重型國六柴油發動機N₂O排放水平研究

摘 要：本文以某重型國六車用銅基SCR增壓柴油發動機為研究對象，搭建排放測試系統，在《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]的不同工況測試循環下，研究了標準工況下N2O的排放水平及特性。研究表明：發動機原始排放中N2O的排放幾乎為零，但是在后處理的作用下N2O的排放會極大提升，且SCR對于N2O的形成影響最大；在標準排放循環中，由于尿素噴射的影響，在過渡工況下N2O的生成量較大，且N2O的排放水平在各含氮污染物占比較高。

關鍵詞：重型柴油機；N2O；排放

中圖分類號：U467.2" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1005-2550（2023）01-0034-05

A Study on N2O Emission of Heavy Duty Diesel Engine of China VI

JIANG Yi-zuo，YE Chao，CAI Cheng-yang，WEI Lai

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang），

Xiangyang 441004， China）

Abstract： In this paper， a copper-based SCR turbocharged diesel engine used by a heavy-duty Chinese Sixth vehicle was taken as the research object， and an emission test system was set up.

under different test cycles of《Limits and measurement methods for emissions from diesel fuelled heavy-duty vehicles》[1].the EMISSION level and characteristics of N2O under standard working conditions were studied. The results show that the N2O emission of the engine is almost zero in the original emission， but the N2O emission will be greatly increased under the action of post-treatment， and SCR has the greatest influence on the formation of N2O. In the standard emission cycle， due to the influence of urea injection， the amount of N2O generation is large in the transition condition， and the emission level of N2O is relatively high in each nitrogen pollutant.

Key" Words： Heavy Duty Diesel Engine；N2O；Emission

姜易佐

畢業于長安大學，本科學歷，現就職于國家汽車質量檢驗檢測中心（襄陽），任動力系統室責任工程師，主要研究方向：節能排放試驗研究。

引" " 言

隨著國家對環境污染的重視，中國排放法規對汽車排氣污染物排放限值進行不斷加嚴，國內車用柴油發動機廠為滿足法規要求，多數采用DOC+DPF+SCR+ASC的方式配置后處理系統。為降低尾氣中的NOx，通過尿素噴射產生NH3，從而將NOx還原為N2和水。但是這也會增加其他氣體污染物的增加，比如N2O、NH3。N2O是一種溫室氣體，在大氣中穩定性極高，具有極強的溫室效應，其溫室效應是CO2的298倍，并且對臭氧層具有強烈的破壞作用[2]。

國外方面，僅美國的國家環境保護局在車用排氣污染物中的N2O排放作出規定。國內方面，為了降低車用尾氣中的溫室氣體，目前輕型車國六排放法規已經對尾氣中N2O排放作出要求[3]，但重型柴油車排放法規沒有將N2O列為氣體污染物進行測試要求，因此目前國內關于重型柴油車排放污染物N2O的研究相對較少。由于國六標準實施以來，采用SCR后處理技術使得尾氣中N2O含量大幅增加。清華大學唐韜團隊[4]對N2O排放研究發現，Cu沸石催化劑容易形成N2O，同時ASC可與SCR泄漏的氨氣反應形成N2O，且N2O生成量與氨泄漏量成正比。下階段排放法規將會把N2O納入排放氣體，所以本文通過在國六標準工況下，研究某重型柴油機N2O的排放水平及排放特性。

1" " 試驗樣機設備與方法

1.1" "試驗樣機

試驗用發動機為1臺7.5L增壓中冷國六柴油發動機，排氣后處理系統采用DOC+DPF+SCR+ASC的組合方式。表1列出本柴油機相關參數：

試驗過程中發動機邊界條件的控制如表2所示：

測試系統為AVL李斯特公司生產的排放測試系統，排放采樣方式為直采，污染物的測量設備為FTIR（傅里葉變換紅外吸收光譜儀），設備參數如表3所示。

1.2" "試驗方法

采用《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]中的標準測試循環，按照表2所示的發動機試驗參數嚴格控制發動機邊界條件，利用表3所示的排放設備在發動機帶后處理和不帶后處理以及尿素停噴三種狀態下，分別運行標準工況冷熱態WHTC、WHSC循環，并對各種循環下各含氮氣體污染物N2O、NO、NO2、NH3的排放水平進行比較，研究在國六標準工況下尾氣中N2O的排放水平、生成機理以及影響因素。

