國六輕型汽油車氨排放特性研究

溫 溢，蔣 震，羅佳鑫

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300；2. 北京卡達(dá)克汽車檢測技術(shù)中心有限公司 北京 100176)

大氣中的顆粒物包括一次顆粒物與二次顆粒物，在交通繁忙、機(jī)動車保有量大的城市區(qū)域，機(jī)動車產(chǎn)生的氨對大氣中的細(xì)顆粒物排放有較大貢獻(xiàn)[1-2]。研究表明：在WLTC 循環(huán)下，輕型汽油車氨排放因子分布范圍為10～40 mg/km，而在實(shí)際道路工況下，輕型汽油車平均氨排放因子為(6±2)mg/km，冷啟動階段氨排放因子可達(dá)134 mg/km[3]。輕型車排放產(chǎn)生的氨進(jìn)入大氣后形成陽離子(NH4+)，其將與游離的硫酸根或硝酸根等陰離子結(jié)合形成銨鹽，主要參與二次顆粒物的形成，并增加大氣中的細(xì)顆粒物排放。

輕型汽油車的氨生成途徑已經(jīng)基本確定，與其他常規(guī)污染物不同，氨并不直接產(chǎn)生于缸內(nèi)燃燒，而是三元催化器內(nèi)部發(fā)生的氧化還原反應(yīng)的副產(chǎn)物[4-6]。目前研究認(rèn)為，在三元催化器內(nèi)部，CO 與H2O 發(fā)生“水煤氣反應(yīng)”生成H2，氮氧化物被H2還原形成氨，其生成機(jī)理如下列反應(yīng)式所示[4-7]：

研究證明氨排放與CO 排放存在較強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)CO 排放較高時(shí)，三元催化器內(nèi)部存在較強(qiáng)的還原性環(huán)境，導(dǎo)致氮氧化物中的+2 或+4 價(jià)的氮原子被還原形成-3 價(jià)的氮原子，進(jìn)而與游離態(tài)的氫原子結(jié)合形成NH3[8]。

輕型汽油車的氨排放正逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)研究的熱點(diǎn)。2014 年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《大氣氨源排放清單編制技術(shù)指南》中提供了交通源氨排放因子，其中輕型汽油車氨排放因子為26 mg/km。在歐盟第7 階段輕型車排放標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中計(jì)劃引入氨排放要求，并且通過對不同類型車輛(包括汽油車、柴油車、混合動力車輛和燃?xì)廛囕v等)進(jìn)行氨排放測試，初步提出了5 mg/km(scenario A)與2 mg/km(scenario B)的建議限值。在中國輕型車第七階段標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研過程中同樣提出了對氨排放的相關(guān)要求，并提出以整車底盤測功機(jī)測試作為主要手段。因此，有必要對國六輕型汽油車的氨排放特性進(jìn)行研究，同時(shí)驗(yàn)證以試驗(yàn)室工況為主的測試方法的有效性。

本文基于底盤測功機(jī)結(jié)合氨分析儀的測試方法對9 臺國六輕型汽油車的氨排放因子進(jìn)行了測試，對比了不同環(huán)境溫度下的氨排放特性和混合動力車型氨排放的特點(diǎn)，以期為國七標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

本文涉及的試驗(yàn)車輛均為國六輕型汽油車，其后處理系統(tǒng)中均包含三元催化器。試驗(yàn)車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of test vehicles

本文主要使用的試驗(yàn)設(shè)備見表2，其中環(huán)境試驗(yàn)艙可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)環(huán)境溫度-10～40 ℃的改變，并且可提供全光譜模擬陽光照射。

