基于不同標(biāo)準(zhǔn)工況的甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性測(cè)試研究

康見見， 劉 波， 張 超， 劉 冰， 吳 滴

(重慶車輛檢測(cè)研究院有限公司 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 重慶 401122)

在不斷涌現(xiàn)的眾多新發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能減排方案中，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)因燃料使用成本低、甲醇配套相關(guān)產(chǎn)業(yè)日趨成熟[1]、經(jīng)濟(jì)性[2]和環(huán)保性能[3-4]相對(duì)柴油機(jī)和汽油機(jī)有明顯優(yōu)勢(shì)[5-7]等特點(diǎn)而日益受到重視。

目前因國(guó)內(nèi)尚未有甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)公告認(rèn)證依據(jù)工信部[2012] 42 號(hào)文件采用GB 14762—2008[8]規(guī)定的汽油機(jī)瞬態(tài)循環(huán)(GETC)開展試驗(yàn)。本文在已有的GETC循環(huán)基礎(chǔ)上，特引入GB 17691—2005[9]中的ETC循環(huán)及HJ 689—2014[10]中的WTHC冷、熱態(tài)循環(huán)工況對(duì)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能表現(xiàn)進(jìn)行探究。

1 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行GETC、ETC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入循環(huán)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)邊界條件進(jìn)行控制。設(shè)定進(jìn)氣空調(diào)進(jìn)氣壓力為101 kPa、進(jìn)氣溫度為25 ℃、進(jìn)氣濕度為45%，設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為85 ℃，維持發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)5～10 min，觀察進(jìn)氣狀態(tài)、水循環(huán)溫度、排氣溫度，在水循環(huán)溫度為85 ℃±2 ℃，排氣穩(wěn)定溫度差為±2 ℃時(shí)，開始對(duì)應(yīng)的排放測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)循環(huán)結(jié)束后在分析儀讀完袋采結(jié)果，還未對(duì)采樣袋進(jìn)行反吹時(shí)取消自動(dòng)反吹過程，用外置取樣泵對(duì)采樣袋中氣體進(jìn)行2次30 min的樣氣采集，以便后續(xù)對(duì)尾氣中非常規(guī)排放物甲醛進(jìn)行分析。

在進(jìn)行冷、熱態(tài)WHTC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行常溫狀態(tài)下不少于6 h的浸機(jī)處理，然后設(shè)定進(jìn)氣空調(diào)進(jìn)氣壓力為101 kPa、進(jìn)氣溫度為25 ℃、進(jìn)氣濕度為45%，設(shè)定冷卻水循環(huán)溫度為85 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)從停機(jī)狀態(tài)直接啟動(dòng)，依次進(jìn)行冷、熱態(tài)WHTC排放測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，采用上述同樣的方法對(duì)尾氣袋采樣氣中的非常規(guī)排放物甲醛進(jìn)行采集，以便后續(xù)甲醛排放的分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文依托一臺(tái)多點(diǎn)電噴+理論空燃比燃燒+三元催化后處理技術(shù)路線的M100(燃料100%為甲醇)甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究。

2.1 常規(guī)排放特性

經(jīng)過試驗(yàn)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)排放物CO、HC、NOx的比排放(特定污染物的質(zhì)量與循環(huán)工況的循環(huán)功的比值)結(jié)果均可以滿足相應(yīng)的法規(guī)限值要求，且有較大余量，結(jié)果見表1：WHTC冷態(tài)循環(huán)下，CO的比排放遠(yuǎn)高于其他循環(huán)工況，其他3種循環(huán)模式下CO的比排放水平接近；GETC循環(huán)及WHTC熱態(tài)循環(huán)HC比排放水平明顯低于ETC循環(huán)與WHTC冷態(tài)循環(huán)；NOx的比排放在不同循環(huán)間差異性較小，保持相對(duì)穩(wěn)定的排放狀態(tài)。

