一种天然气发动机尾气净化技术路线探索

樊于朝，马佳，张攀

一种天然气发动机尾气净化技术路线探索

樊于朝，马佳，张攀

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

为使天然气发动机满足现阶段排放要求，主流企业均采用当量燃烧+EGR+TWC技术路线，文章通过研究一种提高天然气发动机进气量的燃烧及相应的尾气净化技术，同样可以满足排放要求，且发动机无需EGR，结构简单，气耗更低，同时有效降低整车热负荷，为重型天然气发动机满足更高排放要求提供新的解决思路。

天然气发动机；燃烧；原排；尾气净化

1 引言

不断升级的排放法规，对各发动机生产厂家提出更严苛的技术挑战，其中重型燃气发动机要满足现阶段排放限值要求，存在两种主要解决思路，一是当量燃烧+EGR+TWC技术路线；二是空燃比大于1，后处理采用DOC+SCR+ASC技术路线。各发动机企业为率先满足排放要求，主流技术路线均选择当量燃烧+EGR+TWC，发动机燃烧过程破坏NO的生成环境，降低NOx排放，更容易满足排放限值。本文主要研究天然气发动机采用第二种技术路线，并提供NOx、CH、CO等污染物的解决办法，为天然气发动机满足更高排放提供一种新的解决方案。

2 法规要求

2.1 污染物

发动机排放污染物主要包括气态污染物和颗粒物；气态污染物主要为一氧化碳（CO），碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）；颗粒物指在温度不超过52℃的稀释排气中，有规定的过滤介质所收集到的所有物质。

2.2 发动机状态

发动机曲轴箱漏气必须进行处理，即为闭环形式。

2.3 WHTC循环主要污染物排放限值[1]

表1 WHTC循环主要污染物排放限值

排放认证时，必须考虑发动机排放系统的耐久性，所以认证时要有劣化系数的加权。各污染物劣化系数是指发动机有效寿命终点和起点排放值之比。所以要认证时标准为：

表2 发动机认证时污染物排放限值

2.4 测试方法

首先，测试发动机外特性，国六排放按照WHTC循环进行测试。WHTC测试分为冷态和热态，冷态与热态之间有10分钟的间隔（热浸期），排放计算如下[2]：

—排放物的质量，；

—根据C.6.8.6条确定的实际循环功，；

—最终的结果为冷态和热态加权的结果；

—冷启动循环各排放物组分的质量，；

—热启动循环各排放物组分的质量，；

—冷启动循环的实际循环功，；

—冷启动循环的实际循环功，。

其次是排放取样方法：部分流稀释和全流稀释；国六排放试验时采用全流稀释法。全流稀释法成熟度要高于部分流稀释（相关资料表明）。全流稀释与部分流稀释结果出现争议时以全流稀释为准。

最后，测试过程中，排放设备实测CH4、CO、NOx三者的实际值。

2.5 WHTC循环

WHTC循环共1800个点，共运行1800s。

图1 WHTC试验循环

以某7L 260马力燃气发动机为例，WHTC试验发动机主要运行区间为：

图2 WHTC试验主要运行区间

图3 WHTC实际运行工况点

2.6 工程指标

由于排放设备的差异性和气体机的不稳定性，在做排放试验时试验结果在认证标准的基础上下调5%。

表3 发动机污染物排放指标

3 气体机实现国六排放的基本路线

一种路线是过量空气+催化器+SCR+ASC（本文档主要内容依据此路线进行分析总结）。

图4 采用过量空气方案基本路线

另外一种路线是理论空燃比+EGR+三元催化器。

4 原排的确定

从前期试验表明，DOC和SCR的转化效率和原排有较大关系，能满足国六标准的话，DOC对CH4、NMCH和SCR对NOx的催化效率都能达到90%以上，据此推算出原排。对于CO和PM值，对于气体机来说排放量很少，满足排放限值要求[3]。

