重型发动机氨排放特性的台架试验研究

张凡，李昂，于津涛

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

氨(NH3)作为大气氮循环的关键成分之一，可以与大气中的NOx和SO2等酸性成分发生氧化反应生成NO3-和SO4+，进而通过中和反应形成硝酸铵、硫酸铵等二次颗粒物[1]。这些物质均是大气中PM2.5的重要组成部分，是导致我国京津冀等地区严重雾霾的重要原因之一。因此，NH3也是大气中二次颗粒物的重要前驱物，对灰霾污染的形成有重要作用[2]。大气中的氨排放主要来源于人为和天然两种途径，人为源可以分为农业源和非农业源，而机动车的氨排放属于非农业源。一般来说，农业源是大气中NH3的最主要排放源，但是近期的研究表明，机动车尾气中的氨排放已经成为高度城市化区域中一个不能忽视的污染物[3]。2000年Chitjia等研究发现，在美国加利福尼亚州南海岸地区由机动车排放的NH3大约占该地区总氨排放量的18%[4]。美国环保署2007年研究报告表明，2006年美国大约有8%的NH3来源于机动车尾气排放，机动车产生的氨排放不容忽视[5]。

机动车(发动机)的氨排放主要来源于两方面：一方面是车辆燃料燃烧产生的污染物；另一方面是在车辆后处理系统中产生的二次产物[6]。对于轻型车来说，发动机缸内燃烧生成的CO和NOx在三元催化器内发生反应产生了大量的氨排放[7]，而重型车(发动机)的氨排放主要来自于选择性催化还原系统(SCR)的NH3泄漏[8]。相关文献表明，暨南大学[3]、清华大学[8]、北京理工大学[9]、同济大学[10]、江苏大学[11]、北京市环境保护科学研究院[12]、密西根理工大学[13]、TNO汽车公司[14]等国内外研发机构通过隧道法、远程遥感法、转鼓(台架)试验法和数值模拟等研究方法，分别针对区域机动车的氨排放因子、氨存储释放瞬态过程和尿素喷射控制策略等内容开展了试验研究，但还缺少发动机氨排放特性影响因素方面的定量研究工作。

本研究在发动机台架上进行了ESC、ETC和WHTC等循环的排放测试，使用可调谐激光二极管气体分析仪测量了装用不同后处理装置的重型发动机催化剂后尾气中的氨排放水平，重点分析了不同后处理装置型式、催化剂温度和测试循环等因素对重型发动机氨排放特性的影响。

1 试验设备和方法

1.1 试验用燃料

试验用柴油是0号京标(Ⅵ)车用柴油，柴油油样送至北京石油产品质量监督检验中心进行分析，关键油样参数的分析结果见表1。

表1 试验用柴油油样参数

试验用天然气是液化天然气，将天然气样品进行分析，关键气样参数的分析结果见表2。

表2 试验用天然气气样参数

1.2 试验用发动机

本研究使用的发动机包括8台重型柴油机和2台重型气体机(1号和2号发动机)。柴油发动机的排量范围为2.5～7.5 L，最大净功率范围为77～215 kW，排放水平涵盖国Ⅳ和国Ⅴ标准，后处理类型涵盖所有的主流技术路线，包括SCR(选择性催化还原器)、DOC(氧化型催化器)+SCR、EGR(排气再循环系统)+DOC+DPF(柴油机颗粒捕集器)和DOC+DPF+SCR+ASC(氨氧化催化转化器)。1号气体机为1台9.7 L排量的满足国Ⅴ排放标准的稀薄燃烧气体机，后处理装置为DOC。2号气体机为1台7.5 L排量的满足国Ⅴ排放标准的理论空燃比燃烧气体机，后处理装置为TWC(三效催化转化器)。发动机排量、最大净功率、排放标准和后处理型式等相关参数见表3。

表3 试验用发动机关键参数

1.3 试验流程和主要测试仪器

依据法规标准的要求，本研究对柴油发动机进行ETC，ESC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循环排放测试，对天然气发动机进行ETC(GB 17691—2005)和WHTC(UN ECE R49.06)循环排放测试。

试验用发动机台架测试系统主要由试验用发动机、测功机系统、发动机水温控制系统、发动机进气控制系统以及采样和排放分析系统等部分组成，台架示意见图1，具体的试验装置及仪器型号见表4。氨排放分析仪的关键技术参数见表5。

