重型增壓天然氣發(fā)動機國五排放優(yōu)化的試驗研究

楊曉力，張志雷

(1.湖南長豐動力有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410100；2.Woodward控制器(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215300)

隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇，控制和解決大中城市機動車排放污染[1-2]已經(jīng)是一個常抓不懈的課題，同時也推動了車用動力朝著超低排放的目標(biāo)發(fā)展。天然氣汽車動力以其排放清潔、經(jīng)濟(jì)適用、性價比突出[3]等特點，在全世界范圍內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。

采用電控噴射與空燃比閉環(huán)控制的發(fā)動機控制系統(tǒng)大量應(yīng)用于城市公交車、卡車、工程車輛用動力等領(lǐng)域，已經(jīng)成為解決環(huán)境污染與能源供給緊張問題的有效手段。隨著車用動力相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)的升級，大量的道路用國四發(fā)動機需要升級到國五、國六排放標(biāo)準(zhǔn)。眾多發(fā)動機制造商在尾氣(NOx，THC，CO)處理時多采用SCR與催化轉(zhuǎn)化器相結(jié)合的技術(shù)路線，采用該技術(shù)手段會增加產(chǎn)品成本，尤其是SCR系統(tǒng)占用了一大部分整機成本，降低了產(chǎn)品性價比。

1 國五排放進(jìn)展

目前，針對天然氣發(fā)動機升級國五排放的主要技術(shù)方案是稀薄燃燒+SCR+氧化型后處理(DOC)+電控閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用這種技術(shù)方案能夠使發(fā)動機達(dá)到國五甚至國六的排放標(biāo)準(zhǔn)，動力性良好，發(fā)動機排溫不會太高[4]，缺點在于SCR控制系統(tǒng)復(fù)雜，造價較高，需要定期維護(hù)。從產(chǎn)品應(yīng)用的角度來考慮，發(fā)動機廠商希望降低后處理的成本來提高自身的優(yōu)勢與性價比。省去SCR系統(tǒng)能夠大大降低后處理部分的費用，但這無疑給工程師提出了新的挑戰(zhàn)：有效地控制缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物中的NOx排放物濃度，省去SCR系統(tǒng)帶來的成本與缺點。

此外，車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)規(guī)定道路用氣體發(fā)動機達(dá)到國五排放要求需要通過ETC(European transient cycle,瞬態(tài)循環(huán))試驗，但實際調(diào)研時發(fā)現(xiàn)ETC試驗車型式核準(zhǔn)試驗工況存在缺陷，由于城市公交車(或城市車輛)的低溫、低速工況不具備代表性，使得企業(yè)開發(fā)機型時基本沒有考慮低速、低負(fù)荷的城市工況，后處理SCR系統(tǒng)工作溫度低引起NOx轉(zhuǎn)化效率低下，導(dǎo)致城市車輛實際運行時的NOx排放超標(biāo)。所以，增加了針對城市道路車輛用低溫低速工況的WHTC(World Harmonized Transient Cycle，全球統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán))試驗循環(huán)[5](見圖1)，并規(guī)定了型式認(rèn)證試驗中各排放物的限值(見表1)。

對于采用稀薄燃燒與空燃比閉環(huán)控制系統(tǒng)的天然氣發(fā)動機，空燃比與各排放物之間的關(guān)系(見圖2)。

表1 國Ⅴ排放認(rèn)證試驗的污染物限值

圖1 WHTC試驗循環(huán)

圖2 過量空氣系數(shù)與污染物比排放值的關(guān)系

NOx比排放量先隨過量空氣系數(shù)的增大而增大，在過量空氣系數(shù)等于1.2左右達(dá)到最大值，在過量空氣系數(shù)等于1.6左右時最低[6]，同時HC和CO的比排放值逐漸增大，所以可采用氧化催化裝置(DOC)來處理HC和CO氣體。此外，采用稀薄燃燒的天然氣發(fā)動機需要優(yōu)化控制點火提前角、點火能量和空燃比修正來保證缸內(nèi)燃燒穩(wěn)定，本研究基于上述幾個調(diào)整變量進(jìn)行國五排放試驗研究。

2 試驗系統(tǒng)與條件

2.1 發(fā)動機配置與技術(shù)指標(biāo)

