基于WLTC和NEDC循環的輕型車氨排放特性研究*

羅佳鑫，崔健超，譚建偉，楊正軍，朱慶功

（1.中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2.一汽豐田技術開發有限公司，天津 300462；3.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

前言

在交通對氨排放的貢獻中，重型車的氨排放主要來源于 SCR（selective catalytic reduction）的氨泄漏，而在城市區域保有量占主要地位的輕型車同樣也會產生氨排放，輕型車氨排放的主要來源是三元催化器內發生的氧化還原反應。目前研究認為，三元催化器內氨的主要生成反應是在催化劑的作用下，CO與H2O發生水煤氣反應生成H2，NO被H2還原生成氨［5-7］，其生成機理為

本文中主要針對輕型汽油車在實驗室工況（NEDC工況循環與WLTC工況循環）下氨的排放特性進行了研究，內容包括輕型汽油車行駛過程中氨生成的主要工況、機動車在使用過程中氨排放的變化情況和在不同環境溫度條件下輕型車的氨排放情況。

1 試驗方案和試驗車輛與設備

1.1 試驗車輛與設備

本文中涉及的試驗車輛共3輛，其主要技術參數見表1。

表1 試驗車輛主要技術參數

主要使用的試驗設備見表2，其中底盤測功機為四驅型，環境艙可以實現試驗環境溫度從-7到40℃的改變。

1.2 試驗方案

氨與常規污染物的理化特性存在較大差異，因此需要采用與常規污染物不同的采樣分析策略。由于氨是極易溶于水的氣體，可能被管壁吸收，氣袋采樣和全流稀釋采樣可能會導致氨被吸收同時出現采樣分析延遲，因此不適用于對氨的采樣和分析，直采法可減少管路中水蒸氣冷凝造成的氨損失，因此本文中采用直采法進行采樣，利用傅里葉變化紅外測試法（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）進行分析。此外為了最大程度減少氨的損失，對氨的采樣位置盡量靠近排氣管出口，同時在進行采樣前使用標準氣與純氮氣標定分析儀的量程與零點，標定完成后使用加熱的純氮氣對采樣管路進行吹掃。

表2 試驗設備

本文中對試驗車輛采用的測試工況為國五法規規定的NEDC循環與國六法規規定的WLTC循環，其中試驗車A進行常溫冷起動污染物排放試驗，在三元催化器前后分別進行采樣，測試循環為WLTC工況循環，通過對比可得三元催化器前后的常規污染物與氨的瞬態排放特性以及排放因子；試驗車B進行了國五法規中規定的V型試驗即耐久性試驗，每1萬km進行一次標準I型試驗（NEDC工況循環），并對氨與常規污染物的排放情況進行分析；試驗車C進行不同環境溫度條件下的排放試驗，其中低溫環境為-7℃，高溫環境為40℃，試驗工況為WLTC循環。

2 結果分析

2.1 常溫冷起動下輕型車排放特性

對輕型汽油車A發動機原始排氣與經過三元催化器凈化后的氣體成分進行分析，表3為三元催化器前后常規污染物與氨的排放情況對比。由表3可知，試驗車A的原始排放較差，CO與 NOx濃度較高，經過三元催化器后，原排氣中的NOx與CO在催化劑的作用下發生氧化還原反應，體積濃度與質量排放大大降低，三元催化器對NOx的催化效率可達95.49%，對CO的催化效率為64.09%。NOx向氨轉化的選擇性的計算公式［6］為

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式中：S表示NOx向氨轉化的選擇性；EFi表示排放因子，g／km；MNOx取 30 g／mol；MNH3取 17 g／mol。由式（4）算得在整個循環內NOx向氨轉化的選擇性為6.13%。

表3 發動機原排放與經過三元催化器后的排放對比

圖1為在整個WLTC循環內三元催化器前后氨的瞬態體積濃度。結合表3和圖1，對比三元催化器前后氨的瞬態排放可知，在三元催化器前，氨的濃度極低，在缸內燃燒的過程中并沒有產生氨，然而原始排氣經過三元催化器后，氨的濃度急劇增加，證明氨是三元催化器內部氧化還原反應的副產物。綜合表1中的排氣成分，根據元素守恒與電子守恒，認為三元催化器內反應生成氨的過程中，N原子的來源應為氮氧化物（主要為NO），氮氧化物起氧化劑作用，H原子可能來源于THC或水蒸氣中脫離的H原子［6-7］，主要還原劑為 CO。