表4 试验装置及仪器

表5 氨排放分析仪技术参数

图1 试验用发动机台架测试系统示意

2 试验结果和分析

2.1 氨排放测量重复性验证

循环工况是一个瞬态过程，因此整个试验过程和设备测试精度的重复性对试验结果的准确性有着至关重要的影响。为了确保发动机台架试验氨排放测量的重复性，试验中使用带SCR后处理的6号发动机进行了14次ESC循环排放测试。依据统计学方法，分别计算出14次ESC循环试验中NH3，NOx，CO2，CO，THC和PM排放测量结果的相对标准偏差(见图2)。由图2可以看出，虽然氨排放测量的相对标准偏差最大，为11.1%，但是与NOx(3.6%)、CO2(0.1%)、CO(2.4%)、THC(7.0%)和PM(8.4%)相差不大，在可以接受的范围之内。试验结果表明，使用氨排放分析仪在发动机排气管中直接测量氨排放的方法，可以满足发动机台架试验重复性的要求。

图2 各种污染物测量重复性对比

2.2 重型天然气发动机的氨排放特性

本试验对使用稀薄燃烧方式的1号气体机进行了ETC循环排放试验，试验的NOx比排放结果为1.939 g/(kW·h)，而氨排放量为0，这说明无论是在稀薄燃烧气体机内，还是在DOC催化器上都没有氨排放产生。对使用理论空燃比燃烧方式的2号气体机进行了WHTC循环排放测试，试验结果见表6。试验结果表明，理论空燃比燃烧的气体机在三效催化器后有氨排放产生，这与轻型汽油车的氨排放情况类似，说明三效催化器有利于尾气中氨排放的产生。2号气体机冷热态WHTC循环氨排放的加权平均值为6.9×10-6，没有超过欧Ⅵ标准规定的10×10-6限值，而冷态氨排放平均值为8.4×10-6，略高于热态的6.7×10-6。NOx排放平均值冷态为55.8×10-6，远高于热态的15.6×10-6。

图3和图4分别示出2号气体机在冷热态WHTC循环工况NH3和NOx污染物的瞬时排放曲线。从图3可以看出，冷热态WHTC循环NOx瞬态排放的区别在于前 300 s内冷态循环NOx排放出现了连续的峰值，其原因是冷态循环时三效催化器的起燃速度慢，在没达到起燃温度的时候有大量NOx排放产生。从图4可以看出，在500 s之后才有第一个氨排放峰值产生，说明氨排放在三效催化器上的产生也需要达到起燃温度。在1 400 s后的市郊工况，氨排放连续出现了几个高达200×10-6的峰值，说明市郊工况中的高速加浓工况有助于三效催化器上氨排放的产生。对比冷热态WHTC循环的氨排放瞬时曲线，区别在于500～700 s的氨排放峰值冷态要高于热态，这是因为冷态时NO排放高于热态，促进了三效催化器上氨排放的产生。

表6 2号气体机WHTC循环试验结果

图4 2号气体机冷热态WHTC循环工况氨瞬时排放的对比

2.3 重型柴油机的氨排放特性

2.3.1循环工况对柴油机氨排放的影响

为了研究不同转速和扭矩条件下发动机的氨排放水平，试验中使用3～9号等7台柴油机分别进行了ESC，ETC和WHTC-H等循环工况的排放测试，试验结果见表7。

表7 柴油机不同循环工况的排放试验结果

从表7可以看出，所有发动机在不同循环工况下的氨排放平均值都低于25×10-6，满足国Ⅴ排放标准，但是不同循环工况的氨排放水平变化很大，而且无明显变化规律。ESC循环包括3个转速的全负荷点，为了降低全负荷点的高NOx排放，一般来说尿素喷射量会加大，但过高的氨氮比会造成整个ESC循环的氨排放平均值增大。而WHTC循环包括较大部分的低转速低负荷点，排气温度较低，为了提高SCR催化器NOx转化效率，尿素喷射量也会增加，这容易造成氨氮比过高，SCR催化器后的氨排放水平也增加。结果说明，柴油机的氨排放水平与发动机转速和扭矩等工况条件没有直接联系，关键因素是SCR后处理装置匹配标定的合理性。

