轻型汽油车主要含氮化合物排放特性研究

2022-01-12罗佳鑫朱庆功杨正军

小型内燃机与车辆技术 2021年5期

罗佳鑫温溢朱庆功潘朋杨正军

（中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300）

引言

氮氧化物是轻型汽油车排放的主要污染物之一，主要包括NO、NO2以及N2O 等。2016 年全国轻型客车的NOx排放量可达55.0×104t[1]。NO 可与人体内的血红蛋白结合，对人体健康造成危害，同时NO在空气中可被氧化生成NO2。NO2是引起光化学烟雾的主要原因之一。N2O 是重要的温室气体，其全球变暖潜势约为CO2的300 倍左右。此外研究显示，轻型车在运行过程中会产生一定量的NH3排放[2-3]。

关于轻型车主要含氮化合物排放的研究中，通常认为轻型车含氮化合物的主要成分是NO，其次为NO2。然而最近研究表明，轻型车排放产生的N2O 与NH3排放量同样不可忽视[4-8]。Joseph Woodburn 等[6]研究证明轻型车氨排放约占含氮化合物排放的18%左右。Gray Bishop 等[7]研究显示美国三个城市地区，轻型车NH3占含氮化合物比例可达22%～27%。

在理想状态下，NOx进入三元催化剂后被彻底还原形成N2，但是在实际车辆运行过程中，空燃比在理论空燃比周围波动，经常出现较稀或较浓的情况。在混合气较浓的情况下，三元催化剂内可能发生部分NOx被还原生成N2O 或NH3的反应。研究表明，催化剂温度、空燃比以及催化剂老化等因素对N2O 与NH3的生成都存在一定影响[9-14]。Matsuo Odaka 等[9，11]测试显示，N2O 开始生成的温度基本为150 ℃，在320 ℃达到顶峰，随着温度继续升高，N2O 不能稳定存在，浓度开始下降。此外在经过老化后，该温度窗口会上升大约100 ℃，导致N2O 排放的增加。Edward Jobson 等[12]证明在稍浓或稍稀的空燃比下，N2O 的生成量较多。

本文主要研究满足不同排放标准的轻型汽油车主要含氮化合物的排放情况，主要包括NO、NO2、N2O以及NH3。本文根据轻型汽油车在不同实验室工况循环（NEDC 与WLTC）下的排放特性，分析了排放阶段、技术手段等对含氮化合物排放的影响，同时对比试验车三元催化剂前后的排放情况，分析了不同行驶工况下含氮化合物的排放情况以及CO 对部分含氮化合物排放的影响。

1 试验方案

1.1 试验车辆与试验设备

本文中涉及的试验车辆共18 辆，主要为满足国5 与国6 排放标准的轻型汽油车。车辆的主要技术参数见表1，所有测试车辆均采用三元催化剂作为后处理系统。

表1 试验车辆主要技术参数

本文中主要使用的试验设备见表2，其中底盘测功机为四驱型。本文中采用傅里叶变换红外光谱测试法（FTIR，Fourier Transform Infrared）测试NO2、NO、N2O 以及NH3等污染物浓度。

表2 试验设备

1.2 试验方案

本文中利用满足不同排放标准的16 辆轻型汽油车进行了测试，其中国5 试验车测试循环为NEDC 循环，国6 试验车测试循环为WLTC 循环，分析对比了不同试验车的主要含氮化合物排放特性。同时为了分析发动机原始排气经过三元催化剂后的成分变化，本文中在2 辆试验车三元催化剂前后分别进行测试，测试循环为WLTC 测试循环。

2 结果分析

2.1 不同排放阶段各种含氮化合物的变化

本文中对满足国5 与国6 排放标准的轻型汽油车进行了测试，其中包括国5 标准轻型车7 辆、国6标准轻型车9 辆，得出所有试验车辆主要含氮化合物的排放因子。表3 所示为不同排放标准车辆排放因子对比。

