柴油—气体燃料双燃料发动机欧Ⅵ排放标准研究及国内标准的制定

刘纯+朴世文+刘小舫+刘尧武+杨俊

摘 要：本文对联合国汽车法规ECE R49-06的修正本1（柴油-气体燃料重型双燃料发动机和汽车的技术要求）进行解析，详细介绍了柴油-气体燃料双燃料发动机的欧Ⅵ排放标准，包括双燃料发动机机型划分、台架试验项目、排放限值确定和OBD特殊要求等。分析了国内双燃料发动机的标准和技术现状及标准制定进展，最后详细介绍了已经完成的双燃料验证试验。

关键词：双燃料发动机；欧六法规；发动机排放；标准制定

中图分类号：U464.173 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）03-0039-06

Research of Euro VI Emission Standardfor Diesel-gas Dual-fuel Enginesand the Establishment of Domestic Relevant Standard

LIU Chun， PIAO Shi-wen， LIU Xiao-fang， LIU Yao-wu， YANG Jun

（ National Automobile Quality Supervision and TestCenter [Xiangyang]，

Xiangyang441004， China ）

Abstract： In this paper， the United Nations Regulation No.49 Revision 6– Amendment 1 （technical requirements of heavy-duty dual-fuel （HDDF） engines and vehicles） was analyzed. The Euro VI emission regulation of diesel-gas dual-fuel engineswas detailly introduced， including types division of HDDF engines and vehicles， bench test projects， determination of the emission limits and additional OBD requirements etc.. Then this paper analyzed the present standard situation and technical status of the dual-fuel engines in China， the process and progress and the verification tests of the establishment for dual-fuelengines emission standards in our country wasalso detailly introduced.

Key Words： dual-fuel engines； Euro VIregulation； engine emission； standard establishment

，汽車排放已经为各国政府所重视，视其为制约可持续发展的一个重要因素。全球汽车排放法规基本分为两大体系，即为美国和欧洲体系。而我国汽车法规采用和根据的即是欧洲法规体系。我国现行的车用压燃式、气体燃料点燃式发动机和汽车的排放标准GB17691-2005随着全球汽车保有量越来越大，汽车作为一个流动的污染源[1]是根据欧盟指令88/77/EEC及其修订版修改制定而成，该欧盟指令即对应欧洲经济委员会法规ECE R49。

目前，因我国双燃料相关标准内容较少且陈旧，国内早已经有很多发动机制造商在研发制造双燃料发动机，管理部门十分重视双燃料发动机产品和技术，为了管理相关产品的公告申报，曾制定了国三和国四的双燃料发动机管理办法，但随着国五和国六技术的更替，更新和制定相关标准的呼声日趋强烈。本文首先对ECE R49-06的修正本1[2]进行了解析，其内容为双燃料发动机和汽车的排放技术要求，接着分析了国内双燃料发动机发展现状及标准制定进展，最后详细介绍了对双燃料发动机进行的相关验证试验。

1 欧盟柴油-气体燃料双燃料发动机排放标准解析

1.1 双燃料发动机类型和要求

双燃料发动机也叫重型双燃料发动机（Heavy-Duty Dual-Fuel engine）简称HDDF型发动机，其发动机系统设计为可以同时的使用柴油和气体燃料，两种燃料单独地计量，当消耗一定量的一种燃料，相应的另外一种燃料的消耗量会根据操作发生变化。双燃料发动机的类型定义和要求见表1：

1.2 双燃料发动机的台架试验项目

双燃料发动机进行第Ⅵ阶段型式核准时，采用WHTC、WHSC和WNTE等试验循环进行台架试验测定其排气污染物，见表2：

1.3 双燃料发动机的排放限值

双燃料发动机试验限值按照ECE R49 Revision 6中的限值要求，见下表3所示，但以下特殊情况除外：

1）HDDF 2A型和HDDF 2B型天然气双燃料发动机在双燃料模式下，其WHTC试验循环的碳氢化合物排放限值（单位mg/kWh）见图1，其计算公式见公式（1）：

THCGER = NMHCPI + （ CH4PI×GERWHTC ）

当THCGER ≤ CH4PI，THC限值= THCGER；且不适用于CH4和NMHC的限值。

当THCGER> CH4PI，不适用于THC的限值；但同时适用于NMHCPI和CH4PI的限值。

式中，NMHCPI为点燃式发动机WHTC试验循环的NMHC排放限值。

CH4PI为點燃式发动机WHTC试验循环的CH4排放限值。

2）HDDF 2A型和HDDF 2B型发动机在双燃料模式下，其WHTC试验循环的PN限值见图2，其计算公式见公式（2）；

PN limitWHTC = PN limitCI/WHTC + （PN limitPI/WHTC PN limitCI/WHTC）× GERWHTC

式中：PN limitPI/WHTC是点燃式发动机WHTC试验循环的PM颗粒数限值；

PN limitCI/WHTC是压燃式发动机WHTC试验循环的PM颗粒数限值。

1.4 双燃料发动机和汽车特殊的OBD要求

双燃料汽车上应提供一个驾驶员可视的指示器，即双燃料模式指示器，显示发动机的运行模式（双燃料模式、柴油模式或服务模式），还应安装一部双燃料警报系统，用以在气体燃料箱即将空时给驾驶员报警。