图5和图6分别示出柴油机在不同循环工况下NOx和氨污染物比排放量的变化。从图5可以看出，WHTC循环的NOx比排放量要高于ETC和ESC循环，这是因为试验用柴油机是针对国Ⅴ标准的ESC和ETC循环开发的，而WHTC循环的转速和负荷较低，排气温度偏低，不利于SCR后处理装置对NOx排放进行转换。

图5 柴油机在不同循环工况下NOx比排放量的对比

图6 柴油机在不同循环工况下氨比排放量的对比

图6中不同循环工况的氨比排放量变化没有明显规律，但是总的来说，氨比排放量要远小于NOx。5号发动机氨比排放量和NOx比排放量的比值较大，ESC循环为20.7%，ETC循环为10.3%，WHTC-H循环为2.4%，说明5号发动机SCR后处理装置匹配标定不合理。而其他发动机的氨比排放量和NOx比排放量的比值一般都在1%以下，氨氮比水平合理，能在维持较低的氨排放条件下有效降低NOx排放。

2.3.2后处理设备对柴油机氨排放的影响

对使用不同后处理型式的柴油机进行了ETC循环工况的排放测试，试验结果见图7。其中10号发动机采用的是EGR+DOC+DPF技术路线，没有氨排放产生。3号发动机的后处理型式为DOC+DPF+SCR+ASC，其ETC循环的NOx排放低(0.115 g/(kW·h))，氨排放平均值也很低，说明加装ASC氨氧化催化器能够有效降低氨排放。7号发动机在SCR前面加装了DOC，其ETC循环的氨排放平均值为3.2×10-6，NOx比排放量为1.978 g/(kW·h)，与其他加装SCR的发动机相比，加装DOC对发动机的氨排放没有明显影响，规律不明确。其他发动机都是安装SCR后处理设备，其ETC循环氨比排放量变化范围为0.003～0.049 g/(kW·h)，氨比排放与NOx比排放的比值变化范围为0.1%～10.3%。

图7 不同柴油机ETC循环工况氨排放的对比

图8示出不同后处理型式的柴油机进行WHTC-H循环工况排放试验的结果，由图8可知，其氨排放变化情况与ETC循环类似。氨比排放量变化范围为0.006～0.139 g/(kW·h)，氨与NOx比排放的比值变化范围为0.2%～8.2%。总的来说，发动机的氨排放水平越高，其NOx排放值相对越低。

图8 不同柴油机WHTC-H循环氨排放的对比

2.3.3试验温度对柴油机氨排放的影响

图9和图10分别示出不同柴油机在WHTC循环工况下冷热态氨和NOx排放结果的对比。从图中看出，除了7号发动机之外，热态循环的氨排放平均值都要高于冷态，为冷态的114%～196%，而热态循环的NOx比排放值略低于冷态，为冷态的32%～106%。

图9 不同柴油机WHTC循环冷热态氨排放的对比

图10 不同柴油机WHTC循环冷热态NOx排放的对比

图11和图12分别示出5号柴油机在冷热态WHTC循环工况氨和NOx污染物的瞬时排放曲线。5号柴油机在WHTC循环的氨排放平均值冷态为3.7×10-6，略低于热态的5.0×10-6，而NOx排放平均值冷态为146.3×10-6，明显高于热态的95.2×10-6。从图11可以看出，在WHTC循环的前1 300 s，冷态NOx瞬态排放略高于热态，之后两者基本一致。而图12显示，前1 300 s冷态和热态的氨排放瞬时排放都维持在一个很低的水平，其后在市郊工况出现了一个持续的氨排放峰值，热态的氨排放峰值明显高于冷态，说明热态循环的催化剂温度较高，尿素喷射量增大，会产生更多的氨泄漏。

图11 5号柴油机在冷热态工况瞬态NOx排放的对比

图12 5号柴油机在冷热态工况瞬态氨排放的对比

3 结论

a) 理论空燃比燃烧的气体机在三效催化器达到起燃温度后有氨排放产生，市郊工况中的高速加浓工况有助于三效催化器上氨排放的产生，与汽油车氨排放类似；

b) 对于使用SCR技术的柴油机，其氨排放与NOx排放是互逆的，柴油发动机的氨排放水平远低于其NOx排放，在SCR后处理器匹配标定合理的情况下，氨比排放与NOx比排放的比值一般不大于2%；

c) 柴油机在冷态WHTC循环的氨排放低于热态，氨排放峰值出现在市郊工况。