表3 不同排放标准试验车排放因子对比

由表中可知，所有试验车排放因子基本都能够满足排放法规的限值要求，与满足国5 标准的试验车辆相比，国6 试验车NO 与NO2排放因子平均值较大，同时其标准偏差同样较大，说明不同试验车之间的NO 与NO2排放分化差异较大。而随着法规的加严，轻型车N2O 与NH3排放因子出现下降趋势。

图1 中所示为国5 与国6 试验车各个主要含氮化合物的成分比例，该比例是利用各成分排放物质的量计算得出的。由图中可知，国6 试验车NO 与NO2成分比例出现增加，氧化亚氮成分比例基本持平，NH3成分比例出现下降趋势。N2O 成分比例约为6%，NH3所占比例较大，约为30%～40%。在轻型车含氮化合物排放中，N2O 与NH3已经成为极其重要的组成部分。

图1 试验车主要含氮化合物成分比例

2.2 不同技术手段试验车排放结果

本文主要分析了进气形式与燃油喷射技术对轻型汽油车排放的影响。表4 中所示为本文中具有代表性的采用不同技术方案的试验车辆，其中1 号车与7 号车为满足国5 标准的试验车，其余试验车辆满足国6 标准。

表4 不同技术方案排放因子

喷油方式主要影响车辆加速过程中的CO 排放，采用进气道喷射技术的车辆在需要加速时，通过改变节气门开度，调整过量空气系数，喷入较浓的混合气来满足负荷要求。而采用缸内直喷技术的车辆可以较为精确地控制过量空气系数，负荷加大时只需适当加大喷油量即可，不会出现持续过浓的混合气。因此进气道喷射轻型车容易出现较浓混合气、缸内燃烧不充分的情况，导致CO 排放相对较高，本文中进气道喷射形式为进气道内多点喷射。

进气形式的不同将影响缸内混合气的过量空气系数，同时影响缸内NOx（主要为NO）的生成。相对自然吸气发动机，涡轮增压发动机进气量较为充足，缸内燃烧更充分，NOx生成量较大。

通过对比发现，采用MPI+NA 的7 号与9 号试验车加速过程中缸内进气量不足，喷油量较大，混合气较浓，燃烧不充分，导致CO 排放相对较高，而NO与NO2排放相对较低，N2O 与NH3排放相对较高。采用GDI+T 的1 号与13 号试验车缸内燃烧充分，CO相对较低，NO 相对较高，N2O 与NH3排放相对较低。采用MPI+T 的12 号试验车进气量充分，混合气相对较稀，导致CO 较低，NO 较高，NH3较低，同时应注意到该车N2O 排放较高。采用GDI+NA 的16 号试验车进气不充分，NO 较低，NH3较高。

2.3 三元催化剂前后排放对比

为了分析发动机原始排气经过三元催化剂发生氧化还原反应后含氮化合物的成分变化，本文利用17 号车与18 号车分析对比了发动机原排与经过三元催化剂后的排放情况。表5 所示为三元催化剂前后排放因子对比情况。

表5 三元前后排放因子对比

从表中可知，发动机原排中N2O 与NH3排放量极少，而排气经过三元催化剂后，N2O 与NH3排放迅速增加，说明原排中部分NO 被还原生成N2O 与NH3。2 辆试验车的催化效率均较高，17 号车三元催化剂对NO 的转化效率为95.90%，N2O 的选择性为0.102%，NH3的选择性为6.13%；18 号车对NO 的转化效率为99.58%，N2O 的选择性为0.039%，NH3的选择性为0.24%。由于18 号车原排中NO 排放较高，在三元催化剂内被还原的量较大，导致N2O 与NH3的选择性相对较低。

