非道路柴油机氧化亚氮排放特性试验研究

白凤月,王振宇,申富强,张佑源*,吴春玲,张琳,景晓军

1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津 300300;2.东风柳州汽车有限公司,广西 柳州 545500

0 引言

铜基分子筛催化剂具有良好的低温性能,广泛应用到非道路四阶段柴油机后处理系统中,但同时导致氧化亚氮N2O等污染物排放增加。高温和低温时,N2O在选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)铜基分子筛催化剂上的生成机理不同。低温条件下,有研究表明N2O主要来源于NH3与NO或NO2之间的反应[1],也有研究认为N2O是由SCR反应过程中生成的NH4NO3分解导致[2]。高温条件下,N2O主要由NH3的直接氧化和NH3与NOx的非选择催化还原生成[3-4]。此外,排气中NO2的含量、氨氮比、O2和H2O的体积分数等对N2O生成均有影响[5-7]。

基于发动机台架的柴油机后处理系统N2O排放特性的研究较多。唐韬等[8]研究表明使用铀铜沸石、铜-铁复合沸石、钒基、铁沸石催化剂的SCR系统中,铜沸石基的SCR反应生成的N2O最多,柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)主动再生时,排气中的柴油与NOx在催化剂表面发生副反应生成N2O,生成量随氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)出口温度升高先增大后减小;刘冰[9]研究了基于国六标准工况的重型车用柴油机N2O排放特性,结果表明,后处理的使用使N2O排放大幅增加,世界统一稳态循环(world harmonized steady cycle, WHSC)中,负荷降低时N2O排放出现峰值,且随着世界统一瞬态循环(world harmonized transient cycle, WHTC)进行,排温升高,N2O排放增加;范振阳等[10]研究了使用铜基SCR系统的重型国六柴油机在国六标准测试循环下的N2O排放,结果表明,N2O排放接近或超过了NOx排放,且N2O排放峰值与DOC有关,尿素喷射是影响N2O生成的关键因素;王磊等[11]研究表明,重型国六柴油机排放的N2O主要来源于SCR和氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst, ASC),DPF再生过程中,DOC中的催化反应也会产生N2O。但基于台架试验的非道路柴油机N2O排放特性研究较少。

本文中以装备铜基SCR系统的非道路四阶段柴油机为研究对象,进行非道路稳态循环(non-road steady cycle, NRSC)和非道路瞬态循环(non-road transient cycle, NRTC)试验,研究其在标准工况和再生状态下的N2O排放特性,有助于了解非道路四阶段柴油机的N2O排放水平,为N2O排放的控制及测试提供参考。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

以某直列6缸非道路柴油机为研究对象,其排放控制路线为废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)-DOC-DPF-SCR-ASC,其中SCR催化剂为铜基分子筛,该柴油机主要技术参数如表1所示。

表1 非道路柴油机主要技术参数

采用HORIBA HD600型测功系统和FQ2100型油耗仪测试发动机转速、转矩和油耗,采用MEXA-ONE-DC-OV型排放分析仪测试CO2排放和NOx等常规污染物排放,采用AVL SESAM i60 FT SII型傅里叶变换红外分析仪(Fourier transform infrared spectrophotometer, FTIR)测试NH3和N2O等非常规污染物的排放,采用循环水温控系统、中冷恒温系统、进气空调系统及全室空调系统等控制试验过程中发动机的边界条件。测试过程中,采用质量分数为32.5%的尿素水溶液作为SCR还原剂,柴油采用非道路四阶段基准柴油。

1.2 试验方法

试验台架安装完成后,使用标准气体对分析仪进行校准。运转发动机至额定点,调节发动机进气阻力、排气背压、中冷后温度、循环水出水温度及中冷压差等边界条件,锁定各阀门开度。发动机边界条件稳定后,从额定点进入NRSC测试循环。循环结束后检查转速、转矩与设置值的偏差及碳平衡,检验循环的有效性。非恒速非道路柴油机的NRSC由8个工况组成,发动机转速和负荷比(实际负荷与额定负荷之比)如表2所示,每个工况运行10 min。

表2 NRSC转速和负荷比

冷、热态NRTC试验前,运行2次热态NRTC进行预处理;然后将发动机和后处理装备冷却6 h以上,使发动机机油温度、水温及后处理温度降至25 ℃左右;接着运行冷起动NRTC,然后停车热浸20 min,进行热态NTRC。NRTC过程中的发动机转速和转矩如图1所示。

图1 NRTC试验过程中转速和转矩

调整发动机参数,使发动机进入主动再生模式,然后运行1个热态NRTC,并记录发动机动力和排放性能等试验数据。

2 试验结果与分析

2.1 NRSC试验中N2O排放特性

通过NRSC试验研究该发动机在稳定工况下的N2O排放特性,试验过程中排气温度和尾气中N2O体积分数如图2所示,NRSC过程中的原机尾气中NOx体积分数和泄漏的NH3体积分数如图3所示。

