汽油發動機稀薄燃燒NOx后處理系統試驗研究

李鈺懷,張 凱,羅亨波,李 薛,杜家坤,陳 泓

(1. 天津大學 內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072;2.廣州汽車集團股份有限公司 汽車工程研究院，廣州 511434)

0 概述

隨著節能減排和油耗法規收緊，45%甚至更高有效熱效率的汽油發動機成為追求的目標。汽油發動機稀薄燃燒能提高混合氣的絕熱指數，降低燃燒溫度，抑制爆震，是實現45%熱效率的有效手段[1-2]。汽油發動機稀薄燃燒能提高5%～10%燃油經濟性，此外還能降低CO、H2、碳氫化合物(HC)等排放。然而，在過量空氣系數大于1時，傳統汽油機后處理系統三效催化器(three-way catalytic，TWC)對NOx的催化能力急劇下降，導致NOx排放超標[3-5]。

稀燃NOx捕集器(lean NOxtrap, LNT)能吸附稀薄燃燒時產生的NOx，濃燃時排氣中的還原性氣體如HC、CO 等能將LNT脫附出的NOx還原為N2。傳統的TWC在濃燃時能產生NH3,儲存在被動選擇性催化還原器(passive selective catalytic reduction, PSCR)中。NH3有很強的還原性，能在稀燃時將NOx還原成N2和H2O[5-9]。此外，TWC能增強LNT的性能。LNT與PSCR在處理NOx排放上有優勢互補的關系。汽油發動機燃燒模式在濃稀之間切換， TWC+LNT、TWC+PSCR或TWC+LNT/PSCR等后處理技術成為稀燃汽油發動機可滿足排放法規的最有希望采用的技術方案。

國內方面，文獻[10-12]中通過試驗和數值模擬研究了TWC+LNT組合：試驗結果表明TWC+LNT的NOx轉化率大于 93%，然而單獨使用LNT的 NOx轉化率只有 62.5%；模擬結果表明TWC 有助于促進 LNT 對 NOx的催化轉化，并且能提高 LNT 吸附位失效后的 NOx催化轉化效率。國內其他關于汽油發動機稀薄燃燒NOx后處理的研究很少。國外方面，文獻[13]中研究結果表明TWC+LNT/PSCR系統可以在滿足美國滿排放法規前提下實現發動機稀燃運行；文獻[14]中結果顯示TWC+LNT/PSCR系統中NH3與NOx的比例為1.15∶1.00時， NOx的轉化效率能達到 99.7%；文獻[15]中的研究表明TWC產生NH3的最佳工作溫度為500 ℃，PSCR 在 250～350 ℃時對NOx的轉化效率最高。

本文中基于一臺廣汽自主研發的1.5 L直列4缸廢氣渦輪增壓缸內直噴汽油機，采用TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR等催化器后處理組合，試驗研究汽油發動機稀薄燃燒下不同NOx后處理催化器的性能。

1 試驗用發動機及數據分析方法

1.1 試驗對象和試驗邊界

試驗發動機功率密度96 kW/L，轉矩密度 180 N·m/L，滿足國六b排放標準，發動機特征參數如表1所示。

表1 發動機特征參數

排氣后處理裝置布置示意圖見圖1，沿著發動機排氣流向依次布置TWC、LNT、PSCR。在TWC、LNT和PSCR前端布置溫度測量點和排放測量點，并在PSCR后端布置排放測量點。TWC、LNT、PSCR基本參數如表2所示。

圖1 試驗臺架布置示意圖

表2 排氣后處理裝置特征參數

試驗中使用 AVL 733S 瞬態油耗儀測量發動機燃油消耗量，缸內壓力曲線通過 KISLER 6115 型傳感器測量，缸壓曲線采集及燃燒數據計算使用 AVL INDICOM燃燒分析儀，發動機NOx排放通過AVL AMA-i60-FT排放分析儀測量。

