非道路柴油機氧化亞氮排放特性試驗研究

白鳳月,王振宇,申富強,張佑源*,吳春玲,張琳,景曉軍

1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300;2.東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545500

0 引言

銅基分子篩催化劑具有良好的低溫性能,廣泛應用到非道路四階段柴油機后處理系統中,但同時導致氧化亞氮N2O等污染物排放增加。高溫和低溫時,N2O在選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)銅基分子篩催化劑上的生成機理不同。低溫條件下,有研究表明N2O主要來源于NH3與NO或NO2之間的反應[1],也有研究認為N2O是由SCR反應過程中生成的NH4NO3分解導致[2]。高溫條件下,N2O主要由NH3的直接氧化和NH3與NOx的非選擇催化還原生成[3-4]。此外,排氣中NO2的含量、氨氮比、O2和H2O的體積分數等對N2O生成均有影響[5-7]。

基于發動機臺架的柴油機后處理系統N2O排放特性的研究較多。唐韜等[8]研究表明使用鈾銅沸石、銅-鐵復合沸石、釩基、鐵沸石催化劑的SCR系統中,銅沸石基的SCR反應生成的N2O最多,柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)主動再生時,排氣中的柴油與NOx在催化劑表面發生副反應生成N2O,生成量隨氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)出口溫度升高先增大后減小;劉冰[9]研究了基于國六標準工況的重型車用柴油機N2O排放特性,結果表明,后處理的使用使N2O排放大幅增加,世界統一穩態循環(world harmonized steady cycle, WHSC)中,負荷降低時N2O排放出現峰值,且隨著世界統一瞬態循環(world harmonized transient cycle, WHTC)進行,排溫升高,N2O排放增加;范振陽等[10]研究了使用銅基SCR系統的重型國六柴油機在國六標準測試循環下的N2O排放,結果表明,N2O排放接近或超過了NOx排放,且N2O排放峰值與DOC有關,尿素噴射是影響N2O生成的關鍵因素;王磊等[11]研究表明,重型國六柴油機排放的N2O主要來源于SCR和氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst, ASC),DPF再生過程中,DOC中的催化反應也會產生N2O。但基于臺架試驗的非道路柴油機N2O排放特性研究較少。

本文中以裝備銅基SCR系統的非道路四階段柴油機為研究對象,進行非道路穩態循環(non-road steady cycle, NRSC)和非道路瞬態循環(non-road transient cycle, NRTC)試驗,研究其在標準工況和再生狀態下的N2O排放特性,有助于了解非道路四階段柴油機的N2O排放水平,為N2O排放的控制及測試提供參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

以某直列6缸非道路柴油機為研究對象,其排放控制路線為廢氣再循環(exhaust gas recirculation, EGR)-DOC-DPF-SCR-ASC,其中SCR催化劑為銅基分子篩,該柴油機主要技術參數如表1所示。

表1 非道路柴油機主要技術參數

采用HORIBA HD600型測功系統和FQ2100型油耗儀測試發動機轉速、轉矩和油耗,采用MEXA-ONE-DC-OV型排放分析儀測試CO2排放和NOx等常規污染物排放,采用AVL SESAM i60 FT SII型傅里葉變換紅外分析儀(Fourier transform infrared spectrophotometer, FTIR)測試NH3和N2O等非常規污染物的排放,采用循環水溫控系統、中冷恒溫系統、進氣空調系統及全室空調系統等控制試驗過程中發動機的邊界條件。測試過程中,采用質量分數為32.5%的尿素水溶液作為SCR還原劑,柴油采用非道路四階段基準柴油。

1.2 試驗方法

試驗臺架安裝完成后,使用標準氣體對分析儀進行校準。運轉發動機至額定點,調節發動機進氣阻力、排氣背壓、中冷后溫度、循環水出水溫度及中冷壓差等邊界條件,鎖定各閥門開度。發動機邊界條件穩定后,從額定點進入NRSC測試循環。循環結束后檢查轉速、轉矩與設置值的偏差及碳平衡,檢驗循環的有效性。非恒速非道路柴油機的NRSC由8個工況組成,發動機轉速和負荷比(實際負荷與額定負荷之比)如表2所示,每個工況運行10 min。

表2 NRSC轉速和負荷比

冷、熱態NRTC試驗前,運行2次熱態NRTC進行預處理;然后將發動機和后處理裝備冷卻6 h以上,使發動機機油溫度、水溫及后處理溫度降至25 ℃左右;接著運行冷起動NRTC,然后停車熱浸20 min,進行熱態NTRC。NRTC過程中的發動機轉速和轉矩如圖1所示。

圖1 NRTC試驗過程中轉速和轉矩

調整發動機參數,使發動機進入主動再生模式,然后運行1個熱態NRTC,并記錄發動機動力和排放性能等試驗數據。

2 試驗結果與分析

2.1 NRSC試驗中N2O排放特性

通過NRSC試驗研究該發動機在穩定工況下的N2O排放特性,試驗過程中排氣溫度和尾氣中N2O體積分數如圖2所示,NRSC過程中的原機尾氣中NOx體積分數和泄漏的NH3體積分數如圖3所示。