表2 試驗(yàn)設(shè)備信息Tab.2 Test equipment

1.2 試驗(yàn)方案

由于氨極易溶于水的特性，本文采用原排直采法進(jìn)行采樣，并利用傅里葉變化紅外測試方法(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR)進(jìn)行分析。為減少采樣與分析過程中對氨的損失，試驗(yàn)中氨的采樣點(diǎn)盡量靠近排氣管出口，并對采樣管路(130 ℃)和分析模塊(113 ℃)進(jìn)行加熱，采樣前使用標(biāo)準(zhǔn)氣與純氮?dú)鈽?biāo)定分析儀的量程點(diǎn)與零點(diǎn)，采樣開始前與結(jié)束后均使用加熱的純氮?dú)鈱Σ蓸庸苈愤M(jìn)行吹掃。試驗(yàn)結(jié)果采用CVS 瞬態(tài)流量結(jié)合FTIR 分析儀所測瞬態(tài)濃度累積方法計(jì)算。

本文選取9 臺試驗(yàn)車進(jìn)行常溫冷起動污染物排放試驗(yàn)，其中9#試驗(yàn)車為插電式混合動力電動汽車，試驗(yàn)過程中為電量保持模式(CS 模式)，試驗(yàn)工況為GB 18352.6—2016 中規(guī)定的WLTC 測試循環(huán)[9]；此外，8#試驗(yàn)車與9#試驗(yàn)車進(jìn)行不同環(huán)境溫度下的排放試驗(yàn)以模擬車輛在不同季節(jié)的環(huán)境條件下的行駛工況，低溫環(huán)境為-10 ℃與0 ℃，低溫試驗(yàn)過程中開啟暖風(fēng)空調(diào)，高溫環(huán)境為40 ℃，高溫試驗(yàn)中開啟冷風(fēng)空調(diào)并開啟陽光模擬，光強(qiáng)為850 W/m2。

2 結(jié)果分析

2.1 國六輕型車氨排放因子

本文分析了國六輕型車在WLTC 循環(huán)中的氨排放因子分布。由圖1 可知，對于國六輕型汽油車，由于三元催化器的貴金屬比例提高和發(fā)動機(jī)標(biāo)定水平的不斷提升，NOx等常規(guī)污染物已降至較低水平，本文中NOx平均排放因子為8.22 mg/km，低于國六標(biāo)準(zhǔn)中對于氮氧化物的限值(35 mg/km)，然而氨作為三元催化器的副產(chǎn)物，其排放量已經(jīng)達(dá)到與氮氧化物同一量級的水平，氨排放因子達(dá)2.90 mg/km，最高可達(dá)11.62 mg/km。

圖2 為氨排放與NOx的排放量(物質(zhì)的量)對比，可知氨氮比最高可達(dá)4.56，平均值為1.04。結(jié)合圖1 與圖2 可知不同技術(shù)手段的輕型車均會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的氨排放，氨排放水平已與NOx處于同一量級。

圖1 試驗(yàn)車的氨排放與氮氧化物排放Fig.1 NH3 and NOx emission of test vehicles

圖2 試驗(yàn)車的氨氮比(物質(zhì)的量)Fig.2 Ammonia nitrogen ratio of test vehicles(amount of substance)

本文通過對氨排放的瞬態(tài)排放情況進(jìn)行分析，以1#試驗(yàn)車為例，氨主要生成于低速與中速段的加速過程中，在冷啟動初始階段，由于三元催化器尚未達(dá)到起燃溫度，此時(shí)不會形成氨，但隨著催化器溫度的升高，其逐漸達(dá)到氨生成的窗口溫度，在加速的過程中，缸內(nèi)燃燒不充分，導(dǎo)致進(jìn)入三元催化器的CO 與未燃HC 增加，并且CO 排放持續(xù)較高導(dǎo)致三元內(nèi)部持續(xù)保持還原環(huán)境狀態(tài)，氮氧化物被徹底還原形成氨，進(jìn)而出現(xiàn)氨的排放峰值，見圖3。即氨排放生成的必要條件為：三元催化器達(dá)到氨生成的窗口溫度，同時(shí)出現(xiàn)持續(xù)較高的CO 排放導(dǎo)致三元催化器內(nèi)部的還原環(huán)境。二者必須同時(shí)滿足。

