不同尾气热管理策略对当量天然气发动机WHTC循环排放的影响

邓远海，宁德忠，蒋继，潘恒斌，付长城，官维

摘要： 国六天然气发动机采用等当量燃烧结合外部冷却EGR及TWC的排放控制技术路线，TWC的转化效率是保证发动机排放达标的重要因素，而催化器的入口温度是决定TWC转化效率高低的最重要影响参数之一。然而，在冷起动阶段及排气管路温降较大的情况下，存在TWC入口尾气温度难以满足发动机及整车排放高效转化需求的问题。针对该问题，在一台4.5 L排量的发动机和一辆搭载该发动机的城市环卫车上探究不同尾气热管理策略对发动机WHTC循环排放及整车作业循环排放的影响。研究结果表明：采用起动快速温升的尾气热管理策略，能有效提高冷起动阶段发动机尾气温度，WHTC循环的TWC入口温度达到300 ℃所需时间缩短了300 s，显著降低了NOx，CH4和CO循环排放，降幅分别达到38.5%，38.5%和5.8%；采取在TWC上增加金属载体前级方案的尾气控制策略，WHTC循环的NOx，CH4和CO循环排放分别降低了62.2%，42.8%和15.7%；采用对整车排气尾管包裹的尾气热管理策略，在整车作业循环工况下，TWC入口温度相比采用普通石棉包裹的方案提高了近200 ℃，使得NOx瞬时排放值30 s平均值的最大值降低了60.9%，能更好地满足北京第六阶段的排放法规要求。

关键词： 天然气发动机；当量燃烧；尾气热管理；冷起动；排气温度

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.008

中图分类号： TK437文献标志码： B文章编号： 1001-２２２２（２０24）０2-００53-０7

天然气的主要成分为甲烷（CH4），具有储量大、来源广泛、燃烧清洁的优点，已被广泛应用于车用发动机中［1-3］。特别是重型天然气发动机，在商用车领域的需求与日俱增［4］。当前阶段，我国已实施GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》［5］法规（以下简称国六排放法规），同时为进一步降低北京市车辆排放，北京市执行DB11/1476—2017《重型汽车氮氧化物快速检测方法及排放限值》［6］法規（以下简称京六排放法规），要求NOx瞬时排放值30 s平均值（最大值）＜550×10-6，占比为100%。国六天然气发动机普遍采用等当量燃烧+外部冷却EGR+TWC（三效催化器）的排放控制技术路线［7-8］，主要是由于当量燃烧增加了发动机缸内热负荷和爆震风险，采用高压冷却EGR技术后，可以有效降低热负荷和爆震倾向，改善发动机关键燃烧部件的可靠性，同时提升发动机的燃油经济性［9-11］。

当量天然气发动机主要通过增压中冷、四气门、燃烧优化、发动机本体设计等措施来实现发动机PM和PN排放达标。同时，通过应用上述措施，结合外部冷却EGR策略将NOx，NMHC，CH4和CO等发动机原机排放控制到一定水平，再结合机外净化的方式（TWC）对发动机原机排放进行高效转化，最终使发动机尾气排放控制在国六排放法规限值之内［12-13］。

三元催化器（TWC）的转化效率是保证发动机排放达标的关键因素［14-16］，国六天然气发动机采用的TWC对气体排放污染物的转化效率较高，新鲜态催化剂能达到近100%的转化效率。然而，在TWC转化装置中的贵金属配比、载体、封装和涂层等参数确定的情况下，TWC的入口温度对TWC转化效率有极为重要的影响，当TWC入口温度达到450 ℃左右时，TWC对气体排放污染物的转化效率接近100%［17］。因此，提高TWC入口温度对降低天然气发动机原排和整车尾排有决定性作用。在WHTC冷态循环下，TWC入口温度较低，催化剂难以实现起燃，转化效率较低，排放超出限值的风险明显增大，需要针对性开发排气热管理策略以降低WHTC冷态循环下的排放。

对于车用发动机，目前采用的尾气热管理策略主要有：①通过改变燃烧参数提温，一般采用调轨压、调整喷油提前角、使用后喷等排温控制策略［18］；②增加加热装置，如在催化器之前加装电加热的加热格栅来快速提升尾气温度［19］；③增加进气或排气节流阀并开发排温控制策略，实现快速暖机［20］；④采用可变气门控制装置实现对缸内工质的调控来提升发动机排气温度［21］。