2" " 試驗結果與分析

2.1" "帶后處理狀態下冷態WHTC循環N2O排放水平

觀察圖1和表4可知，在冷態WHTC測試循環工況下，由于尿素的噴射機理導致冷態工況初期后處理溫度沒有達到尿素起噴溫度，導致尾氣中NO濃度最大。N2O排放水平位居第二，其體積濃度和循環比排放量分別為17.193ppm和230.314mg/kWh。同時我們可以發現，冷態WNTC工況下，N2O的體積濃度的波動是和瞬態循環急劇變化的工況相關的。

2.2" "帶后處理狀態下熱態WHTC循環下N2O排放水平

觀察圖2和表5可知，在熱態WHTC測試循環中，N2O的排放水平在各含氮污染物中最大，其體積平均濃度為19.974ppm，平均體積濃度是NOx（NO+NO2）體積濃度（17.621ppm）的1.1倍。N2O的循環比排放量為265.782mg/kWh，是NOx（NO+NO2）循環比排放量（160.176 mg/kWh）的1.7倍。熱態WNTC工況下，N2O的體積濃度的波動也是和瞬態循環急劇變化的工況相關的。

我們通過對比圖3中冷熱態WHTC循環工況下N2O的體積濃度隨工況的變化規律可以發現，冷態和熱態WHTC循環的N2O排放瞬態特性與瞬態變化的工況息息相關，且除前500秒外，冷熱WHTC的N2O排放變化的趨勢基本一致。由于前500s后處理溫度較低，SCR內尿素未達到起噴溫度，所以N2O生成較少，500s以后冷熱態WHTC工況下N2O的排放濃度與趨勢基本一致，且熱態WHTC的N2O峰值濃度略高于冷態WHTC。此外，從圖3我們還可以發現一個有趣的現象：在熱態WHTC循環的初期N2O有一個80ppm的峰值，原因是是由于冷態循環ASC中存儲的NH3經過反應生成，生成機理后文有詳細分析。

表6為冷熱態WHTC各含氮污染物的比排放及加權值對比。加權值是按照國六標準要求的加權系數計算的，加權比為冷態：熱態=0.14：0.86。冷熱態WHTC工況下，N2O加權比排放量為260.789mg/kWh，NOx的加權比排放量為388.891mg/kWh，N2O的比排放值的數量級幾乎等同NOx，由此可以看出下階段排放法規將N2O納入污染物中是十分必要的。

2.2" "帶后處理狀態下WHSC循環N2O排放水平

觀察圖4和表7可知，WHSC循環工況排氣中各含氮氣體污染物中，N2O的平均體積濃度為38.711ppm，是NOx（NO+NO2）體積濃度（33.705ppm）的1.2倍。N2O的循環比排放量為427.768mg/kWh，是NOx（NO+NO2）循環比排放量（250.657mg/kWh）的1.7倍，由此可看到，在WHSC工況下，重型柴油機的N2O在含氮氣體污染物中占比最高。

分析圖5可知，N2O濃度在大負荷向小負荷工況過渡的狀態下會增加，如250s、680s、1350s、1750s等；原因是在大工況變小工況的過渡工況下，SCR系統噴射了較多尿素，從而生成較多NH3，NH3在高溫下在SCR和ASC中生成N2O，具體生成機理見后文。為滿足下階段排放標準N2O限值，可考慮通過精確尿素噴射控制來降低過渡工況下N2O的排放。

2.3" "不帶后處理狀態下WHTC循環N2O排放水平

我們將發動機后處理系統拆除更換為空管后進行單熱WHTC試驗，測得各含氮污染物體積濃度如圖6所示，結合圖6可知WHTC循環中發動機原始排放中含氮污染物中主要成分為NO2和NO，N2O幾乎為0。對比原排和正常排放熱態WHTC循環中的N2O的排放值，我們可以得到，N2O是在后處理系統的作用下生成的。

2.4" "SCR系統不噴尿素

我們將SCR的尿素噴嘴拔出置于空氣中，進行單熱態WHTC試驗，研究尿素噴射對N2O排放的影響，由圖7和表8可知，在后處理無尿素噴射的狀態下，熱態WHTC循環過程中也會產生N2O，且會根據工況的變化產生尖峰，但是N2O的平均濃度相對于正常排放有極大降低，熱態WHTC的N2O的平均濃度為1.261ppm，比正常尿素噴射時熱態N2O的平均濃度（19.974ppm）降低93.7%，由此可見大部分的N2O排放是受尿素噴射影響所生成的。

經過以上分析可知，該國六柴油發動機在國六標準工況下原始排放中N2O濃度幾乎為0，N2O主要是受后處理影響生成的且尿素噴射對N2O的生成影響較大。同時N2O的排放水平在各含氮污染物中占比較大，國六階段排放法規沒有將N2O列為排放污染物，基于以上數據分析，重型發動機下階段排放標準加入N2O這一氣體污染物是極有必要的。

