汽油发动机稀薄燃烧NOx后处理系统试验研究

李钰怀,张 凯,罗亨波,李 薛,杜家坤,陈 泓

(1. 天津大学 内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072;2.广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广州 511434)

0 概述

随着节能减排和油耗法规收紧，45%甚至更高有效热效率的汽油发动机成为追求的目标。汽油发动机稀薄燃烧能提高混合气的绝热指数，降低燃烧温度，抑制爆震，是实现45%热效率的有效手段[1-2]。汽油发动机稀薄燃烧能提高5%～10%燃油经济性，此外还能降低CO、H2、碳氢化合物(HC)等排放。然而，在过量空气系数大于1时，传统汽油机后处理系统三效催化器(three-way catalytic，TWC)对NOx的催化能力急剧下降，导致NOx排放超标[3-5]。

稀燃NOx捕集器(lean NOxtrap, LNT)能吸附稀薄燃烧时产生的NOx，浓燃时排气中的还原性气体如HC、CO 等能将LNT脱附出的NOx还原为N2。传统的TWC在浓燃时能产生NH3,储存在被动选择性催化还原器(passive selective catalytic reduction, PSCR)中。NH3有很强的还原性，能在稀燃时将NOx还原成N2和H2O[5-9]。此外，TWC能增强LNT的性能。LNT与PSCR在处理NOx排放上有优势互补的关系。汽油发动机燃烧模式在浓稀之间切换， TWC+LNT、TWC+PSCR或TWC+LNT/PSCR等后处理技术成为稀燃汽油发动机可满足排放法规的最有希望采用的技术方案。

国内方面，文献[10-12]中通过试验和数值模拟研究了TWC+LNT组合：试验结果表明TWC+LNT的NOx转化率大于 93%，然而单独使用LNT的 NOx转化率只有 62.5%；模拟结果表明TWC 有助于促进 LNT 对 NOx的催化转化，并且能提高 LNT 吸附位失效后的 NOx催化转化效率。国内其他关于汽油发动机稀薄燃烧NOx后处理的研究很少。国外方面，文献[13]中研究结果表明TWC+LNT/PSCR系统可以在满足美国满排放法规前提下实现发动机稀燃运行；文献[14]中结果显示TWC+LNT/PSCR系统中NH3与NOx的比例为1.15∶1.00时， NOx的转化效率能达到 99.7%；文献[15]中的研究表明TWC产生NH3的最佳工作温度为500 ℃，PSCR 在 250～350 ℃时对NOx的转化效率最高。

本文中基于一台广汽自主研发的1.5 L直列4缸废气涡轮增压缸内直喷汽油机，采用TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR等催化器后处理组合，试验研究汽油发动机稀薄燃烧下不同NOx后处理催化器的性能。

1 试验用发动机及数据分析方法

1.1 试验对象和试验边界

试验发动机功率密度96 kW/L，转矩密度 180 N·m/L，满足国六b排放标准，发动机特征参数如表1所示。

表1 发动机特征参数

排气后处理装置布置示意图见图1，沿着发动机排气流向依次布置TWC、LNT、PSCR。在TWC、LNT和PSCR前端布置温度测量点和排放测量点，并在PSCR后端布置排放测量点。TWC、LNT、PSCR基本参数如表2所示。

图1 试验台架布置示意图

表2 排气后处理装置特征参数

试验中使用 AVL 733S 瞬态油耗仪测量发动机燃油消耗量，缸内压力曲线通过 KISLER 6115 型传感器测量，缸压曲线采集及燃烧数据计算使用 AVL INDICOM燃烧分析仪，发动机NOx排放通过AVL AMA-i60-FT排放分析仪测量。

1.2 试验研究方法

浓燃模式下(过量空气系数小于1)，在TWC中NH3通过NO与H2、CO反应生成，见式(1)和式(2)。H2通过水煤气变换反应(式(3))或重整反应(式(4))产生。研究表明发动机原始排放中H2与NO的比例越高，NH3的生成量越大。在过量空气系数为0.96时发动机原始排气中产生的H2最多。同时转数和负荷越大时，温度越高，更有利于通过水煤气变换反应(式(3))产生H2。

(1)

(2)

(3)

(4)

本研究试验的LNT采用Pt/Pd/Rh/Al2O3型催化剂。发动机稀薄燃烧排气中的NOx通过涂覆在LNT载体上的碱金属或碱土金属化合物(如Ba等)吸附形成硝酸盐或亚硝酸盐。LNT储存NOx主要有两条路径：第一条是硝酸盐路线， NO在贵金属表面被氧化为NO2再储存为硝酸盐(式(5)和式(6))；第二条路径是亚硝酸盐路线， NO 直接储存为亚硝酸盐而后逐渐被氧化为稳定的硝酸盐(式(7)和式(8))。在浓燃状态下，LNT中的NOx脱附，被排气中的还原性气体(HC、CO 等)还原为N2，使催化器及时释放出吸附位继续进行下一循环的吸附过程。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

