混燃模式在燃气发动机国Ⅴ排放中的应用

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

混燃模式在燃气发动机国Ⅴ排放中的应用

陆静安

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

重型天燃气发动机采用缸外预混合燃烧方式，空燃比决定着天然气发动机排放及动力性能。采用当量燃烧/稀薄燃烧相结合的混合燃烧方式，在中低负荷区，通过当量燃烧和三效催化器降低排气中各种污染物的浓度、减小循环波动、提高整车驱动性；在大负荷区，通过稀薄燃烧降低NOx原始排放，同时降低热负荷、提高经济性，发动机本体不需作重大改进即可满足国Ⅴ排放及驱动性的要求。

当量燃烧稀薄燃烧三效催化转化器排放

1 前言

近年来，随着城市大气污染的日趋严重，人们对环境污染的问题也越来越重视，越来越认识到环境保护的重要性；限制汽车发动机尾气排放的法规日趋严厉，北京上海等一线城市已开始全面执行国Ⅴ排放法规。天然气是一种清洁的替代燃料，与传统燃料相比，天然气燃烧时不产生碳烟，具有较低的NOx、CO、HC等排放污染物，在国内得到了普及推广，尤其是城市公交领域。天然气发动机普遍采用稀薄燃烧技术和氧化型催化转换器满足国Ⅳ排放要求。但面对更严厉的国Ⅴ和京Ⅴ排放法规，稀薄燃烧技术难于兼顾排放和动力性。本文阐述了稀薄燃烧+当量燃烧相结合的混燃技术在发动机本体不作重大改进的情况下能同时兼顾天然气发动机国Ⅴ排放及整车的动力性和经济性。

2 稀薄燃烧对排放及动力性的影响

燃气发动机采用缸外预混合均质稀燃模式，燃气和空气在缸外混合器中形成均质的预混合气，火花塞的火花在压缩上止点前点燃混合气。稀薄燃烧发动机不同于常规发动机之处，源自其过量空气过量系数λ超出常规。充入气缸内的实际空气与进入气缸内的燃料完全燃烧所需的理论空气量的比值称为空气过量系数。空气过量系数的大小不仅影响着发动机的性能和排放，还可能导致发动机失火。

重型燃气发动机一般以柴油机为基础，将燃油系统改为燃气系统，同时降低压缩比、更改燃烧室、增加点火系统，由压燃式内燃机改为点燃式内燃机。电控系统通过宽范围线性氧传感器检测实际空燃比，根据实际空燃比和目标空燃比的差异调整燃气供给量，精确控制空燃比。相对于压燃式的柴油机，当量燃烧的点燃式燃气发动机的排温远高于柴油机的排温，在发动机本体少作重大修改的前提下，早期的燃气发动机采用稀薄燃烧工作方式，通过稀薄燃烧来降低排气温度、确保耐久性、可靠性，并同时降低NOx及燃料消耗率。

2.1 稀薄燃烧对热效率的影响

稀薄燃烧就是使过量空气系数从λ＝1左右提高到λ远远超过1.1的水平。由理论循环热效率公式可知，热效率ηK将随着绝热指数K的增加而增加。天然气发动机工质是天然气与空气以及燃烧产物的混合体，其燃烧产物主要由CO2、H2O等多原子分子组成。所以，当混合气较浓时，多原子成分的比例较大，绝热指数K较小，当混合气较稀时，绝热指数K反而增大。从理论上讲，混合气越稀，K值越大，热效率也越高。因此在不使发动机失火的前提下，应尽可能进行稀薄燃烧。

2.2 稀薄燃烧对CO排放量的影响

从宏观的角度来看，当可燃混合气的空燃比小于理论上空燃比时，就会有部分燃料不能完全燃烧而产生CO。由于气缸内可燃混合气的微观浓度分布不均匀，即使缸内空燃比在超过理论空燃比的情况下，排气中仍可能存在较多的CO。尾气中CO的浓度主要受过量空气系数的影响，而转速和负荷对CO造成的影响也是通过过量空气系数的变化起作用的。采用稀薄燃烧后，在λ＞1的某一范围内，CO的含量可以得到有效控制。