表4 发动机原排限值

5 原排的影响分析

保证发动机外特性的情况下，只分析对原排的影响，暂不考虑经济性。

5.1 稳态条件下

（1）排气背压

排气背压增大，发动机动力性减小，排放恶化；CH含量急剧增加，对NOx有一定的好处。由于加装DOC+SCR造成排气背压高于原发动机设定的值，所以对DOC和SCR的压差提出一定的要求，尽可能的减小排气背压。使得排气背压在合理的范围内。由于过大的排气背压有可能需要重新匹配增压器以满足动力性需求。

（2）点火提前角

随着点火提前角减小，CH4和NOx都降低，所以点火提前角的减小可以降低HC+NOx的总含量。但是过小的点火提前角会造成发动机热负荷提高以及扭矩的降低，严重时可能影响发动机的工作稳定性。

（3）PHI（当量空燃比）值

在稀燃范围内，PHI值越大，HC含量越小，NOx含量越高，NOx变化率远大于HC变化率；PHI值越小，HC含量越大，NOx含量越小；所以通过改变PHI值可以平衡CH4和NOx各自的含量[4]。

（4）燃气成分

用于试验的燃气不是纯甲烷时，需要通过改变过量空气系数达到排放要求。

5.2 瞬态条件下

（1）TLC（增压器压力限制）和FSO（燃料切断）

关闭TLC和FSO模式；TLC对于PHI的修正增加的是基础PHI表，对timing的修正为提前点火；从稳态结论可知对排放不好。

（2）瞬态加浓

dmap/dt-1需要有一个较大的系数；关闭dmap/dt-2。

（3）VE（冲量系数）表

准确的VE表对于系统自学习有重要的影响，从而影响实际空燃比；所以VE表尽可能的反应实际情况。

（4）Cylinder Wall

适当的Cylinder Wall参数设置对VE适当的修正，使得PHI良好的跟随。对于CH4，cylinder wall有很强的修正作用。

（5）Min throttle

回怠速时，应保持转速平稳，防止PHI的低速波动。

（6）氧传感器

做排放前，必须重新标定氧传感器。氧传感器的补偿标定应配合Cylinder Wall等参数的调整而调整，保持PHI值得良好的跟随。

（7）失火

PHI值的设定要远离失火极限，以P7为例PHI值不能低于0.65。

（8）Boost响应性

MAP升的过快容易导致发动机失火，从而导致CH4含量过大；Boost调整原则为：响应迅速，但不能出现过增压超扭矩的状态，合理配置FF table（燃料流量）。

5.3 边界条件的影响因素

中冷后温度、ECT、进气温度和湿度、背压、大气压力，进气阻力边界条件也是影响排放的重要因素，所以排放测试时应准确界定边界条件。

5.4 硬件方面

（1）增压器合理的匹配

由于国六排放需要相对较小的（低于MBT 5~10°），相对较稀的混合气，所以满足同等动力的情况下，国六发动机需要更大的进气量，需要能力更强的增压器。但是增压器必须在可控范围内。

（2）曲轴箱漏气实现闭环

若曲轴箱漏气实现闭环有两种方式：漏气与进气闭环和漏气与排气闭环。一般情况下，选择与进气闭环。所以要求发动机：① 相对较小的漏气量，尽可能减小对动力性的影响；② 油气分离器，要求油气分离效果更好，防止污染增压器、火花塞。

5.5 原排总结

首先必须确定发动机工作边界条件，确认发动机工作状态良好；台架和排放设备测试准确性；稳态主要标定VE表、Boost表、点火提前角和PHI表；瞬态标定是非常重要的，应根据排放结果重点模拟高排放工况，进而分析优化，应该注意对排温的控制，排温不宜过高。