由試驗車A的氨瞬態排放特性可知，氨生成的工況主要集中于循環內車輛的加速過程，為進一步分析車輛在加速過程中氨的排放情況，計算了整個循環內基于不同車速和加速區間的氨排放因子，其中加速區間的劃分通過計算（v·a）實現［8］。圖2為不同加速區間內的氨排放因子。由圖2可知，加速工況尤其是在高速段與超高速段持續時間較長的加速工況是導致氨排放生成較高的行駛工況，隨著加速程度的增加，氨排放因子呈現上升趨勢，其中最大氨排放因子可達181.99 mg／km。另外，頻繁起停工況下的氨排放因子同樣較高，在城市區域早晚高峰時段，道路較為擁堵，此時起停工況發生頻繁，因此頻繁起停工況下的氨排放須引起關注。

圖1 三元催化器前后氨的體積濃度對比

圖2 不同車速與加速區間內的氨排放因子

圖3為不同車速區間內NOx向氨轉化的選擇性。由圖可知：當車速高于20 km／h時，選擇性穩定在10%以下；在車速較低時，選擇性最高可達38.02%。因此，NOx向氨轉化的最高選擇性發生于車速較低的工況。

圖3 不同車速區間內NO x的選擇性

機動車比功率（vehicle specific power，VSP）的物理意義是發動機驅動單位質量（1 t）車輛時所輸出的功率，單位為 kW／t，其計算公式［8］為

式中θ為道路坡度，本文中取0。

近年來，多種宏觀或微觀排放模型中采用了基于VSP值的建模分析方法，為更好地分析車輛在不同行駛過程中的氨排放，本文中計算了在不同VSP區間內的氨排放因子。

圖4為不同VSP區間內氨的排放因子。由圖4可知，隨著VSP值的增大，氨的排放因子呈增長趨勢，VSP值的增大意味著車輛的行駛速度或加速度較大，說明隨著車輛行駛速度或加速度的提升，氨排放因子增大。VSP值在［-0.5，0.5］區間內時，氨排放因子出現階段性的極值，該區間對應的車輛行駛工況為起停工況。VSP值在［20.5，21.5］區間內時，氨排放因子出現最大值，為109.67 mg／km。

由上述分析可知，試驗車A在加速工況中生成的氨較多。圖5為循環內氨（三元催化器內生成量）與CO（三元催化器前）排放的相關關系。由圖可知，CO與氨之間存在一定的正相關，相關系數可達0.781 7。造成該現象的主要原因是CO濃度較大時，三元催化器內部將呈現還原環境，從而有利于氨的生成。

圖4 不同VSP區間內氨的排放因子

圖5 氨與CO的相關關系

試驗車A采用的技術方案為多點噴射（MPI）＋自然吸氣（NA），該試驗車燃油噴射點均位于進氣道內。在加速等需要加大負荷時，采用缸內直噴技術的發動機主要通過增加噴油量（保證空燃比工作在化學計量比附近）提供更大功率，而采用進氣道噴射技術的發動機增加功率的方式為增大節氣門開度，調整過量空氣系數，向缸內噴入較濃的混合氣；同時，采用渦輪增壓進氣形式的發動機進氣量更充足，過量空氣系數高于自然吸氣形式，在加速過程中自然吸氣形式發動機更容易在缸內出現較濃混合氣。因此，在循環過程中需要加速時，試驗車A噴入的混合氣較濃，燃料不完全燃燒加劇，導致原始排氣中CO排放較高，進入三元催化器后，極易造成較強的還原環境而促進氨的生成。本文中認為采用進氣道噴射與自然吸氣技術方案的輕型汽油車更容易產生高CO排放，進而導致高的氨排放。

2.2 耐久性試驗排放結果

本文中對試驗車B進行耐久性試驗，圖6為在不同行駛里程下NEDC循環內氨的體積濃度排放情況。由圖6可知，在車輛行駛里程增加的過程中，試驗車B的氨瞬態排放特性規律較為一致，氨生成的工況主要集中于冷起動過程中三元催化器達到起燃溫度后的兩個加速過程，同時里程的增加伴隨著氨體積濃度的上升。

