满足国六排放标准的柴油机在不同海拔高度非常规污染物排放特性研究

刘典云、郑永明、李世峰、李瑞、李章恒

（中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司，昆明 651701）

0 引言

随着重型车最新排放法规的实施，当前汽车排放污染物中的一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳氢化合物总量（THC）以及颗粒物排放都得到有效管控。而且通过对实际道路排放提出海拔扩展要求后，法规对主要污染物在高海拔地区的排放提出限值要求，主要污染物的全地形排放水平已处于较低水平。但是，重型车用柴油机非常规污染物的排放仅对氨（NH3）有限值要求，对于一氧化二氮（N2O，俗称笑气）、二氧化硫（SO2）、甲醛（HCHO）、甲酸（HCOOH，又称蚁酸）和苯（C6H6）等都未有明确规定。

N2O是一种典型的温室气体，其产生的温室效应是CO2的300多倍。它能消耗平流层中的臭氧，使平流层中臭氧减少[1]。N2O在大气中经氧化转变成硝酸，和SO2一样是造成酸雨的原因之一。HCHO和HCOOH等对人体健康都有影响。而C6H6等过量的非甲烷总烃（NMHC）除了会直接对人体造成危害之外，其在紫外光线的照射下，会很快被空气中的氢氧基所氧化，进一步生成成分较为复杂的过氧化碳氢化物，从光化学污染，进一步危害环境和人类身体健康。特别是在高原地区，紫外线强、环境敏感性强并且生物多样性丰富，环境更易被破坏、难恢复。

1 研究方法、对象及设备

1.1 研究方法

研究高原环境下柴油机的非常规污染物排放具有非常现实的必要性。本研究针对高海拔环境下进行非常规污染物排放试验研究，分析国六柴油机后处理技术路线下非常规污染物的排放特性，以期对下阶段高海拔环境下车用柴油机及后处理技术提供参考。

在本研究中，通过进排气海拔模拟系统模拟柴油机进气系统和排气系统两端的压力，分别为101.0 kPa、90.0 kPa、80.0 kPa、75.6 kPa、70.0 kPa和60.0 kPa共6个大气压强，对应海拔分别是0 m、1 000 m、2 000 m、2 400 m、3 000 m和4 000 m。试验室环境气压为79.0～81.0 kPa，发动机进气温度控制在25±2℃，进气相对湿度控制在50%±10%。

在每个模拟海拔条件下均重新进行瞬态性能曲线试验，用于生成当前模拟海拔下的世界统一的瞬态测试循环（WHTC）和世界统一的稳态测试循环（WHSC）。本文主要讨论WHTC循环，测试用燃油为同一批次国六市售燃油。证测试过程中，曲轴箱内压强应当保持与模拟海拔气压一致，否则将会引起增压器润滑不畅。为此，本次试验将曲轴箱通风管接入进排气海拔模拟中，并将连接点设置在排放设备采样点之后。

1.2 研究对象及油品

本次试验以一台重型国六柴油机为研究对象，该柴油机采用电控高压共轨、缸内直喷和废气再循环技术（EGR），后处理形式包括氧化型催化转化器（DOC）、颗粒过滤器（DPF）、选择性催化还原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。其主要技术参数见表1。

表1 柴油机主要技术参数

1.2 测试设备

研究所用测试设备主要包括进排气海拔模拟系统、电力测功机、油耗仪、进气流量计和非常规气体分析仪等。主要测试设备参数见表2。

表2 试验用测试设备参数

2 研究结果及分析

2.1 NH3在不同海拔下的排放特性分析

中国第六阶段重型车排放标准对NH3的排放量，要求在平原地区小于10ppm[2]。而NH3的来源主要是柴油机为降低NOx排放，喷入选择性催化还原反应器SCR中的尿素与NOx反应，多余的尿素分解产生NH3。从图1和图2可以看到，随着海拔的升高，转速特性下柴油机的NH3泄露量在高海拔条件下（＞2 400 m）保持在0ppm附近（FITR测得值为负），在低海拔（≤2 400m）则随着海拨升高逐渐降低，与NOx排放呈现负相关[3]。

图1 不同海拔下速度特性的NH3排气浓度

图2 不同海拔下速度特性的NOx排气浓度

从图3可以得知，不同海拔下的NH3排气浓度在不同负荷特性下，基本保持在0ppm左右，不受负荷变化的影响。同时图4的WHTC热态循环的NH3比排放结果展示了，NH3排放随着海拔的增加，由平原的6 mg/kWh降低到1 900 m及以上海拔的接近0 mg/kWh。

图3 不同海拔下负荷特性的NH3排气浓度

图4 不同海拔下热态WHTC的NH3比排放

2.2 N2O在不同海拔下的排放特性分析

国六柴油机尾气中的N2O来源主要包括几部分：①NOx被THC在DOC的贵金属催化剂涂层表面还原产生；②NOx在SCR内部当温度较低时容易生成NH4NO3，NH4NO3再受热分解生成副产物N2O；NH3在温度较高时会发生氧化反应，部分生成N2O；④泄露的NH3在ASC中同样会被氧化生成一定量的N2O。

