探讨城市路况LNG公交车排放超标的原因

马骁飞，韦开焕，仇柳红，黄孝平，黄福川

（1. 广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004； 2. 广西谛恒生物能源投资有限公司，广西 南宁 530004）

探讨城市路况LNG公交车排放超标的原因

马骁飞1，韦开焕1，仇柳红2，黄孝平2，黄福川1

（1. 广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004； 2. 广西谛恒生物能源投资有限公司，广西 南宁 530004）

LNG发动机现已广泛使用在各类交通运输当中，尤其是应用在公交车等公共交通工具上。LNG发动机相比燃油发动机能够大幅度减少污染物的排放，但在实际使用中LNG发动机仍存在HC、CO、NOx排放超标情况。针对南宁市部分LNG公交车排放超标的情况，结合LNG燃烧特性和污染物生成机理，类比点燃式发动机，对LNG公交车排放超标原因进行探讨分析。

LNG；发动机；排放

天然气由于其热值高、污染小、经济性好被广泛利用在各个领域当中，是人类建设环境友好型社会不可或缺的清洁能源。随着液化天然气（LNG）配套销售技术和设备的不断完善，LNG除了常规应用外，还被广泛使用在包括工程机械、渔业航运、公共交通等相关领域当中。而以LNG为燃料的发动机也成为绿色发动机的代表之一。以LNG为燃料的汽车相对于普通燃油汽车，不仅可减少排放24%的CO2、74%的HC、89%的CO、39%的NOx、90%的SO2[1]，具有很好的社会效益，而且LNG的价格远低于汽油、柴油，还具有良好的经济效益。尽管以LNG为燃料的发动机与普通燃油发动机相比，还存在某些动力性能下降的问题，但由于其出色的经济性和环保性，已成为许多城市公交车、出租车以及旅游区交通工具的首选动力。但实际调研表明：LNG公交车，在正常使用过程中，仍然有可能存在HC、CO、NOx排放超标的情况，如表1所示。本文将针对南宁市以 LNG为燃料的公交车的排放特性和发动机燃烧特性，对LNG公交车排放超标原因进行探讨分析，并提出相应的改进措施。

表1 南宁市某机动车检测站2015年第二季度LNG公交车稳态工况法检测统计Table 1 LNG bus testing statistic data of a motor vehicle testing station in the second quarter of 2015 in Nanning

1 LNG性质及发动机燃烧特性

1.1 LNG性质

天然气主要由气态低分子烃和非烃气体混合组成[2]。LNG是天然气经过净化后，采用节流、膨胀和制冷等工艺而制得的高净化度液态天然气。天然气液化制成LNG后不仅可以大大节约储运空间、提高车辆续航里程，而且LNG具有热值高、经济性能好等优点。LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性的低温液体，是难得的清洁、高效又安全能源，其主要理化参数如表2[3]所示。

表2 LNG主要理化参数Table 2 Main physical and chemical parameters of LNG

1.2 LNG在发动机内的燃烧特性

1.2.1 燃烧周期长

由于LNG的结构和物化特性较稳定，因此它的着火延迟期相比汽油和柴油，要长的多[1]。同时，LNG-空气混合气的稳定性远高于汽油或柴油与空气混合气的稳定性。当在过量空气系数Φα为0.75～1.25范围内时，其层流火焰速率SL（33 cm/s）比汽油或柴油空气混合气的SL（39～47 cm/s）[1]要低得多。这就使LNG的燃烧持续时间增长，急燃期燃烧量少，后燃期燃烧量多，整个燃烧周期延长。

1.2.2 放热过程等容度低

与汽油机相比较而言，LNG发动机放热过程等容度低。对于LNG本身来说，在温度为0 ℃、标准大气压条件下，其热值约为50 MJ·kg-1，这从数值上看来高于汽油的热值 47.3 MJ·kg-1。但由于 LNG分子在 LNG-空气混合气占据了部分空间，使得混合气中空气的组分较低，从而导致在放热过程中等容度较低。在实际过程中，以汽油为例，其在进入气缸前并没有得到完全汽化，而且当汽油汽化时会吸热，这就使得汽油-空气混合气的温度降低，密度增加，进一步提高了汽油-空气混合气的充气系数，而LNG则不具备这种燃烧特性。