表1 不同法規(guī)工況下污染物比排放

為詳細(xì)探討上述現(xiàn)象、分析原因，以不同法規(guī)循環(huán)工況下的CO濃度為例，特畫出CO秒采數(shù)據(jù)曲線，如圖1至圖4所示。從圖1可以看出：GETC循環(huán)下CO濃度值在高負(fù)荷工況區(qū)域出現(xiàn)激增現(xiàn)象，但未出現(xiàn)量級(jí)的變化；從圖2可以看出：CO濃度較GETC循環(huán)普遍較高，但整體濃度量級(jí)保持一致，因ETC循環(huán)高負(fù)荷工況點(diǎn)較多，循環(huán)功為50.4 kW較GETC的18.9 kW高出近3倍，最終導(dǎo)致GETC、ETC兩循環(huán)的CO比排放結(jié)果相近；從圖3可以看出：WHTC熱態(tài)循環(huán)CO最大濃度與ETC循環(huán)相近，但高濃度密集區(qū)域較ETC循環(huán)較少，考慮到WHTC循環(huán)功為29.4 kW，最終WHTC熱態(tài)循環(huán)的CO比排放量與ETC循環(huán)接近。圖4中WHTC冷態(tài)循環(huán)的CO濃度在循環(huán)前200 s時(shí)間內(nèi)相比其他3種循環(huán)出現(xiàn)量級(jí)增長(zhǎng)，且隨著循環(huán)的進(jìn)行，CO濃度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)；造成此現(xiàn)象的原因在于 WHTC冷態(tài)循環(huán)從冷機(jī)狀態(tài)直接開始排放測(cè)試，機(jī)體整體溫度較低，循環(huán)前期噴射進(jìn)缸內(nèi)的甲醇混合氣因缸內(nèi)溫度較低汽化不好，導(dǎo)致甲醇燃料與氧氣混合不均、燃燒不充分造成CO排放增多、NOx排放減少，在三效催化轉(zhuǎn)化器溫度窗口及反應(yīng)物濃度的雙重作用下降低了催化效果，最終導(dǎo)致CO比排放增多。

此外，GETC中HC受循環(huán)波動(dòng)影響較小且濃度維持在5 ppm附近，表明在該循環(huán)工況下甲醇混合氣較為均勻，甲醇燃燒較好，三效催化轉(zhuǎn)化器的溫度窗口及反應(yīng)物濃度適宜情況下針對(duì)尾氣中HC的轉(zhuǎn)化效率較高；ETC循環(huán)前700 s時(shí)間HC濃度處于25～170 ppm范圍內(nèi)，造成整體循環(huán)比排放增加，對(duì)比發(fā)現(xiàn)HC濃度變化趨勢(shì)與ETC循環(huán)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)類似，表明該循環(huán)工況下閉環(huán)標(biāo)定及甲醇噴射策略尚有提升空間，盡管如此，在ETC循環(huán)下HC比排放值0.134 g/kW·h與法規(guī)限值0.55 g/kW·h相比仍具有巨大的余量空間；WHTC冷態(tài)循環(huán)前200 s時(shí)間HC濃度較高，隨著循環(huán)的進(jìn)展HC濃度逐漸降低且維持穩(wěn)定，后期濃度表現(xiàn)與WHTC熱態(tài)循環(huán)HC濃度類似，此現(xiàn)象仍是由WHTC冷態(tài)循環(huán)的初始機(jī)體溫度低導(dǎo)致未燃甲醇增多、三效催化轉(zhuǎn)化器溫度窗口導(dǎo)致的低催化效率兩方面因素引起的。

圖1 GETC秒采試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 ETC秒采試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 熱態(tài)WHTC秒采試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 冷態(tài)WHTC秒采試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可看出，NOx在不同循環(huán)工況下的排放濃度均處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、無量級(jí)激增的狀態(tài)，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放水平在不同法規(guī)工況下一致性表現(xiàn)較好，呈現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因在于甲醇自身汽化潛熱較大，缸內(nèi)燃燒過程可通過吸收潛熱降低缸內(nèi)燃燒溫度，從NOx生成的高溫富氧的機(jī)理出發(fā)，對(duì)其生成起到了一定的抑制作用；此外還因?yàn)樗矐B(tài)工況下甲醇燃燒不完全，形成了催化器的缺氧環(huán)境，使得更多NOx在催化作用下被還原。

2.2 非常規(guī)醛類排放

作為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)特有的非常規(guī)排放物質(zhì)甲醛，其主要來源為甲醇不完全氧化的產(chǎn)物。表1中GETC、ETC及WHTC加權(quán)排放結(jié)果均滿足對(duì)應(yīng)法規(guī)針對(duì)甲醇限值的要求。從不同循環(huán)間的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，甲醛的比排放值循環(huán)間差異與HC的差異類似，造成該現(xiàn)象的主要原因在于HC及甲醛均為甲醇不完全燃燒的產(chǎn)物，其受不同循環(huán)工況、混合氣濃度狀態(tài)、缸體初始溫度及三效催化轉(zhuǎn)化器溫度窗口的影響均與HC類似，此處不再贅述。

3 結(jié) 論

1) 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)更適用于城市道路交通。

2) 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在不同法規(guī)循環(huán)下NOx排放一致性較好。

3) 甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)在常規(guī)污染物排放方面表現(xiàn)突出，且生成的非常規(guī)污染物甲醛滿足現(xiàn)階段法規(guī)文件限值要求；從試驗(yàn)結(jié)果看，在降低未燃HC及甲醛方面甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)尚有提升空間。