KSPN12C5天然氣發(fā)動機是在KSPD12C4柴油機的基礎(chǔ)上，采用電控多點順序噴射系統(tǒng)、電子節(jié)氣門、電控廢氣旁通閥、寬域線性氧傳感器閉環(huán)的控制方式升級而來。另外，設(shè)計了帶倒流凸臺的進(jìn)氣總成(見圖3)，能夠使各缸進(jìn)氣在發(fā)動機低速低負(fù)荷工況下獲得較好的一致性，同時保證在不同工況下的快速響應(yīng)與均勻性。KSPN12C5發(fā)動機參數(shù)見表2，多點電控噴射控制系統(tǒng)見圖4。

圖3 進(jìn)氣總管導(dǎo)流凸臺

表2 發(fā)動機的主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 天然氣發(fā)動機多點電控噴射控制系統(tǒng)

該發(fā)動機采用ECM-OH6多點電控噴射控制系統(tǒng)，主要包括電控單元(ECM-OH)、電控節(jié)流閥體、燃?xì)忸A(yù)處理裝置、電控WGCV閥、寬域線性氧傳感器等各種傳感器。電控系統(tǒng)采集、處理由傳感器得到的各種發(fā)動機工況運行信號，并通過中央處理器運算，確定發(fā)動機在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度等工況下的天然氣噴射量。同時，根據(jù)點火正時以及機油溫度、水溫、缸內(nèi)有效壓力修正，確定各缸點火時刻從而實現(xiàn)準(zhǔn)確點火。為了保證發(fā)動機在最優(yōu)過量空氣系數(shù)下運行，ECM-OH根據(jù)氧傳感器信號、進(jìn)氣溫度、WGCV閥開度、節(jié)氣門開度、設(shè)定增壓壓力、缸套修正、冷卻液修正溫度及天然氣溫度、壓力等信號實時修正天然氣的噴射量，發(fā)送給執(zhí)行模塊，實現(xiàn)燃?xì)舛帱c順序噴射。

2.2 主要試驗設(shè)備

排放優(yōu)化試驗對設(shè)備精度要求較高，要求能夠?qū)崟r地反映穩(wěn)態(tài)工況與瞬態(tài)工況的測試結(jié)果，本次試驗的主要設(shè)備有S22-4/0934-1BS-1低慣量電力測功機，AMA i60 R1D1排氣分析系統(tǒng)，PSS i60顆粒采集系統(tǒng)，AVL7351CST油耗儀，Sensy Flow P空氣流量計。

3 優(yōu)化策略對排放結(jié)果的影響

為了有效地控制排放物中的NOx濃度，利用Woodward Toolkit 4.5標(biāo)定軟件，基于臺架標(biāo)定數(shù)據(jù)，圍繞改善缸內(nèi)燃燒效果和優(yōu)化瞬態(tài)燃?xì)鈬娚鋬蓚€方向進(jìn)行優(yōu)化。按影響因素的重要度，從點火提前角、電控廢氣閥開度、點火能量和空燃比控制4個方面展開試驗研究。

3.1 點火提前角

NOx主要是在高溫以及富氧的情況下燃燒生成，隨著點火提前角加大，最高燃燒壓力提高，燃燒放熱率高，燃燒速度快，最高燃燒溫度迅速提高，造成NOx排放急劇增加。推遲點火時間能夠最大限度降低燃燒室內(nèi)的最高燃燒溫度，調(diào)整預(yù)燃期的時間，從而達(dá)到抑制NOx生成的目的[7-8]。減小點火提前角有利于降低NOx濃度，但點火效率的下降同時會帶來發(fā)動機扭矩下降和排氣溫度過高的問題。扭矩下降可以通過調(diào)整空燃比、增壓壓力和充量系數(shù)進(jìn)行平衡，優(yōu)化過程中還需同時關(guān)注排氣溫度的變化。

由于ETC試驗與WHTC試驗均屬于瞬態(tài)工況試驗，為了確保高效地實現(xiàn)工程目標(biāo)，選取工況循環(huán)中一段來監(jiān)測排放物濃度和發(fā)動機排溫。圖5示出WHTC試驗循環(huán)中不同點火提前角下的NOx實測濃度，圖6示出WHTC試驗循環(huán)中不同點火提前角下的排氣溫度。

圖5 不同點火提前角下的NOx實測濃度

圖6 不同點火提前角下的排氣溫度

從試驗結(jié)果可以看出，隨著點火提前角的不斷減小，NOx污染物濃度下降的幅度越來越小，從32°BTDC到26°BTDC調(diào)整過程中降幅最為明顯，NOx污染物濃度下降可達(dá)300×10-6，但是排氣溫度上升較快。點火提前角為22°BTDC和20°BTDC時的NOx污染物濃度差異不大，排溫也比較接近，所以點火提前角整體優(yōu)化到臺架基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的65%～70%較為合適，此時的排溫仍然低于575 ℃。