1.2.3 安全性好

LNG的辛烷值ASTM为130，自燃温度高达650℃以上，爆炸极限为5%～15%[2,3]。因此LNG抗爆性良好，具有较高的安全性。

1.2.4 环境友好

LNG-空气混合气的发火界限很宽，Φα为0.6～1.8之间均可燃烧，这就使得LNG可以稀薄燃烧[4]，有利于C完全燃烧，产生较少量的CO；同时由于其独特的燃烧特性，也有利于减少 HC、NOx的排放降低排放。由于LNG中甲烷含量高到99%以上，无硫、无水，这就从根本上降低了酸性废气排放浓度，有利于延长发动机机件的寿命、降低维护成本、提高工作效益。

2 LNG公交车排放超标分析

LNG公交车的发动机相对于燃油发动机来说，其工作原理是有差异的。众所周知汽油发动机为点燃式，着火点在427 ℃。LNG公交车发动机也采用火花塞点燃式，着火点在650 ℃，在点燃方式上与汽油机相类似。但是 LNG发动机还有其本身的特点：LNG从气瓶出发，首先进入汽化器中进行汽化，接着经过稳压罐稳压，然后由燃气滤清器滤清，之后能过燃料电磁阀控制进入稳压器稳压，稳压后的燃气进入热交换器，进而进入气缸通过LNG发动机专用火花塞点燃燃烧。因此LNG发动机排放和燃烧特性可以同汽油发动机相类比，但要更注重其本身机械结构的特点。

2.1 CO排放超标原因分析

CO是无色无味的气体，它与血红蛋白（Hb）的亲和力是O2的200～300倍；容易结合生成碳氧血红蛋白（CO-Hb），大大降低血液输氧能力，具有强烈的窒息性。当大气中CO浓度超过0.3%时，30分钟内可致人缺氧死亡，因而我国要求大气环境中，24 h内的CO平均浓度不得超过5×10-6[2]。

CO主要来源是不完全燃烧的产物。在LNG公交车发动机中，其生成主要受 LNG-空气混合气浓度的影响。由于LNG-空气混合气的发火界限较宽，在Φα为0.6～1.8的范围内均可燃烧；而Φα<1时，混合气因缺氧不能完全燃烧，这就使得CO的生成量增加。同时在Φα>1的范围内，理论上不应有CO的产生；但实际研究表明，由于天然气分子占据了空气分子的位置，因此有可能使得 LNG-空气混合气，存在不完全均匀混合，将导致在燃烧时不可避免的生产部分CO。除此之外，由于LNG燃烧的温度较高，因而即使完全燃烧的 CO2，也会在高温状态下，因发生热离解的反应，而生成CO。

此外，LNG发动机在工作中也可能出现“冻结”现象。所谓的“冻结”现象，它是指在燃烧终了时，CO的生成浓度是受混合气的温度影响的，但是，由于发动机在膨胀过程中，缸内温度下降幅度较大，这就使得实际CO浓度要高于排气温度相对应的平衡浓度[5]。LNG发动机燃烧过程中，温度高于普通汽油发动机。因此发动机膨胀过程温度下降速度比汽油机还要快，因而有可能发生“冻结”现象可能性更高。这就使得在LNG发动机排气中的CO浓度，高于理论上的排气温度相对应的CO浓度。

在公交车LNG发动机工作过程中，Φα过高或过低都会导致混合气混合不均匀的情况发生，均会造成CO的生成量增加，进而影响发动机排放。同时，LNG发动机的高温工作特性，也使得部分CO2高温热解生成CO，增加发动机的排放。

2.2 NOx排放超标原因分析

NOx是发动机排放污染物的重要组成部分之一，也是 LNG发动机排放有害物中的主要成分之一。NOx包括：NO、NO2和N2O[5]。其中，NO是一种无色无味的气体，直接毒性不大，但其在空气中，极易被氧化成 NO2，NO2是一种褐色有毒气体，具有强烈刺激性。同时，NO2与Hb的亲和力是O2的30万倍，浓度达到 1×10-6时就可对人造成伤害。此外，NOx也是造成酸雨和光化学烟雾的主要来源之一，对环境污染极其严重。

普通点燃式发动机在燃烧过程中，主要产生的NOx是NO，仅有少量的NO2，而NO2生成量与Φα有关。LNG发动机的Φα为0.9～1.1时着火延迟期最短，因而产生的NO2所占NOx体积分数较汽油机高，较柴油机低，约为3%～12%之间[1]。因此，在研究中，通过分析南宁市城市道路状况，可知 LNG发动机中NO主要有三种生成途径：高温产生NO、激发产生NO和燃料产生NO。