2.3 稀薄燃烧对HC排放量的影响

对点燃式内燃机而言，在实际空燃比稍大于理论空燃比的情况下，尾气中未燃HC的含量较少；但是当空燃比小于或大大超过理论空燃比的时候，未燃HC的排放量就会提高。图1为排气温度、NO、CH4和CO随空气过量系数λ的变化情况。从图1可见，HC的排放量随着空燃比的增大而减少，其原因主要是由于混合气较稀薄，燃烧效率提高，且氧气充裕，能在排气行程和排气道中进一步对HC进行氧化；但当λ＞1.6时，HC的排放量就因为失火和部分燃烧而大大增加。所以进行恰当的稀薄燃烧才可以改善HC的排放[2]。

图1 排气温度、NOx、HC和CO随空气过量系数的变化

2.4 稀薄燃烧对NOx排放量的影响

如图1所示，在理论空燃比右侧某位置，NOx的排放量最多，而高于或低于这一位置时，NOx的排放量均降低。因为在燃料浓的区域氧含量少，而在稀薄区域运转时最高燃烧温度会下降，这都有利于NOx排放量的降低。

2.5 稀薄燃烧对循环波动的影响

与理论空燃比燃烧相比，稀薄燃烧的缺点是燃烧速率显著降低。稀薄燃烧时，由于混合气太稀，使火焰传播速度下降，导致燃烧不稳定、缸内压力和扭矩波动加剧、CH排放增加。当点燃式发动机的未燃混合气偏稀时，则火焰发展期、快速燃烧期及燃烧的循环变动将增加；达到某一数值时，发动机运转变得粗暴且不稳定，加减速平顺性下降。燃烧速率的降低导致总燃烧持续期的延长，这又导致传递到气缸壁的热损失增加，总的热效率降低。均质稀燃天燃气的空燃比稀燃极限在27左右。

综上所述，稀燃的最大优点是在提高指示热效率、降低发动机热负荷的同时，能大大降低NOx的排放量。如图1所示，随着过量空气系数的增加，NOx排放量不断下降、指示功的循环波动率增大，加速性变差。HC排放量随着空燃比的增加不断减少。在空燃比1.3左右达到最低，继续增大空燃比，循环波动增加，CH4排放量又开始不断增加。对于稀燃发动机，空燃比决定了NO排放浓度，氧化型催化器转化效率决定了CO、CH4、NMHC排放浓度。氧化型催化器用铂PT和钯PD作为活性元素，配方优化后的氧化型催化器的CH、NMHC转化效率能达到90%以上。通过精确控制空燃比并适当推迟点火提前角，外加氧化型催化转化器，稀薄燃烧天然气发动机能够满足国Ⅳ排放要求及整车驱动性要求。

3 低排放和稀薄燃烧

随着经济的发展和环境保护意识的增强，汽车发动机尾气排放的法规日趋严厉，国内部分城市已开始实施国Ⅴ排放标准，对发动机的排放要求越来越高。国Ⅴ排放要求NOx比排放控制在2 g/kW·h以内，远低于国Ⅳ排放限值3.5 g/kW·h，NOx比排放下降43%。采用稀薄燃烧控制策略，由于氧化型催化器对NOx无催化能力，降低NOx完全依靠缸内燃烧过程，只有进一步增加空气过量系数及推迟点火提前角，降低最高燃烧温度，才能降低NOx至规定限值2 g/kW·h。进一步增加空气过量系数及推迟点火提前角必然引起燃烧速率的降低及指示功的循环波动率增大，恶化发动机的燃烧工作过程，导致加速性及经济性恶化。

天然气主要来源于油田，它是地表下岩石储集层中自然存在的、以轻质碳氢化合物为主体的气体混合物，主要成分是甲烷（CH4），其余为乙烷、丙烷、丁烷及少量其它物质。满足国Ⅴ排放的稀薄燃烧天然气发动机的空燃比已接近失火极限，当实际燃气成分稍有波动，发动机很可能工作在失火区，车辆无法正常运转。

