基于国六标准工况的车用柴油机N2O排放特性研究

刘冰

(招商局检测车辆技术研究院有限公司，重庆 401329)

柴油机由于其功率覆盖范围广、油耗低、耐久性好等优点广泛应用于各类重型货车、客车及特种车辆，为我国经济的持续发展提供了强大动力。但是柴油机由于氮氧化物、颗粒物排放远高于汽油机而饱受诟病。因此柴油机氮氧化物(NO)排放一直都是监管部门关注的重点。NO是光化学污染的罪魁祸首，目前公认的温室气体。因此重型车国六标准也对NO排放做了严格的限制。NO通常是NO和NO的统称，其中NO占比约95%。在NO化合物群体中还存在另一种不可忽视的污染物，即氧化亚氮(NO)。其增温能力是CO的300多倍，是《京都议定书》规定的强温室气体。

大气中NO含量极低，且柴油机原机排放中NO排放并不高，因而长期以来并没有引起人们的关注，重型车国六标准也没有对NO提出要求。随着排放法规不断加严，目前国六柴油机普遍采用氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)+颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)+选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，SCR)+氨气氧化催化器(Ammonia Slip Catalysts，ASC)的后处理型式。一些试验研究表明，后处理装置的使用会导致 NO排放大幅增加。国家监管部门也对柴油机的NO排放问题越来越重视，在轻型车国六标准中已经增加了NO的限值要求，因此很有可能在下一阶段重型车排放标准中增加对NO的限值要求。

国六标准实施以前车用柴油机NO排放很低，因此国内学者对其研究较少。清华大学帅石金团队对柴油机NO排放研究发现，与Fe沸石和钒基SCR相比，Cu沸石催化剂更容易形成NO，SCR中泄漏的氨气在ASC中容易生成NO，并随氨泄漏增加而增大。浙江大学刘彪深入研究了不同SCR载体材料中NO生成机理，结果表明SCR催化剂上NO生成过程存在高温和低温两种机理，且催化剂中铜含量对NO生成量影响很大。此前国内的一些研究多集中在SCR载体材料对NO排放影响上，而针对标准工况下的NO排放研究则几乎没有。为此本研究以一台车用柴油机为研究对象，搭建排放测试系统，进行了国六阶段WHSC稳态循环和冷热态WHTC瞬态循环试验，并通过试验数据对比了标准工况下柴油机NO的排放特征。

1 试验仪器与设备

以1台3.0 L增压中冷柴油机为研究对象，其后处理技术路线为DOC+SCR+ASC+DPF。表1列出该柴油机相关技术参数。

试验采用HORIBA HT350电力测功机、全流稀释采样系统、MEXA-ONE-C1-OV排放分析系统、MEXA-ONE-FT-E氨分析仪、AVL740油耗仪、久鼎进气空调系统、ABB 进气流量计等试验设备，所构建的柴油机排放测试台架见图1。

表1 柴油机技术参数

图1 柴油机排放测试台架示意

2 试验循环及测试方法

为了探究重型柴油机在国六标准循环工况下的NO排放特性，分别采用GB 17691—2018标准中规定的压燃式发动机稳态循环WHSC(如图2所示)和瞬态WHTC循环(如图3所示)进行排放测试试验。

进行WHSC循环稳态试验时，需要对发动机运行边界条件进行控制，设定发动机进气压力为101 kPa、进气温度为22 ℃、进气湿度为45%，设定发动机冷却水温度为85 ℃、中冷后温度为50 ℃。发动机在额定点维持运转10 min左右，观察各边界条件是否稳定。水循环温度为(85±2) ℃，排气温度稳定在目标值±2 ℃时，即可开始对应的排放测试循环试验。

在进行冷、热态WHTC循环试验时，需对发动机进行不少于6 h的冷机处理，使其循环水温、机油温度和后处理温度在20～30 ℃，然后设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定冷却水循环温度为85 ℃，中冷后温度为50 ℃。从停机状态直接进入冷、热态WHTC排放测试循环。

图2 WHSC循环工况

图3 WHTC循环工况

3 试验结果及分析

3.1 WHSC循环N2O排放特性研究

国六WHSC循环是由13个稳态的工况点组成的试验循环。为保证发动机进入试验循环的状态一致，标准要求WHSC循环开始前必须在第九工况热机10 min。本研究进行了原机排放(拆掉全部后处理)和正常带后处理装置两种情况下的WHSC试验，图4示出WHSC循环中两种试验模式下的NO排放情况。从图4可以看出，两种试验模式下的NO排放差异巨大。原机在整个循环期间NO排放波动都不大，并没有形成明显的排放峰值，循环中平均值为2.2×10，峰值为仅为5.2×10。而带后处理模式中的NO排放波动剧烈，在第220 s、620 s和1 300 s左右出现峰值，最大峰值为23×10，平均值为7.6×10。在怠速工况时，NO排放很低，基本都在5×10以下。

