天然气发动机氨排放控制应用研究

2021-02-05谭建伟田茂军韩文涛周伟伟李云强

内燃机工程 2021年1期

张腾，谭建伟，田茂军，韩文涛，周伟伟，李云强

(1.潍柴西港新能源动力有限公司，潍坊 261061；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；4.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061)

0 概述

近年来，全球大气中氨(NH3)的排放量急剧上升，其主要的排放源有养殖业、氮肥施用及汽车尾气等[1]。根据相关调查研究[2]发现，在机动车保有量较高的城市，大气中NH3的主要来源是机动车尾气中的NH3排放，机动车尾气中的NH3已成为一种不可忽视的污染物。

目前中国已经发布GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》排放标准[3]。相比于国五排放标准，国六标准中对重型车用发动机污染物排放的测试方法要求更加严格，污染物限值更严格并且要求控制的污染物种类也有所增加，如已经明确要求天然气发动机在全球统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle, WHTC)中NH3的体积分数均值控制在10×10-6以内。天然气发动机已于2019年7月实施国六排放标准，国六天然气发动机普遍采用理论空燃比+三元催化器(three way catalyst， TWC)的技术路线。该技术路线可以有效地降低一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、全碳氢化合物(total hydrocarbons, THC)等污染物的排放,但使用TWC后也带来了在其内部发生的副反应生成NH3造成二次污染的问题,因此需要对天然气发动机NH3的排放进行研究及控制。

由于国五及以前法规未对发动机尾气中NH3的排放进行限制，导致国内对NH3排放的研究主要集中在被动选择性还原催化剂方面，其他方面的研究相对较少。文献[2]中对7辆中国C6认证的低里程汽油车的尾气氨排放量的测量表明绝大多数氨排放在发动机冷起动时产生。文献[4]中对轻型车NH3排放展开研究，得出当发动机原排气中CO浓度较高时NH3的排放也较高，同时在环境温度较低时更容易生成大量NH3的结论。国外文献[5]中的试验研究表明NH3主要是在TWC后生成，TWC前NH3的排放量为5 mg/km，而在TWC后NH3的排放量为20～75 mg/km。文献[6]中的研究表明NH3的生成主要与发动机空燃比及环境温度有关。文献[7]中研究发现发动机CO排放对NH3排放的影响超过了NOx的影响。

柴油机的NH3排放主要来自于选择性催化还原(selective catalytic reduction， SCR)系统的NH3泄漏。在国六排放阶段，柴油机通常在SCR后面串联氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst， ASC)处理发动机的NH3排放。而对于汽油机来讲，NH3排放主要来自于TWC内的副反应。汽油机对NH3排放的控制主要从后处理器入手，包括：调整贵金属种类及含量、反应温度等参数，提高催化器的低温催化能力，开发不利于NH3生成的催化剂配方，采用电加热后处理，采用双层壁保温排气管等方式提高后处理催化效率；优化发动机控制策略，特别是针对后处理老化后进行单独控制标定等技术。但当前对汽油机NH3排放没有法规限值要求，因此并未采取实际控制策略对汽油机NH3排放进行控制[2]。

在国五及以前的排放法规阶段，国内各主机厂的天然气发动机均采用稀薄燃烧+氧化催化器的技术路线，发动机尾气中未产生NH3，所以对天然气发动机NH3排放的控制技术了解不够深入。在国六排放阶段，天然气发动机与汽油机采用的后处理装置均为TWC，因此对于天然气发动机NH3排放的控制可以在借鉴汽油机的控制技术的同时结合天然气发动机实际运行特点，探究天然气发动机NH3排放的控制技术。尽管很多学者已经对影响发动机NH3生成的因素展开了研究，但缺少针对国六阶段天然气发动机NH3排放与控制在实际应用方面的研究工作。

本研究基于装有TWC的当量燃烧天然气发动机，选取天然气发动机常用工况进行相关试验，探究了过量空气系数、TWC温度对NH3排放的影响；并在WHTC下研究了NOx、CO等污染物对NH3排放的影响。本研究为控制国六天然气发动机实际应用时的NH3排放提供了有效的办法。