稀薄燃烧发动机采用宽范围线性氧传感器和氧化型催化器，无法对催化器的转化能力、老化程度进行监控，对CH4和NMCH排放量的超标无实时检测能力，发动机运行过程中存在排放超标的可能。另外，国Ⅴ稀燃氧化型催化器需要更多的贵金属，耐久性较差，增加用户使用成本。

4 低排放燃烧控制策略

表1 混燃和稀薄燃烧排放比较

重型燃气发动机采用缸外预混合燃烧方式，稀薄燃烧时无法进行分层燃烧，为保持燃烧稳定性，无法进一步增加空燃比，仅靠燃烧过程NOx排放量难以控制在更低水平。对于欧Ⅴ及欧Ⅴ以上的发动机，国外普遍采用当量燃烧方式，采用三效催化转换器同时对CO、CH4、NMHC、NOx等有害物质转化成无害的H2O、CO2和N2。三效催化转换器利用催化反应加速排气中各成分可能进行的化学反应，使其接近平衡组成，显著降低排气中各种污染物的浓度。在精确控制空燃比的情况下，污染物的浓度主要与三效催化器的转化效率有关。为满足超低排放要求，一般采用纯当量燃烧及当量燃烧+EGR两种方式。采用纯当量燃烧方式，发动机排温、热负荷明显上升，原发动机的缸盖、排气管、增压器等零部件不能承受高的热负荷，需要做重大的改进；采用当量燃烧+EGR方式，能有效降低热负荷，发动机本体零部件不需改进，但需要增加一套复杂的EGR装置，大流量高温高效率的EGR冷却器相当昂贵，成本难以接受。各种控制策略及性能比较见表1。

满足国Ⅴ以上的低排放燃气发动机，采用当量燃烧是唯一可行的方式，各种污染物依靠三效催化器的催化作用才能显著降低排气中各种污染物的浓度。重型发动机采用当量燃烧开发成本较大，开发周期较长。对于国Ⅴ排放限值，在发动机本体不作重大变化的情况下，可采用当量燃烧与稀薄燃烧相结合的方式，通过三效催化器和优化控制策略来满足排放限值和整车驱动性要求。在中低负荷，采用当量燃烧方式，利用高效的三效催化器同时对CO、CH、NOx等有害物质进行转化。由于热负荷不大，发动机采用原有的结构能满足可靠性要求。在高负荷，采用稀薄燃烧方式，将NOx原始排放在进入三效催化器前控制在较低的水平，CO、CH有害物质仍通过三效催化器进行转化；高速高负荷工况通过稀薄燃烧降低发动机的热负荷，避免发动机零部件重大改进或采用EGR等高成本措施。

5 当量/稀薄混合燃烧和国Ⅴ排放

稀薄燃烧降低热负荷是以增加NOx排放及降低驱动性为代价，当量燃烧提高驱动性、降低排放是以增加气耗和热负荷为代价。所以在当量/稀薄混合燃烧中必须按发动机工况合理调整当量/稀薄燃烧区域。在不同区域精确控制空燃比，在满足国Ⅴ排放的前提下，降低发动机气耗和热负荷，提高发动机驱动性和舒适性。

5.1 空燃比的控制

当量燃烧时三效催化器的转化效率和稀薄燃烧时NOx污染物浓度与空燃比的控制密切相关，精确控制空燃比是实现国Ⅴ排放的首要条件。三效催化器前后分别安装稀薄型宽带线性氧传感器和当量开关型氧传感器。稀薄型前氧传感器是一种片式双电池限电流传感器，它的输出电流与排气中氧的成分有一定的关系。输出电流在λ=1处改变方向，且与λ几乎成线性关系，在λ从0.8到2.5的广阔范围内准确地测定λ数值，因此可以将闭环控制的目标设定在一个很宽的λ范围内的任意数值。前氧传感器主要用于控制空燃比。开关型后氧传感器只能判断λ＞1或λ＜1，无法测定λ的具体数值，λ＞1则氧过剩，混合气过稀；λ＜1则氧不足，混合气过浓。后氧传感器主要对三效催化器进行诊断，防止排放超标，同时能对前氧漂移进行补偿。