1.2 試驗研究方法

濃燃模式下(過量空氣系數小于1)，在TWC中NH3通過NO與H2、CO反應生成，見式(1)和式(2)。H2通過水煤氣變換反應(式(3))或重整反應(式(4))產生。研究表明發動機原始排放中H2與NO的比例越高，NH3的生成量越大。在過量空氣系數為0.96時發動機原始排氣中產生的H2最多。同時轉數和負荷越大時，溫度越高，更有利于通過水煤氣變換反應(式(3))產生H2。

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本研究試驗的LNT采用Pt/Pd/Rh/Al2O3型催化劑。發動機稀薄燃燒排氣中的NOx通過涂覆在LNT載體上的堿金屬或堿土金屬化合物(如Ba等)吸附形成硝酸鹽或亞硝酸鹽。LNT儲存NOx主要有兩條路徑：第一條是硝酸鹽路線， NO在貴金屬表面被氧化為NO2再儲存為硝酸鹽(式(5)和式(6))；第二條路徑是亞硝酸鹽路線， NO 直接儲存為亞硝酸鹽而后逐漸被氧化為穩定的硝酸鹽(式(7)和式(8))。在濃燃狀態下，LNT中的NOx脫附，被排氣中的還原性氣體(HC、CO 等)還原為N2，使催化器及時釋放出吸附位繼續進行下一循環的吸附過程。

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本研究試驗的PSCR采用Cu-SSZ-13型催化劑。根據Eley-Rideal機理，濃燃工況下PSCR化學反應過程中會伴隨著氣態NH3吸附在催化劑活性位上。稀燃狀態下,NOx與PSCR脫附產生的NH3進行反應生成N2。NOx選擇性催化還原反應包括標準反應(式(11))和快速反應(式(12))，由于大多數情況下尾氣中NO比例超過85%，因此PSCR催化器中NOx選擇性催化還原反應以標準反應為主。

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試驗過程中保持各邊界條件穩定，固定氣門正時相位及噴油策略，通過點火時刻調節燃燒重心CA50 到壓縮上止點后8°左右或爆震邊界，平均指示壓力循環變動系數不超過3%。

選擇該發動機在某車型下全球輕型車統一測試循環(worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC)工況的14個聚類工況點進行試驗。工況點分布圖如圖2所示，詳細值如表3所示，表3中，BMEP為平均有效壓力(brake mean effective pressure, BMEP)。

2 試驗結果與分析

2.1 直噴汽油機稀燃燃燒及原始排放特性分析

圖3為稀燃模式下節油明顯工況的有效燃油消耗率(brake specific fuel consumption,BSFC)。不

圖2 14個聚類點工況點

表3 14個聚類點工況點詳細值

同工況稀燃極限見表3。不同負荷下稀燃極限的BSFC比過量空氣系數為1時低3.1%～10.1%。工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)在稀燃模式下BSFC降低10.1%，有最大的節油潛力。

圖3 不同工況下有效燃油消耗率

圖4～圖6為不同工況下原始排氣中的NO、NO2、NOx的體積分數。濃燃模式下， NO占NOx總量的99.5%以上，隨著過量空氣系數的下降，氧的分壓下降， NOx排放降低。除工況9和工況10外，其余工況稀燃模式的NOx排放均比加濃工況低。主要原因是過量空氣系數既影響燃燒溫度，又影響燃燒產物中的氧含量，發動機過量空氣系數為0.9左右時已燃氣體的溫度達到最高，但是這時的已燃氣體中的氧含量低，抑制了NOx的生成；當過量空氣系數從0.9開始增大時，氧分壓增大的效果抵消溫度下降的效果而有余，NOx排放量的峰值出現在過量空氣系數 1.1左右的略稀混合氣工況；如果過量空氣系數進一步增大，溫度下降的優勢占優，使 NOx生成量減少[16]。工況9與工況10的稀燃極限更加接近過量空氣系數1.1，而其他工況的稀燃極限相對遠離1.1。

