重型增压天然气发动机国五排放优化的试验研究

杨晓力，张志雷

(1.湖南长丰动力有限责任公司，湖南 长沙 410100；2.Woodward控制器(苏州)有限公司，江苏 苏州 215300)

随着环境污染和能源危机的加剧，控制和解决大中城市机动车排放污染[1-2]已经是一个常抓不懈的课题，同时也推动了车用动力朝着超低排放的目标发展。天然气汽车动力以其排放清洁、经济适用、性价比突出[3]等特点，在全世界范围内已得到广泛应用。

采用电控喷射与空燃比闭环控制的发动机控制系统大量应用于城市公交车、卡车、工程车辆用动力等领域，已经成为解决环境污染与能源供给紧张问题的有效手段。随着车用动力相关排放标准的升级，大量的道路用国四发动机需要升级到国五、国六排放标准。众多发动机制造商在尾气(NOx，THC，CO)处理时多采用SCR与催化转化器相结合的技术路线，采用该技术手段会增加产品成本，尤其是SCR系统占用了一大部分整机成本，降低了产品性价比。

1 国五排放进展

目前，针对天然气发动机升级国五排放的主要技术方案是稀薄燃烧+SCR+氧化型后处理(DOC)+电控闭环控制系统。采用这种技术方案能够使发动机达到国五甚至国六的排放标准，动力性良好，发动机排温不会太高[4]，缺点在于SCR控制系统复杂，造价较高，需要定期维护。从产品应用的角度来考虑，发动机厂商希望降低后处理的成本来提高自身的优势与性价比。省去SCR系统能够大大降低后处理部分的费用，但这无疑给工程师提出了新的挑战：有效地控制缸内燃烧产物中的NOx排放物浓度，省去SCR系统带来的成本与缺点。

此外，车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)规定道路用气体发动机达到国五排放要求需要通过ETC(European transient cycle,瞬态循环)试验，但实际调研时发现ETC试验车型式核准试验工况存在缺陷，由于城市公交车(或城市车辆)的低温、低速工况不具备代表性，使得企业开发机型时基本没有考虑低速、低负荷的城市工况，后处理SCR系统工作温度低引起NOx转化效率低下，导致城市车辆实际运行时的NOx排放超标。所以，增加了针对城市道路车辆用低温低速工况的WHTC(World Harmonized Transient Cycle，全球统一瞬态循环)试验循环[5](见图1)，并规定了型式认证试验中各排放物的限值(见表1)。

对于采用稀薄燃烧与空燃比闭环控制系统的天然气发动机，空燃比与各排放物之间的关系(见图2)。

表1 国Ⅴ排放认证试验的污染物限值

图1 WHTC试验循环

图2 过量空气系数与污染物比排放值的关系

NOx比排放量先随过量空气系数的增大而增大，在过量空气系数等于1.2左右达到最大值，在过量空气系数等于1.6左右时最低[6]，同时HC和CO的比排放值逐渐增大，所以可采用氧化催化装置(DOC)来处理HC和CO气体。此外，采用稀薄燃烧的天然气发动机需要优化控制点火提前角、点火能量和空燃比修正来保证缸内燃烧稳定，本研究基于上述几个调整变量进行国五排放试验研究。

2 试验系统与条件

2.1 发动机配置与技术指标

KSPN12C5天然气发动机是在KSPD12C4柴油机的基础上，采用电控多点顺序喷射系统、电子节气门、电控废气旁通阀、宽域线性氧传感器闭环的控制方式升级而来。另外，设计了带倒流凸台的进气总成(见图3)，能够使各缸进气在发动机低速低负荷工况下获得较好的一致性，同时保证在不同工况下的快速响应与均匀性。KSPN12C5发动机参数见表2，多点电控喷射控制系统见图4。

图3 进气总管导流凸台

表2 发动机的主要技术指标

图4 天然气发动机多点电控喷射控制系统

该发动机采用ECM-OH6多点电控喷射控制系统，主要包括电控单元(ECM-OH)、电控节流阀体、燃气预处理装置、电控WGCV阀、宽域线性氧传感器等各种传感器。电控系统采集、处理由传感器得到的各种发动机工况运行信号，并通过中央处理器运算，确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的天然气喷射量。同时，根据点火正时以及机油温度、水温、缸内有效压力修正，确定各缸点火时刻从而实现准确点火。为了保证发动机在最优过量空气系数下运行，ECM-OH根据氧传感器信号、进气温度、WGCV阀开度、节气门开度、设定增压压力、缸套修正、冷却液修正温度及天然气温度、压力等信号实时修正天然气的喷射量，发送给执行模块，实现燃气多点顺序喷射。