从上述这些排气温度管理方案可以看出，除了电加热方式是使用发动机外部热量来助力实现催化器快速起燃之外，其他策略均是利用发动机废气热管理策略来提高催化器入口的温度，废气能量高效利用是提高催化器温度最有效的技术手段，充分利用废气能量是提升催化器快速起燃的关键。因此，研究适合工程推广应用的尾气热管理策略对天然气发动机满足当前及未来更严格的排放法规具有非常重要的工程价值。本研究重点围绕天然气发动机冷起动阶段催化器入口温度难以提升以及排气尾管温降较大的问题，提出了起动快速提温策略、两级催化器耦合方案和排气管包裹方案的尾气热管理策略，并验证其对后处理排放转化效率的影响。

1研究方法

试验在一台玉柴4.5 L排量的天然气发动机上进行，试验样车参数及试验条件如表1所示，整车类型为N2城市环卫清运车（压缩式垃圾车），整备质量7 500 kg，最大设计总质量8 200 kg，燃料类型为LNG。整车排气管路为1 500 mm，管路内径75 mm，在TWC出口安装NOx传感器，通过采集TWC出口的NOx排放，分析排气尾管温度对排放的影响。试验分别在玉柴发动机台架测试间和北京通州整车试验场开展，台架试验按照WHTC瞬态循环测试要求进行，整车测试按照中国典型城市环卫清运车运行工况开展。表2所示为发动机的主要技术参数。

图1示出该试验天然气发动机在不同TWC入口温度下的NOx，CH4和CO转化效率变化规律。由图可知，TWC催化器入口排气温度对气体排放污染物转化效率的影响非常显著，仅当入口排气温度达到450 ℃以上时，气体的转化效率才能达到接近100%的水平。因此，本研究通过发动机台架和整车测试，分析起动快速提温策略、两级催化器耦合方案和排气管包裹方案等尾气热管理策略对提升催化器入口排气温度的影响，以期获得满足催化转化器高效转化的温度需求。

方案一采用起动快速温升策略，通过排温预测模型来调整燃烧控制参数，即通过起动阶段对排温准确预测来快速实现对点火角度和EGR率的控制，提高冷起动阶段的废气温度，降低冷起动阶段的排放。

方案二采用两级催化器方案，在TWC入口前增加一个体积相对较小的金属载体类型的TWC。图2示出原机单级催化器布置方案与两级催化器布置方案的对比。金属载体布置在后级TWC前100 mm处，属于紧耦合布置方式。金属载体快速升温效果较好，且体积较后级要明显小，在冷起动阶段金属载体内部的催化反应能快速提升金属载体的温度，前级金属载体催化器的出口温度即为后级TWC的入口温度，从而可实现后级TWC催化器排气入口温度的快速提升，降低冷起动阶段的排放。

方案三采用整车排气尾管特殊包裹工艺，解决传统包裹方式如包裹隔热棉、隔热护等方式隔热效果差的问题，降低排气尾管的尾气温降，从而助力整车排放的控制。图3示出排气管特殊包裹工艺在台架和整车上的状态示意。本研究采用的先进包裹工艺方案如下：第一层采用高硅氧化毡，厚度为3 mm；第二层采用无碱针刺毡，厚度为8 mm；第三层采用镀铝纤维布，厚度为0.25 mm；最外层为SUS304压花板，厚度为0.25 mm。依次将高硅氧化毡、无碱针刺毡、镀铝纤维布用扎带缠绕在排气管上，用压花不锈钢焊接于排气管上（见图3）。

2尾气热管理策略方案研究

2.1起动快速温升策略对排放的影响

为实现发动机起动快速升温，本研究设计了起动快速温升策略，即在发动机起动时刻，根据发动机催化器上温度传感器的温度信号和发动机负荷情况对发动机点火角和EGR率等参数进行实时修正，以实现缸内混合气燃烧持续期延长或产生后燃，从而提升发动机排温及催化器入口温度。图4和图5分别示出冷热WHTC测试循环下发动机催化器入口温度对比。从图中对比可见，在冷态WHTC循环下，未采用起动快速升温策略时，TWC入口温度在400 s时才能达到300 ℃，而采用起动快速升温策略时，TWC入口温度在约100 s时已达到300 ℃。此外，在循环前600 s采用起动快速升温策略的TWC入口温度均高于未采用提温策略。同样地，在热态WHTC循环下，采用起动快速升温策略后，循环前400 s，TWC入口温度相比未采用起动快速升温策略最大提升了约62 ℃。TWC入口温度的提升将显著改善TWC的排气催化转化效率。

图6示出有无起动快速温升策略对冷态WHTC循环CH4和NOx排放的影响。在循环前600 s，采用起动快速温升策略的CH4排放相比不采用温升策略时要低一些，主要是起动快速温升策略提升了催化器入口温度，进而提升了CH4的转化效率。采用起动快速温升策略时NOx排放在循环前300 s显著降低，这主要是因为采用起动快速温升策略后TWC入口温度达到300 ℃的时间缩短了近300 s，这能快速提升冷态循环下催化器的起燃温度。