圖2 NRSC試驗排氣溫度和N2O體積分數 圖3 NRSC試驗NOx體積分數和NH3泄漏體積分數

由圖2可知:額定轉速下,負荷比由100%至10%變化時,發動機排氣溫度由490 ℃降低至366 ℃,尾氣中N2O體積分數由13.0×10-6增加至37.1×10-6;中間轉速下,負荷比由100%至50%變化時,發動機排氣溫度從469 ℃降至376 ℃,尾氣中N2O體積分數由24.3×10-6增加至36.0×10-6;怠速工況初期,N2O的體積分數逐漸增大,排氣溫度下降至180 ℃左右,N2O的體積分數開始下降,當排氣溫度繼續下降至167 ℃,發動機啟動熱管理系統,排氣溫度立即升高,N2O生成量繼續下降后升高。經計算,NRSC試驗中N2O的平均體積分數為22.8×10-6,平均比排放為147.1 mg/(kW·h)。

轉速不變時,隨著發動機負荷降低,原排中的HC和CO體積分數增大,后處理空速降低,傳質和傳遞增加,反應效率增加,導致SCR入口的NO2比例增加[12],且排氣中O2體積分數增加,導致SCR反應生成的N2O增加[13]。

由圖3可知:第1、2、3、5、6工況,排氣溫度高于400 ℃時,NRSC試驗中N2O與NOx體積分數有相同趨勢,ASC中NH3在高溫下主要氧化為N2[14],說明在高溫時N2O排放主要來源于SCR中NOx與NH3的反應;在第4工況,SCR空速約為36 000 h-1,采用過量的尿素噴射有利于提高NOx的轉化效率,同時溫度降低使ASC氧化NH3生成N2O的速率增加,因此N2O排放呈現上升趨勢;在第7工況,隨著發動機穩定,原排中的NOx略降低,因此尿素噴射量略降低,且此工況下后處理空速較高,ASC對NH3的氧化速率降低,因此N2O排放降低。

怠速初期,NH3在ASC中氧化生成N2O,導致N2O排放體積分數增大,當排氣溫度降到180 ℃以下時,尿素分解速率降低,停止噴射尿素,N2O排放降低;當熱管理系統工作后,排氣溫度升高,尿素噴射系統開始工作,N2O排放開始上升。

2.2 NRTC試驗中N2O排放特性

NRTC試驗過程中排氣溫度和尾氣中N2O體積分數如圖4所示。由圖4可知:冷、熱態NRTC下,排氣溫度有相同的趨勢;冷起動階段,熱管理系統使后處理系統快速升溫;冷態NRTC的前60 s內,N2O排放較低,N2O體積分數在第190秒左右出現峰值,為80.1×10-6;經計算整個循環中N2O的平均體積分數為15.7×10-6,平均比排放為130.2 mg/(kW·h);熱態NRTC中的N2O體積分數有多個較為接近的峰值,約為50.0×10-6,經計算整個循環中N2O的平均體積分數為18.2×10-6,平均比排放為150.2 mg/(kW·h);冷、熱態NRTC加權的N2O平均比排放為148.2 mg/(kW·h)。

a)冷態 b)熱態

為了進一步探究N2O的生成方式,對比冷態和熱態NRTC下的N2O體積分數與原機排放尾氣中NOx體積分數,如圖5所示。由圖5可知:冷起動55 s后,在排氣中開始有N2O產生,此時尿素噴射系統還沒有開始工作,此排放來源于后處理系統中存儲的NH3在低溫下在ASC中氧化生成。冷起動150 s后,發動機后處理系統開始噴射尿素,此后N2O的生成與原機NOx排放趨勢一致,且從熱起動開始,N2O排放即與NOx保持相同的趨勢,說明柴油機后處理系統中形成的N2O與原機NOx排放和尿素噴射密切相關。

a)冷態 b)熱態

2.3 再生過程中N2O排放特性

調整發動機參數,使后處理進入主動再生模式,然后運行1個熱態NRTC,循環過程中N2O的體積分數、排氣溫度和原機NOx排放如圖6、7所示。

圖6 再生試驗NRTC中排氣溫度和N2O體積分數 圖7 再生試驗NRTC中N2O和原機NOx體積分數

由圖6、7可知:再生過程中發動機排氣溫度明顯高于非再生過程;循環前300 s內,N2O排放與非再生過程中NRTC的基本一致,之后明顯降低,但趨勢和原機NOx排放保持一致;N2O體積分數在第180秒產生峰值,體積分數為64.0×10-6;經計算,循環中N2O平均體積分數為7.8×10-6,平均比排放為67.6 mg/(kW·h)。

發動機從停機狀態進入熱態NRTC,后處理溫度較低,不具備主動再生條件,發動機沒有真正進入再生狀態,因此前300 s內N2O排放與非再生循環基本相同;進入主動再生之后,后噴使后處理系統入口有大量的未燃THC,由于NO2會參與到THC的催化反應中,導致SCR入口的NO2體積分數降低[15],同時消耗掉大量的O2,因此,大大降低了SCR系統中NH3氧化為N2O的速率,使N2O排放大大降低。

3 結論

1)隨著發動機負荷降低,N2O排放增加;在穩態循環測試中,N2O排放存在逐漸穩定的過程;冷態循環初期,后處理系統存儲的NH3會引起少量的N2O排放;發動機測試過程中,應連續記錄排放中N2O體積分數,用整個工況的平均值作為最終結果。

2)N2O排放與發動機原機NOx和后處理系統尿素噴射有很高的相關性,可以通過優化原機NOx排放和尿素噴射策略降低N2O排放。

3)主動再生可以大幅降低N2O排放。

4)應繼續從熱管理及SCR催化劑研究等入手,進一步探討降低N2O排放的措施。