1 试验设备和方法

1.1 试验用天然气发动机

本研究中以某款天然气发动机为试验对象。该天然气发动机采用电控单点喷射，节气门前预混合，并采用高压废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)+理论空燃比+TWC技术路线，可满足国六排放标准。发动机基本参数见表1，试验台的布置如图1所示。

图1 发动机台架布置示意图

表1 试验用发动机参数

1.2 试验用设备

本研究用于天然气发动机排放试验的设备包含AVLDYNO FORCE ASM 3000/1.8-4.5电力测功机、HORIBA MEXA-ONE-DC直采排放分析仪和HORIBA MEXA-ONE-FT-E多组份分析仪，见表2。排放分析仪的测量原理、精度符合GB 17691—2018的要求。

表2 主要的测试仪器设备参数

1.3 试验用发动机循环

研究中采用的测试循环为国家生态环境部正式发布的GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》标准中规定的WHTC，如图2所示。

图2 发动机WHTC运行曲线

2 天然气发动机NH3产生的理论分析

文献[8]中研究发现，TWC内的NH3主要是由反应(1)生成的。天然气发动机燃烧反应产生大量的H2O和CO，而CO与H2O发生水煤气反应生成H2，NO被H2还原生成NH3。在TWC内部达到起燃温度后，TWC内部会进行以下化学反应：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由化学反应式可知，天然气发动机尾气中的NH3来源于NOx和CO及H2的反应，CO和NOx是NH3生成的必要因素。若要控制NH3的产生，则必须控制NOx和H2的浓度，而H2主要来源于CO和H2O的反应。发动机缸内尾气中的H2首先与O2发生反应生成H2O，只有O2全部消耗完H2才能与NO反应生成NH3；但当尾气中有CO存在时，CO会抑制H2的氧化，增加NH3的排放，因此NH3主要在还原条件下生成[2]。实际上，天然气发动机中的CO更容易被控制和测量，因此通常选择控制CO的浓度以实现对NH3排放的控制[5]。

3 试验结果分析

3.1 过量空气系数对NH3排放的影响

为了分析发动机稳态运行下过量空气系数对发动机尾气中NH3排放的影响，随机选择了发动机的常用工况点：转速1 500 r/min、转矩1 000 N·m。由于发动机运行工况并未发生改变，认为发动机的排气流量保持稳定，对TWC的空速比的影响较小，在实际应用时忽略此参数对发动机排放的影响。试验中利用发动机控制程序调整发动机过量空气系数λ，研究发动机过量空气系数对NH3排放的影响。由于发动机采用理论空燃比技术路线，因此以发动机过量空气系数0.91～1.10为区间进行研究发动机尾气中NH3排放随着过量空气系数变化的特性，如图3所示。

图3 发动机尾气中NH3与过量空气系数的关系

由化学反应式(1)和式(2)可知，NH3的生成受H2和CO的影响，发动机尾气中H2和CO的浓度较高可能会直接导致较高的NH3排放。图3表明了NH3的排放量在过量空气系数0.91到1.10之间的变化情况，其中过量空气系数在0.965以下时NH3排放呈现连续上升的趋势；在0.965以上时出现下降趋势。这是因为发动机的过量空气系数从0.91到1.10变化过程中发动机经历了从缺氧到稀燃的状态，在缺氧状态下生成的CO比较多，TWC内部处于较强的还原环境，促进NH3的生成；当空燃比逐渐变大，发动机尾气处于氧化性较强的环境，抑制了NH3的生成，因此产生的NH3也逐渐减少[2,5,8]，这与文献[6]的研究结果一致。

3.2 尾气中CO和NOx对NH3排放量的影响

发动机尾气中的污染物(如CO、NOx、CmHn、H2O等)均会影响NH3的排放，但根据化学反应式(1)～式(8)可知，CO、NOx对NH3排放的影响较大且在发动机尾气中占比较大，因此需要研究CO和NOx对NH3排放的影响。

