蒸汽在三元催化器中抑制二次NH3和N2O生成的作用机制研究

本研究针对内燃机尾气处理中三元催化器(TWC)产生的二次污染物氨(NH3)和一氧化二氮(N2O)问题，通过缸内水喷射技术(WI)系统研究其对TWC性能的影响。结果表明，水喷射通过降低缸内温度显著减少发动机出口NO浓度，进而抑制TWC上NH3的生成，同时维持N2O低排放水平，为满足EURO 7法规中NH3和N2O限值提供了关键技术支撑。

　　

随着全球对环境保护和空气质量的日益关注，内燃机排放控制已成为科研和工业界的焦点。虽然三元催化器（Three-Way Catalyst, TWC）能有效处理一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NO_X）等主要污染物，但在特定条件下，TWC自身会生成二次污染物——氨（NH₃）和一氧化二氮（N₂O）。NH₃具有毒性，而N₂O的全球变暖潜能是二氧化碳（CO₂）的300倍，且会破坏臭氧层。即将实施的EURO 7法规首次对重型车辆尾气中的NH₃（限值60 mg/kWh）和N₂O（限值200 mg/kWh）设定了严格标准，因此，开发有效抑制这些二次污染物形成的技术迫在眉睫。

缸内水喷射（Water Injection, WI）技术因其能降低燃烧温度、减少热力型NO_X生成而备受关注，但其对TWC性能及二次污染物形成的影响尚不明确。为此，来自伯明翰大学的研究团队开展了系统研究，旨在揭示WI对TWC上NH₃和N₂O形成的影响机制，相关成果发表在《Fuel》期刊上。

研究采用一台2.0升涡轮增压汽油直喷（GDI）发动机，配备进气口WI系统，使用符合EN228标准的汽油燃料。通过傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等设备测量TWC前（bTWC）和后（aTWC）的多种气体浓度，包括NO、NH₃、N₂O、CO和HC。实验在100 Nm和2500 rpm的高负荷条件下进行，设置了不同空燃比（λ从0.95到1.10）和WI水平（无WI、中等WI-MWI: 43 g/min、高WI-HWI: 91 g/min），以模拟从富燃到贫燃的各种工况。

3.1. 排气温度影响

WI显著降低了发动机出口、bTWC和aTWC的排气温度，降幅随WI量增加而增大，最高可达20°C。这源于水的高汽化潜热吸收了大量燃烧热量，降低了缸内温度。aTWC温度在化学计量比（λ=1）时增幅最大，因TWC上的氧化还原反应放热最充分。

3.2. 碳基排放

WI降低了发动机出口CO浓度，尤其在富燃条件下更明显，归因于温度降低抑制了甲酰自由基分解等CO生成途径，同时水煤气变换反应（WGS: CO + H₂O ? CO₂ + H₂）被促进，导致CO减少而H₂增加。相反，WI增加了HC排放，因冷却效应加剧了火焰淬灭。TWC对HC的转化效率在高WI下仍保持稳定（88%-90%），得益于水蒸气促进了烃类的蒸汽重整反应（HC + H₂O → H₂ + CO）。

3.3. 氮基排放

WI显著降低了发动机出口NO浓度，因冷却效应抑制了热力型NO的生成（Zeldovich机制）。aTWC的NO在化学计量比和富燃条件下近乎零，但贫燃时因TWC转化效率低而出现穿透，WI通过降低发动机出口NO减少了尾管总NO。N₂O排放本就较低（<4 ppm），WI进一步降低了其发动机出口浓度，可能通过促进OH自由基生成加速N₂O分解。TWC出口N₂O在富燃时被完全去除，贫燃时无变化，因高温操作超出了N₂O的形成窗口。发动机出口NH₃浓度很低（<16 ppm），主要来源于燃料结合氮的反应；WI在多数条件下降低了其浓度，但在λ=0.98（最高效率点）却略有增加，机制复杂需进一步研究。最关键的是，WI大幅减少了TWC上二次NH₃的生成，尤其在富燃条件下，因发动机出口NO的减少直接限制了NH₃合成的前体（如反应2NO + 5H₂ → 2NH₃ + 2H₂O）。

研究结论明确指出，WI通过其主导的热效应降低发动机出口NO浓度，从而有效抑制了TWC上二次NH₃的形成，同时WI对N₂O排放影响较小。此外，WI引入的水蒸气在TWC表面参与了WGS和蒸汽重整等反应，影响了CO和HC的转化路径。该技术为协同控制燃烧过程和催化后处理过程中的排放提供了创新方案，尤其有助于满足EURO 7对NH₃和N₂O的严苛限值。未来研究可聚焦WI在TWC起燃阶段的优化应用，以进一步降低冷启动时的N₂O排放。