基于不同标准工况的甲醇发动机排放特性测试研究

康见见， 刘 波， 张 超， 刘 冰， 吴 滴

(重庆车辆检测研究院有限公司 国家客车质量监督检验中心， 重庆 401122)

在不断涌现的众多新发动机节能减排方案中，甲醇发动机因燃料使用成本低、甲醇配套相关产业日趋成熟[1]、经济性[2]和环保性能[3-4]相对柴油机和汽油机有明显优势[5-7]等特点而日益受到重视。

目前因国内尚未有甲醇发动机的法规标准，甲醇发动机公告认证依据工信部[2012] 42 号文件采用GB 14762—2008[8]规定的汽油机瞬态循环(GETC)开展试验。本文在已有的GETC循环基础上，特引入GB 17691—2005[9]中的ETC循环及HJ 689—2014[10]中的WTHC冷、热态循环工况对甲醇发动机排放性能表现进行探究。

1 试验方法

在进行GETC、ETC循环试验时，需对发动机进入循环时发动机边界条件进行控制。设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定冷却水循环温度为85 ℃，维持发动机额定工况运转5～10 min，观察进气状态、水循环温度、排气温度，在水循环温度为85 ℃±2 ℃，排气稳定温度差为±2 ℃时，开始对应的排放测试循环试验。试验循环结束后在分析仪读完袋采结果，还未对采样袋进行反吹时取消自动反吹过程，用外置取样泵对采样袋中气体进行2次30 min的样气采集，以便后续对尾气中非常规排放物甲醛进行分析。

在进行冷、热态WHTC循环试验时，需对发动机进行常温状态下不少于6 h的浸机处理，然后设定进气空调进气压力为101 kPa、进气温度为25 ℃、进气湿度为45%，设定冷却水循环温度为85 ℃，发动机从停机状态直接启动，依次进行冷、热态WHTC排放测试循环试验。试验结束后，采用上述同样的方法对尾气袋采样气中的非常规排放物甲醛进行采集，以便后续甲醛排放的分析。

2 试验结果及分析

本文依托一台多点电喷+理论空燃比燃烧+三元催化后处理技术路线的M100(燃料100%为甲醇)甲醇发动机进行研究。

2.1 常规排放特性

经过试验，甲醇发动机的常规排放物CO、HC、NOx的比排放(特定污染物的质量与循环工况的循环功的比值)结果均可以满足相应的法规限值要求，且有较大余量，结果见表1：WHTC冷态循环下，CO的比排放远高于其他循环工况，其他3种循环模式下CO的比排放水平接近；GETC循环及WHTC热态循环HC比排放水平明显低于ETC循环与WHTC冷态循环；NOx的比排放在不同循环间差异性较小，保持相对稳定的排放状态。

表1 不同法规工况下污染物比排放

为详细探讨上述现象、分析原因，以不同法规循环工况下的CO浓度为例，特画出CO秒采数据曲线，如图1至图4所示。从图1可以看出：GETC循环下CO浓度值在高负荷工况区域出现激增现象，但未出现量级的变化；从图2可以看出：CO浓度较GETC循环普遍较高，但整体浓度量级保持一致，因ETC循环高负荷工况点较多，循环功为50.4 kW较GETC的18.9 kW高出近3倍，最终导致GETC、ETC两循环的CO比排放结果相近；从图3可以看出：WHTC热态循环CO最大浓度与ETC循环相近，但高浓度密集区域较ETC循环较少，考虑到WHTC循环功为29.4 kW，最终WHTC热态循环的CO比排放量与ETC循环接近。图4中WHTC冷态循环的CO浓度在循环前200 s时间内相比其他3种循环出现量级增长，且随着循环的进行，CO浓度呈现逐渐降低趋势；造成此现象的原因在于 WHTC冷态循环从冷机状态直接开始排放测试，机体整体温度较低，循环前期喷射进缸内的甲醇混合气因缸内温度较低汽化不好，导致甲醇燃料与氧气混合不均、燃烧不充分造成CO排放增多、NOx排放减少，在三效催化转化器温度窗口及反应物浓度的双重作用下降低了催化效果，最终导致CO比排放增多。

此外，GETC中HC受循环波动影响较小且浓度维持在5 ppm附近，表明在该循环工况下甲醇混合气较为均匀，甲醇燃烧较好，三效催化转化器的温度窗口及反应物浓度适宜情况下针对尾气中HC的转化效率较高；ETC循环前700 s时间HC浓度处于25～170 ppm范围内，造成整体循环比排放增加，对比发现HC浓度变化趋势与ETC循环转速变化趋势类似，表明该循环工况下闭环标定及甲醇喷射策略尚有提升空间，尽管如此，在ETC循环下HC比排放值0.134 g/kW·h与法规限值0.55 g/kW·h相比仍具有巨大的余量空间；WHTC冷态循环前200 s时间HC浓度较高，随着循环的进展HC浓度逐渐降低且维持稳定，后期浓度表现与WHTC热态循环HC浓度类似，此现象仍是由WHTC冷态循环的初始机体温度低导致未燃甲醇增多、三效催化转化器温度窗口导致的低催化效率两方面因素引起的。

图1 GETC秒采试验数据

图2 ETC秒采试验数据

图3 热态WHTC秒采试验数据

图4 冷态WHTC秒采试验数据

从表1可看出，NOx在不同循环工况下的排放浓度均处于一个相对稳定、无量级激增的状态，甲醇发动机的NOx排放水平在不同法规工况下一致性表现较好，呈现该现象的主要原因在于甲醇自身汽化潜热较大，缸内燃烧过程可通过吸收潜热降低缸内燃烧温度，从NOx生成的高温富氧的机理出发，对其生成起到了一定的抑制作用；此外还因为瞬态工况下甲醇燃烧不完全，形成了催化器的缺氧环境，使得更多NOx在催化作用下被还原。

2.2 非常规醛类排放

作为甲醇发动机特有的非常规排放物质甲醛，其主要来源为甲醇不完全氧化的产物。表1中GETC、ETC及WHTC加权排放结果均满足对应法规针对甲醇限值的要求。从不同循环间的对比发现，甲醛的比排放值循环间差异与HC的差异类似，造成该现象的主要原因在于HC及甲醛均为甲醇不完全燃烧的产物，其受不同循环工况、混合气浓度状态、缸体初始温度及三效催化转化器温度窗口的影响均与HC类似，此处不再赘述。

3 结 论

1) 甲醇发动机更适用于城市道路交通。

2) 甲醇发动机在不同法规循环下NOx排放一致性较好。

3) 甲醇发动机在常规污染物排放方面表现突出，且生成的非常规污染物甲醛满足现阶段法规文件限值要求；从试验结果看，在降低未燃HC及甲醛方面甲醇发动机尚有提升空间。