基于WLTC和NEDC循环的轻型车氨排放特性研究*

2019-06-01罗佳鑫崔健超谭建伟杨正军朱庆功

汽车工程 2019年5期

罗佳鑫，崔健超，谭建伟，杨正军，朱庆功

（1.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 2.一汽丰田技术开发有限公司，天津 300462；3.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

前言

在交通对氨排放的贡献中，重型车的氨排放主要来源于 SCR（selective catalytic reduction）的氨泄漏，而在城市区域保有量占主要地位的轻型车同样也会产生氨排放，轻型车氨排放的主要来源是三元催化器内发生的氧化还原反应。目前研究认为，三元催化器内氨的主要生成反应是在催化剂的作用下，CO与H2O发生水煤气反应生成H2，NO被H2还原生成氨［5-7］，其生成机理为

本文中主要针对轻型汽油车在实验室工况（NEDC工况循环与WLTC工况循环）下氨的排放特性进行了研究，内容包括轻型汽油车行驶过程中氨生成的主要工况、机动车在使用过程中氨排放的变化情况和在不同环境温度条件下轻型车的氨排放情况。

1 试验方案和试验车辆与设备

1.1 试验车辆与设备

本文中涉及的试验车辆共3辆，其主要技术参数见表1。

表1 试验车辆主要技术参数

主要使用的试验设备见表2，其中底盘测功机为四驱型，环境舱可以实现试验环境温度从-7到40℃的改变。

1.2 试验方案

氨与常规污染物的理化特性存在较大差异，因此需要采用与常规污染物不同的采样分析策略。由于氨是极易溶于水的气体，可能被管壁吸收，气袋采样和全流稀释采样可能会导致氨被吸收同时出现采样分析延迟，因此不适用于对氨的采样和分析，直采法可减少管路中水蒸气冷凝造成的氨损失，因此本文中采用直采法进行采样，利用傅里叶变化红外测试法（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）进行分析。此外为了最大程度减少氨的损失，对氨的采样位置尽量靠近排气管出口，同时在进行采样前使用标准气与纯氮气标定分析仪的量程与零点，标定完成后使用加热的纯氮气对采样管路进行吹扫。

表2 试验设备

本文中对试验车辆采用的测试工况为国五法规规定的NEDC循环与国六法规规定的WLTC循环，其中试验车A进行常温冷起动污染物排放试验，在三元催化器前后分别进行采样，测试循环为WLTC工况循环，通过对比可得三元催化器前后的常规污染物与氨的瞬态排放特性以及排放因子；试验车B进行了国五法规中规定的V型试验即耐久性试验，每1万km进行一次标准I型试验（NEDC工况循环），并对氨与常规污染物的排放情况进行分析；试验车C进行不同环境温度条件下的排放试验，其中低温环境为-7℃，高温环境为40℃，试验工况为WLTC循环。

2 结果分析

2.1 常温冷起动下轻型车排放特性

对轻型汽油车A发动机原始排气与经过三元催化器净化后的气体成分进行分析，表3为三元催化器前后常规污染物与氨的排放情况对比。由表3可知，试验车A的原始排放较差，CO与 NOx浓度较高，经过三元催化器后，原排气中的NOx与CO在催化剂的作用下发生氧化还原反应，体积浓度与质量排放大大降低，三元催化器对NOx的催化效率可达95.49%，对CO的催化效率为64.09%。NOx向氨转化的选择性的计算公式［6］为

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式中：S表示NOx向氨转化的选择性；EFi表示排放因子，g／km；MNOx取 30 g／mol；MNH3取 17 g／mol。由式（4）算得在整个循环内NOx向氨转化的选择性为6.13%。

表3 发动机原排放与经过三元催化器后的排放对比

图1为在整个WLTC循环内三元催化器前后氨的瞬态体积浓度。结合表3和图1，对比三元催化器前后氨的瞬态排放可知，在三元催化器前，氨的浓度极低，在缸内燃烧的过程中并没有产生氨，然而原始排气经过三元催化器后，氨的浓度急剧增加，证明氨是三元催化器内部氧化还原反应的副产物。综合表1中的排气成分，根据元素守恒与电子守恒，认为三元催化器内反应生成氨的过程中，N原子的来源应为氮氧化物（主要为NO），氮氧化物起氧化剂作用，H原子可能来源于THC或水蒸气中脱离的H原子［6-7］，主要还原剂为 CO。

由试验车A的氨瞬态排放特性可知，氨生成的工况主要集中于循环内车辆的加速过程，为进一步分析车辆在加速过程中氨的排放情况，计算了整个循环内基于不同车速和加速区间的氨排放因子，其中加速区间的划分通过计算（v·a）实现［8］。图2为不同加速区间内的氨排放因子。由图2可知，加速工况尤其是在高速段与超高速段持续时间较长的加速工况是导致氨排放生成较高的行驶工况，随着加速程度的增加，氨排放因子呈现上升趋势，其中最大氨排放因子可达181.99 mg／km。另外，频繁起停工况下的氨排放因子同样较高，在城市区域早晚高峰时段，道路较为拥堵，此时起停工况发生频繁，因此频繁起停工况下的氨排放须引起关注。

图1 三元催化器前后氨的体积浓度对比

图2 不同车速与加速区间内的氨排放因子

图3为不同车速区间内NOx向氨转化的选择性。由图可知：当车速高于20 km／h时，选择性稳定在10%以下；在车速较低时，选择性最高可达38.02%。因此，NOx向氨转化的最高选择性发生于车速较低的工况。