2.2 主要试验设备

排放优化试验对设备精度要求较高，要求能够实时地反映稳态工况与瞬态工况的测试结果，本次试验的主要设备有S22-4/0934-1BS-1低惯量电力测功机，AMA i60 R1D1排气分析系统，PSS i60颗粒采集系统，AVL7351CST油耗仪，Sensy Flow P空气流量计。

3 优化策略对排放结果的影响

为了有效地控制排放物中的NOx浓度，利用Woodward Toolkit 4.5标定软件，基于台架标定数据，围绕改善缸内燃烧效果和优化瞬态燃气喷射两个方向进行优化。按影响因素的重要度，从点火提前角、电控废气阀开度、点火能量和空燃比控制4个方面展开试验研究。

3.1 点火提前角

NOx主要是在高温以及富氧的情况下燃烧生成，随着点火提前角加大，最高燃烧压力提高，燃烧放热率高，燃烧速度快，最高燃烧温度迅速提高，造成NOx排放急剧增加。推迟点火时间能够最大限度降低燃烧室内的最高燃烧温度，调整预燃期的时间，从而达到抑制NOx生成的目的[7-8]。减小点火提前角有利于降低NOx浓度，但点火效率的下降同时会带来发动机扭矩下降和排气温度过高的问题。扭矩下降可以通过调整空燃比、增压压力和充量系数进行平衡，优化过程中还需同时关注排气温度的变化。

由于ETC试验与WHTC试验均属于瞬态工况试验，为了确保高效地实现工程目标，选取工况循环中一段来监测排放物浓度和发动机排温。图5示出WHTC试验循环中不同点火提前角下的NOx实测浓度，图6示出WHTC试验循环中不同点火提前角下的排气温度。

图5 不同点火提前角下的NOx实测浓度

图6 不同点火提前角下的排气温度

从试验结果可以看出，随着点火提前角的不断减小，NOx污染物浓度下降的幅度越来越小，从32°BTDC到26°BTDC调整过程中降幅最为明显，NOx污染物浓度下降可达300×10-6，但是排气温度上升较快。点火提前角为22°BTDC和20°BTDC时的NOx污染物浓度差异不大，排温也比较接近，所以点火提前角整体优化到台架基础数据的65%～70%较为合适，此时的排温仍然低于575 ℃。

3.2 电控废气阀开度

瞬态工况下，负荷变化需求从零负荷到全负荷调整，从而节气门开度调整幅度很大，通常会出现实际增压压力大于目标增压压力的现象，发动机的实测扭矩偏大，即使电控WGCV阀开度接近100%全开状态，依然不能使实际压力与设定的目标压力接近，工程上称这一现象为过增压。当发动机从全负荷向低负荷调整时，又会出现WGCV阀开度调整过度，使得实际增压压力低于目标增压压力的现象，并且不能及时回调，称之为欠增压。

ETC试验循环中存在大量的变工况，调节时间小于1 s。虽然电控喷射系统的响应时间可以达到毫秒级，但传递到WGCV(电控废气旁通阀)阀杆动作的时间远远大于毫秒级。过增压会带来过于充分的燃烧与高温，减小过增压现象能够大大降低排放物中NOx排放体积分数。瞬态工况时需要良好的WGCV开度与VBoost MAP(目标增压压力)相配合，避免出现过增压与欠增压的现象。在保证发动机扭矩和排温基本一致的情况下，通过选取不同的WGCV开度与增压压力的组合来获得较低的排放。

从图7可以看出，1 400 r/min工况下的NOx实测排放体积分数随着增压压力的升高和WGCV开度的减小而不断降低，WGCV开度为50%，目标增压压力为250 kPa时的NOx排放体积分数最大值仅为120×10-6，而WGCV开度为90%，目标增压压力为230 kPa时的NOx排放体积分数最大值可达378×10-6，前者不到后者数值的1/3。1 700 r/min工况下NOx实测排放体积分数的变化规律与1 400 r/min工况相似(见图8)。所以，对于瞬态工况的标定数据优化，应该朝着WGCV阀处于满量程的50%左右，增压压力偏大的方向调整。