3.2.1 CO对NH3排放量的影响

发动机尾气中CO与NH3的体积分数之间的关系如图4所示。随着CO的含量的降低，NH3的排放量呈现出先增加后减少的变化趋势。当CO的浓度达到1 800×10-6～2 300×10-6时，NH3的体积分数达到180×10-6～195×10-6。当发动机尾气中CO的体积分数大于2 300×10-6时，NH3的排放量会随着CO浓度增加而增加。这是因为发动机尾气中CO的含量增加使TWC处于还原性较强的环境中，随着CO的含量增加，CO和H2O反应产生的大量H2为NH3的生成提供了必要的条件，同时NH3被氧化的速率开始减缓而出现累积，因此NH3会随着CO浓度的增加而增多[9-10]。当发动机尾气中CO的体积分数小于2 300×10-6时，根据试验结果分析，此时发动机的过量空气系数已大于0.965，由此可知发动机缸内燃气混合气逐渐变稀，发动机缸内混合气氧含量逐渐增加，使尾气呈现氧化氛围[11]。发动机尾气中多余的O2优先氧化消耗掉CO和H2O反应生成的H2，破坏NH3生成的必要条件，同时还存在 NH3与尾气中氧化物的反应，NH3一旦生成便会被尾气中氧化物氧化，不会有NH3的累积，因此发动机尾气中NH3排放减少。

图4 发动机尾气中NH3与CO体积分数的变化

3.2.2 NOx对NH3排放量的影响

根据NH3的化学组成元素可知，NOx主要是为NH3的生成提供氮原子，因此可认为NH3是NOx进行一系列化学反应的中间产物[12]，有必要研究发动机尾气中NOx对NH3排放量的影响，如图5所示。

图5 发动机尾气中NH3排放随NOx排放的变化

由图5分析可知，NOx的排放量与NH3关系并不明确。这主要是因为当发动机尾气中NOx浓度比较低时，根据CH4燃烧特性分析可知，此时CH4与气缸中的氧气反应生成大量的CO和H2，由于H2的还原性强于NO等污染物，抑制了NO的生成[2,12]。当尾气中NOx的浓度增加时，NOx作为氧化剂参与到NH3的生成反应中，使NH3的排放量增加，但NOx的浓度继续增加，TWC内部的生成的NH3就会与NOx反应生成N2，使NH3排放降低。综上，NH3的排放量与NOx的浓度并没有明显关系，因此在控制NH3排放时不参考NOx排放浓度。

3.3 三元催化器温度对NH3排放的影响

为了研究三元催化器温度对发动机排放污染物中NH3的影响，在该试验中采用厚度为10 mm的保温材料包裹排气管路及TWC进行保温处理(见图6)。为了保证发动机测试条件一致，采用WHTC进行发动机排放测试。

图6 包裹保温材料的TWC

图7给出了发动机在WHTC工况TWC的温度、NH3和CO浓度的瞬时变化曲线。由图7知：TWC未包裹保温材料时，WHTC瞬态测试中NH3峰值浓度高达306×10-6，而TWC包裹保温材料后CO、NH3浓度明显降低，NH3峰值浓度为63×10-6，降低了79.4%。

图7 发动机热态WHTC循环测试

根据文献[6]的研究，NH3的生成适宜温度在300～350 ℃之间，当温度超过350 ℃后，NH3的生成率逐渐降低。在WHTC中，TWC包裹保温材料后的温度最低为480 ℃，其平均温度比未包裹保温材料时高约50 ℃，该温度已经超过NH3生成的适宜温度，因此TWC包裹保温材料可适当降低发动机尾气中NH3排放。

4 发动机尾气中NH3排放控制方法

当前天然气发动机对尾气中NH3的处理通常采用3种方式：通过发动机数据标定调节NH3的排放、TWC串联氨氧化催化器和采用两级式TWC结构。这3种技术方案都可使发动机的NH3排放达到国六法规要求。