圖6 不同里程的氨排放

與試驗車A不同的是，試驗車B在冷起動完成后的其它行駛階段內氨排放量較少，導致這一現象的原因主要是由于試驗車B采用了GDI＋渦輪增壓技術，在冷起動階段為滿足發動機起動的需要，噴入缸內的混合氣較濃，原始排放中CO濃度較高，還原環境始終較強，較強的還原環境導致大量氨的生成。而在冷起動過程結束后，采用閉環控制的缸內直噴技術導致缸內不會長時間持續出現過濃混合氣，原始排氣中CO濃度始終較低，導致三元催化器內還原環境較弱，氨生成量較少。

此外，隨著里程的增加，在0～8萬km范圍內，氨排放呈現逐漸增加的趨勢。圖7為在0～8萬km范圍內常規污染物與氨的排放因子變化情況。由圖7可知，在里程增加的過程中，CO的增加趨勢較為明顯，里程為8萬km時的排放因子為125.82 mg／km，可達 1萬 km時排放因子（55.33 mg／km）的2.27倍；氨排放呈現整體上升趨勢，當里程達到8萬km時，氨的排放因子為1.47 mg／km，為1萬km時排放因子（0.319 mg／km）的4.62倍。同時可以發現CO與氨排放因子呈現較為明顯的正相關，在CO排放較高的里程點，氨排放因子同樣較高，而氨與NOx之間存在輕微的負相關。

圖7 不同里程下的排放因子

在進行耐久性試驗過程中，發動機原排放將出現惡化的趨勢，同時后處理系統會發生老化現象，發動機原排放的惡化將導致進入三元催化器內的反應物的濃度較高，有利于氨的生成，三元催化劑的老化將導致對NOx催化效率的下降，催化效率的下降同樣有利于氨的生成，導致氨排放隨里程增加呈現上升趨勢。

2.3 不同環境溫度下排放結果的分析

環境溫度的變化也會對輕型車的排放情況產生影響，因此有必要研究不同環境溫度下輕型車的氨排放情況。本文中利用環境艙對環境溫度進行調節，利用試驗車C進行了低溫（-7℃）與高溫環境（40℃）下的試驗。圖8和圖9分別為在兩種環境溫度下氨與CO排放的瞬態體積濃度。由于不同溫度條件下的排放差異主要集中在冷起動階段，因此圖8和圖9中截取了WLTC循環中的低速段與中速段數據。

表4為不同環境溫度條件下CO，NOx和氨的排放因子。結合圖8和圖9可知，與高溫環境相比，低溫環境下的冷起動過程中輕型車氨與CO排放相對較高。低溫條件下，車輛在冷起動過程中，由于進氣溫度較低，燃油霧化較差，缸內燃燒溫度低，滯燃期增長，燃燒不充分程度加劇，同時為了發動機正常起動和盡快完成暖機過程，須進行附加的混合氣加濃，進一步導致原始排放中CO濃度增加，進入三元催化器后，導致三元催化器內還原環境較強，氨的生成量較高。

圖8 不同環境溫度下氨的體積濃度

圖9 不同環境溫度下CO的體積濃度

表4 不同環境溫度下的排放因子

而在高溫條件下，燃油霧化情況較好，不完全燃燒程度較低，因此氨的生成量較少。同時，高溫環境下三元催化器達到起燃溫度的時間較短，因此氨出現的時刻要早于低溫環境。綜上所述，低溫環境下冷起動過程將產生大量的CO與氨排放，高溫環境下產生的CO與氨排放較少。

3 結論

（1）在發動機原始排氣進入三元催化器后，發生氧化還原反應生成副產物氨。持續時間較長的加速工況是氨生成的主要工況。原始排放中較高的CO排放將有利于氨的生成，采用進氣道噴射與自然吸氣技術方案的輕型車更容易產生高的氨排放。

（2）隨著行駛里程的增加，氨排放呈現上升趨勢，在不同里程下氨與CO排放因子呈正相關。

（3）環境溫度對輕型車氨排放的影響主要集中于冷起動階段，低溫環境更容易產生較高的CO與氨排放。

在后續的研究過程中，將利用發動機臺架研究不同類型發動機原始尾氣排放對三元催化器內氨生成的相關影響。