本研究试验的PSCR采用Cu-SSZ-13型催化剂。根据Eley-Rideal机理，浓燃工况下PSCR化学反应过程中会伴随着气态NH3吸附在催化剂活性位上。稀燃状态下,NOx与PSCR脱附产生的NH3进行反应生成N2。NOx选择性催化还原反应包括标准反应(式(11))和快速反应(式(12))，由于大多数情况下尾气中NO比例超过85%，因此PSCR催化器中NOx选择性催化还原反应以标准反应为主。

(11)

(12)

试验过程中保持各边界条件稳定，固定气门正时相位及喷油策略，通过点火时刻调节燃烧重心CA50 到压缩上止点后8°左右或爆震边界，平均指示压力循环变动系数不超过3%。

选择该发动机在某车型下全球轻型车统一测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)工况的14个聚类工况点进行试验。工况点分布图如图2所示，详细值如表3所示，表3中，BMEP为平均有效压力(brake mean effective pressure, BMEP)。

2 试验结果与分析

2.1 直喷汽油机稀燃燃烧及原始排放特性分析

图3为稀燃模式下节油明显工况的有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)。不

图2 14个聚类点工况点

表3 14个聚类点工况点详细值

同工况稀燃极限见表3。不同负荷下稀燃极限的BSFC比过量空气系数为1时低3.1%～10.1%。工况7(2 041 r/min、1.23 MPa)在稀燃模式下BSFC降低10.1%，有最大的节油潜力。

图3 不同工况下有效燃油消耗率

图4～图6为不同工况下原始排气中的NO、NO2、NOx的体积分数。浓燃模式下， NO占NOx总量的99.5%以上，随着过量空气系数的下降，氧的分压下降， NOx排放降低。除工况9和工况10外，其余工况稀燃模式的NOx排放均比加浓工况低。主要原因是过量空气系数既影响燃烧温度，又影响燃烧产物中的氧含量，发动机过量空气系数为0.9左右时已燃气体的温度达到最高，但是这时的已燃气体中的氧含量低，抑制了NOx的生成；当过量空气系数从0.9开始增大时，氧分压增大的效果抵消温度下降的效果而有余，NOx排放量的峰值出现在过量空气系数 1.1左右的略稀混合气工况；如果过量空气系数进一步增大，温度下降的优势占优，使 NOx生成量减少[16]。工况9与工况10的稀燃极限更加接近过量空气系数1.1，而其他工况的稀燃极限相对远离1.1。

图4 不同工况下原始NO排放

图5 不同工况下原始NO2排放

图6 不同工况下原始NOx排放

图7为稀燃模式下，不同过量空气系数下NO占NOx排放的比例，简称为NO占比。相关系数R2为0.63。随着过量空气系数的上升，原排中NO占比减小，降幅取决于过量空气系数。过量空气系数每增加0.1，NO在NOx总量中占比约降低6.9%。这是由于过量空气系数越大，O2浓度越大，因此NO被氧化成NO2的比例增大。

图7 不同过量空气系数下NO占比

2.2 TWC对NOx、NH3排放的影响

试验用TWC是满足国六b排放标准发动机的量产件。随着过量空气系数从1开始下降，NH3的生成量上升，在过量空气系数 0.96附近时NH3的生成量达到峰值；随着过量空气系数的继续下降，NH3的生成量开始减小[17]。因此本试验中选取过量空气系数 0.95的工况进行浓燃研究。

图8是浓燃模式(过量空气系数为0.95)时不同工况下TWC前后的NOx量及NOx转化率。TWC中的铑催化剂会促使NOx还原为氮气，浓燃模式下TWC后基本无NOx，NOx转化率趋近于100%。TWC在过量空气系数为1.00±0.01时有最大的NOx转化能力，稀燃模式下随着过量空气系数的变大，TWC的NOx的转化能力急剧下降。图9是稀燃极限时不同工况下TWC前后NOx体积分数(不同工况的稀燃极限见表3)。在稀燃极限时TWC的NOx的转化能力非常弱，TWC后的NOx排放高。

图8 浓燃(过量空气系数为0.95)时不同工况下TWC前后NOx体积分数及NOx转化率

图9 稀燃极限时不同工况下TWC前后NOx体积分数

发动机原始排放中不会产生NH3，浓燃模式(过量空气系数小于1)下NH3是TWC脱硝过程中产生的二次污染物，由NO还原产生。研究表明NO向NH3的转化受转速、负荷、排气温度、催化剂成份等影响较大。

图10是浓燃(过量空气系数为0.95)时TWC前NO排放与TWC后NH3排放的对应关系图。总体趋势上， NO体积分数每增加100×10-6，NH3体积分数增加48×10-6。工况4(1 184 r/min、0.24 MPa)和工况12(1 331 r/min、0.41 MPa)TWC前NO的含量几乎相同，体积分数均为1 100×10-6左右，但TWC后的NH3却相差较大，体积分数分别为898×10-6和654×10-6。这是由于工况4的排气流量约为工况12的一半，排气在TWC内停留时间长，从而造成NH3生成量大。工况5(2 231 r/min、1.29 MPa)、工况7(2 041 r/min、1.23 MPa)和工况14(2 443 r/min、1.31 MPa)的 NH3的生成量几乎相同，体积分数均为1 150×10-6左右，然而TWC入口的NO量却相差较大，体积分数分别为 2 034×10-6、1 688×10-6、1 516×10-6，说明这几个工况下TWC入口的NO含量不是制约NH3生成的关键因素。工况5、7、14的TWC前的温度均超过了600 ℃，研究表明温度超过600 ℃时TWC中的铑催化剂对NO转NH3的催化效果减弱，使NH3生成量减小，即排气温度过高限制了NH3的生成。

