TWC貴金屬含量偏差對發(fā)動機排放的影響研究

李 亮，曹 夢，唐志剛，張?zhí)煊?，孫豐山，王 凱，曲志林

(1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2. 濰柴西港新能源動力有限公司，山東 濰坊 261001)

0 前言

隨著國家經(jīng)濟高速發(fā)展，汽車保有量也在迅速上升，汽車尾氣排放已成為環(huán)境污染主要來源[1-2]。2019年7月1日，重型燃氣車開始執(zhí)行滿足國家六階段機動車污染物排放標準——《GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》。執(zhí)行國六標準以來，天然氣發(fā)動機大都采用單點噴射+當量燃燒+TWC的技術(shù)路線。TWC作為尾氣凈化裝置得到了廣泛應用[3-4]。

TWC貴金屬含量直接影響其尾氣處理能力，其含量受制造工藝影響，偏差范圍為設(shè)計值±10%?；谏鲜鲈?，為了滿足國家排放要求，發(fā)動機排放性能開發(fā)需要兼顧制造工藝偏差帶來的影響。

1 試驗方案

根據(jù)實際制造工藝可能產(chǎn)生的貴金屬含量偏差在設(shè)計值的±10%之內(nèi)，定制貴金屬含量相對設(shè)計值偏差10%，-5%，-10%三種偏差件，這三種偏差件可以代表合格三元催化器貴金屬含量不同時的情況，除此之外，定制貴金屬含量相對設(shè)計值偏差-15%的偏差件，目的是為了觀測當三元催化器貴金屬含量不合格時對排放產(chǎn)生的影響。

1.1 偏差件準備

試驗準備貴金屬涂覆量相對設(shè)計值偏差+10%、-5%、-10%、-15%四種TWC偏差件，編號依次為A、B、C、D，如表1所示。

表1 試驗用TWC貴金屬含量

1.2 試驗項目

不同貴金屬含量催化器對比試驗項目如表2所示。

表2 不同貴金屬含量催化器對比試驗項目

1.2.1 預處理試驗

首先進行100h預處理，預處理工況如表3所示。預處理試驗的目的：對于單一催化器來說，進行預試驗可以使催化器處理尾氣的能力達到穩(wěn)定，保證后續(xù)試驗過程中的一致性。對于四個催化器都進行相同的100h預試驗，可以保證催化器互相之間的一致性。

表3 催化器預處理試驗工況

1.2.2 冷熱態(tài)WHTC循環(huán)排放試驗

催化器A、B、C、D分別在冷機8h后進行冷熱態(tài)WHTC循環(huán)排放測試。

1.2.3 TWC儲氧量測試試驗

TWC的內(nèi)部通過不斷存儲和釋放氧氣來調(diào)節(jié)氧氣濃度的大小，保證其內(nèi)部化學反應的正常進行，達到最大的轉(zhuǎn)化效率。氧氣儲放能力通過儲氧量來表征，儲氧量越大，調(diào)節(jié)氧氣濃度的能力就越強。同時儲氧量也是評價TWC劣化程度的重要技術(shù)指標。

TWC儲氧量測試試驗首先安裝催化器A，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000r/min，油門20%，運行至催化器溫度穩(wěn)定，進入倒拖模式，持續(xù)10s后，油門恢復至20%，記錄計算的儲氧量，按照表4所示催化器儲氧量測試試驗工況進行其余工況儲氧量測試。后續(xù)更換催化器B、C、D，重復催化器A完成的試驗。

表4 催化器儲氧量測試試驗工況

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 WHTC循環(huán)排放試驗

天然氣發(fā)動機的WHTC循環(huán)排放結(jié)果必須滿足國六階段法規(guī)要求，并且在滿足法規(guī)要求的前提下，一般還要滿足更嚴格的工程指標限值，目的是為了留出足夠的余量，避免超出法規(guī)限值[5-6]。天然氣發(fā)動機的法規(guī)限值和工程指標限值如表5所示。

表5 發(fā)動機標準循環(huán)排放限值(點燃式)

進行WHTC循環(huán)試驗，根據(jù)冷態(tài)和熱態(tài)的排放結(jié)果計算冷熱態(tài)加權(quán)排放結(jié)果，公式如下：

Rresult=(1/7)*Rcold+(6/7)*Rhot

(1)

