国六轻型汽油车氨排放特性研究

2022-10-10罗佳鑫

天津科技 2022年9期

温溢，蒋震，罗佳鑫

(1. 中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300；2. 北京卡达克汽车检测技术中心有限公司北京 100176)

大气中的颗粒物包括一次颗粒物与二次颗粒物，在交通繁忙、机动车保有量大的城市区域，机动车产生的氨对大气中的细颗粒物排放有较大贡献[1-2]。研究表明：在WLTC 循环下，轻型汽油车氨排放因子分布范围为10～40 mg/km，而在实际道路工况下，轻型汽油车平均氨排放因子为(6±2)mg/km，冷启动阶段氨排放因子可达134 mg/km[3]。轻型车排放产生的氨进入大气后形成阳离子(NH4+)，其将与游离的硫酸根或硝酸根等阴离子结合形成铵盐，主要参与二次颗粒物的形成，并增加大气中的细颗粒物排放。

轻型汽油车的氨生成途径已经基本确定，与其他常规污染物不同，氨并不直接产生于缸内燃烧，而是三元催化器内部发生的氧化还原反应的副产物[4-6]。目前研究认为，在三元催化器内部，CO 与H2O 发生“水煤气反应”生成H2，氮氧化物被H2还原形成氨，其生成机理如下列反应式所示[4-7]：

研究证明氨排放与CO 排放存在较强的相关性，当CO 排放较高时，三元催化器内部存在较强的还原性环境，导致氮氧化物中的+2 或+4 价的氮原子被还原形成-3 价的氮原子，进而与游离态的氢原子结合形成NH3[8]。

轻型汽油车的氨排放正逐渐成为标准研究的热点。2014 年生态环境部发布的《大气氨源排放清单编制技术指南》中提供了交通源氨排放因子，其中轻型汽油车氨排放因子为26 mg/km。在欧盟第7 阶段轻型车排放标准的制定过程中计划引入氨排放要求，并且通过对不同类型车辆(包括汽油车、柴油车、混合动力车辆和燃气车辆等)进行氨排放测试，初步提出了5 mg/km(scenario A)与2 mg/km(scenario B)的建议限值。在中国轻型车第七阶段标准预研过程中同样提出了对氨排放的相关要求，并提出以整车底盘测功机测试作为主要手段。因此，有必要对国六轻型汽油车的氨排放特性进行研究，同时验证以试验室工况为主的测试方法的有效性。

本文基于底盘测功机结合氨分析仪的测试方法对9 台国六轻型汽油车的氨排放因子进行了测试，对比了不同环境温度下的氨排放特性和混合动力车型氨排放的特点，以期为国七标准预研提供数据参考。

1 试验方案

1.1 试验车辆与设备

本文涉及的试验车辆均为国六轻型汽油车，其后处理系统中均包含三元催化器。试验车的主要技术参数见表1。

表1 试验车主要技术参数Tab.1 Parameters of test vehicles

本文主要使用的试验设备见表2，其中环境试验舱可以实现试验环境温度-10～40 ℃的改变，并且可提供全光谱模拟阳光照射。

表2 试验设备信息Tab.2 Test equipment

1.2 试验方案

由于氨极易溶于水的特性，本文采用原排直采法进行采样，并利用傅里叶变化红外测试方法(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)进行分析。为减少采样与分析过程中对氨的损失，试验中氨的采样点尽量靠近排气管出口，并对采样管路(130 ℃)和分析模块(113 ℃)进行加热，采样前使用标准气与纯氮气标定分析仪的量程点与零点，采样开始前与结束后均使用加热的纯氮气对采样管路进行吹扫。试验结果采用CVS 瞬态流量结合FTIR 分析仪所测瞬态浓度累积方法计算。

本文选取9 台试验车进行常温冷起动污染物排放试验，其中9#试验车为插电式混合动力电动汽车，试验过程中为电量保持模式(CS 模式)，试验工况为GB 18352.6—2016 中规定的WLTC 测试循环[9]；此外，8#试验车与9#试验车进行不同环境温度下的排放试验以模拟车辆在不同季节的环境条件下的行驶工况，低温环境为-10 ℃与0 ℃，低温试验过程中开启暖风空调，高温环境为40 ℃，高温试验中开启冷风空调并开启阳光模拟，光强为850 W/m2。

2 结果分析

2.1 国六轻型车氨排放因子

本文分析了国六轻型车在WLTC 循环中的氨排放因子分布。由图1 可知，对于国六轻型汽油车，由于三元催化器的贵金属比例提高和发动机标定水平的不断提升，NOx等常规污染物已降至较低水平，本文中NOx平均排放因子为8.22 mg/km，低于国六标准中对于氮氧化物的限值(35 mg/km)，然而氨作为三元催化器的副产物，其排放量已经达到与氮氧化物同一量级的水平，氨排放因子达2.90 mg/km，最高可达11.62 mg/km。