3.2 電控廢氣閥開度

瞬態(tài)工況下，負(fù)荷變化需求從零負(fù)荷到全負(fù)荷調(diào)整，從而節(jié)氣門開度調(diào)整幅度很大，通常會出現(xiàn)實際增壓壓力大于目標(biāo)增壓壓力的現(xiàn)象，發(fā)動機的實測扭矩偏大，即使電控WGCV閥開度接近100%全開狀態(tài)，依然不能使實際壓力與設(shè)定的目標(biāo)壓力接近，工程上稱這一現(xiàn)象為過增壓。當(dāng)發(fā)動機從全負(fù)荷向低負(fù)荷調(diào)整時，又會出現(xiàn)WGCV閥開度調(diào)整過度，使得實際增壓壓力低于目標(biāo)增壓壓力的現(xiàn)象，并且不能及時回調(diào)，稱之為欠增壓。

ETC試驗循環(huán)中存在大量的變工況，調(diào)節(jié)時間小于1 s。雖然電控噴射系統(tǒng)的響應(yīng)時間可以達(dá)到毫秒級，但傳遞到WGCV(電控廢氣旁通閥)閥桿動作的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于毫秒級。過增壓會帶來過于充分的燃燒與高溫，減小過增壓現(xiàn)象能夠大大降低排放物中NOx排放體積分?jǐn)?shù)。瞬態(tài)工況時需要良好的WGCV開度與VBoost MAP(目標(biāo)增壓壓力)相配合，避免出現(xiàn)過增壓與欠增壓的現(xiàn)象。在保證發(fā)動機扭矩和排溫基本一致的情況下，通過選取不同的WGCV開度與增壓壓力的組合來獲得較低的排放。

從圖7可以看出，1 400 r/min工況下的NOx實測排放體積分?jǐn)?shù)隨著增壓壓力的升高和WGCV開度的減小而不斷降低，WGCV開度為50%，目標(biāo)增壓壓力為250 kPa時的NOx排放體積分?jǐn)?shù)最大值僅為120×10-6，而WGCV開度為90%，目標(biāo)增壓壓力為230 kPa時的NOx排放體積分?jǐn)?shù)最大值可達(dá)378×10-6，前者不到后者數(shù)值的1/3。1 700 r/min工況下NOx實測排放體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律與1 400 r/min工況相似(見圖8)。所以，對于瞬態(tài)工況的標(biāo)定數(shù)據(jù)優(yōu)化，應(yīng)該朝著WGCV閥處于滿量程的50%左右，增壓壓力偏大的方向調(diào)整。

圖7 1 400 r/min工況下的NOx實測濃度

圖8 1 700 r/min工況下的NOx實測濃度

3.3 點火能量

對于稀燃式發(fā)動機來說，發(fā)動機各缸的不均勻性與不穩(wěn)定性要比柴油機更加明顯，尤其在怠速工況與瞬態(tài)工況。增加點火能量能夠優(yōu)化燃燒過程，減少預(yù)燃期，調(diào)整滯燃期時間，從而減少NOx的排放[9]。此次試驗中點火能量的基礎(chǔ)值按照滿足發(fā)動機臺架性能目標(biāo)設(shè)定，不同轉(zhuǎn)速下的修正數(shù)值不同，為了研究調(diào)整點火能量值對降低排放物濃度的作用，點火能量值在原臺架數(shù)據(jù)修正值的基礎(chǔ)上同時乘以不同的系數(shù)，圖9與圖10分別示出不同的點火能量系數(shù)下的NOx排放物濃度和排氣溫度。

圖9 不同點火能量系數(shù)下的NOx實測濃度

圖10 不同點火能量系數(shù)下的排氣溫度

由上圖可知，隨著點火能量系數(shù)的不斷增加，瞬態(tài)變化過程中的NOx濃度不斷降低，從最初的138×10-6下降到50×10-6左右，降幅可達(dá)60%。同時，點火能量系數(shù)為1.050和1.075兩種不同的狀態(tài)下，NOx濃度幾乎相同，并沒有出現(xiàn)進(jìn)一步的下降。圖10示出不同點火能量系數(shù)下的排氣溫度，點火能量系數(shù)為1.075時的排氣溫度最高，而點火能量系數(shù)為1.050時的排氣溫度最低，說明此時的優(yōu)化系數(shù)處于局部最優(yōu)范圍。綜合考慮排溫和NOx濃度結(jié)果，點火能量系數(shù)應(yīng)該優(yōu)化為基礎(chǔ)值的105%。

