国六天然气发动机排放技术方案分析

张腾，贾红杰，韩文涛*，王林波，王磊，刘近报

1. 潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；2. 潍柴西港新能源动力有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

随着汽车工业飞速发展，汽车保有量稳步上升，但石油资源短缺问题日益凸显，迫使人们加快车用发动机代用燃料的研发和应用进程。随着“打赢蓝天保卫战”战略的持续深入以及国六排放标准逐步实施，清洁能源商用车的普及步伐不断加快，天然气凭借排放污染低、资源丰富、价格低廉等优点是目前兼顾运营与环保的理想代用燃料[1]。与石油基燃料相比，天然气作为替代能源，颗粒物(particular matter，PM)排放可以减少约40%，CO2排放减少约24%，HC排放减少约72%，CO排放减少约97%[2]。随着油气价格的回落，天然气作为替代燃料的优势进一步凸显[3-4]。

文献[5]对天然气发动机的排放限值做了严格规定，因此，降低发动机污染物排放的技术是当前天然气发动机研发的重点。

国六排放标准的实施有力推动了天然气发动机技术的发展与革新，特别是天然气发动机较柴油发动机提前一年实施国六排放标准，给天然气发动机发展带来了机遇和挑战。研究满足国六排放标准的天然气发动机排放技术，可为天然气发动机性能和排放优化提供一定理论依据，具有重要的应用价值和现实意义。

1 排放标准分析

为了减少城市污染、改善空气质量，我国已分阶段实施国六排放标准。相比于国五排放标准，国六对重型车用发动机排放测试方法和限值要求更加严格，污染物排放限值大幅降低[5]。

1)国六排放标准的排放测试循环采用全球统一瞬态测试循环(world harmonized transient cycle，WHTC)，不再使用自国三开始使用的欧洲瞬态循环(European transient cycle，ETC)，更能全面考核天然气发动机在不同负荷状态下的排放结果。两种循环相比较，WHTC工况分布及权重更偏向于低速低负荷，与当前重型天然气发动机低速大扭矩的趋势一致，同时也与发动机在低速低负荷时排放难以控制相适应[6]。

2)国六排放标准新增了整车实际道路行驶排放测试，对车辆在实际道路上的排放测试做出了要求。

3)国六排放标准对发动机尾气成分种类和限值要求更加严格。

4)国六排放标准对发动机曲轴箱通风排放提出要求，天然气发动机需要使用闭式循环装置。

5)国六排放标准增加了车载诊断系统(on-board diagnostic，OBD)控制要求。

6)国六排放标准增加了排放耐久、排放保质等其他要求。

从发动机排放限值水平来看，国六标准的各污染物排放限值与欧六排放限值相当，比国五标准加严40%以上，NOx排放限值最高加严77%，同时天然气发动机排放中增加了PM和粒子数量(particle number，PN)的限值要求及新增尾气中NH3的排放限值。因此，必须提升发动机排放控制技术以满足国六标准的严格要求。天然气发动机各排放阶段限值如表1所示。

表1 天然气发动机各排放阶段限值

现阶段，天然气发动机的排放污染物种类、限值及测试方法不仅需满足国六排放标准要求，还需增强对环境的适应性及满足整车实际道路排放测试需求。因此，对天然气发动机排放技术方案分析具有重要的应用价值。

2 污染物排放控制分析

天然气发动机尾气中污染物的成分与柴油机基本一致，主要为CO、非甲烷烃(NMHC)、CH4、NOx、NH3以及PM、PN。天然气发动机具有独特的燃烧特性，污染物生成方式与柴油机不尽相同，因此其污染物排放控制方式与柴油机亦不相同。

天然气发动机尾气中，CO是由燃料未充分燃烧产生的，通过优化发动机燃烧及使用氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)进行处理；HC化合物包括CH4和NMHC，CH4的主要成因是燃料未完全燃烧，NMHC的主要成因是非燃料燃烧，两者的处理方式与CO的处理方式类似，可以使用DOC进行控制；对于NOx排放的控制，国五阶段通常采用的机内净化技术很难满足国六排放标准的要求，需要借助机外净化控制技术对其进行控制； NH3主要由天然气发动机后处理系统内部发生的副反应产生，可以借助氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)或者电子控制标定进行控制。天然气发动机尾气中，PM和PN的含量较少，与其在大气中的含量为同一数量级，一般使用低灰分级机油即可满足国六排放标准要求[7]。

只靠单一的机内净化技术达不到国六排放标准的严格要求，需要综合使用天然气发动机排放控制技术，才能满足国六排放限值的要求[8]。

3 排放技术方案

天然气的主要成分是CH4，其化学分子式中H、C原子数量之比为4，是当前燃料中H、C原子数量之比较高的燃料之一。燃料中H、C原子数量之比越高，燃料燃烧氧化产生的化合物中含碳量越低，即可认为是清洁燃料，因此，天然气是含碳量较低的清洁能源。但天然气在燃烧做功过程中，其尾气也会产生污染物，只有将天然气发动机燃烧产生的污染物进行净化处理，才能成为真正的清洁能源。