圖4 不同工況下原始NO排放

圖5 不同工況下原始NO2排放

圖6 不同工況下原始NOx排放

圖7為稀燃模式下，不同過量空氣系數下NO占NOx排放的比例，簡稱為NO占比。相關系數R2為0.63。隨著過量空氣系數的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數。過量空氣系數每增加0.1，NO在NOx總量中占比約降低6.9%。這是由于過量空氣系數越大，O2濃度越大，因此NO被氧化成NO2的比例增大。

圖7 不同過量空氣系數下NO占比

2.2 TWC對NOx、NH3排放的影響

試驗用TWC是滿足國六b排放標準發動機的量產件。隨著過量空氣系數從1開始下降，NH3的生成量上升，在過量空氣系數 0.96附近時NH3的生成量達到峰值；隨著過量空氣系數的繼續下降，NH3的生成量開始減小[17]。因此本試驗中選取過量空氣系數 0.95的工況進行濃燃研究。

圖8是濃燃模式(過量空氣系數為0.95)時不同工況下TWC前后的NOx量及NOx轉化率。TWC中的銠催化劑會促使NOx還原為氮氣，濃燃模式下TWC后基本無NOx，NOx轉化率趨近于100%。TWC在過量空氣系數為1.00±0.01時有最大的NOx轉化能力，稀燃模式下隨著過量空氣系數的變大，TWC的NOx的轉化能力急劇下降。圖9是稀燃極限時不同工況下TWC前后NOx體積分數(不同工況的稀燃極限見表3)。在稀燃極限時TWC的NOx的轉化能力非常弱，TWC后的NOx排放高。

圖8 濃燃(過量空氣系數為0.95)時不同工況下TWC前后NOx體積分數及NOx轉化率

圖9 稀燃極限時不同工況下TWC前后NOx體積分數

發動機原始排放中不會產生NH3，濃燃模式(過量空氣系數小于1)下NH3是TWC脫硝過程中產生的二次污染物，由NO還原產生。研究表明NO向NH3的轉化受轉速、負荷、排氣溫度、催化劑成份等影響較大。

圖10是濃燃(過量空氣系數為0.95)時TWC前NO排放與TWC后NH3排放的對應關系圖。總體趨勢上， NO體積分數每增加100×10-6，NH3體積分數增加48×10-6。工況4(1 184 r/min、0.24 MPa)和工況12(1 331 r/min、0.41 MPa)TWC前NO的含量幾乎相同，體積分數均為1 100×10-6左右，但TWC后的NH3卻相差較大，體積分數分別為898×10-6和654×10-6。這是由于工況4的排氣流量約為工況12的一半，排氣在TWC內停留時間長，從而造成NH3生成量大。工況5(2 231 r/min、1.29 MPa)、工況7(2 041 r/min、1.23 MPa)和工況14(2 443 r/min、1.31 MPa)的 NH3的生成量幾乎相同，體積分數均為1 150×10-6左右，然而TWC入口的NO量卻相差較大，體積分數分別為 2 034×10-6、1 688×10-6、1 516×10-6，說明這幾個工況下TWC入口的NO含量不是制約NH3生成的關鍵因素。工況5、7、14的TWC前的溫度均超過了600 ℃，研究表明溫度超過600 ℃時TWC中的銠催化劑對NO轉NH3的催化效果減弱，使NH3生成量減小，即排氣溫度過高限制了NH3的生成。

圖10 濃燃時不同工況下TWC前NO排放與TWC后NH3排放對應關系

圖11為濃燃(過量空氣系數為0.95)時不同工況下NO—NH3轉化率。TWC的NO—NH3轉化率在51%～74%之間，其中工況4(1 187 r/min、0.24 MPa)最高，為74%；工況10(1 448 r/min、1.26 MPa)最低，為51%。試驗用TWC為滿足國六b排放標準的量產TWC，采用Pd/Rh型催化劑。研究表明，改變TWC中Pd、Rh的比例，同時調整涂層配方中氧化鋁和儲氧材料的配比，能提高NO—NH3轉化率至100%[17]。提高NO—NH3轉化率有助于減少濃稀燃燒模式切換時濃燃時間占比，更充分發揮稀薄燃燒的節油潛力。