图7示出有无起动快速温升策略对热态WHTC循环下CH4和NOx排放的影响。在热态WHTC循环下，采用起动快速升温策略时，发动机在循环前400 s的NOx和CH4排放均有大幅降低，排放峰值降幅达到50%以上。这主要是因为相比不采用起动快速升温策略时，TWC入口温度最高提升了约62 ℃，缩短了催化器的起燃时间，提高了催化器的转化效率。

图8示出有无起动快速温升策略对冷态和热态WHTC循环下NOx，CH4和CO比排放的影响，图9示出冷热态WHTC循环加权排放值。从图中可知，未采用起动快速温升策略时，NOx，CH4和CO的循环加权排放分别为0.179，2.291，0.517 g/（kW·h），而采用起动快速温升策略后，NOx，CH4和CO的冷热态循环排放均获得显著改善，特别是冷态循环下改善幅度特别大，导致循环加权排放大幅度降低，降幅分别达到38.5%，38.5%和5.8%。由此可见，起动快速温升策略对于冷起动阶段催化转化效率的提升非常重要，是满足WHTC排放测试循环法规要求的重要排温管理措施。

2.2两级催化器方案对排放的影响

通过采用两级催化器紧耦合方案来提升催化器入口温度，分析其对排放的影响。试验在一台排量为4.5 L的天然气发动机上开展，排气管长度为2 400 mm，采用隔热棉包裹方式。两级方案为在后级TWC入口前100 mm处增加一个小的前级TWC，载体为金属载体，后级TWC为劣化严重的催化器，NOx和CH4排放已经超国六排放法規限值，载体为陶瓷载体。前后级贵金属比例为1∶8.8，前级TWC载体尺寸为直径101.6 mm，长100 mm，后级TWC载体尺寸为直径266.7 mm，长203.2 mm。

试验结果如图10所示。由于金属载体的导热性优于陶瓷载体（在20 ℃时，金属载体导热系数为13 W/（K·m），陶瓷载体导热系数为1 W/（K·m）），采用两级催化器紧耦合方案后，相比原机单机催化器布置方案，后级陶瓷载体催化器的入口平均温度最高提升了约83 ℃，从图中可以看到，两级催化器紧耦合方案在整个WHTC循环下催化器入口温度均高于单级方案。两级方案不仅使催化器实现了快速起燃，同时使催化器工作在高效转化的工作温度窗口内，导致整个WHTC循环（冷热态加权）下发动机NOx，CH4和CO循环排放大幅度降低，如图11所示，NOx，CH4和CO的加权循环排放分别降低了62.2%，42.8%和15.7%，使劣化的催化器重新具备满足国六排放法规要求的能力。

2.3排气尾管包裹工艺对整车排放的影响

国六排放法规对整车排放控制的考核循环是PEMS循环，对于北京地区的车辆，需要同时满足京六排放法规关于NOx瞬时排放值30 s平均值（最大值）＜550×10-6，占比=100%的要求，测试地点为实际道路。在整车排放测试过程中，若整车排气尾管温降过大，将对整车排放产生不利影响。目前传统排气尾管保温手段是采用包裹隔热棉的方式，这种方式保温效果较差，且受包裹质量一致性影响，保温效果无法量化评估。本研究采用先进的包裹工艺方式，研究其对整车排气管温降及整车排放的影响。对整车排放的影响通过催化器出口NOx传感器测量的NOx瞬时排放值30 s平均值进行评估，其中NOx传感器测量值为瞬时值，30 s平均值为ECU内部程序将瞬时值加权平均处理得出。

首先，在发动机测试台架上开展对比研究，图12示出排气尾管采用特殊包裹工艺与隔热棉包裹工艺在WHTC热态循环下管路温降对比。从图中可知，采用特殊包裹方案后，相比隔热棉包裹方案，排气尾管的平均温降和最大温降都显著降低，最大温降的降幅为40 ℃左右。

其次，在一辆搭载4.5 L排量天然气发动机的城市环卫清运车上，研究先進包裹方案对整车排放的影响。图13示出城市环卫清运车运行工况采集数据图，图中转速和负荷跳变点是车辆处于转弯掉头或加速工况。作为城市环卫清运车，整车运行车速较低，常在低于20 km/h车速下定速巡航行驶，发动机运行负荷较低，转速通常在600～800 r/min区间，负荷在20%以下。由于运行负荷较低，催化器入口温度难以满足催化器高效转化需求，导致存在NOx 30 s平均值无法满足法规限值要求的风险。