为满足国六排放标准，柴油机除使用增压中冷、优化燃烧、电子控制等机内净化技术外，还采用了DOC-颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)-ASC和废气再循环(exhaust gas recirculation，EGR)-DOC-DPF-SCR两种排放技术方案。由于排放物大部分相同，天燃气发动机可借鉴使用柴油机的这些成熟的排放控制技术。天然气发动机在选择排放技术方案时，需根据发动机空燃比确定后处理技术方案[8]。国五阶段，天然气发动机普遍采用稀薄燃烧-DOC的技术方案，可以有效解决天然气发动机尾气中的HC和CO，对于NOx排放则需采用机内净化技术进行控制。随着国六排放标准的实施，该技术方案已经无法满足要求，需要探究能满足国六排放标准的技术方案。

3.1 稀薄燃烧-DOC-SCR-ASC

当发动机空燃比大于17.2时，称为稀薄燃烧。稀薄燃烧技术可降低发动机油耗和排放。天然气发动机采用稀薄燃烧技术时，单纯使用机内净化技术已经无法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR进一步降低NOx排放，并且需要配合ASC对使用SCR后发动机尾气中的NH3进行控制，满足国六排放的要求。

排放控制技术可最大限度提高天然气发动机的动力性和经济性，同时又能获得较好的排放性能，是柴油发动机中应用最广泛、技术最成熟、综合效果最好的技术方案[9]。但该技术方案在天然气发动机的应用中存在诸多问题：1)根据发动机原排计算，需要天然气发动机排放后处理系统催化转化效率保持在90%以上；2)使用该技术后，天然气发动机排温比柴油机高且产生大量的H2O，对发动机排放耐久带来了挑战；3)在增加SCR系统后，后处理系统以及整车运行成本均增加较多。因此，该技术方案在天然气发动机中应用较少。

3.2 理论空燃比-三元催化(three way catalytic converter，TWC)-EGR

理论空燃比技术指控制天然气发动机在所有运行工况下的过量空气系数为1，即将缸内参与燃烧的新鲜空气量与天然气之比控制在17.2左右。在采用理论空燃比技术后，发动机在经济性、热负荷、热效率等方面均劣于稀薄燃烧技术，但是在动力性、后处理使用、排放耐久方面优势明显，可以满足国六甚至更严格的排放限值要求。

为降低天然气发动机采用理论空燃比后带来的劣势，提升竞争力，国内开发的满足国六排放标准的天然气发动机普遍配备EGR系统。使用EGR系统后，可有效降低天然气发动机的最高燃烧温度、关键零部件的热负荷和爆震倾向，降低 NOx排放，同时一定程度上提升发动机的经济性。国外天然气发动机普遍不使用EGR系统，所以国外天然气发动机的功率、扭矩均小于国内相同排量的天然气发动机[10]。

3.3 天然气发动机排放技术方案对比

在对当前国内外天然气发动机主流排放控制技术和满足国六排放标准的技术调研分析基础上，以排放控制和发动机经济性为主要评价指标，兼顾成本、系统复杂度、对未来发动机技术发展的适应性，多维度、多角度、多尺度地建立面向国六排放标准的天然气发动机排放控制技术方案评价体系[11]，为国六天然气发动机开发提供参考。国六天然气发动机与采用稀薄燃烧技术的国五天然气发动机排放技术方案对比如表2所示。

由表2可知，通过对天然气发动机常用排放技术方案进行对比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技术方案在成本和经济性方面存在较明显的劣势。当前发动机排放标准日益严格，理论空燃比-TWC(-EGR)成为当前天然气发动机的主流技术方案。但是考虑天然气发动机经济性，降低热负荷，可采用当量燃烧方式，实现发动机综合性能的提升。

表2 国六、国五天然气发动机排放控制技术方案对比

4 排放测试

4.1 WHTC排放测试

根据文献[5]要求，天然气发动机在进行WHTC测试时需要进行冷态循环和热态循环排放测试，2个循环的测试时间均为1800 s，在冷态和热态循环之间，发动机进行10 min的浸机工况。天然气发动机WHTC测试结果由冷态循环和热态循环测试结果加权构成，权重分别为14%、86%。本文中对采用理论空燃比-TWC-EGR技术方案的某天然气发动机进行发动机排放测试，其WHTC排放测试结果见表3。

表3 天然气发动机WHTC排放测试结果

由表3可知，发动机WHTC测试结果可以满足国六排放限值要求及工程裕度需求。

4.2 整车道路实际排放测试

为有效监控车辆在使用中的实际排放状况，在国六排放标准中规定了天然气发动机不仅需要满足WHTC循环排放限值，还需要满足整车道路实际排放限值要求。整车道路实际排放测试常用的方法有隧道法、转毂法、车载道路法(portable emissions measurement system，PEMS)等。PEMS方法操作简单，因此选择PEMS方法对整车进行实际道路排放测试。

本文中按照根据文献[5]要求，对采用理论空燃比-TWC-EGR技术方案的某天然气N3类非城市牵引车进行道路实际排放测试，测试结果见表4。

表4 天然气发动机实际道路排放PEMS测试结果 mg/(kW·h)

由表3、4可知，采用理论空燃比-TWC-EGR技术方案的天然气发动机完全满足国六排放标准需求。

5 结论

综合运用天然气发动机机内排放控制和机外排放净化技术的天然气发动机，可以满足国六排放标准，同时兼顾动力性和经济性。

1)针对国六天然气发动机的排放技术方案进行分析对比，得出采用理论空燃比-EGR-TWC技术方案是当前最优排放控制技术方案。

2)对采用理论空燃比-EGR-TWC技术方案的天然气发动机进行WHTC排放测试和整车实际道路排放测试，两种测试的相关污染物排放满足国六排放排放标准要求，表明所选用技术方案切实可行。