基于国六标准工况的甲醇增程式发动机N2O和NH3排放特性研究

2023-08-28刘冰吴滴张超熊卫东闫少锋

车用发动机 2023年4期

刘冰,吴滴,张超,熊卫东,闫少锋

(1.招商局检测车辆技术研究院有限公司,重庆 401329;2.博世电动工具(中国)有限公司,浙江杭州 310052)

随着我国汽车行业的高速发展,我国汽车保有量也快速增加。根据预测,2031年我国汽车保有量将达到3.5亿辆[1]。能源安全和环境污染问题一直是内燃机研究的重点,因此我国加强了汽车排放法规的要求,鼓励发展清洁能源。甲醇是一种高效清洁的内燃机替代燃料,近年来越来越受到关注。早在2019年,工信部等八部委就发布了关于在部分地区开展甲醇汽车应用的指导意见[2],规定新生产的甲醇汽车按照GB 17691—2018重型柴油车标准进行型式检验,该指导意见对甲醇发动机发展起到了重要推动作用,但是没有给出甲醇和甲醛非常规污染物的测量方法。2020年生态环境部正式发布了标准HJ 1137—2020《甲醇燃料汽车非常规污染物排放测量方法》,明确了甲醇和甲醛非常规污染物的测量方法,又一次加速了甲醇汽车的发展。目前国内吉利汽车已经推出了甲醇乘用车商用车,为甲醇汽车市场化奠定了坚实的基础。

甲醇发动机具有较低的CO、HC、NOx等常规气态污染物排放和颗粒物排放[3],但尾气中含有对人体有害的未然甲醇及甲醛。目前国内外针对甲醇发动机排放的研究主要集中在常规的CO、HC、NOx排放和非常规的醇醛类排放[4],而对NH3和N2O排放的研究却很少。NH3是一种无色有强烈刺激性气味的气体,易损伤人体的黏膜、呼吸道等组织器官[5]。汽车尾气中NH3含量较少,但对环境的影响却非常大,所以轻型车和重型车国六标准都对NH3排放进行了严格限制。有研究表明,机动车尾气中NH3排放大多数来源于后处理系统的催化反应[6]。

汽车尾气中NOx通常是NO和NO2的统称,其中NO占比约95%。在NOx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(N2O),其增温能力是CO2的300多倍[7],是《京都议定书》规定的强温室气体。以前汽车尾气中N2O排放并不高,也没有引起人们的关注。但随着排放法规不断加严,柴油机普遍采用DOC+DPF+SCR+ASC的后处理型式,而汽油机、燃气发动机、甲醇发动机则采用普遍采用三元催化后处理装置。一些学者的试验研究表明,这些后处理装置的使用会导致N2O排放大幅增加[8]。因此监管部门在轻型车国六标准中已经增加了对N2O的要求,在下一阶段重型车排放标准中也会增加对N2O的限值要求。

增程式电动汽车作为新能源汽车的一种,相较于纯电动车解决了里程焦虑的问题,相较于燃油车又增加了电车的驾驶体验。由于增程式发动机仅作为发电用,发动机可以保持在高热效率工况运行,因而又可以降低燃油消耗。在当前电池价格高居不下的市场环境下,结构简单的增程式汽车在乘用车领域越来越受到青睐。但增程器在商用车领域应用不多,仅在轻型商用车有一些应用。乘用车和大多数轻型商用车都使用技术成熟的汽油机作为增程器,也有一些厂商看到甲醇发动机节能减排的优势后开始研究甲醇增程式汽车。本研究以试验方法探究了甲醇增程发动机在标准工况下的NH3和N2O的排放特性,意在为甲醇增程发动机的NH3和N2O排放研究及认证标定提供指导。

1 试验仪器与设备

以一台1.8 L自然吸气点燃式甲醇增程发动机为研究对象,搭建发动机台架排放测试系统,进行重型车国六阶段冷热态WHTC瞬态循环试验。该甲醇增程发动机应用在大于3.5 t的商用车上,根据八部委的指导意见,需按照GB 17691—2018标准中燃气发动机的要求进行台架WHTC循环排放测试。表1列出该甲醇发动机相关技术参数,后处理技术路线为三元催化器。三元催化器可将汽车尾气排出的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的CO2、H2O和N2。汽油机、燃气发动机和甲醇发动机普遍都采用三元催化后处理系统。三元催化器仅在理论空燃比附近催化效率高,因而甲醇发动机空燃比必须控制在理论空燃比6.5左右。针对甲醇发动机专门开发的三元后处理系统与燃气发动机的三元后处理系统类似,但铂铑钯贵金属含量及比例不同,且对甲醇、甲醛有也有深度的转化效果。

表1 甲醇发动机技术参数

试验采用HORIBA HT350电力测功机、同圆CMFD015甲醇油耗仪、久鼎进气空调系统、ABB 进气流量计等试验设备,NH3和N2O通过HORIBA MEXA-ONE-FT-E排放分析仪在尾气中直接采样分析。所构建的甲醇发动机排放测试台架示意见图1,试验台架布置见图2。

图1 发动机排放测试台架示意

图2 发动机测试台实物

排放试验开始前需确认发动机及后处理系统状态。三元催化器应在排气温度不低于450 ℃时运行2 h,以达到充分激活的状态。发动机满负荷运行查看功率扭矩是否正常并在标定点调整进气负压、排气背压、冷却液温度、进气温湿度等试验边界条件。发动机状态确认无误后进行动态外特性曲线试验(Powermap),检查外特性曲线合格后即可冷机进行排放试验。

