荷低于50%時，TWC后NH3濃度隨負荷的增加而降低；在60%負荷時達到最低值；當負荷超過60%后，TWC后NH3排放隨負荷的增加有所回升，但NH3排放相對穩定，隨負荷的增加變化不大。

圖6 負荷特性TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

最大轉矩轉速1 100 r/min負荷特性狀態下TWC前污染物排放和EGR率見圖7。在發動機中低負荷時EGR率均為0，當負荷高于70%時EGR率不斷增大，滿負荷時EGR率最大。在發動機負荷較低時，因缸內燃燒條件較差，CO和CH4排放較高，而NOx排放較低；隨負荷的增加，缸內燃燒條件改善，CO和CH4排放不斷降低，NOx排放不斷增加；當負荷超過70%之后，由于EGR廢氣的引入及EGR率的增加，缸內燃燒狀態惡化，CO和CH4排放有所提高，NOx排放不再隨負荷的提高而增加。由式(1)～式(3)可知，CO有利于NH3的產生，所以低負荷時較高的CO原機排放導致了較高的NH3排放；高負荷時CO濃度與低負荷相當，而NOx濃度明顯增加，因為NOx具備較強的氧化性而NH3是還原性氣體，所以高負荷下原機CO和CH4保持穩定而NOx濃度提高可一定程度抑制NH3的產生。

圖7 負荷特性TWC前污染物排放和EGR率

最大轉矩轉速1 100 r/min負荷特性TWC入口排氣溫度和TWC后NH3排放見圖8。由圖8可知，因發動機采用當量比控制策略同時高負荷時采用EGR控制發動機熱負荷，所以發動機排氣溫度隨發動機負荷增加而增加，但排氣溫度均較高，且高負荷時發動機排氣溫度隨發動機負荷增加升高不顯著。由圖8也可知在該轉速的負荷特性下NH3排放與發動機溫度無顯著相關性。

圖8 負荷特性TWC入口排氣溫度和TWC后NH3排放

2.3 負荷加載過程NH3排放分析

圖9、圖10、圖11分別是在900 r/min、15%負荷工況點以3.0 s、1.0 s、0.1 s加速時間加載到 900 r/min、70%負荷工況點然后穩定20 s的加載過程中TWC前各污染物排放和TWC后NH3排放。由圖可知，在負荷加載過程中，加速時間越短，加速過程中TWC后的NH3排放峰值越高，加速時間為3.0 s時NH3體積分數峰值為11.3×10-6,當加速時間為1.0 s時NH3體積分數峰值為23.2×10-6。當加速時間為0.1 s時NH3體積分數峰值為53.8×10-6。該轉速下外特性狀態時NH3體積分數為5.5×10-6。由此可知TWC后NH3排放與加載速度正相關，且當發動機急速加載時，NH3排放的峰值較外特性狀態下顯著提高，加載速度是影響NH3峰值排放的關鍵因素。

圖9 3.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

圖10 1.0 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

圖11 0.1 s加速TWC前污染物排放和TWC后NH3排放

不同的負荷加載過程中，TWC前NOx濃度均有所提高，但其過程中的峰值差異不大，該加載過程NOx排放峰值與該轉速外特性狀態下接近。但TWC前CO和CH4的濃度差異顯著，加載時間越短，加載過程TWC前的CO和CH4排放峰值越高，同時TWC前CO和CH4排放的變化特性相似。加速時間為3.0 s時，TWC前CO和CH4排放峰值分別為4 170×10-6和5 394×10-6；當加速時間為1.0 s時，TWC前CO和CH4排放峰值分別為 4 621×10-6和6 206×10-6；當加速時間為0.1 s時，TWC前的CO和CH4排放峰值分別為 6 566×10-6和7 702×10-6。該加載過程NOx排放峰值差異不顯著，因此在加載過程中，加載速度通過影響CO和CH4排放而影響TWC后NH3排放，急速的加載能促進NH3的產生。

2.4 WHTC試驗結果分析

使用市售LNG和G25按GB 17691—2018規定的WHTC進行冷、熱態循環的測試結果見表3。

表3 WHTC試驗結果

雖然各污染物的排放結果有差異，但差異不顯著，且污染物互有漲跌，無規律性，因此該差異應歸屬于測試系統測量誤差和測量不確定度范疇。市售LNG和G25燃料進行WHTC冷、熱態測試循環功均為31.6 kW·h，循環比氣耗分別為242 g/(kW·h)、 303 g/(kW·h)。用G25燃料進行測試時，循環比氣耗相比使用天然氣時增加25.2%，由表2的燃氣組份的差異可計算出兩者單位質量CH4含量偏差為26.5%，循環比氣耗差異與燃料組分差異相當。因該天然氣發動機具備燃料自適應性，針對不同燃料成分可以通過調節燃料噴射量適應各種燃料成分的變化，保證發動機動力輸出的一致性，因此該當量比天然氣發動機燃料成分的差異對發動機動力性和氣態污染物的排放結果無影響。

表4是增壓器出口至TWC入口排氣管路包裹保溫材料與不保溫兩種狀態下分別進行WHTC熱態循環的NH3排放結果與TWC入口循環平均排氣溫度。分析循環過程數據發現，TWC入口溫度在循環開始15 s后即高于350 ℃，兩個循環的最高溫度為651 ℃。由此可知TWC入口排氣溫度對NH3排放存在影響，當TWC入口溫度處于催化器反應正常工作溫度范圍時，較低的排氣溫度對NH3的產生有促進作用。該結論與文獻[19]相悖，經對比發現，兩者所用TWC涂層的貴金屬種類不同，這是產生該差異的因素之一。

表4 WHTC熱態試驗結果

3 結論

(1) 當量比天然氣發動機原始排氣中無NH3排放，發動機原始排氣經過TWC時的催化反應是其產生NH3排放的根本原因。

(2) 當CO和CH4濃度保持穩定時，提高NOx濃度可一定程度上抑制NH3的產生。

(3) 外特性下采用較高的EGR率可通過降低原機NOx排放及提高CO和CH4濃度促進NH3的產生。

(4) 在負荷加載過程中，加載速度通過影響原機CO和CH4排放進而影響NH3排放，急速的加載過程能促進NH3的產生。

(5) 具備燃料自適應性的天然氣發動機可針對不同的燃料成分調節燃料噴射量，燃料成分的差異對發動機動力性和氣態污染物排放無影響。

(6) 排氣溫度對NH3排放存在影響，當TWC入口溫度處于催化器正常工作溫度范圍時，較低的排氣溫度對NH3的產生有促進作用。