3.4 精確空燃比控制

瞬態(tài)試驗循環(huán)中包含了較多的劇烈工況，實時監(jiān)測尾氣濃度的時候會發(fā)現(xiàn)在劇烈變工況過后NOx濃度出現(xiàn)了尖峰，其數(shù)值往往是其他工況的幾倍甚至更多，因此，有效地控制變工況中空燃比加濃與減稀，能進(jìn)一步獲得更低的排放結(jié)果。更加精準(zhǔn)的燃?xì)鈬娚淇刂颇軌蛱岣咚矐B(tài)工況下的燃?xì)鈬娚涓S性，本研究通過精細(xì)調(diào)整加濃與減稀過程的空燃比來優(yōu)化排放結(jié)果，為保證控制參數(shù)的單一性原則和實際工作量，采用加濃與減稀系數(shù)同步的方式進(jìn)行優(yōu)化。

從圖11可知，隨著加濃與減稀系數(shù)的增加，NOx濃度進(jìn)一步下降，但是下降的幅度并不明顯，并且出現(xiàn)鋸齒現(xiàn)象，說明過多提高加濃與減稀系數(shù)會出現(xiàn)局部的燃燒不穩(wěn)定或者異?，F(xiàn)象，需要綜合排溫變化來進(jìn)一步確定合適的數(shù)值。從圖12可知，0.02/s的調(diào)整系數(shù)下排溫最高，最大值可達(dá)595 ℃，而0.01/s的調(diào)整系數(shù)下排溫最低，最大值不超過585 ℃，其他兩種調(diào)整系數(shù)下排溫居中。綜合排溫與NOx濃度變化規(guī)律，空燃比加濃與減稀修正系數(shù)可以選擇0.04/s，修正幅度為基礎(chǔ)值的104%。

圖11 不同調(diào)整系數(shù)下的NOx實測濃度

圖12 不同調(diào)整系數(shù)下的排氣溫度

3.5 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的合理優(yōu)化與調(diào)整，ETC試驗的結(jié)果表明該機型的尾氣NOx污染物濃度大幅度下降。同一試驗循環(huán)時刻的污染物濃度最大值從最初的700×10-6下降到35×10-6左右，NOx比排放量遠(yuǎn)小于2.0 g/(kW·h)的限值；排氣溫度最大值從最初的540 ℃上升到585 ℃，依然處于增壓器蝸殼穩(wěn)定耐溫范圍以下。由此證明本研究中使用的優(yōu)化手段是合理有效的，最終的ETC和WHTC試驗循環(huán)測試結(jié)果見表3，各階段采取優(yōu)化策略后的結(jié)果見表4，同時得出了不同優(yōu)化參數(shù)對降低NOx比排放值的占比和規(guī)律。

表3 ETC和WHTC試驗循環(huán)結(jié)果(2次)

表4 各階段優(yōu)化測試結(jié)果

4 結(jié)論

a) 試驗結(jié)果表明，采用的優(yōu)化策略與調(diào)整方向是合理有效的，優(yōu)化點火提前角、電控廢氣閥開度、點火能量和精確空燃比控制能夠極大的降低NOx排放物濃度，同時有效地控制排溫；

b) 隨著點火提前角的逐步降低，NOx濃度的宏觀特性表現(xiàn)為濃度逐漸下降，排溫逐漸升高，優(yōu)化數(shù)據(jù)的幅度應(yīng)該控制在基礎(chǔ)值的65%～70%；

c) 電控廢氣閥開度應(yīng)該與發(fā)動機最大增壓壓力相匹配，開度為最大行程的50%時對瞬態(tài)工況的響應(yīng)較好,且最有助于降低尾氣中NOx濃度；

d) 隨著點火能量系數(shù)的增加，NOx濃度呈不斷降低的趨勢，綜合考慮排溫和NOx濃度結(jié)果，點火能量系數(shù)應(yīng)該優(yōu)化為基礎(chǔ)值的105%;

e) 優(yōu)化加濃與減稀過程的空燃比修正系數(shù)能夠增強實際空燃比動態(tài)跟隨性，優(yōu)化局部燃燒，降低污染物濃度。