2 试验循环及测试方法

为了探究甲醇增程发动机在重型车国六标准循环工况下的NH3和N2O排放特性,采用GB 17691—2018标准中规定的瞬态WHTC循环(见图3)进行排放测试试验。

图3 WHTC循环工况

WHTC循环是由1 800个逐秒变化的工况点组成的测瞬态循环,涵盖了城市工况、郊区工况和高速工况。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。进行冷热态WHTC循环试验前,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 ℃之间,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 ℃。从停机状态直接进入冷热态WHTC排放测试循环。

3 试验结果及分析

3.1 WHTC试验N2O排放特性研究

进行了原机(拆掉三元催化后处理装置)和带后处理装置两种模式下的WHTC试验。图4和图5分别示出冷态和热态WHTC循环中两种试验模式下N2O的排放情况。从图中可看出,不管是冷态还是热态循环,两种试验模式下的N2O排放都差异巨大。在原机排放中,整个循环期间几乎没有N2O排放,也没有形成明显的排放峰值。而在带三元催化后处理模式中,N2O排放波动剧烈,且在循环中冷热态表现出相同的排放特性。不同的是冷起动时几乎没有N2O排放,而热起动时N2O排放较高。这是因为冷起动时三元催化器还没有到达起燃温度,没起到催化作用,因而冷起动时N2O排放与原排一致。在循环进行300 s左右催化器开始起燃,此后冷热态N2O排放趋势基本一致,都是在第400 s、第1 100 s和第1 300 s左右出现N2O排放峰值。虽然冷热态的排放趋势相同,但是排放峰值却相差较大。冷态循环中N2O排放峰值在75×10-6左右,而热态仅仅为40×10-6左右。

图4 冷态WHTC循环原机与带后处理装置的N2O排放对比

图5 热态WHTC循环原机与带后处理装置的N2O排放对比

表2列出了N2O的循环平均排放量和循环比排放情况。由表2可知,冷热WHTC循环中N2O的循环平均排放和比排放结果相差不大,冷态仅仅稍大于热态。由此可见,虽然冷态循环中峰值明显高于热态,但由于热态循环初始阶段N2O排放较高,导致整个循环平均来看冷热态N2O排放水平非常接近。

表2 冷热态N2O排放对比

Graham等[9]在研究带三元催化后处理系统的天然气发动机排放时发现,空燃比对N2O排放影响很大,且在混合气较稀的时候容易生成N2O。本研究通过将N2O排放峰值和WHTC循环工况图对比发现,N2O峰值都是出现在发动机突然从高转速下降到低转速区域,即空燃气比突然变大、混合气变稀薄的区域。这说明带三元后处理系统的甲醇发动机N2O排放特性与燃气机是一致的。

3.2 WHTC试验NH3排放特性研究

图6和图7分别示出原机和带三元催化后处理系统两种模式下冷态和热态WHTC循环中的NH3排放情况。从图上可看出,在原机排放中NH3与N2O表现一样,整个循环期间几乎没有NH3排放,也没有形成明显的排放峰值。在三元催化器模式下,不管是冷态还是热态循环,NH3排放并没有和N2O一样跟随发动工况变化而剧烈波动,且冷热态排放趋势基本一致。区别是冷起动时没有NH3排放,而热起动时有少量的NH3排放。这是由于冷起动时催化器未达到工作温度而未起到催化转化作用。在后处理模式下,冷态和热态NH3排放都是从循环开始一直在缓慢增加,1 000 s以后增长明显加快,并在1 400 s左右形成峰值,然后又迅速下降直至循环结束。冷热态峰值差距较大,冷态峰值为20×10-6左右,平均值为3.5×10-6,而热态峰值达到30×10-6左右,平均值为4.9×10-6。由此可见,热态循环NH3排放的峰值和平均值都要高于冷态循环。

图6 冷态WHTC循环原机与带后处理装置的NH3排放对比

图7 热态WHTC循环原机与带后处理装置的NH3排放对比

为了探究N2O、NH3排放与排气温度的关系,图8示出热态WHTC循环中N2O、NH3排放与排气温度的关系。从图8可看出,热态循环开始阶段,排温为300～400 ℃时,N2O大量生成,且随着发动机工况变化剧烈波动,并在1 100 s形成峰值。在这期间排气温度波动上升,但是NH3排放很低,且增加极为缓慢。这说明甲醇发动机的N2O主要在400 ℃的低温区间生成,且与发动机工况(空燃比)密切相关。唐飞等[10]对燃气发动机的研究表明,N2O主要由低温下CO还原NO反应生成,这说明带三元催化器的甲醇发动机和天然气发动机N2O排放特性是一致的。

图8 热态WHTC循环N2O、NH3排放及排温

与N2O主要在低温段形成不同,NH3大量生成是在循环1 300 s以后、排温达到500 ℃以上时。但排温超过550 ℃以后,NH3排放又迅速降低,在这一高温区间NH3排放量极低。循环中NH3排放并没有跟随发动机工况剧烈波动,这说明NH3排放与发动机工况变化关系不大,而与排温密切相关,且排温在500～550 ℃的区间内排放量最大。文献[10]研究表明,NH3是通过H2还原NO反应生成,H2是催化剂上的蒸气重整和水煤气变换反应生成,NH3在高温下极易发生氧化反应生成N2,因此达到550 ℃高温后,NH3排放会迅速降低。文献[10]研究发现,H2O含量对NH3排放影响较大,而甲醇发动机尾气中H2O含量很高,这可能也是甲醇发动机NH3排放高于柴油机的重要原因。