图2 NRSC试验排气温度和N2O体积分数 图3 NRSC试验NOx体积分数和NH3泄漏体积分数

由图2可知:额定转速下,负荷比由100%至10%变化时,发动机排气温度由490 ℃降低至366 ℃,尾气中N2O体积分数由13.0×10-6增加至37.1×10-6;中间转速下,负荷比由100%至50%变化时,发动机排气温度从469 ℃降至376 ℃,尾气中N2O体积分数由24.3×10-6增加至36.0×10-6;怠速工况初期,N2O的体积分数逐渐增大,排气温度下降至180 ℃左右,N2O的体积分数开始下降,当排气温度继续下降至167 ℃,发动机启动热管理系统,排气温度立即升高,N2O生成量继续下降后升高。经计算,NRSC试验中N2O的平均体积分数为22.8×10-6,平均比排放为147.1 mg/(kW·h)。

转速不变时,随着发动机负荷降低,原排中的HC和CO体积分数增大,后处理空速降低,传质和传递增加,反应效率增加,导致SCR入口的NO2比例增加[12],且排气中O2体积分数增加,导致SCR反应生成的N2O增加[13]。

由图3可知:第1、2、3、5、6工况,排气温度高于400 ℃时,NRSC试验中N2O与NOx体积分数有相同趋势,ASC中NH3在高温下主要氧化为N2[14],说明在高温时N2O排放主要来源于SCR中NOx与NH3的反应;在第4工况,SCR空速约为36 000 h-1,采用过量的尿素喷射有利于提高NOx的转化效率,同时温度降低使ASC氧化NH3生成N2O的速率增加,因此N2O排放呈现上升趋势;在第7工况,随着发动机稳定,原排中的NOx略降低,因此尿素喷射量略降低,且此工况下后处理空速较高,ASC对NH3的氧化速率降低,因此N2O排放降低。

怠速初期,NH3在ASC中氧化生成N2O,导致N2O排放体积分数增大,当排气温度降到180 ℃以下时,尿素分解速率降低,停止喷射尿素,N2O排放降低;当热管理系统工作后,排气温度升高,尿素喷射系统开始工作,N2O排放开始上升。

2.2 NRTC试验中N2O排放特性

NRTC试验过程中排气温度和尾气中N2O体积分数如图4所示。由图4可知:冷、热态NRTC下,排气温度有相同的趋势;冷起动阶段,热管理系统使后处理系统快速升温;冷态NRTC的前60 s内,N2O排放较低,N2O体积分数在第190秒左右出现峰值,为80.1×10-6;经计算整个循环中N2O的平均体积分数为15.7×10-6,平均比排放为130.2 mg/(kW·h);热态NRTC中的N2O体积分数有多个较为接近的峰值,约为50.0×10-6,经计算整个循环中N2O的平均体积分数为18.2×10-6,平均比排放为150.2 mg/(kW·h);冷、热态NRTC加权的N2O平均比排放为148.2 mg/(kW·h)。

a)冷态 b)热态

为了进一步探究N2O的生成方式,对比冷态和热态NRTC下的N2O体积分数与原机排放尾气中NOx体积分数,如图5所示。由图5可知:冷起动55 s后,在排气中开始有N2O产生,此时尿素喷射系统还没有开始工作,此排放来源于后处理系统中存储的NH3在低温下在ASC中氧化生成。冷起动150 s后,发动机后处理系统开始喷射尿素,此后N2O的生成与原机NOx排放趋势一致,且从热起动开始,N2O排放即与NOx保持相同的趋势,说明柴油机后处理系统中形成的N2O与原机NOx排放和尿素喷射密切相关。

a)冷态 b)热态

2.3 再生过程中N2O排放特性

调整发动机参数,使后处理进入主动再生模式,然后运行1个热态NRTC,循环过程中N2O的体积分数、排气温度和原机NOx排放如图6、7所示。

图6 再生试验NRTC中排气温度和N2O体积分数 图7 再生试验NRTC中N2O和原机NOx体积分数

由图6、7可知:再生过程中发动机排气温度明显高于非再生过程;循环前300 s内,N2O排放与非再生过程中NRTC的基本一致,之后明显降低,但趋势和原机NOx排放保持一致;N2O体积分数在第180秒产生峰值,体积分数为64.0×10-6;经计算,循环中N2O平均体积分数为7.8×10-6,平均比排放为67.6 mg/(kW·h)。

发动机从停机状态进入热态NRTC,后处理温度较低,不具备主动再生条件,发动机没有真正进入再生状态,因此前300 s内N2O排放与非再生循环基本相同;进入主动再生之后,后喷使后处理系统入口有大量的未燃THC,由于NO2会参与到THC的催化反应中,导致SCR入口的NO2体积分数降低[15],同时消耗掉大量的O2,因此,大大降低了SCR系统中NH3氧化为N2O的速率,使N2O排放大大降低。

3 结论

1)随着发动机负荷降低,N2O排放增加;在稳态循环测试中,N2O排放存在逐渐稳定的过程;冷态循环初期,后处理系统存储的NH3会引起少量的N2O排放;发动机测试过程中,应连续记录排放中N2O体积分数,用整个工况的平均值作为最终结果。

2)N2O排放与发动机原机NOx和后处理系统尿素喷射有很高的相关性,可以通过优化原机NOx排放和尿素喷射策略降低N2O排放。

3)主动再生可以大幅降低N2O排放。

4)应继续从热管理及SCR催化剂研究等入手,进一步探讨降低N2O排放的措施。