图7 1 400 r/min工况下的NOx实测浓度

图8 1 700 r/min工况下的NOx实测浓度

3.3 点火能量

对于稀燃式发动机来说，发动机各缸的不均匀性与不稳定性要比柴油机更加明显，尤其在怠速工况与瞬态工况。增加点火能量能够优化燃烧过程，减少预燃期，调整滞燃期时间，从而减少NOx的排放[9]。此次试验中点火能量的基础值按照满足发动机台架性能目标设定，不同转速下的修正数值不同，为了研究调整点火能量值对降低排放物浓度的作用，点火能量值在原台架数据修正值的基础上同时乘以不同的系数，图9与图10分别示出不同的点火能量系数下的NOx排放物浓度和排气温度。

图9 不同点火能量系数下的NOx实测浓度

图10 不同点火能量系数下的排气温度

由上图可知，随着点火能量系数的不断增加，瞬态变化过程中的NOx浓度不断降低，从最初的138×10-6下降到50×10-6左右，降幅可达60%。同时，点火能量系数为1.050和1.075两种不同的状态下，NOx浓度几乎相同，并没有出现进一步的下降。图10示出不同点火能量系数下的排气温度，点火能量系数为1.075时的排气温度最高，而点火能量系数为1.050时的排气温度最低，说明此时的优化系数处于局部最优范围。综合考虑排温和NOx浓度结果，点火能量系数应该优化为基础值的105%。

3.4 精确空燃比控制

瞬态试验循环中包含了较多的剧烈工况，实时监测尾气浓度的时候会发现在剧烈变工况过后NOx浓度出现了尖峰，其数值往往是其他工况的几倍甚至更多，因此，有效地控制变工况中空燃比加浓与减稀，能进一步获得更低的排放结果。更加精准的燃气喷射控制能够提高瞬态工况下的燃气喷射跟随性，本研究通过精细调整加浓与减稀过程的空燃比来优化排放结果，为保证控制参数的单一性原则和实际工作量，采用加浓与减稀系数同步的方式进行优化。

从图11可知，随着加浓与减稀系数的增加，NOx浓度进一步下降，但是下降的幅度并不明显，并且出现锯齿现象，说明过多提高加浓与减稀系数会出现局部的燃烧不稳定或者异常现象，需要综合排温变化来进一步确定合适的数值。从图12可知，0.02/s的调整系数下排温最高，最大值可达595 ℃，而0.01/s的调整系数下排温最低，最大值不超过585 ℃，其他两种调整系数下排温居中。综合排温与NOx浓度变化规律，空燃比加浓与减稀修正系数可以选择0.04/s，修正幅度为基础值的104%。

图11 不同调整系数下的NOx实测浓度

图12 不同调整系数下的排气温度

3.5 优化结果

经过对基础数据的合理优化与调整，ETC试验的结果表明该机型的尾气NOx污染物浓度大幅度下降。同一试验循环时刻的污染物浓度最大值从最初的700×10-6下降到35×10-6左右，NOx比排放量远小于2.0 g/(kW·h)的限值；排气温度最大值从最初的540 ℃上升到585 ℃，依然处于增压器蜗壳稳定耐温范围以下。由此证明本研究中使用的优化手段是合理有效的，最终的ETC和WHTC试验循环测试结果见表3，各阶段采取优化策略后的结果见表4，同时得出了不同优化参数对降低NOx比排放值的占比和规律。

表3 ETC和WHTC试验循环结果(2次)

表4 各阶段优化测试结果

4 结论

a) 试验结果表明，采用的优化策略与调整方向是合理有效的，优化点火提前角、电控废气阀开度、点火能量和精确空燃比控制能够极大的降低NOx排放物浓度，同时有效地控制排温；

b) 随着点火提前角的逐步降低，NOx浓度的宏观特性表现为浓度逐渐下降，排温逐渐升高，优化数据的幅度应该控制在基础值的65%～70%；

c) 电控废气阀开度应该与发动机最大增压压力相匹配，开度为最大行程的50%时对瞬态工况的响应较好,且最有助于降低尾气中NOx浓度；

d) 随着点火能量系数的增加，NOx浓度呈不断降低的趋势，综合考虑排温和NOx浓度结果，点火能量系数应该优化为基础值的105%;

e) 优化加浓与减稀过程的空燃比修正系数能够增强实际空燃比动态跟随性，优化局部燃烧，降低污染物浓度。