輕型汽油車氨排放影響因素分析

摘 要：PM2.5中除一次粒子外，還有以銨鹽為主要成分的二次粒子，而城市地區大氣中氨排放有相當比重來源于機動車排放，除柴油車SCR系統氨泄漏外，輕型汽油車氨排放同樣不容忽視;本文從整車層面入手，選取5輛國六車型得出氨排放因子，分化較大，最大值達到11.17mg/km，均值為3.792mg/km;選取典型車型分析其三元催化器（TWC）前后污染物變化得出結論，NH3來源于TWC中進行的催化反應，且多發在發動機持續濃燃，尾氣中強還原性的氛圍下，部分高選擇性區間內NH3/NOx高達2.86。

關鍵詞：輕型車;氨排放;三元催化器

0 引言

PM2.5的來源除一次粒子外，還有以空氣中存在的氣態污染物為前體，經過化學轉化生成的二次粒子，二次粒子則主要由硫酸銨和硝酸銨（由大氣中的SO2和NOx與NH3反應生成）等組成，形成過程為一次污染物SO2和NOx通過均相或者非均相反應的氧化轉化為酸性的氣溶膠[1-3]，然后再與大氣中唯一的偏堿性的NH3反應生成硫酸銨（亞硫酸銨）和硝酸銨氣溶膠粒子，因此NH3是大氣中二次粒子的重要前體物之一，是形成PM2.5的重要源物質。

Chih-Chung Lin等人的研究表明交通繁忙地段的NH4+濃度要遠高于郊區的NH4+濃度，交通繁忙的城市區域，農業源的NH4+占比微乎其微[4]。

Thomas D. Durbin等人對于39輛在用輕型汽油車的氨排放特性進行了研究，車隊中涵蓋了沒有裝TWC的車輛到滿足加利福尼亞洲ULEV排放標準的車輛，測試循環是FTP循環，他們給出的排放因子范圍為4-177mg/km，平均值為54mg/km [5] ; Huai等人使用FTP、US06、505、NYCC以及MEC01v7等五種循環對8輛滿足LEV和SULEV標準的輕型車進行了NH3排放研究，研究發現， 老化TWC車輛的NH3排放顯著高于未老化TWC車輛的水平 [6] 。

目前國內對機動車氨排放的研究主要集中在使用SCR技術的柴油車氨泄漏上，對輕型汽油車的氨排放幾乎沒有關注，反應在現行的輕型車國六排放標準中也并沒有針對氨排放的限值，但根據近期歐洲披露歐7的相關消息，NH3將被加入測試范圍。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

NH3的特殊物理特性決定了NH3排放的測量宜采用加熱直采的方式，實驗系統建立在整車轉鼓排放試驗平臺基礎上;常規污染物排放分析系統采用的是日本HORIBA公司的MEXA-7000分析儀;NH3分析儀采用的是日本HORIBA公司的MEXA-6000FT，其測量原理為傅里葉紅外變換光譜吸收法，采樣器入口及分析儀入口有兩級加熱過濾，且采樣管道加熱至130℃以防止NH3凝結。

1.2 試驗方案

（1）選取5輛國六車型，在整車轉鼓試驗臺上按照國六常溫Ⅰ型試驗流程進行試驗，同時測量常規污染物及NH3排放，得到氨排放因子;

（2）在上述試驗基礎上，選取某一車型，分別測量TWC前后常規污染物及NH3排放，以分析氨排放成因及其影響因素;

（3）利用某車型ECU針對TWC的高溫失效保護，設計定速變負荷試驗，規則地復現低空燃比區間，以明確研究NH3排放的影響因素。

2 試驗結果分析

2.1 國六車型NH3排放因子

除3號車輛CO排放超過了國6a限值，其余車輛常規污染物排放均在限值內，NH3與NOx同為含氮污染物，將二者比值列出，5輛試驗車NH3排放分化較為明顯，3號車輛與5號車輛NH3排放量級已與NOx排放量級接近，其余三輛車NH3排放因子均低于1mg/km，5輛車均值為3.792mg/km;NH3是PM2.5成分中的二次粒子的重要前體物質，相關研究中認知最為廣泛的是二氧化硫可以在均相條件（大氣中）或者多相條件（在水滴，碳顆粒和有機顆粒物表面）下轉化為三氧化硫，再與水反應生成硫酸，這樣的酸性物質與NH3在大氣中形成的NH4+離子形成氣溶膠中的重要物質硫酸銨，我們假設由車輛產生的NH3的排放在大氣中通過上述反應全部轉化為硫酸銨，且不再假設氣溶膠里的其他物質的存在，推算出NH3可以產生的二次粒子的量，與所選國六試驗車的顆粒物質量排放（PM）因子進行比對。