4.1 TWC技术方案

在发动机使用TWC技术方案时，需要通过发动机控制程序严格控制发动机尾气中CO的排放特别是冷起动阶段的CO排放，以控制尾气中NH3排放。但是该技术方案对点火提前角、过量空气系数等发动机控制参数的精度要求较高，而且NH3排放仅能控制在工程裕度附近。该技术方案可以满足国六排放法规的NH3限值要求，但很难满足日益严格的排放法规要求。

4.2 TWC+ASC的技术方案

天然气发动机的NH3排放方法可以采用类似柴油机的排放控制技术路线，在TWC后面串连ASC以将尾气中NH3催化氧化生成N2、N2O、NOx，同时催化NOx、NH3反应生成N2，化学反应式如下[13]：

(9)

(10)

应用ASC可以有效地降低发动机的NH3排放。ASC转化效率在低温下可以达到90%以上，但是700～800 ℃高温环境下ASC的转化效率会降至70%及以下[14]。因此发动机在调整控制程序时需要根据ASC的劣化系数计算出NH3的原排值，同时结合TWC同步标定发动机数据，确定发动机的最优性能排放数据。由于ASC可以确保NH3的排放满足国六法规要求，因此该技术方案为发动机排放优化带来很大的空间，实现降低TWC贵金属含量的目标。但天然气发动机采用当量燃烧技术路线后涡后排温比稀燃技术路线高约200 ℃，而且TWC持续进行催化氧化还原反应释放出大量热量，给TWC集成ASC带来极大的挑战，需要开发适应天然气发动机排放温度窗口的ASC技术方案。

采用相同催化器体积和贵金属含量TWC分别测定在未增加ASC和增加ASC后测定发动机的排放值，如图8所示。通过图8分析可知，当发动机采用TWC+ASC结构后，发动机各排放成分的浓度均有所变化，如表3所示。这主要是因为发动机在使用TWC+ASC结构后，发动机性能数据标定时可以将过量空气系数调整至相对偏浓的工况[15-16]，既保证了TWC的高效催化转化效率，又可使发动机尾气处于还原性气体和氧化性气体同时共存的状态下，由此使产生的NH3在经过ASC后转化为N2和H2O。

图8 TWC和TWC+ASC排放结果对比

表3 TWC和TWC+ASC排放结果对比

4.3 两级式TWC技术方案

由前文可知，NH3排放主要产生在发动机冷起动及暖机阶段，且受CO排放的影响较大。发动机在冷起动及暖机阶段时，TWC未到达起燃温度导致尾气中CO排放浓度很高，约占整个排放测试循环总排放量的50%～80%[17]。而当CO的浓度较大时生成的NH3也比较多，因此控制发动机冷起动及暖机阶段CO的排放对控制NH3排放至关重要，快速提高催化器起燃温度是当前天然气发动机排放控制的重要环节。为实现催化器起燃温度提升，除采用TWC+ASC方案外，还可以采用两级式TWC技术方案。前级TWC靠近涡轮增压器，发动机排温较高可以使TWC快速到达起燃温度，冷起动和暖机阶段的CO排放得到控制，从而可降低NH3的排放。发动机在冷起动及暖机阶段采用燃气加浓方法使发动机快速升温到正常运行状态，使发动机涡后排温快速上升，因此有助于TWC快速达到起燃温度可有效降低CO排放。后级TWC采用与单级TWC类似结构，可以控制其他污染物排放。

为了分析两级式TWC在冷起动和暖机阶段对发动机NH3的排放影响，在该试验结果中选择冷态WHTC循环前1/3段数据进行分析，具体试验结果见图9。由图9可知：发动机采用两级式TWC可以有效控制冷起动及暖机阶段的NH3排放，使天然气发动机的排放满足法规要求。

图9 两级式TWC与TWC的NH3排放结果对比

天然气发动机NH3排放控制方法需要综合考虑发动机的开发成本及后处理结构在高温下的催化转化效率。综合当前NH3的排放控制方法分析，当前可以选择两级式TWC结构使天然气发动机NH3排放达标。考虑到TWC+ASC技术方案在实际应用时更方便，待开发出适应天然气发动机的ASC结构后，TWC+ASC方案可以成为控制NH3排放的首选方法。