前氧线性传感器测量排气中的氧离子浓度，通过湿度、排气背压等修正，得出发动机实际空燃比。电控单元计算实际空燃比和目标空燃比的差值，并将该差值用于对燃气供给量的控制，从而将实际空燃比与目标空燃比的差值控制在一定的范围内。在稀薄燃烧和当量燃烧不同区域，空燃比控制采用不同控制策略。在稀薄燃烧时，为降低NOx排放及循环波动，采用PID调节方式控制实际空燃比，要求空燃比控制尽可能迅速及稳定；在当量燃烧时，为提高三效催化器转化效率，加宽三效催化器的高效窗口，降低起燃温度，目标空燃比应在当量值附近以一定频率和幅度波动。三效催化剂能理想工作的过量空气系数“窗口”很窄，λ宽度只有0.01～0.02左右（对应空燃比A/F窗口宽度0.15～0.3），且并不相对λ=1.00对称。在这个窗口工作，CO、HC和NOx的净化效率均在80%以上。空燃比波动频率为0.5～1.5 Hz，波动幅度λ=0.01左右，波动周期和波动频率取决于氧传感器响应时间的长短，即取决于发动机负荷、转速和进排气管道。

λ闭环控制目标主要由发动机负荷和转速确定，可以用λ特性场的形式表示。特性场分为λ=1和λ＞1两个区域，分别对应当量燃烧和稀薄燃烧，图2为当量燃烧和稀薄燃烧的λ分布区域。合理调整稀薄燃烧区域，兼顾发动机热负荷、排放、加速性。当量燃烧和稀薄燃烧过渡区域空燃比阶跃变化，能够在当量燃烧和稀薄燃烧切换过程中迅速跳过为了控制NOx而设置的空燃比禁区，即跳过A/F=17～23（λ=1.05～1.3）的范围。空然比低于这个范围，三效催化转换器对NOx还有一定程度的转化能力；高于这个范围，NOx原始排放相对来说较低。如果λ正落在这个范围内，那么一方面机内产生的NOx浓度很高，另一方面三效催化转换器又无法进行NOx转化，对排放最为不利。图3为混燃模式下NOx浓度、排温及扭矩波动随过量系数的变化。

图2 当量燃烧和稀薄燃烧λ分布区域

5.2 空燃比的切换控制策略

燃气发动机输出扭矩主要取决于空气流量、空燃比、点火提前角。当量燃烧和稀薄燃烧切换过程中，通过空燃比阶跃变化来降低NOx排放.为实现过渡的平顺性，空燃比的突变必然要求空气流量和点火提前角的突变[1]。图4描述了发动机从怠速突加油门加速过程中，油门踏板（FPP）、节气门（TPS）、进气歧管压力（MAP）、空然比（A/F）、发动机转速和发动机扭矩的变化曲线。油门踏板被往下踩到一定程度不再变动。起先，负荷和转速较小，发动机工作在当量燃烧区，节气门和进气歧管压力较小，发动机逐步加速，当发动机越过某一转速和负荷时混合气迅速由浓转稀，进入稀薄燃烧区。这个过程是自动进行的，驾驶员无法知道什么时候应该切换，更无法干预切换，所以必定保持油门踏板位置不变。在传统的发动机中这就意味着进气量不变，所以当切换到λ＞1时，必定喷油量陡减，扭矩明显下降，如图4中的三条虚线所示。此时乘员感受到一种意外的、短促的制动，破坏了汽车的平顺性。解决这个问题的方法是，在切换到λ＞1时增加节气门开度。在较稀空燃比下ECU会相应地增加空气流量，燃气流量基本不变，扭矩也保持在切换至以前混合气的水平。在稀薄燃烧和当量燃烧两个不同区域，分别进行节气门开度、空燃比、点火提前角、充气效率等脉谱图标定，确保空燃比切换时无扭矩冲击，提高驾驶舒适性。