OBD系统应包含一个计数系统，用以记录当系统监测到一个气体燃料供应系统故障时起发动机在故障状态下连续工作的小时数。该计数器应能记录30分钟的运行时间，计数器的间隔时间不应该超过3分钟。当计数器到达系统允许的最大值，应记录其计数值，直到满足使计数器重置归零的条件。当监测到一个气体燃料供应故障，计数器应该立即开始从零计数，并且与之对应的诊断故障代码（DTC）应该确认和激活。如果诊断后，没有监测到原本激活计数器的故障，或者该故障已经被一个诊断工具或维修软件删除，那么计数器应该终止和记下当前值。当服务模式激活的时候，计数器也应该终止和记下当前值。当计数器冻结的时候，如果监测到一个与计数器相关的故障并且服务模式被激活时，计数器应该重置为零，并且重新计数。

1A型和2A型双燃料发动机，在热机和启动时单独使用柴油，此时服务模式被激活，当冷却液温度达到70℃或者该策略起作用15分钟，服务模式失效。在服务模式下，双燃料发动机服从操作限制机制，并且暂时免除服从本法规中关于排气污染物、OBD和NOX的要求。操作限制包括两种，企业可以选择其一来设计双燃料汽车：1）激活服务模式，此时，汽车自动将车速限制为20km/h。2）发动机无法使汽车移动。

2 我国双燃料发动机发展现状及标准制定进展

2.1 我国双燃料发动机标准现状

目前，国内适用于汽车行业双燃料发动机的标准只有《QC/T694-2002柴油/压缩天然气双燃料发动机技术条件》。该标准定义了柴油/压缩天然气双燃料发动机为具有柴油和压缩天然气（CNG）两套燃料供给系统，两套燃料供给系统按预定的配比向气缸供给燃料、在气缸内完成混合燃烧的压燃式发动机。该标准没有根据气体燃料替代率来细分发动机类型，而把双燃料发动机统称为一种混合燃烧的压燃式发动机，且对双燃料发动机的试验方法和限值等没有明确规定，显然该标准已经远远不能满足我国目前双燃料发动机的开发、认证和检测等要求。

为了管理双燃料发动机的公告申报，中机车辆技术服务中心（简称中机中心）于2011年10月向工信部提交了《关于柴油-天然气双燃料发动机产品《公告》试验有关要求的报告》汽车产品技术委员会2011年第13号（总第44号）文件。该文件在国内首次提出了柴油-天然气混合燃烧的工作模式和纯柴油工作模式，并且对具有柴油-天然气混合燃烧工作模式的发动机提出了国三和国四的公告申报管理要求。

2.2 我国双燃料发动机技术现状

自2015年1月，我国已经全面执行重型柴油机国4排放标准，而早在2013年1月天然气发动机就已经执行国5排放标准。目前，顺应市场要求和国内外技术趋势，柴油-气体燃料双燃料发动机在我国已有了一定的技术储备。很多著名高校和研究机构已经和正在进行着大量的双燃料技术研究工作[3-6]。很多企业也已经开始开发这种适应性强、经济性好的发动机，也有部分企业已将这种技术路线的发动机应用到市场中去。但各厂家的燃气替代率、控制模式与燃气系统结构都不尽相同，试验方法也不尽相同。

2.3 我国双燃料发动机标准的制定及其进展

由中机中心提交的汽车产品技术委员会2011年第13号文件，即是我国双燃料发动机国三和国四的管理办法。随着发动机技术的进步，该管理办法早已不能指导目前国五和国六双燃料发动机的研发、试验和申报工作。自2014年初起，国家汽车质量监督检验中心（襄阳）发动机室就开始立项进行柴油/气体双燃料发动机试验标准和方法研究。2015年6月，国家汽车质量监督检验中心（襄阳）被中国环境保护部环境标准研究所纳入《重型汽车污染物排放限值及测量方法（中国六阶段）》标准起草单位，负责双燃料发动机技术要求的编写工作。2016年5月，根据国家汽车质量监督检验中心（襄阳）研究和起草的国Ⅴ双燃料发动机试验标准，中机中心发布了国五双燃料发动机管理办法，标志着我国国五重型双燃料发动机试验方法正式实施。2016年10月，GB17691-201X发征求意见稿，双燃料发动机技术要求为其附录N，标志着我国国六重型双燃料发动机试验方法即将有法可依。

3 双燃料发动机的试验验证

国内双燃料发动机技术呈现出多样化的状态，为了验证国内双燃料发动机的排放水平，文中选取了典型技术路线的双燃料发动机进行排放水平验证试验。为了验证不同基准燃料的排放是否存在差异，特选取基准燃料G25和G23分别对同一台发动机（某8.9L排量的进气道预混合天然气发动机）进行了排放验证，针对排气污染物非甲烷碳氢和氮氧化合物进行了分析和比较。并完成和实现双燃料发动机OBD特殊要求的演示。