由图5可知，随着海拔的升高，速度特性下N2O的排气浓度在0 m海拔可以达到50ppm（1 200 r/min），而5 000 m海拔降低到12ppm（1 200 r/min），表现出降低的趋势，并且随着转速的增加呈现先增加后减小的变化趋势。由图6看出，不同海拔下N2O的排放随着负荷的变化，呈现波动的特性，但随着海拔的增加，N2O在负荷特性下的波动区间逐渐减小，由60ppm减小到19ppm。

图5 不同海拔下速度特性的N2O排气浓度

图6 不同海拔下负荷特性的N2O排气浓度

不同海拔下热态WHTC的N2O比排放结果如图7。可以看出，热态WHTC的N2O比排放随着海拔的升高呈现先降低再升高的趋势，由平原的337 mg/kWh降低到2 400 m海拔的204 mg/kWh。随着海拔的增加，N2O比排放变化不明显，N2O排气浓度的WHTC循环秒采结果展示了同样的变化规律。

图7 不同海拔下热态WHTC的N2O比排放

产生这种变化的主要原因是，在低海拔时NH3泄露量大，多余的NH3在后处理中反应生成N2O；随着海拔的增加，大部分 NH3与NOx发生反应，减小了N2O的生成。而在高海拔时，随着NOx排放的增加，经过后处理中DOC和SCR的还原作用，又会增加N2O的生成。两者的相互作用，使N2O随海拔的进一步升高变化不明显，而处于较高排放水平甚至略有增加。

2.3 HCHO在不同海拔下的排放特性分析

从图8可以看出，柴油机尾气中HCHO的排放速度特性在不同海拔保持在1ppm～3ppm，并随着海拔的升高整体呈现降低的趋势，转速的变化对HCHO的排放影响较小。同时，柴油机HCHO的负荷特性同样受到海拔的影响（图9），呈现随着海拔的升高整体呈现降低的趋势，而负荷变化对HCHO的影响不大。

图8 不同海拔下速度特性的HCHO排气浓度

图9 不同海拔下负荷特性的HCHO排气浓度

HCHO整体在柴油机尾气中的排放处于较低水平，受转速和负荷变化的影响较小。同时对比不同海拔下WHTC循环的HCHO比排放（图10），随着海拔的增加，HCHO的比排放由平原的14 mg/kWh降低到4 000 m海拔的7 mg/kWh，与速度特性和负荷特性受海拔影响一致。

图10 不同海拔下热态WHTC的HCHO比排放

2.4 C6H6在不同海拔下的排放特性分析

柴油机中的碳氢排放主要是燃烧不完全产生。经测试，柴油机尾气中C6H6的排放速度特性随海拔的变化整体呈现降低的趋势（图11），由平原的2ppm～3ppm降低到5 000 m海拔的0ppm，且不受柴油机转速变化影响[4]。同时，柴油机负荷特性下的C6H6排放受海拔变化规律与速度特性一致，同样随着海拔的升高而降低（图12）。

图11 不同海拔下速度特性的C6H6排气浓度

对比不同海拔下WHTC循环的C6H6比排放，可以得到不同海拔下稳定在20～50 mg/kWh的排放区间，并未表现出与速度特性和负荷特性受海拔的影响规律（图13）。主要原因是随着海拔的升高空气逐渐变稀薄，柴油机在变工况下燃烧恶化，导致C6H6比排放增加。同时高海拔进气量减小，C6H6总排放量减小，两者共同作用使C6H6在不同海拔下在区间内波动[5]。

图12 不同海拔下负荷特性的C6H6排气浓度

图13 不同海拔下热态WHTC的C6H6比排放

3 结束语

随着柴油机后处理系统“DOC+SCR+ASC+DPF”技术的普及，其衍生带来的NH3和N2O排放应引起重视。从本次的研究结果得知，不同海拔下NH3排放与NOx排放呈现跷跷板效应。随着海拔的升高，不同海拔下热态WHTC的N2O比排放呈现先减小后持平的变化趋势，并都超过200 mg/kWh，已经达到常规污染物的排放水平，并受到NH3和NOx排放的影响。而柴油机速度特性和负荷特性下尾气中HCHO和C6H6的排气浓度，都随着海拔的升高呈现降低的趋势。

针对下阶段排放法规中，可能存在对更高海拔的排放限值要求，以及增加非常规污染物排放管控，建议柴油机生产厂家在整机及后处理技术开发时，就需要综合考虑不同海拔下NOx和NH3的排放平衡问题。同时，对N2O在不同海拔整体排放水平过高问题应提前进行技术开发，降低柴油机在高海地区的NOx原始排放或尿素的精确控制，减少多余NH3的生成，阻断N2O生成的基础。