6 加装后处理后对排放的影响

除了对原排的影响因素外，加装后处理的影响因素为背压（原排中解释）、排温、DOC的起燃温度、SCR的起燃温度、尿素喷射量等。

6.1 DOC转化效率

对7L 260马力气体机DOC进行转化率测试：

图5 DOC的转化曲线

从图中可以看出，温度越高，转化率越高，温度高于350℃转化率在95%以上。当然很明显的是排温低于300℃时，转化效率极低。

6.2 SCR转化效率

SCR根据分子筛材料的不同可以分为Fe基、Cu基、Fe-Cu基等。根据气体机排温特性选择Fe基分子筛[5]。

（1）转化效率与排温

从图中可以看出，氨氮喷射量当量比小于1，排温在250℃~550℃时，SCR转化效率基本在90%以上。

图6 SCR催化器转化效率

WHTC试验包括14%的冷机状态加权，所以如何快速的热机以缩短后处理进入高效区的时间是达到排放要求的重要策略之一。

（2）转化效率与尿素喷射量

SCR中基本反应为：

标准反应：→

快反应：→

但同时还伴随着：

→

上式反应条件一般要求排温大于500℃，这就造成了NOx的恶化。

试验过程中关于SCR的效率低的几个原因：①硫污染，550℃可还原，②CH4过量，造成SCR温度过高，超过700℃老化加快，③尿素结晶，造成SCR堵塞，④SCR分进气和出气，不能装反，因为SCR必须在ASC前面，装反后NOx不降反升[6]。

6.3 ASC基本原理

ASC作用为收集过量的NH3，ASC基本反应为：

4NH+3O→N+3HO

若排温高于500℃，ASC中会逐渐增加另一种反应：

→

所以尿素喷射量必须适中，过大或过小都会造成NOx升高。

6.4 后处理小结

首先，对于DOC贵金属含量应保证催化效率在90%以上；其次，对于SCR来说必须考虑排温、空速对转化效率的影响，最好采用上游NOx传感器可以配合发动机系统的调试；再次，对于ASC中过量NH3反应所产生的NOx有一个量化，在排温高的情况下尽量控制尿素的喷射。

7 总结

现阶段，天然气发动机如采用空燃比大于1的技术路线，对于发动机的精确控制策略要求较高，有相当大的技术挑战，这也是目前主流技术路线采用当量燃烧的原因，但因氧气含量较高，燃气可以充分燃烧，相比当量燃烧路线经济性具有优势，进而可以提升车辆竞争优势。

本文结合发动机WHTC试验方法，分析发动机原排、后处理模块对污染物的处理原理，对采用空燃比大于1，后处理采用DOC+SCR+ASC技术路线的燃气发动机提供参考。

[1] 生态环境部.重型柴油车污染物排放限值及测量方法.GB17691- 2018[S].

[2] 孔祥花,张振涛,陈火雷.满足WHTC的NOx排放控制方法概述[J].排放与噪声,2017,34(5):70-72.

[3] 王华健,占隽均.汽油机和柴油机CO、HC、PM排放的显著差异研究[J].汽车实用技术,2016,4:48-51.

[4] 吴广阔,吴双群. Phi值对煤质柴油发动机燃烧和排放的影响[J].内燃机,2018,6:31-35.

[5] 李志军,方熙宇,刘双喜等.分子筛与钒基SCR催化器瞬态反应特性对比[J].燃烧科学与技术,2016,22(6):513-521.

[6] 张俊,唐韬,曹东晓等.重型柴油机欧Ⅵ后处理系统构型方案试验研究[J].内燃机工程,2017,38(1):7-11.

Exploration of a Technical Route for Natural Gas Engine Exhaust Purification

Fan Yuchao, Ma Jia, Zhang Pan

( Shaanxi Heavy Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In order to make natural gas engine meet the current emission requirements, mainstream companies have adopted the equivalent combustion+EGR+TWC. This paper, by studying a combustion and corresponding exhaust gas aftertreatment technology that increases the intake of natural gas engines, can also meet the emission requirements. In addition, the engine does not need EGR, and has a simple structure and lower gas consumption. At the same time, it can effectively reduce the vehicle's thermal load and provide new solutions for heavy natural gas engines to meet higher emissions requirements.

Natural gas engine; Combustion; Original exhaust gas; Emission solution

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.016

U464

A

1671-7988(2021)02-47-04

U464

A

1671-7988(2021)02-47-04

樊于朝，就职于陕西重型汽车有限公司。