图14示出整车特殊包裹方案与隔热棉包裹方案TWC入口温度对比。图15示出整车特殊包裹方案与隔热棉包裹方案下NOx排放对比。采用传统的隔热棉包裹方案时，整车测试循环过程催化器入口温度均较低，对应的NOx 30 s平均值最大值为473×10-6，相比京六法规限值要求的550×10-6较为接近，余量较小。主要是因为测试循环过程中TWC入口温度较低，最高仅为300 ℃，远低于高转换效率要求的最低温度450 ℃。而采取特殊包裹方案后，TWC入口温度提高至500 ℃左右，温度处于高转换效率需求的温度窗口内，此时NOx的转换效率较高，NOx30 s平均值最大值降低至185×10-6，相比传统隔热棉包裹方案降低了60.9%，增加了满足京六法规限值要求的裕度。因此，整车排气管采用先进的包裹方案可大幅度减小尾气管路的温降，提高催化器入口温度，对降低整车排放具有显著的效果，特别是为满足京六排放等特殊地方性法规要求提供了重要的保障。

3结论

a） 当发动机采用起动快速升温策略时，在冷态WHTC循环下TWC入口温度达到300 ℃的时间缩短了300 s，在热态WHTC循环前400 s，TWC入口温度提升了62 ℃；在冷态和热态WHTC循环下，发动机在循环前400 s的NOx和CH4排放均有大幅降低，导致WHTC冷热加权循环下发动机NOx，CH4和CO循环排放分别降低了38.5%，38.5%和5.8%；起动快速升温策略可作为降低冷起动阶段排放的高效低成本方案；

b） 当发动机采用两级催化器紧耦合方案时，后级主催化器入口的平均温度提升约83 ℃，整个WHTC循环下发动机NOx，CH4和CO循环排放分别降低了62.2%，42.8%和15.7%；两级催化器紧耦合方案不仅能有效降低冷起动阶段排放，同时对提升后级TWC耐久性能具有较大的应用潜力；

c） 当整车排气尾管采用特殊包裹工艺的尾气热管理策略时，相对采用普通石棉包裹的方案，整车低速作业循环工况下，TWC入口温度提升了约200 ℃，NOx 30 s平均值最大值降低了60.9%；特殊包裹方案的TWC入口整体温度提高至约500 ℃，温度处于高转换效率需求的温度窗口内，NOx的转换效率较高，NOx 30 s平均值最大值仅为185×10-6，满足京六法规限值要求的余量大幅度提高；整车排气管采用特殊包裹方案，可降低管路温降，提高催化器入口温度，对降低整车排放具有显著的效果，是整车满足京六排放等特殊地方性法规要求的有效热管理方案。

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Effects of Different Exhaust Thermal Management Strategies on

WHTC Emission for Equivalent NG Engine

DENG Yuanhai1，NING Dezhong1，JIANG Ji1，PAN Hengbin2，FU Changcheng2，GUAN Wei2

（1.Guangxi Yuchai Machinery Company，Yulin537005，China；

2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning530004，China）

Abstract： The China Ⅵ natural gas engine adopts the emission control technology route of equivalent combustion combined with external cooling EGR and TWC. The conversion efficiency of TWC is an important factor to ensure that the engine emissions meet the standards， and the inlet temperature of the catalytic converter is one of the most important influencing parameters that determine the conversion efficiency of TWC. However， there is a problem that the inlet exhaust gas temperature of TWC is difficult to meet the high-efficiency conversion requirements of engine and whole vehicle emissions in the cold start stage and under the condition of large temperature drop of exhaust pipe. To address this issue， different exhaust thermal management strategies were investigated on a 4.5 L displacement engine and an urban sanitation vehicle equipped with the engine to study the effects on engine WHTC cycle emissions and whole vehicle operation cycle emissions. The results showed that the exhaust thermal management strategy with rapid temperature rise could effectively increase the exhaust gas temperature of engine during cold start. The time required for the TWC inlet temperature to reach 300 ℃ during WHTC cycle was shortened by 300 s， which significantly reduced NOx， CH4， and CO cycle emissions with the reductions of 38.5%， 38.5% and 5.8% respectively. The exhaust control strategy that added a metal carrier upstream of TWC produced the reductions of 62.2%， 42.8% and 15.7% respectively in NOx， CH4， and CO cycle emissions during WHTC cycle. Compared with the scheme using ordinary asbestos wrapping， the inlet temperature of TWC increased by nearly 200 ℃ under the whole vehicle operation cycle after using the exhaust thermal management strategy with a special wrapping process for the entire vehicle exhaust pipe， which resulted in a maximum reduction of 60.9% in the 30 s average value of transient NOx emissions. Accordingly， the emission regulation requirements of Beijings Ⅵ stage can be better met.

Key  words： NG engine；equivalent combustion；exhaust thermal management；cold start；exhaust temperature

［编辑： 潘丽丽］