2.2.1 高温产生NO

LNG发动机燃烧过程中，由于LNG的燃烧温度较高，使得空气中的O2裂解成氧原子O，通过扩展的捷式反应机理[5]，生成NO。具体反应式如下：

由于反应式的活化能∆H（负值表示放热）较高，因而是强烈的吸热反应，须在高温富氧的条件下才能进行。而LNG发动机中的高温NO，一般是在Φα>1时的偏稀混合气中产生。但随Φα的增大，LNG-空气混合气浓度下降，发动机实现稀燃燃烧。此时燃烧温度，会因均匀混合，反而大幅下降，这就抑制了高温NO的生成，从一种程度上降低了NOx的产生。

2.2.2 激发产生NO

根据高温NO生成机理，认为NO应当主要在Φα>1时的偏稀混合气中产生。但是大量实验表明：在Φα<1时的过浓混合气中，在火焰前锋面上，也会产生大量NO，即激发NO，其原理反应式[5]如下所示：

在LNG发动机中，由于LNG主要成分是CH4，因而混合气中会裂解大量CH和CH2，因而激发NO是LNG发动机NOx中不可忽略的重要组成部分。同时，由于上式的过程所需活化能较低（∆H=3.3 kcal/mol）[5]，因而所需环境温度较低，在LNG发动机所排尾气温度较高时，反应仍会在外缸进行。

2.2.3 燃料产生NO

燃料中所含氮化合物在燃烧中会产生 NO，称为燃料NO。燃料NO的生成特点是，不需很高的温度，通常在700～900 ℃条件下，有很高的生成速率。由于LNG燃料中含氮化合物的量微乎其微，因而燃料NO不予考虑。

综上，对于使用LNG发动机的公交车来说，由于燃料中含氮化合物量极低，工作时多为稀燃混合气，因而LNG发动机实际工作中所排放的NOx主要来自高温NO。根据NO的生成机理，NO的产生受温度、氧浓度和反应时间的影响。图 1[5]根据高温NO生成机理，给出了高温 NOx浓度随温度变化的规律（注：由于LNG发动机燃烧温度较高，只考虑高于1 700 K的情况）。由图1可以看出，LNG发动机由于其高温特性，将不可避免的产生大量 NOx，因而LNG发动机排放超标物也多为NOx。虽然在当前LNG发动机普遍采用增压稀燃等燃烧技术，已经可以大幅度降低了NOx的排放，但由于LNG发动机本身的燃烧特性发动机，发动机因机械本身状况原因及公交车城市道路的路况（主要是低速、开开停停、频繁起动等情况）影响，NOx超标的情况仍普遍存在。

图1 高温NOx生成量随温度变化规律Fig.1 Change rule of NOxproduction with high temperature

2.3 HC排放超标原因分析

HC指的是碳氢化合物，其包括未燃和未完全燃烧的燃料、润滑油及其裂解产物和部分氧化物，至今为止已有200多种成分。因而HC也是一种不完全燃烧的产物，也称为总碳氢化合物（THC）；而部分资料将其称为未燃的碳氢化合物（UHC）[5]。我国当前采用THC这种评价指标。HC中危害较大的是烯烃和芳香烃，烯烃是形成光化学烟雾的重要组分；而芳香烃不仅对人体神经系统和血液循环系统有强烈刺激性，而且具有强致癌性[4]。

LNG发动机大部分是采用均质LNG-空气混合气燃烧，这与汽油机燃烧方式相类似，因而其产生HC的途径与汽油发动机相类似，它产生的方式包括不完全燃烧、壁面淬熄和壁面油膜吸附。

2.3.1 不完全燃烧

造成LNG发动机不完全燃烧的主要原因是：当混合气浓度Φα<1处于过浓状态，导致LNG与空气混合不均匀，处于缺氧状态，进而导致CH4不能充分燃烧，产生HC。而Φα<1多发生在起动、怠速或者高负荷工况时[4]，除此之外，在加速或减速以及开开停停的路况下，也会造成短暂的混合气过浓状态，导致LNG发动机不完全燃烧。当然，由于LNG发动机的燃料为气态，因而即使混合气浓度不处在过浓状态，LNG-空气混合气也不会稳定的处于混合均匀的状态，还是会产生不完全燃烧产物HC。

2.3.2 壁面淬熄

LNG发动机中的壁面淬熄与汽油发动机中产生的原理类似。由于燃烧过程中，燃气温度和壁面温度相差较大，因而靠近壁面的混合气的温度，受低温避免影响，会低于燃气的温度；同时也会使得气体的湍流程度下降，这就导致火焰前锋面活化分子能量被吸收，形成淬熄层，即发生壁面淬熄[5]。壁面淬熄，会产生大量的 HC，尤其是在怠速和冷起动时，由于壁面温度低，产生的淬熄层较厚，因而产生的HC量也远超过其他工况。由于研究对象位于广西壮族自治区南宁市，地处亚热带，气温常年处于温和状况，雨量充沛。因而由于冷起动造成的壁面淬熄情况较少，故因HC超标而导致检测不通过的车辆数目较少，如表1所示。