图3 不同车速区间内NO x的选择性

机动车比功率（vehicle specific power，VSP）的物理意义是发动机驱动单位质量（1 t）车辆时所输出的功率，单位为 kW／t，其计算公式［8］为

式中θ为道路坡度，本文中取0。

近年来，多种宏观或微观排放模型中采用了基于VSP值的建模分析方法，为更好地分析车辆在不同行驶过程中的氨排放，本文中计算了在不同VSP区间内的氨排放因子。

图4为不同VSP区间内氨的排放因子。由图4可知，随着VSP值的增大，氨的排放因子呈增长趋势，VSP值的增大意味着车辆的行驶速度或加速度较大，说明随着车辆行驶速度或加速度的提升，氨排放因子增大。VSP值在［-0.5，0.5］区间内时，氨排放因子出现阶段性的极值，该区间对应的车辆行驶工况为起停工况。VSP值在［20.5，21.5］区间内时，氨排放因子出现最大值，为109.67 mg／km。

由上述分析可知，试验车A在加速工况中生成的氨较多。图5为循环内氨（三元催化器内生成量）与CO（三元催化器前）排放的相关关系。由图可知，CO与氨之间存在一定的正相关，相关系数可达0.781 7。造成该现象的主要原因是CO浓度较大时，三元催化器内部将呈现还原环境，从而有利于氨的生成。

图4 不同VSP区间内氨的排放因子

图5 氨与CO的相关关系

试验车A采用的技术方案为多点喷射（MPI）＋自然吸气（NA），该试验车燃油喷射点均位于进气道内。在加速等需要加大负荷时，采用缸内直喷技术的发动机主要通过增加喷油量（保证空燃比工作在化学计量比附近）提供更大功率，而采用进气道喷射技术的发动机增加功率的方式为增大节气门开度，调整过量空气系数，向缸内喷入较浓的混合气；同时，采用涡轮增压进气形式的发动机进气量更充足，过量空气系数高于自然吸气形式，在加速过程中自然吸气形式发动机更容易在缸内出现较浓混合气。因此，在循环过程中需要加速时，试验车A喷入的混合气较浓，燃料不完全燃烧加剧，导致原始排气中CO排放较高，进入三元催化器后，极易造成较强的还原环境而促进氨的生成。本文中认为采用进气道喷射与自然吸气技术方案的轻型汽油车更容易产生高CO排放，进而导致高的氨排放。

2.2 耐久性试验排放结果

本文中对试验车B进行耐久性试验，图6为在不同行驶里程下NEDC循环内氨的体积浓度排放情况。由图6可知，在车辆行驶里程增加的过程中，试验车B的氨瞬态排放特性规律较为一致，氨生成的工况主要集中于冷起动过程中三元催化器达到起燃温度后的两个加速过程，同时里程的增加伴随着氨体积浓度的上升。

图6 不同里程的氨排放

与试验车A不同的是，试验车B在冷起动完成后的其它行驶阶段内氨排放量较少，导致这一现象的原因主要是由于试验车B采用了GDI＋涡轮增压技术，在冷起动阶段为满足发动机起动的需要，喷入缸内的混合气较浓，原始排放中CO浓度较高，还原环境始终较强，较强的还原环境导致大量氨的生成。而在冷起动过程结束后，采用闭环控制的缸内直喷技术导致缸内不会长时间持续出现过浓混合气，原始排气中CO浓度始终较低，导致三元催化器内还原环境较弱，氨生成量较少。

此外，随着里程的增加，在0～8万km范围内，氨排放呈现逐渐增加的趋势。图7为在0～8万km范围内常规污染物与氨的排放因子变化情况。由图7可知，在里程增加的过程中，CO的增加趋势较为明显，里程为8万km时的排放因子为125.82 mg／km，可达 1万 km时排放因子（55.33 mg／km）的2.27倍；氨排放呈现整体上升趋势，当里程达到8万km时，氨的排放因子为1.47 mg／km，为1万km时排放因子（0.319 mg／km）的4.62倍。同时可以发现CO与氨排放因子呈现较为明显的正相关，在CO排放较高的里程点，氨排放因子同样较高，而氨与NOx之间存在轻微的负相关。

图7 不同里程下的排放因子

在进行耐久性试验过程中，发动机原排放将出现恶化的趋势，同时后处理系统会发生老化现象，发动机原排放的恶化将导致进入三元催化器内的反应物的浓度较高，有利于氨的生成，三元催化剂的老化将导致对NOx催化效率的下降，催化效率的下降同样有利于氨的生成，导致氨排放随里程增加呈现上升趋势。

2.3 不同环境温度下排放结果的分析

环境温度的变化也会对轻型车的排放情况产生影响，因此有必要研究不同环境温度下轻型车的氨排放情况。本文中利用环境舱对环境温度进行调节，利用试验车C进行了低温（-7℃）与高温环境（40℃）下的试验。图8和图9分别为在两种环境温度下氨与CO排放的瞬态体积浓度。由于不同温度条件下的排放差异主要集中在冷起动阶段，因此图8和图9中截取了WLTC循环中的低速段与中速段数据。

表4为不同环境温度条件下CO，NOx和氨的排放因子。结合图8和图9可知，与高温环境相比，低温环境下的冷起动过程中轻型车氨与CO排放相对较高。低温条件下，车辆在冷起动过程中，由于进气温度较低，燃油雾化较差，缸内燃烧温度低，滞燃期增长，燃烧不充分程度加剧，同时为了发动机正常起动和尽快完成暖机过程，须进行附加的混合气加浓，进一步导致原始排放中CO浓度增加，进入三元催化器后，导致三元催化器内还原环境较强，氨的生成量较高。