圖11 濃燃時不同工況下NO—NH3轉化率

2.3 TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR對NOx排放的影響分析

LNT能在稀燃時存儲NOx，PSCR能在濃燃時存儲TWC產生的NH3，因此LNT與PSCR在處理汽油機稀薄燃燒NOx排放問題時存在優勢互補。在工況3(1 824 r/min、0.92 MPa)下重點研究了TWC+LNT+PSCR、TWC+PSCR的NOx排放后處理能力。當試驗TWC+PSCR組合時，將排氣管路中的LNT拆卸移除。

1 824 r/min、0.92 MPa下，首先使發動機在過量空氣系數 0.95的濃燃模式運行85 s，使得PSCR吸收NH3并達到氨飽和，之后迅速切換至過量空氣系數1.4的稀燃模式。圖12為稀燃模式TWC+PSCR催化劑后NOx體積分數隨時間的變化，380 s后NOx濃度開始上升，說明此時PSCR內的氨已經全部消耗，稀燃工況運行時間占比為82%。圖13為稀燃工況TWC+LNT+PSCR后NOx體積分數隨時間的變化，580 s后NOx濃度開始上升，相比TWC+PSCR時間延長了53%，稀燃工況運行時間占比為87%。LNT在稀燃工況下通過吸附存儲NOx延長了稀燃模式運行時間。綜上，相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR組合能大幅提升稀燃汽油發動機濃稀工況切換時稀燃工況的時間，提高稀燃運行時間占比，改善發動機的燃油經濟性。

圖12 TWC+PSCR后NOx體積分數隨時間的變化

圖13 TWC+LNT+PSCR后NOx體積分數隨時間的變化

圖14是稀燃模式下PSCR中的氨全部消耗后的NOx排放情況。TWC+PSCR、TWC+LNT+PSCR的NOx排放中的NO2占比分別為14%、46%。TWC+LNT+PSCR的NO2占比大幅提高，這得益于LNT中較高的Pt負載量， Pt促進了NO氧化成NO2，NO2氧化性更強，有助于促進PSCR內的NOx選擇性催化還原反應的快速反應，提高PSCR的催化效率。

圖14 稀燃模式PSCR的氨全部消耗后的NOx排放

圖15是1 824 r/min、0.92 MPa時不同燃燒模式和后處理組合的NOx排放處理能力對比。在過量空氣系數為1時，TWC對NOx有較強的催化轉化能力， TWC后基本無NOx，NOx轉化率趨近于100%。在稀燃極限，TWC對NOx的催化轉化能力大幅減弱， NOx轉化率趨近于50%，而加裝TWC+LNT+PSCR或TWC+PSCR后，NOx基本全部轉化，與過量空氣系數為1時TWC后的排放水平相當。

圖15 不同后處理組合NOx排放處理能力對比

3 結論

(1) 稀薄燃燒能有效減少汽油機的有效燃油消耗率，部分負荷下減少3.1%～10.1%，汽油機稀薄燃燒有較大的節油潛力。

(2) 稀燃模式下，隨著過量空氣系數的上升，原排中NO占比減小，降幅取決于過量空氣系數。過量空氣系數每增加0.1，NO在NOx總量中占比降低6.9%。

(3) 濃燃模式下， 總體趨勢上， TWC前NO體積分數每增加100×10-6，NH3體積分數增加48×10-6。TWC的NO—NH3轉化率受轉速、負荷、排氣溫度等影響較大。過量空氣系數 0.95時，廣汽某款滿足國六b標準的1.5 L增壓發動機TWC的NO—NH3轉化率在51%～74%之間。

(4) 相比TWC+PSCR，TWC+LNT+PSCR能有效提高濃稀工況切換時稀燃模式運行時間，提高稀薄燃燒運行時間占比。

(5) 稀燃模式下，LNT能促進NO氧化成NO2，提高NO2比例，促進PSCR內的NOx選擇性催化還原反應的快速反應，提高PSCR催化效率。