圖3 低速段與高速段中的CO與氨排放Fig.3 CO and NH3 emission in low and high speed sections

2.2 不同溫度下氨排放因子對比

本文對8#試驗(yàn)車與9#試驗(yàn)車進(jìn)行了不同環(huán)境溫度下的排放試驗(yàn)。通過圖4、5 中的氨排放因子與溫度影響系數(shù)可知低溫環(huán)境(-10 ℃與0 ℃)下氨排放大大增加，其主要原因在于低溫環(huán)境下浸車后，冷啟動過程中需要克服的車輛內(nèi)阻增加，為盡快完成暖機(jī)工況，將向缸內(nèi)噴入較濃的混合氣，同時(shí)缸壁溫度較低，冷卻液與機(jī)油溫度均較低，導(dǎo)致燃油噴入缸內(nèi)后霧化較差，油氣組織較差，缸內(nèi)燃燒不完全程度加劇，排放的CO 與未燃HC 增加，進(jìn)入三元催化器后，較強(qiáng)的還原環(huán)境直接導(dǎo)致氨排放的增加。

圖4 溫度影響系數(shù)(8#車)Fig.4 Temperature influence coefficient(8# vehicle)

圖5 溫度影響系數(shù)(9#車)Fig.5 Temperature influence coefficient(9# vehicle)

通過對比8#車與9#車的溫度影響系數(shù)發(fā)現(xiàn)，對于采用自然吸氣技術(shù)的輕型車，氨排放更容易受到環(huán)境溫度的影響。其主要原因?yàn)榄h(huán)境溫度直接影響進(jìn)氣溫度，而采用自然吸氣技術(shù)的發(fā)動機(jī)更容易受到進(jìn)氣溫度的影響，尤其在冷啟動階段，環(huán)境溫度將對缸內(nèi)油氣組織與燃燒產(chǎn)生較大影響。式(4)為溫度影響系數(shù)計(jì)算公式：

式中：I FT為溫度影響系數(shù)，E F _ NH3T為在環(huán)境溫度為T 時(shí)的氨排放因子(T 取值分別為-10 ℃、0 ℃與40 ℃)，E F _NH323℃為23 ℃下的氨排放因子。

本文對不同環(huán)境溫度下氨的瞬態(tài)排放進(jìn)行了對比。如圖6 所示，對于8#試驗(yàn)車，在冷啟動試驗(yàn)過程中，氨排放主要生成于低速段與中速段。

圖6 不同溫度下的瞬態(tài)氨排放Fig.6 Transient ammonia emission at different temperatures

本文通過對比8#試驗(yàn)車在不同溫度的瞬態(tài)氨排放，認(rèn)為低溫環(huán)境將導(dǎo)致排氣中所含有的水蒸氣在采樣管中存在冷凝現(xiàn)象。這是因?yàn)镹H3極易溶于水，在冷啟動的過程中，大量的氨形成后并沒有直接釋放，而是被冷凝水吸收，而隨著時(shí)間的推移，采樣管溫度上升，液態(tài)水將所吸收的NH3逐漸釋放，由此出現(xiàn)NH3的“后釋放”現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致了在低速與中速段始終存在NH3的緩慢釋放現(xiàn)象。該現(xiàn)象在0 ℃環(huán)境下同樣存在，其后釋放弱于-10 ℃環(huán)境，在常溫環(huán)境與高溫環(huán)境試驗(yàn)中該現(xiàn)象并未出現(xiàn)。本文通過采用加熱氨采樣管路的方式盡量減少了冷凝水對氨排放的影響，然而在低溫環(huán)境下仍存在后釋放的現(xiàn)象，說明局部采樣管加熱的方式仍不能完全消除采樣管路冷凝的影響。因此，本文認(rèn)為在下一階段對氨排放的研究過程中，特別是在低溫環(huán)境下，需要考慮通過對全部采樣管路進(jìn)行預(yù)熱，試驗(yàn)前需達(dá)到100 ℃以上，并且在試驗(yàn)的過程中始終保持采樣管溫度，方能消除低溫下冷凝水對氨排放的影響。

在冷啟動完成后，催化器溫度已經(jīng)達(dá)到氨的生成窗口溫度，然而空燃比在閉環(huán)控制下能夠較好地穩(wěn)定在理論空燃比附近，并不會出現(xiàn)較高的CO 排放，導(dǎo)致三元內(nèi)部還原環(huán)境不能持續(xù)保持，因而不會出現(xiàn)大量的氨排放。