国外一些学者的研究表明柴油机排放中NO与SCR的尿素喷射密切相关：a)温度较低时SCR表面生成NHNO，然后分解成NO，高温时NH在SCR中也会生成NO；b)SCR泄漏的NH在ASC中被氧化生成NO。对比WHSC工况图发现，NO排放3个峰值都是出现在柴油机从大扭矩急速下降到小扭矩的时刻，这是因为在大负荷下排温较高，SCR系统喷射较多尿素，在SCR载体中形成较多的NH。排温较高时NH在SCR和ASC中形成了大量的NO。

图4 WHSC循环原排与带后处理装置的N2O排放

3.2 WHTC循环N2O排放特性研究

与稳态WHSC循环不同，WHTC循环是由1 800个逐秒变化的工况点组成的瞬态循环。一个完整的WHTC试验包含一个冷态和一个热态的WHTC循环，中间停机热浸10 min，最终排放结果按照冷态14%、热态86%加权得到。发动机及后处理系统所有温度达到20～30 ℃后开始冷热态WHTC试验，并设定进气空调进气压力101 kPa、进气温度22 ℃、进气湿度45%。

图5示出原机和带后处理装置两种模式下的冷态WHTC循环中的NO排放情况。从图5可看出，在整个冷态循环中原机排放的NO都很少，几乎没有。而带后处理模式下NO排放在400 s以前也和原机一样很小，但是在400 s左右开始NO排放出现一个较大峰值，达到60×10，400 s以后NO排放波动很大，在1 200～1 500 s排放明显增大，并在1 500 s左右形成90×10左右的大峰值。前400 s NO几乎没有是因为冷起动阶段排温较低，SCR系统还没有喷射尿素，后处理系统中NH存储较少。由此也可看出，NO排放与尿素喷射量和排气温度密切相关，在冷起动排温很低时几乎不会生成NO。

图5 冷态WHTC循环原排与带后处理装置的N2O排放

图6示出原机和带后处理两种模式下的热态WHTC循环中的NO排放情况。由图6可知，和冷态循环一样，热态原机NO排放整个循环几乎为0。带后处理模式下,在循环开始即出现一个80×10左右的峰值。这是因为冷态循环后期负荷大、排温高，喷射的尿素较多，形成较多的NH，由于循环结束而存储在ASC载体中。一般认为NH在ASC中被氧化会生成NO等自由基吸附在贵金属表面，N会与NO反应生成NO。贵金属的存在可以使NH氧化成生NO所需的温度大大降低。因此循环刚启动排温较低时,NH在ASC表面大量生成，热态循环一开始便出现了较大峰值。热态循环在随后的第500 s和1 500 s左右分别出现峰值110×10和75×10，且平均排放也较大。表2和图7分别对比了NO的循环总排放量和瞬态排放情况。由表2可知，WHTC循环中热态NO排放比冷态稍大。从图7可看出，在循环开始500 s，由于冷起动排温非常低导致热态的NO排放远高于冷态,而500 s以后由于冷态和热态循环排温已经接近，冷热和热态的NO排放特性也趋于一致。

图6 热态WHTC循环原排与带后处理装置的N2O排放

表2 冷热态N2O排放对比

图7 冷热态WHTC循环带后处理装置的N2O排放对比

图8示出热态WHTC循环中NO、NH排放及排温的关系。从图8可看出，热态循环开始阶段，排温仅为170 ℃左右，但是NO和NH都出现排放峰值。这是因为冷态结束时形成较多的NH积累在SCR和ASC中。从循环开始到1 300 s，排温在300 ℃左右上下波动，NO排放也剧烈波动并在500 s左右形成大峰值，但这期间NH排放量却一直缓慢下降,这说明这期间生成的NH被大量转化为NO。1 300 s以后随着排温继续增加(400 ℃左右)，NH和NO排放一起快速增加，在1 500 s左右分别形成32×10和75×10左右的大峰值。NH的增加趋势与NO增加趋势相同，但时间稍晚且波动没有NO剧烈。综合以上分析可知，NO排放与NH排放量及排温的关系较为复杂，低温和高温时NO生成的机理不同，但总的来说，排温较低(300 ℃以下)时NO排放与NH不一致，而在排温较高(400 ℃)时NO和NH排放特性表现为同时增减。

图8 热态WHTC循环N2O，NH3排放及排温的关系

4 结论

a) 柴油机原机排放中NO排放量很低，但是后处理系统的使用会造成NO排放大幅增加；

b) 在WHSC循环试验中，NO排放变化剧烈，在整个循环中形成多个排放峰值，且峰值都是出现在大负荷急速过渡到小负荷的时刻；在WHTC循环试验中，冷态循环开始的前400 s NO排放几乎没有，400 s以后冷态和热态循环的NO排放趋势基本一致，都是在400 s和1 500 s左右形成较大峰值，且热态的循环比排放结果要大于冷态；

c) NO排放与NH排放量及排温的关系比较复杂,总的来说排温较低时NO排放与NH基本不一致，而在排温较高时NO和NH排放趋势较为一致。