其中Rresult為冷熱態(tài)加權(quán)的計算結(jié)果，Rcold為冷態(tài)排放結(jié)果，Rhot為熱態(tài)排放結(jié)果。不同貴金屬含量冷熱態(tài)WHTC循環(huán)結(jié)果如表6所示。原排偏差在±4%以內(nèi)，隨著催化器貴金屬含量的減少，尾排有惡化趨勢。

表6 不同貴金屬含量冷熱態(tài)WHTC循環(huán)結(jié)果

為了便于觀察不同貴金屬含量偏差的TWC對排放的影響大小，對表6中數(shù)據(jù)進行處理，計算尾排的工程指標余量，工程指標余量代表實際排放結(jié)果與工程指標限值之間余量的大小。計算公式如下：

Q=(L-R)/R

(2)

其中Q為工程指標余量，L為工程指標限值，R為實際排放結(jié)果。計算各種排放物的工程指標余量如表7所示。催化器在設(shè)計公差±10%的范圍內(nèi)尾排排放滿足工程指標要求且余量很大。排放余量如表7所示：CO為91%，NOX為54%，NMHC為81%，CH4為68%，NH3為21%，且變化趨勢穩(wěn)定。貴金屬含量-15%偏差件，排放同樣滿足工程指標要求，尾排NOX余量明顯減小，降低至17%。

表7 不同貴金屬含量WHTC循環(huán)排放結(jié)果工程指標余量

為了更加直觀地觀察貴金屬含量的變化對不同排放物的影響，將四種催化器的冷熱態(tài)加權(quán)尾排結(jié)果進行總和標準化處理，以催化器A的CO排放結(jié)果為例，公式如下：

SA_co=NA_co/(NA_co+NB_co+NC_co+ND_co)

(3)

其中SA_CO為A催化器CO的總和標準化值，NA_CO、NB_CO、NC_CO、ND_CO分別為A、B、C、D催化器CO的冷熱態(tài)加權(quán)尾排結(jié)果。對所有數(shù)據(jù)處理后，原排冷熱態(tài)加權(quán)結(jié)果如圖1，尾排冷熱態(tài)加權(quán)結(jié)果如圖2。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，不同貴金屬含量的催化器對于各種排放物的原排幾乎沒有影響，標準化值均在0.25附近；圖2中得出D催化器的各種排放物的尾排更大，尤其是NOX、NMHC，說明催化器中貴金屬含量的減少會導致尾氣處理能力的下降，尾排惡化。

2.2 穩(wěn)態(tài)儲氧量測試

TWC中貴金屬儲氧量的大小可以代表它對尾氣污染物處理能力的強弱，在不同的轉(zhuǎn)速負荷工況下，測試A、B、C、D催化器的儲氧量，測試結(jié)果如表8所示。將表8的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成曲線，四個催化器可以得到四條測試曲線，如圖3所示。

表8 不同貴金屬涂覆量穩(wěn)態(tài)儲氧量對比

從圖3中可發(fā)現(xiàn)，隨著催化器中貴金屬含量的降低，各個工況下測得的儲氧量呈現(xiàn)下降的趨勢，尤其是D催化器在各種不同工況下測得的儲氧量都為最低，結(jié)合WHTC的排放試驗結(jié)果，說明儲氧量的下降會導致尾排惡化。

2.3 WHTC循環(huán)催化器溫度測試

冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)時，記錄四種催化器入口溫度和出口溫度的變化，催化器入口溫度分別如圖4和圖5所示，冷熱態(tài)催化器前溫度基本一致，說明催化器貴金屬含量的大小對催化器入口溫度幾乎無影響。

冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)催化器出口的溫度分別如圖6和圖7所示，在相同的催化器入口溫度下，隨著催化器中貴金屬含量升高，起燃溫度降低，催化器出口的溫度升高，說明催化器貴金屬含量的升高會促進排放物發(fā)生氧化還原反應，釋放出更多的熱能。催化器D的出口溫度明顯低于其他三個催化器。

3 結(jié)論

1) TWC貴金屬含量在-15%～+10%的制造偏差范圍內(nèi)，WHTC排放結(jié)果可以滿足國六法規(guī)要求，且余量充足。

2) TWC中貴金屬含量升高可以提高催化器的儲氧能力，進而提高TWC對排放物的轉(zhuǎn)化效率。

3) TWC中貴金屬含量升高可以降低反應起燃溫度，進而提高低溫時TWC對排放物的轉(zhuǎn)化效率。