40 ℃環(huán)境下冷啟動試驗(yàn)過程與23 ℃環(huán)境類似，氨排放主要存在于低速段。與常溫環(huán)境不同的是，由于起始溫度較高，暖機(jī)工況較快完成，其氨排放首次出現(xiàn)的時(shí)刻早于常溫環(huán)境。

值得一提的是，在40 ℃熱啟動試驗(yàn)中的高速段與超高速段在首次加速的過程中出現(xiàn)了氨排放的瞬態(tài)高峰，如圖7 所示。本文認(rèn)為在高溫環(huán)境開啟空調(diào)的工況下，急加速時(shí)將出現(xiàn)偏離理論空燃比的“開環(huán)”現(xiàn)象，此時(shí)缸內(nèi)混合氣濃度較大，CO 排放迅速增加，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的氨排放。以9#試驗(yàn)車為例，在高速段與超高速段的加速過程中，當(dāng)量比長時(shí)間保持在1 以下時(shí)，此時(shí)缸內(nèi)混合氣較濃，CO 與未燃THC 增加，三元催化器內(nèi)部還原環(huán)境持續(xù)時(shí)間較長，氨排放出現(xiàn)持續(xù)較高的峰值。

圖7 高溫環(huán)境下不同啟動狀態(tài)的氨排放Fig.7 Ammonia emission under different starting states in high temperature environment

2.3 混合動力技術(shù)對氨排放的影響

9#試驗(yàn)車為插電式混合動力電動汽車，在試驗(yàn)過程中為電量保持模式，對比不同溫度下的氨排放結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)在-10 ℃環(huán)境下，為盡快完成暖機(jī)工況，在冷啟動初始階段，發(fā)動機(jī)始終運(yùn)轉(zhuǎn)，并存在瞬態(tài)加濃工況，導(dǎo)致CO 瞬態(tài)排放持續(xù)較高，此時(shí)氨生成的條件滿足，開始出現(xiàn)較高氨排放。在250 s 左右，催化器溫度達(dá)到800 ℃，此時(shí)暖機(jī)工況基本結(jié)束，動力電池開始介入動力系統(tǒng)，在減速制動以及隨后的初始加速過程中，發(fā)動機(jī)開始出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，見圖8。在發(fā)動機(jī)停機(jī)重啟時(shí)刻，缸內(nèi)將噴入較濃混合氣，同時(shí)發(fā)動機(jī)的停機(jī)將導(dǎo)致催化器溫度下降，對于CO 的催化效率隨之下降，導(dǎo)致三元內(nèi)部還原環(huán)境始終存在，在加速過程中CO 與氨排放出現(xiàn)瞬態(tài)峰值，見圖9。

圖8 -10 ℃環(huán)境試驗(yàn)過程中的CO排放與氨排放(9#車)Fig.8 CO and NH3 emission during -10 ℃ environmental test(9# vehicle)

圖9 -10 ℃環(huán)境試驗(yàn)過程中的催化器溫度與當(dāng)量比(9#車)Fig.9 Catalyst temperature and equivalence ratio during-10 ℃ environmental test(9# vehicle)

結(jié)合圖10、11 中不同環(huán)境溫度下瞬態(tài)氨排放與不同階段占比可知，在低溫環(huán)境下，氨排放主要生成于低速段與中速段；在常溫環(huán)境與高溫環(huán)境下，氨排放在低速段的生成量較少，主要集中于中速段之后的行駛過程中，造成該現(xiàn)象的主要原因是低溫環(huán)境下發(fā)動機(jī)停機(jī)對氨排放的影響不顯著，其主要影響因素為冷啟動過程中的CO 排放。而在常溫與高溫環(huán)境下行駛過程中，由于冷啟動過程動力電池的介入，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停機(jī)效果較為明顯，在降低油耗的同時(shí)降低催化器溫度與催化效率，導(dǎo)致在低速段的氨排放并不顯著。