图2 为氨排放与NOx的排放量(物质的量)对比，可知氨氮比最高可达4.56，平均值为1.04。结合图1 与图2 可知不同技术手段的轻型车均会产生相当数量的氨排放，氨排放水平已与NOx处于同一量级。

图1 试验车的氨排放与氮氧化物排放Fig.1 NH3 and NOx emission of test vehicles

图2 试验车的氨氮比(物质的量)Fig.2 Ammonia nitrogen ratio of test vehicles(amount of substance)

本文通过对氨排放的瞬态排放情况进行分析，以1#试验车为例，氨主要生成于低速与中速段的加速过程中，在冷启动初始阶段，由于三元催化器尚未达到起燃温度，此时不会形成氨，但随着催化器温度的升高，其逐渐达到氨生成的窗口温度，在加速的过程中，缸内燃烧不充分，导致进入三元催化器的CO 与未燃HC 增加，并且CO 排放持续较高导致三元内部持续保持还原环境状态，氮氧化物被彻底还原形成氨，进而出现氨的排放峰值，见图3。即氨排放生成的必要条件为：三元催化器达到氨生成的窗口温度，同时出现持续较高的CO 排放导致三元催化器内部的还原环境。二者必须同时满足。

图3 低速段与高速段中的CO与氨排放Fig.3 CO and NH3 emission in low and high speed sections

2.2 不同温度下氨排放因子对比

本文对8#试验车与9#试验车进行了不同环境温度下的排放试验。通过图4、5 中的氨排放因子与温度影响系数可知低温环境(-10 ℃与0 ℃)下氨排放大大增加，其主要原因在于低温环境下浸车后，冷启动过程中需要克服的车辆内阻增加，为尽快完成暖机工况，将向缸内喷入较浓的混合气，同时缸壁温度较低，冷却液与机油温度均较低，导致燃油喷入缸内后雾化较差，油气组织较差，缸内燃烧不完全程度加剧，排放的CO 与未燃HC 增加，进入三元催化器后，较强的还原环境直接导致氨排放的增加。

图4 温度影响系数(8#车)Fig.4 Temperature influence coefficient(8# vehicle)

图5 温度影响系数(9#车)Fig.5 Temperature influence coefficient(9# vehicle)

通过对比8#车与9#车的温度影响系数发现，对于采用自然吸气技术的轻型车，氨排放更容易受到环境温度的影响。其主要原因为环境温度直接影响进气温度，而采用自然吸气技术的发动机更容易受到进气温度的影响，尤其在冷启动阶段，环境温度将对缸内油气组织与燃烧产生较大影响。式(4)为温度影响系数计算公式：

式中：I FT为温度影响系数，E F _ NH3T为在环境温度为T 时的氨排放因子(T 取值分别为-10 ℃、0 ℃与40 ℃)，E F _NH323℃为23 ℃下的氨排放因子。

本文对不同环境温度下氨的瞬态排放进行了对比。如图6 所示，对于8#试验车，在冷启动试验过程中，氨排放主要生成于低速段与中速段。

图6 不同温度下的瞬态氨排放Fig.6 Transient ammonia emission at different temperatures

本文通过对比8#试验车在不同温度的瞬态氨排放，认为低温环境将导致排气中所含有的水蒸气在采样管中存在冷凝现象。这是因为NH3极易溶于水，在冷启动的过程中，大量的氨形成后并没有直接释放，而是被冷凝水吸收，而随着时间的推移，采样管温度上升，液态水将所吸收的NH3逐渐释放，由此出现NH3的“后释放”现象，进而导致了在低速与中速段始终存在NH3的缓慢释放现象。该现象在0 ℃环境下同样存在，其后释放弱于-10 ℃环境，在常温环境与高温环境试验中该现象并未出现。本文通过采用加热氨采样管路的方式尽量减少了冷凝水对氨排放的影响，然而在低温环境下仍存在后释放的现象，说明局部采样管加热的方式仍不能完全消除采样管路冷凝的影响。因此，本文认为在下一阶段对氨排放的研究过程中，特别是在低温环境下，需要考虑通过对全部采样管路进行预热，试验前需达到100 ℃以上，并且在试验的过程中始终保持采样管温度，方能消除低温下冷凝水对氨排放的影响。

在冷启动完成后，催化器温度已经达到氨的生成窗口温度，然而空燃比在闭环控制下能够较好地稳定在理论空燃比附近，并不会出现较高的CO 排放，导致三元内部还原环境不能持续保持，因而不会出现大量的氨排放。