图3 混燃模式NOx浓度、排温及扭矩波动随过量系数的变化

图4 当量燃烧和稀薄燃烧切换策略

5.3 催化器的诊断

三效催化转化器对发动机的排放控制具有决定性的作用，没有三效催化转化器就不可能满足排放法规。对于重型燃气发动机，EOBDⅡ要求若催化转换器的劣化造成NOx排放超过3.5 g/kW·h限值时，必须点亮故障指示灯和记录故障码,超过7.0 g/kW·h限值时必须限制发动机扭矩。对催化转化器劣化的诊断是基于检测转化器的储氧能力（OSC）。为了对三元催化转化器进行故障诊断，必须在它的前面和后面各装一个氧传感器。通过比较前后氧传感器（简称前氧、后氧）的信号值，EOBD系统计算转换器转化效率。当催化器有足够的储氧能力时，后氧传感器的输出几乎是一条直线（图5）；当催化器丧失储氧能力时，后氧传感器的输出类似于前氧传感器的输出（图6）。正常运行的三效催化转化器因其储氧能力而使后氧传感器的的动态响应明显差于前氧传感器，后氧传感器动态响应曲线的振幅非常小。反之，如果后氧传感器的波形非常接近前氧传感器，只不过相位滞后，则ECU认为三效转化器效率过低。因此通过观察前氧传感器和后氧传感器的波形就能判断三效催化转化器是否失效。图7和图8表示催化器的储氧能力和后氧传感器响应时间的关系。

图5 储氧能力好的转换器(Low OSC)

图6 已丧失储氧能力的转换器(High OSC)

6 混合燃烧和稀薄燃烧的性能比较

图7 储氧能力好时：下游氧传感器的反应滞后

图8 氧能力丧失后：下游氧传感器的反应变快

图9 混燃和稀薄燃烧加速时间比较

采用当量/稀薄混合燃烧时在中低负荷区，混合器浓度为当量空燃比，火焰传播速度快，循环波动小，燃烧稳定，排温高，增压器响应快，能提高发动机瞬态响应性和整车加速性；在大负荷区，加速工况已完成，采用稀薄燃烧，能降低热负荷、提高经济性。采用稀薄燃烧时，通过降低混合器浓度和推迟点火提前角来降低NOx排放，过稀的混合气由于燃烧速率降低，燃烧时间拉长，火焰发展期、快速燃烧期及燃烧的循环变动增加，发动机运转变得粗暴且不稳定，加速平顺性下降；过迟的点火提前角使燃烧中心后移，热损失增加，后燃严重，进一步降低发动机加速性。图9为踩下全油门时，从起步至车速50 km/h不同燃烧方式加速时间的比较。采用当量/稀薄混合燃烧时加速时间26 s，采用稀薄燃烧时加速时间32 s，稀薄燃烧比混合燃烧加速时间增加23%。采用当量/稀薄混合燃烧时在中低负荷区，依靠三效催化器的催化作用同时降低排气中各种污染物的浓度。采用稀薄燃烧时催化器对NOx无转化能力，NOx浓度完全取决于混合器浓度和推迟点火提前角，排放性能不能进一步优化。表2为不同燃烧方式时排放性能的比较。

Application of Mixed Combustion Mode in China-V Compliant Gas Engine

Lu Jingan
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

For heavy-duty gas engine with outside-cylinder premixed combustion mode,the air-fuel ratio determines the gas engine emissions and power performance.Mixed combustion mode by using equivalent combined combustion/lean burn can in low load region reduce the concentration of various exhaust pollutants,reduce cycle fluctuation and improve vehicle driving with equivalent combustion and three way catalytic converter,and can in high load area reduce NOxemissions and heat load at the same time and improve fuel economy by lean combustion.The engine with the mixed combustion mode can meet the China V emissions standard and driving requirement without significant modification.

equivalent combustion,lean combustion,three-way catalytic converter, emissions

来稿日期：2014-05-27

陆静安（1970），男，工程师，主要研究方向为发动机性能标定。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.001