圖10 不同環(huán)境溫度下氨排放瞬態(tài)圖Fig.10 NH3 transient emission at different ambient temperatures

在0 ℃試驗(yàn)中，氨排放主要集中于低速段與中速段，在高速段與超高速段的氨排放量較少。在常溫(23 ℃)試驗(yàn)中，與低溫試驗(yàn)不同的是，在低速段并沒有出現(xiàn)較高的氨排放，其原因主要是常溫環(huán)境下由于動力電池介入動力供應(yīng)，發(fā)動機(jī)停機(jī)較為頻繁，導(dǎo)致催化器溫度并不能穩(wěn)定保持在氨生成窗口溫度，只有在300～400 s 時(shí)間段內(nèi)，由于發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)行，催化器溫度穩(wěn)定，此時(shí)出現(xiàn)較少量的氨生成。而進(jìn)入中速段后，由于車速的增加，動力電池參與動力供應(yīng)較少，發(fā)動機(jī)能夠長時(shí)間保持運(yùn)行狀態(tài)，催化器溫度穩(wěn)定上升，為氨的形成提供了必要條件，此時(shí)當(dāng)車輛加速時(shí)CO 排放增加，催化器內(nèi)部氨形成。

對于高溫環(huán)境，由于空氣密度下降，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)進(jìn)氣受到影響，實(shí)際進(jìn)氣量較小，充量系數(shù)降低，缸內(nèi)不完全燃燒程度高于常溫環(huán)境，同時(shí)開啟空調(diào)后發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，為滿足負(fù)荷要求，需要加濃混合氣。上述因素疊加將導(dǎo)致在中速與高速行駛過程中氨排放高于常溫環(huán)境。

圖11 不同環(huán)境溫度下不同速度段氨排放占比Fig.11 Proportion of ammonia emission at different speeds under different ambient temperatures

如圖12 與圖13 所示，在高溫?zé)釂釉囼?yàn)過程中，在高速段與超高速段，通過對比瞬態(tài)氨排放與當(dāng)量比可知，在高速段1 200 s 與超高速段的加速過程中，尤其是在車速高于100 km/h 的過程中，當(dāng)量比始終較低，同時(shí)CO 出現(xiàn)持續(xù)的峰值時(shí)，本文認(rèn)為在該時(shí)刻出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)空燃比偏離理論空燃比，即“發(fā)動機(jī)開環(huán)”現(xiàn)象，此時(shí)將出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長的氨排放。

圖12 40 ℃熱啟動試驗(yàn)高速與超高速段的CO與氨排放Fig.12 CO and NH3 emissions in high and extra high sections of 40 ℃ hot start test

圖13 40 ℃熱啟動試驗(yàn)高速與超高速段的催化器溫度與當(dāng)量比Fig.13 Catalyst temperature and equivalence ratio in high and extra high sections of 40 ℃ hot start test

3 結(jié) 語

①9 輛國六輕型汽油車平均氨排放因子為2.90 mg/km，常溫下氨排放主要集中于低速段與中速段的加速過程中，氨排放與CO 存在較強(qiáng)的相關(guān)性。

②低溫環(huán)境下氨排放將遠(yuǎn)高于常溫環(huán)境。-10 ℃環(huán)境下，采用自然吸氣形式的輕型汽油車的溫度影響系數(shù)為73.19，高于增壓車型的溫度影響系數(shù)。高溫環(huán)境下熱起動試驗(yàn)中，在高速與超高速的加速過程中，空燃比長時(shí)間偏離理論空燃比，出現(xiàn)瞬態(tài)氨排放峰值。

③對于混合動力車輛，低溫環(huán)境下冷啟動過程中空燃比保持在1 以下，發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，催化器溫度上升，出現(xiàn)較高的CO 排放與氨排放。而在常溫環(huán)境下，由于動力電池參與能量供應(yīng)，發(fā)動機(jī)啟停頻繁，催化器溫度低于氨生成的窗口溫度，導(dǎo)致啟動階段氨排放較低，常溫環(huán)境下氨排放在中速段開始出現(xiàn)。■