图10 浓燃时不同工况下TWC前NO排放与TWC后NH3排放对应关系

图11为浓燃(过量空气系数为0.95)时不同工况下NO—NH3转化率。TWC的NO—NH3转化率在51%～74%之间，其中工况4(1 187 r/min、0.24 MPa)最高，为74%；工况10(1 448 r/min、1.26 MPa)最低，为51%。试验用TWC为满足国六b排放标准的量产TWC，采用Pd/Rh型催化剂。研究表明，改变TWC中Pd、Rh的比例，同时调整涂层配方中氧化铝和储氧材料的配比，能提高NO—NH3转化率至100%[17]。提高NO—NH3转化率有助于减少浓稀燃烧模式切换时浓燃时间占比，更充分发挥稀薄燃烧的节油潜力。

图11 浓燃时不同工况下NO—NH3转化率

2.3 TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR对NOx排放的影响分析

LNT能在稀燃时存储NOx，PSCR能在浓燃时存储TWC产生的NH3，因此LNT与PSCR在处理汽油机稀薄燃烧NOx排放问题时存在优势互补。在工况3(1 824 r/min、0.92 MPa)下重点研究了TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR的NOx排放后处理能力。当试验TWC+PSCR组合时，将排气管路中的LNT拆卸移除。

1 824 r/min、0.92 MPa下，首先使发动机在过量空气系数 0.95的浓燃模式运行85 s，使得PSCR吸收NH3并达到氨饱和，之后迅速切换至过量空气系数1.4的稀燃模式。图12为稀燃模式TWC+PSCR催化剂后NOx体积分数随时间的变化，380 s后NOx浓度开始上升，说明此时PSCR内的氨已经全部消耗，稀燃工况运行时间占比为82%。图13为稀燃工况TWC+LNT+PSCR后NOx体积分数随时间的变化，580 s后NOx浓度开始上升，相比TWC+PSCR时间延长了53%，稀燃工况运行时间占比为87%。LNT在稀燃工况下通过吸附存储NOx延长了稀燃模式运行时间。综上，相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR组合能大幅提升稀燃汽油发动机浓稀工况切换时稀燃工况的时间，提高稀燃运行时间占比，改善发动机的燃油经济性。

图12 TWC+PSCR后NOx体积分数随时间的变化

图13 TWC+LNT+PSCR后NOx体积分数随时间的变化

图14是稀燃模式下PSCR中的氨全部消耗后的NOx排放情况。TWC+PSCR、TWC+LNT+PSCR的NOx排放中的NO2占比分别为14%、46%。TWC+LNT+PSCR的NO2占比大幅提高，这得益于LNT中较高的Pt负载量， Pt促进了NO氧化成NO2，NO2氧化性更强，有助于促进PSCR内的NOx选择性催化还原反应的快速反应，提高PSCR的催化效率。

图14 稀燃模式PSCR的氨全部消耗后的NOx排放

图15是1 824 r/min、0.92 MPa时不同燃烧模式和后处理组合的NOx排放处理能力对比。在过量空气系数为1时，TWC对NOx有较强的催化转化能力， TWC后基本无NOx，NOx转化率趋近于100%。在稀燃极限，TWC对NOx的催化转化能力大幅减弱， NOx转化率趋近于50%，而加装TWC+LNT+PSCR或TWC+PSCR后，NOx基本全部转化，与过量空气系数为1时TWC后的排放水平相当。

图15 不同后处理组合NOx排放处理能力对比

3 结论

(1) 稀薄燃烧能有效减少汽油机的有效燃油消耗率，部分负荷下减少3.1%～10.1%，汽油机稀薄燃烧有较大的节油潜力。

(2) 稀燃模式下，随着过量空气系数的上升，原排中NO占比减小，降幅取决于过量空气系数。过量空气系数每增加0.1，NO在NOx总量中占比降低6.9%。

(3) 浓燃模式下， 总体趋势上， TWC前NO体积分数每增加100×10-6，NH3体积分数增加48×10-6。TWC的NO—NH3转化率受转速、负荷、排气温度等影响较大。过量空气系数 0.95时，广汽某款满足国六b标准的1.5 L增压发动机TWC的NO—NH3转化率在51%～74%之间。

(4) 相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR能有效提高浓稀工况切换时稀燃模式运行时间，提高稀薄燃烧运行时间占比。

(5) 稀燃模式下，LNT能促进NO氧化成NO2，提高NO2比例，促进PSCR内的NOx选择性催化还原反应的快速反应，提高PSCR催化效率。