图2 与图3 所示为17 号车原排与经过三元催化剂后的排气中N2O 与NH3的瞬态排放量。可以初步认为，N2O 与NH3生成主要集中在车辆的加速工况下，其中N2O 在车辆加速的开始阶段生成量较明显，随着加速持续时间的延长，N2O 生成量迅速降低，NH3生成量持续增加；当车辆由加速转入匀速行驶或开始减速时，NH3生成量迅速下降。

图2 发动机原排与三元催化剂后N2O 排放量

图3 发动机原排与三元催化剂后NH3 排放量

由上述内容可知，车辆行驶状态对含氮化合物的排放存在较大影响，为了进一步分析行驶状态的影响，本文分析了在循环内不同速度段（低速、中速、高速、超高速）内各成分的比例变化，如图4 所示。由图可知，NO/RNC 由低速段向超高速段逐渐减小，超高速段比例最低（31.96%）；NH3/RNC 由低速段向超高速段逐渐增大，超高速段NH3比例最高（65.58%）；N2O/RNC 低速段成分比例最高（1.89%）；NO2/RNC 的变化范围较小，稳定在2%左右。

图4 不同速度段各成分比例

图5 与图6 所示为不同加速度区间内的N2O 与NH3排放因子，在加速度小于0 即减速时，N2O 与NH3排放因子均较小。当加速度大于0 时，随着加速度的增大，N2O 排放因子呈现明显的增加趋势。加速过程中NH3的排放因子远大于减速过程，在（0，0.5]区间内，NH3排放因子最大。在WLTC 循环中，加速度最大的时刻基本为车辆刚开始加速的时刻，随着加速过程的进行，加速度逐渐下降。

图5 不同加速度区间内的N2O 排放因子

图6 不同加速度区间内的NH3 排放因子

2.4 含氮化合物与CO 之间的相关性

结合上文中瞬态排放与不同加速度区间内的排放特性，本文认为在车辆加速的初始阶段，N2O 在三元催化剂内开始大量生成，随着加速过程的持续进行，N2O 不能稳定存在，因此N2O 生成量迅速下降，NH3生成量开始增加。由于17 号车与18 号车均为非直喷车辆，在加速过程中缸内混合气较浓，导致CO 排放较高，而CO 将参与三元催化剂内N2O 与NH3的生成过程，因此本文分析了发动机原排中CO与NH3、N2O 排放的相关性，如图7、8 所示。

图7 CO 与NH3 的相关性（17 号车）

从图7 与图8 可知，三元催化剂前CO 的排放量与三元催化剂内NH3的生成量之间存在较强的正相关关系，CO 生成量较大的时刻通常将伴随着大量NH3的生成。其中17 号车相关系数为0.782，18 号车相关系数为0.732。

图8 CO 与NH3 的相关性（18 号车）

图9 与图10 所示为17 号车与18 号车原排中CO 排放与三元催化剂内生成的N2O 之间的相关性。由图示可知，N2O 与CO 之间存在轻微的负相关，N2O生成量较大的时刻对应原排中CO 排放量相对较小的情况，而当CO 排放量相对较大时，N2O 的生成量较小。

图9 CO 与N2O 的相关性（17 号车）

图10 CO 与N2O 的相关性（18 号车）

为了进一步说明CO 对NH3和N2O 生成的影响，本文中选取了CO 排放较为显著的冷起动过程进行分析。图11 所示为冷起动过程中CO、N2O 与NH3的瞬态排放量。在冷起动过程中，由于进气道与气缸内温度较低，燃油雾化较差，为了满足起动阶段对功率的要求，燃油供给系统将向缸内喷入较浓的混合气；同时为了尽快完成暖机过程，同样需要混合气加浓。综合上述因素，在冷起动阶段，缸内的混合气较浓，燃烧不充分程度较高。由图11 可知，在冷起动加速过程中，CO 排放迅速增加，导致三元催化剂内部呈现还原环境，NH3与N2O 开始生成，当CO 排放量较大时，三元催化剂内还原环境较强，导致N2O 不能稳定存在，生成量迅速下降。