40 ℃环境下冷启动试验过程与23 ℃环境类似，氨排放主要存在于低速段。与常温环境不同的是，由于起始温度较高，暖机工况较快完成，其氨排放首次出现的时刻早于常温环境。

值得一提的是，在40 ℃热启动试验中的高速段与超高速段在首次加速的过程中出现了氨排放的瞬态高峰，如图7 所示。本文认为在高温环境开启空调的工况下，急加速时将出现偏离理论空燃比的“开环”现象，此时缸内混合气浓度较大，CO 排放迅速增加，导致出现大量的氨排放。以9#试验车为例，在高速段与超高速段的加速过程中，当量比长时间保持在1 以下时，此时缸内混合气较浓，CO 与未燃THC 增加，三元催化器内部还原环境持续时间较长，氨排放出现持续较高的峰值。

图7 高温环境下不同启动状态的氨排放Fig.7 Ammonia emission under different starting states in high temperature environment

2.3 混合动力技术对氨排放的影响

9#试验车为插电式混合动力电动汽车，在试验过程中为电量保持模式，对比不同温度下的氨排放结果。我们发现在-10 ℃环境下，为尽快完成暖机工况，在冷启动初始阶段，发动机始终运转，并存在瞬态加浓工况，导致CO 瞬态排放持续较高，此时氨生成的条件满足，开始出现较高氨排放。在250 s 左右，催化器温度达到800 ℃，此时暖机工况基本结束，动力电池开始介入动力系统，在减速制动以及随后的初始加速过程中，发动机开始出现停机现象，见图8。在发动机停机重启时刻，缸内将喷入较浓混合气，同时发动机的停机将导致催化器温度下降，对于CO 的催化效率随之下降，导致三元内部还原环境始终存在，在加速过程中CO 与氨排放出现瞬态峰值，见图9。

图8 -10 ℃环境试验过程中的CO排放与氨排放(9#车)Fig.8 CO and NH3 emission during -10 ℃ environmental test(9# vehicle)

图9 -10 ℃环境试验过程中的催化器温度与当量比(9#车)Fig.9 Catalyst temperature and equivalence ratio during-10 ℃ environmental test(9# vehicle)

结合图10、11 中不同环境温度下瞬态氨排放与不同阶段占比可知，在低温环境下，氨排放主要生成于低速段与中速段；在常温环境与高温环境下，氨排放在低速段的生成量较少，主要集中于中速段之后的行驶过程中，造成该现象的主要原因是低温环境下发动机停机对氨排放的影响不显著，其主要影响因素为冷启动过程中的CO 排放。而在常温与高温环境下行驶过程中，由于冷启动过程动力电池的介入，导致发动机停机效果较为明显，在降低油耗的同时降低催化器温度与催化效率，导致在低速段的氨排放并不显著。

图10 不同环境温度下氨排放瞬态图Fig.10 NH3 transient emission at different ambient temperatures

在0 ℃试验中，氨排放主要集中于低速段与中速段，在高速段与超高速段的氨排放量较少。在常温(23 ℃)试验中，与低温试验不同的是，在低速段并没有出现较高的氨排放，其原因主要是常温环境下由于动力电池介入动力供应，发动机停机较为频繁，导致催化器温度并不能稳定保持在氨生成窗口温度，只有在300～400 s 时间段内，由于发动机持续运行，催化器温度稳定，此时出现较少量的氨生成。而进入中速段后，由于车速的增加，动力电池参与动力供应较少，发动机能够长时间保持运行状态，催化器温度稳定上升，为氨的形成提供了必要条件，此时当车辆加速时CO 排放增加，催化器内部氨形成。

对于高温环境，由于空气密度下降，导致发动机进气受到影响，实际进气量较小，充量系数降低，缸内不完全燃烧程度高于常温环境，同时开启空调后发动机负荷增加，为满足负荷要求，需要加浓混合气。上述因素叠加将导致在中速与高速行驶过程中氨排放高于常温环境。

图11 不同环境温度下不同速度段氨排放占比Fig.11 Proportion of ammonia emission at different speeds under different ambient temperatures

如图12 与图13 所示，在高温热启动试验过程中，在高速段与超高速段，通过对比瞬态氨排放与当量比可知，在高速段1 200 s 与超高速段的加速过程中，尤其是在车速高于100 km/h 的过程中，当量比始终较低，同时CO 出现持续的峰值时，本文认为在该时刻出现了发动机空燃比偏离理论空燃比，即“发动机开环”现象，此时将出现持续时间较长的氨排放。