3.1 目前国内双燃料发动机排放水平的验证

目前国内的典型双燃料技术路线主要包括两种，第一种为高压缸内直喷型双燃料发动机（HPDI），第二种为进气道预混合型双燃料发动机（MPI），后者是目前国内主流双燃料发动机技术。

论文分别从两种典型技术路线中选取一个厂家的典型双燃料发动机进行排放水平验证试验。下图3为东风商用车某款11L排量2型双燃料发动机，技术路线为MPI，额定功率283kW。下图4为潍柴西港某款9.7L排量1A型双燃料发动机，技术路线为HPDI，额定功率247kW。

分别对样机1、样机2进行ESC和ETC排放试验，其试验结果见下表4和表5。

结果表明，选取的两款试验样机分别只可以达到国Ⅳ和国Ⅴ排放水平，而从目前国内的双燃料技术条件看，目前国内无满足欧6阶段的双燃料发动机。

3.2 基准燃料的验证试验

论文分别选取了两款基准燃料G25和G23分别对同一台发动机（某8.9L排量的进气道预混合天然气发动机）进行了ETC排放验证。目的是验证不同的基准燃料是否对排放结果产生影响。经分析试验数据，特别对影响較为明显的非甲烷碳氢和氮氧化合物进行分析比较，其结果见表6所示：

结果表明：即使是同一发动机，用不同的基准燃料做试验，其排放结果也存在差异。

3.3 OBD特殊项目的演示试验

因双燃料发动机OBD试验有特殊的要求，特专门对OBD的特殊演示项目进行了验证。本文从四个方面对双燃料发动机的特殊要求进行了验证。

1）服务模式的演示

通过演示A型双燃料发动机，当燃料箱空时，工作模式指示器（该指示器在发动机上有连接接口）上看到服务模式激活，并显示为服务模式

2）操作限制的演示

在发动机上演示燃料箱空时，工作模式先切换到服务模式（工作模式指示器显示为服务模式），过30分钟后操作限制激活，操作限制指示灯闪烁

3）双燃料工作模式指示器的演示

通过演示B型双燃料发动机，当切换柴油模式或双燃料模式时，工作模式指示器上看到显示为相应的工作模式。

4）双燃料报警系统的演示

通过演示，当燃料即将耗尽时，燃料报警指示灯持续闪烁。当加注燃料后，燃料报警指示灯熄灭。

因目前国内没有国六的双燃料发动机，我们在现阶段双燃料发动机上已经完成和实现了除计数器相关内容外的所有六阶段双燃料OBD特殊验证项目。

4 结束语

从双燃料发动机欧六的排放法规可以看到，欧六的排放比以往更严格，而针对双燃料发动机的燃气替代率不同，双燃料发动机的类型也不同，并且对于替代率在10%～90%之间的2型NG双燃料发动机其碳氢化合物和颗粒物的排放限值也不仅仅采用单一固定值，而是需要根据替代率计算限值，这样使得双燃料发动机的排放认证更加缜密和科学。A型双燃料发动机因没有柴油模式，增加了服务模式，使得发动机在热机和启动时、气体燃料供给系统故障时、异常的气体燃料消耗时和气体燃料耗尽时，可以切换到服务模式，保证车辆能顺利驶出主要交通道路，不仅保证了A型双燃料汽车的安全性，而且体现了机型划分的人性化和合理性。

总体而言，柴油-气体燃料双燃料发动机欧六法规给我们展示了双燃料发动机的法规方向。由于双燃料发动机的技术成熟度和国情不同，我国相关标准的制定既要与国际先进水平同步，又要适应中国国情，与我国汽车产业的发展想协调，我国双燃料排放标准制定遇到很多困难和问题，如：适合我国国情的双燃料发动机机型的划分，双燃料发动机排放计算及限值、双燃料发动机使用在城市车辆上的应用及WHTC排放限值确定等问题。这些问题都与我国的实际情况和标准的可执行性息息相关。最终这些难题都被一一攻克，目前国五双燃料发动机管理办法已经在中机中心实施，国六双燃料技术要求也已经在17691-201X征求意见稿中发布。

参考文献：

[1]国家环境保护总局.国家质量监督检验检疫总局.GB 17691-2005.车用压燃式、气体燃料点燃式发动机和汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）[S].北京：中国环境出版社， 2005-05-30.

[2]ECE.Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines and positive ignition engines for use in vehicles. Regulation No. 49. Revision 6 - Amendment 1 [S].ECE， 2013-8-6.

[3]张武高， 周明， 欧阳明高. 柴油、天然气双燃料发动机的燃烧特性分析[J]. 内燃机学报， 2000， 18（3）：299-304.

[4]肖贻鹏， 姚加飞. 天然气/柴油双燃料发动机油气切换的优化控制模型[J]. 汽车工程， 2007， 29（7）：574-577.

[5]左承基， 欧阳明高. 车用柴油天然气双燃料发动机工作特性及燃料控制[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 1999， 22（4）：6-11.

[6]王立新， 兰志波. 双燃料发动机（天然气/柴油）性能与排放的研究[J]. 内燃机工程， 2002， 23（2）：32-35.