3" " N2O瞬態排放特性分析

3.1" "N2O的穩態生成機理

對于N2O的穩態生成機理，目前研究較為清楚。主要由后處理中DOC、SCR、ASC共3個方面組成[5]。

3.1.1 DOC

在DOC上N2O主要是尾氣中HC還原NOx生成的。DOC溫度較低時，催化劑沒有起催化作用，HC催化還原NOx的活性較低，因而產生的N2O極少，而當DOC在較高溫度下，還原劑HC被空氣中的氧氣氧化，導致沒有足夠的HC還原NOx，從而也降低了N2O的生成量。

3.1.2 SCR

低溫下： SCR中尿素噴射產生的NH3和NO2反應產生銨鹽，銨鹽分解產生N2O。反應方程式如下：

高溫下：主要通過銅沸石氧化氨氣反應，反應方程式如下：

3.1.3 ASC

NH3、NO、O2三者在ASC的催化作用下生成N2O，反應方程式如下：

由于柴油機排氣溫度較低，且N2O比較穩定，因此N2O一旦生成就很難分解。

基于3.1所述的N2O的生成機理，在正常排放的狀態下，N2O主要是在后處理SCR內產生的，在低溫狀態下，尿素噴射產生的NH3與NO2產生反應生成銨鹽，銨鹽分解后產生N2O。在高溫狀態下，NH3通過銅沸石催化直接和氧氣反應生成N2O。在DOC內N2O可由HC還原NOx生成，在ASC內，前面提到冷態WHTC工況結束后，在熱態WHTC循環的初期N2O會有一個80ppm的突增。原因是冷態WHTC循環的后期工況較大，SCR系統會有大量尿素噴射，形成較多NH3。在冷態循環結束后大量NH3被儲存在ASC載體中。研究表明，NH3在ASC中會被氧化生成NO等自由基吸附在貴金屬表面，N與NO反應可生成N2O[6]，所以在熱態WHTC循環開始時N2O會出現一個較大波峰。

在后處理尿素停噴的狀態下，由于沒有NH3的存在，N2O基本是在DOC內HC還原NOx的作用下生成的，在急加速工況，過量空氣系數減小，造成燃燒室局部混合氣過濃，燃燒不充分，從而導致HC排放增加，在DOC內部催化劑作用下，NOx被HC還原生成副反應產物N2O。

4" " 結論

a. 標準工況下，正常排放的N2O排放水平在各含氮污染物中相對較高，N2O的生成是在后處理系統DOC、SCR、ASC催化作用下生成的，其中SCR中尿素噴射對于N2O生成的影響最大。原始排放污染物中N2O的含量幾乎為0；

b. 標準工況下，N2O在過渡工況以及急加速工況下生成較多，為滿足下階段排放標準，可針對過渡工況以及急加速工況下尿素噴射的精確控制來實現；

c. 標準WHTC循環工況下，熱態WHTC循環的N2O排放高于冷態WHTC循環，且由于冷態WHTC循環后期的氨存儲，熱態循環初期N2O排放會有一個激增，所以應合理控制尿素噴射來平衡NOx和N2O兩者的排放。

參考文獻：

[1]生態環境部.GB 17691-2018《重型柴歐車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[S].北京：中國標準出版社，2018.

[2]HU Z，LEE J W，CHANDRAN K，et al. Nitrous Oxide（N2O）Emission from Aquaculture：A Review [J].Environmental Science ＆ Technology，2012，46（12）：6470-6480.

[3]生態環境部.GB 18352.6-2016 《輕型汽車污染物排放限值及測試方法》[S].北京：中國標準出版社，2016.

[4]唐韜，張俊，帥石金，等.柴油機后處理系統N2O排放特性的試驗研究[J].汽車工程，2014，36（10）：1193-1196.

[5]Krishna Kamasamudram，Cary Henry，Nenry，Neal Currier，etc. N2O Formation and Mitigation in Diesel Aftertreatment Systems[J].SAE，2012-01-1085.

[6]Kamasamudram K，Yezersts A，Chen X，et al，New Insights into Reaction Mechannism of Selective Catalytic Ammoina Oxidation Technology for Diesel Aftertreatment Application[C].SAE Paper 2011-01-1314.

專家推薦語

張建東

東風汽車公司技術中心

研究員級高級工程師

本文在試驗的基礎上探討國六車用銅基SCR增壓柴油發動機在各種工況下N2O生成和排放量的影響因素。并對這些因素進行了原因分析，提出了一些應對的措施，對應對國六及后續更嚴格排放法規提出建議，有一定的參考意義。