车用国六柴油机氧化亚氮（N2O）排放特性研究

摘要：对一台满足国六排放的车用柴油机进行台架试验，探究其在国六标准试验循环中的氧化亚氮（N2O）排放特性。结果表明：在稳态和瞬态循环中，N2O的排放均受排温及尿素喷射的影响。在冷热态瞬态循环中，前期N2O排放差异较大，热态循环排放远高于冷态，后期排温升高，冷态与热态N2O排放趋势基本一致。在稳态循环中，随着负荷增加，排温升高，N2O排放会出现峰值，当负荷降低时，过量喷射的尿素使逃逸的NH3在ASC中被氧化，同样会出现峰值。

关键词：柴油机；氧化亚氮；排放特性；台架试验

中图分类号：U467 收稿日期：2023-08-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.11.022

1 前言

柴油机具有经济性好、动力性强、可靠性高等优点，被广泛应用于交通、军事等诸多领域，在我国日常生活和国防建设中发挥着重要作用[1]。然而，随着我国的经济飞速发展，汽车的保有量也不断增加，柴油机排放带来的环境污染问题也日趋严重，氮氧化物（NOx）作为柴油机排放污染物之一，一直备受环保监管部门关注。NOx是对NO和NO2的统称，其中绝大部分为NO，约为95%。然而，在这个化合物群体中，还有一种不容忽视的污染物氧化亚氮（N2O），作为《京都议定书》中规定的六种温室气体之一，它的温室效应是CO2的300多倍[2]，且对臭氧层有着极强的破坏作用。

为了应对严格的国VI排放法规，广泛应用的后处理技术有氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）、选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）以及氨气氧化催化器（Ammonia Slip Catalysts，ASC）等，然而大量试验研究表明，这些后处理装置会显著地增加N2O的排放[3]。

对于柴油机后处理系统N2O排放特性，国内外许多学者的研究表明，DPF主动再生时，由柴油不完全氧化反应生成的HC会在DOC贵金属催化剂表面与排气中的NOx发生副反应生成N2O[4]；相比于铁沸石和矾基SCR催化剂，铜沸石催化剂更易于生成N2O[5]；在SCR催化器中，当温度较低时，SCR催化剂表面生成的NH4NO3受热分解会生成N2O，当温度较高时，NH3在SCR中发生氧化反应也会生成N2O[6]；在ASC中，SCR中泄漏的NH3会继续发生氧化反应，部分生成N2O[7]。

本次试验通过运行世界统一稳态循环（world harmonized steady state cycle，WHSC）和世界统一瞬态循环（world harmonized transient cycles，WHTC），对排放结果进行分析，研究标准工况下N2O的排放特性。

2 试验设备

本文以一台四缸国六车用柴油机为研究对象，其后处理型式为DOC-DPF-SCR-ASC，该柴油机主要技术参数如表1所示。

本次试验搭建的排放测试台架主要由HORIBA HT250型电力测功系统、FQ3100DP型油耗仪、INCA电脑、MEXA-ONE-DC-OV型排放分析仪、AVL SESAM I60 FT SII型傅里叶变换红外分析仪等设备组成，对发动机转速、扭矩、油耗、后处理温度、常规及非常规污染物排放数据进行采集记录。除此外还采用全室空调、进气空调、中冷水恒温控制系统、冷却水温控制系统来控制发动机各项边界条件，发动机台架试验系统示意图见图1。

3 试验方法

测试台架搭建完成，按照厂家规范热机完毕后，额定点运行发动机调节边界条件至发动机制造厂规定值，维持边界条件稳定至少10 min，在WHSC第9工况下运行至少10 min进行预置，完成预置后发动机停机，停机后的（5±1）min，发动机启动进入WHSC测试循环。

在进行冷热态WHTC试验前，需运行2次热态WHTC循环进行预处理，预处理结束后进行至少6 h的冷机处理，待机油、冷却液及后处理温度都达到293 k和303 k（20～30 ℃）之间后，进行冷启动循环试验。