LNG发动机结构和汽油发动机相类似，因而也同样存在着缝隙效应[5]（壁面淬熄的一种特殊形式）的情况。LNG发动机中缝隙容积很小，但其中混合气具有高压低温高密度的特点，使得其中HC的浓度极高。LNG发动机由于壁面淬熄产生的HC可占总排放HC量的30%～50%左右[6]，因而是HC超标的重要原因之一。

2.3.3 壁面油膜吸附

LNG发动机的燃烧温度较高，不利于润滑油油膜的形成，普通发动机的润滑油在使用时，也会因高温被过快氧化产生 HC。除此之外，普通发动机润滑油的高灰分（即硫酸盐灰分，表示润滑油中金属类添加剂多少的指标）添加剂也会因高温在发动机表面生成坚硬沉积物。鉴于当前国内还未发布LNG发动机油相关的国家标准，中国石化长城润滑油有限公司、中国石油昆仑润滑油有限公司都发布了关于LNG发动机油的企业标准，现以表3长城LNG15W-40[7]为例，可以看出LNG发动机油除了满足普通发动机润滑油的要求外，还要保证其具有良好的高温抗氧化性、抗硝化安定性，适当的硫酸盐灰分。同时LNG发动机采用点燃式燃烧，因而还要特别强调发动机油的清净性。在进气和压缩过程中，壁面上的发动机油油膜以及壁面上的积碳会因发生吸附效应而产生HC[8]。据研究表明，由于吸附效应产生的HC约占HC排放总量的35%～50%[9]，因而使用具备适当硫酸盐灰分，良好的抗氧化性、硝化性、高温清净性、活塞沉积物控制性，防锈、防腐蚀性及与催化剂相容性的LNG发动机专用润滑油，可大幅度减少HC排放。

表3 长城LNG15W-40润滑油典型数据Table 3 Great Wall LNG15W-40 lubricating oil typical data

综上，使用LNG发动机的公交车排放HC超标主要是壁面淬熄和吸附效应所造成的，因LNG不完全燃烧而产生HC量相对较少。

3 结 论

LNG作为一种优良的清洁替代燃料，具有资源丰富、成本低、污染小等优点，其在发动机上的应用已经受到人们广泛的重视。LNG发动机在不断研究和发展当中，对其排放的研究也在不断深化。从LNG燃烧特性和三元污染物生成机理方面着手，对LNG公交车排放CO、NOx、HC超标的原因进行综合分析，得出以下主要结论：

（1）CO排放超标主要由于混合气混合不均匀引起的不完全燃烧所造成；同时，LNG高温燃烧的特性也会造成CO2裂解产生CO。

（2） NOx排放超标主要由于高温NO的原因，这是LNG的高温燃烧特性和气态燃料所造成的，也是当前 LNG发动机排放超标较普遍的情况和较难解决的技术问题。

（3） LNG公交车所排放HC主要来源于壁面淬熄和壁面油膜吸附，其中由壁面油膜吸附所造成的 HC排放超标可以通过增加燃料清净剂、使用LNG发动机专用润滑油的方法来解决；而如何应对壁面淬熄仍是当前研究的主要方向之一。

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Discussion on Reasons of Excessive Emission of LNG Bus in Urban Roads

MA Xiaof-i1, WEI Kai-huan1, CHOU Liu-hong2, HUANG Xiao-ping2，HUANG Fu-chuan1
（1. School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Guangxi Nanning 530004, China；2. Guangxi Diheng Bio Energy Investment Co. Ltd., Guangxi Nanning 530004, China）

LNG engine is now widely used in all kinds of traffic tools, especially buses. Compared to fuel engines, the LNG engine can significantly reduce the emission of pollutants, but there is excessive emission of HC,CO and NOxin actual application of LNG engines. In this paper, aiming at over standard discharge problem of partial LNG buses in Nanning City, combined with LNG combustion characteristics and pollutant formation mechanism, reasons of excessive emission of LNG buses were discussed and analyzed.

LNG; engine; emission

TE 624

A

1671-0460（2016）11-2646-05

南宁市汽车表面工程材料工程技术中心，项目号：20151294。

2016-05-03

马骁飞（1991-），男，山东滨州人，硕士在读，研究方向：节能减排技术。E-m ail：329771801@qq.com。

黄福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：绿色能源及石化能源开发。E-m ail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。