雖然所選車型一次粒子PM的排放量在較低的量級，但由二次粒子生成路線所定義的推算二次粒子排放量卻在很高的數量級上，最低比值為4倍左右，最高甚至達到了65倍。

2.2NH3排放影響因素

目前針對輕型汽油車氨排放的研究中，NH3排放的來源均指向三元催化器[7，8]，因此單獨選取車型，在之前的試驗基礎上，增加TWC前污染物采樣測量點，比較TWC前后常規污染物及NH3排放。

圖2為WLTC循環下，TWC前后NH3排放體積濃度變化圖，可以看到在TWC前幾乎沒有NH3產生，全循環內TWC前NH3排放均在0.1ppm以下，而TWC后有明顯的NH3排放高峰出現，體積濃度排放峰值可達63ppm。

對WLTC超高速段進行局部分析，可以看出TWC前CO排放與TWC后NH3排放有兩個高峰有明顯對應關系，其相同特征是對應的都是被測車輛持續的正向加速過程，在持續時間內，發動機長時間處于濃燃狀態，發動機排氣處于相對缺氧的還原性氛圍，這樣的氛圍下NH3的生成速率遠大于消耗速率（氧化），因此出現前兩個NH3排放的峰值，后續區域中，依然有CO高排放區間存在，但這些區間對應的車輛行駛工況絕大部分為等速或減速行駛，負加速度對應著發動機斷油，此時的發動機排氣處于富氧狀態，缺乏長時間的還原性氛圍，且已生成的NH3會伴隨部分氧化，因此并沒有再出現對應的NH3排放高峰。

根據元素守恒，大部分NH3排放中的N元素只能是來源于進入TWC的NOx，因此可以認為NH3是TWC中NOx轉化所產生的副產物，依舊選取超高速段進行局部分析，可以看出NH3排放的高峰對應的都是NOx的高轉化量區間，但不同高峰的轉化率有明顯區別，因此定義NH3生成的選擇性，公式如式1所示;并進行高低選擇性區間劃分，其余區間定義為低生成區間。

在高選擇性區間內，NH3的選擇性達到3.78%，在NH3低選擇性區間內，選擇性僅為0.22%，在剩余的NH3低生成區間內，選擇性僅為0.15%，平均選擇性為0.28%。在NH3低選擇性區間，即使被轉化的NOx的量級很大，但是NH3選擇性還沒達到循環平均水平;而在NH3生成的高選擇性區間，選擇性為平均值的13.5倍，該區間占WLTC循環的時間占比為3.3%，但NH3排放的貢獻率為87.7%，分別計算三個劃分區間內TWC后NOx和NH3排放因子，結果如表2所示，在高選擇性區間， NH3/NOx達到了2.86倍，即使在低選擇性區間，NH3與NOx的排放量也相當，而在低生成區間，NH3/NOx僅為0.03。

2.3 定速變負荷試驗結果分析

設計試驗得到了如圖6所示的Lambda為0.899的兩個規則濃燃窗口，且前后兩個窗口發動機負荷相同，因此排氣流量也較為穩定，可以以體積濃度排放來判別排放高低;當Lambda產生變化，發動機進入持續濃燃階段后，NH3排放經歷短暫的滯后，濃度迅速增加，當Lambda回到理論空燃比，NH3排放濃度也從峰值開始迅速下降;同時也可以看出NH3積累增加的速率要明顯慢于NH3消耗衰減的速率;此外第二個濃燃區間NH3排放量要少于同等時間內第一個濃燃區間，其中一方面的原因即是TWC接近其極限溫度，在失效邊緣，內部催化轉化反應效率下降，因此也伴隨NH3生成效率的降低。

如圖7所示，NH3排放的峰值與CO和THC排放的峰值都有很好的對應關系，但CO和THC都是缸內燃燒不充分的產物，但濃燃區間內THC排放的量級相較于CO低了兩個數量級，幾乎可以忽略不計，因此THC對于NH3的排放影響有限，CO是主要先導因素，NH3中H的來源則指向了H2O在TWC中貴金屬銠催化下與CO和THC所發生的水蒸氣重組反應生成的H2.。

3 結論

（1）5輛國六車型NH3排放因子均值為3.792mg/km;部分車型NH3排放量級已與NOx排放量級相當;

（2）三元催化器后NH3排放明顯高于三元催化器前NH3排放，NH3高發區間對應多發在發動機持續濃燃低空燃比條件下;

（3）在NH3生成高選擇性區間內NH3排放遠高于NOx排放，即便在低選擇性區間NH3排放也與NOx排放量相當。

參考文獻：

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作者簡介：王謙（1993-），男，陜西人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：汽車整車排放。