4 数据分析

4.1 WHSC循环N2O排放特性

WHSC循环由13个稳态工况点组成，各工况转速扭矩如图2所示。本次试验研究测量了原机排放（在后处理前安装采样探头）和后处理装置后排气中N2O体积分数。

由图3可知，WHSC循环中，后处理装置前后排气中N2O的体积分数差异巨大，原机排放中的N2O体积分数平均值为0.68×10-6，整个循环过程中无明显峰值；后处理后排气中N2O体积分数均值为16 .5×10-6，且随工况变换在循环第210 s、850 s、1 450 s左右形成多处峰值，其中最大峰值为26.5×10-6。循环0～210 s，排气中N2O体积分数先上升后下降，SCR入口温度在260 ℃左右，据此推测N2O主要来源为SCR催化剂表面NH4NO3受热分解以及存储的NH3在ASC中被氧化，40 s由于后氨存储量下降，N2O生成速率降低；循环第210 s、850 s处由于工况切换，转速负荷快速提高，排温迅速升高，尿素大量喷射，NH3被O2或N2O氧化生成大量N2O，1 235～1 450 s时随着转速负荷降低，SCR入口温度由410 ℃降至330 ℃，过量喷射的NH3在ASC中发生氧化反应生成N2O且生成速率随温度降低逐渐上升，最终在1 450 s处形成排放峰值。

4.2 WHTC循环N2O排放特性

WHTC冷热态后处理装置前后排气中N2O体积分数对比如图5、图6所示。冷热态循环过程中原机N2O排放几乎为0，后处理后排气中N2O体积分数相较原机排放有显著提高且随工况变换产生多处峰值。

为了进一步探究N2O排放特性，对比冷热态WHTC后处理后N2O体积分数以及SCR入口排气温度，如图7、图8所示。由图可知，冷热态WHTC排气中N2O体积分数差异主要存在于循环前半段，热态排放明显高于冷态，冷态循环前100 s内几乎没有N2O生成，而热态WHTC在循环第50 s便迅速形成一个排放峰值，这是由于冷态循环前期SCR入口温度仅有25 ℃左右，而热态循环则有216 ℃，在此温度下，ASC内存储的NH3被氧化生成NO等自由基吸附在贵金属表面，N与NO反应生成N2O[4]。800～1 000 s冷热态循环N2O排放差距逐渐缩小，由于SCR入口排气温度达到190℃，尿素喷射系统开始工作，较低温度下NH4NO3受热分解生成N2O，且生成速率随着温度升高逐渐加快。1 000 s以后，随着SCR入口排温差距缩小，冷热态WHTC的N2O排放趋于一致；循环1 300 s以后，由于SCR入口温度过高，SCR催化剂表面难以生成NH4NO3，尾气中N2O体积分数逐渐降低。

5 结语

a.车用柴油机原排中N2O排放很低，可以忽略，而尾排中N2O主要是在后处理中生成的，降低N2O排放需要从柴油机后处理（DOC+DPF+SCR+ASC）的优化途径来实现。

b.车用柴油机N2O排放与排气温度以及尿素喷射量具有很高的相关性，可通过优化热管理以及尿素喷射策略来降低N2O排放。

参考文献：

[1]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2]Hu Z，Lee J W，Chandran K，et al.Nitrous oxide（N2O）emis- sion from aquaculture：a review[J].Environmental Science & Technology，2012，46（12）：6470-6480.

[3]Graham L A，Rideout G，Rosenblatt D，et al.Greenhouse gas emissions from heavy-duty vehicles[J].Atmospheric Environment，2008，42（19）：4665-4681.

[4]Kamasamudram K，Henry C，Currier N，et al . N2O formation and mitigation in diesel aftertreatment systems[C].SAE Paper 2012-01-1085.

[5]唐韬，张俊，帅石金，等.柴油机后处理系统N2O排放特性的试验研究［J］.汽车工程，2014，36（10）：1193-1196.

[6]Suzuki H，Ishii H .Analysis of emission and formation character- istics of nitrous oxide（N2O）under urea SCR［J］.Transactions of Society of Automotive Engineers of Japan，2009，40（4）：991-996.

[7]Gil E S.Evaluation of ammonia slip catalysts［D］.Chalmers University of Technology，2013.

作者简介：

常鹏，男，1995年生，工程师，研究方向为发动机节能减排与测试技术。

吴春玲（通讯作者），男，1984年生，高级工程师，研究方向为重型车排放检测与控制。