一種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化技術(shù)路線探索

樊于朝，馬佳，張攀

一種天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化技術(shù)路線探索

樊于朝，馬佳，張攀

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

為使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)滿足現(xiàn)階段排放要求，主流企業(yè)均采用當(dāng)量燃燒+EGR+TWC技術(shù)路線，文章通過研究一種提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的燃燒及相應(yīng)的尾氣凈化技術(shù)，同樣可以滿足排放要求，且發(fā)動(dòng)機(jī)無需EGR，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣耗更低，同時(shí)有效降低整車熱負(fù)荷，為重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更高排放要求提供新的解決思路。

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；燃燒；原排；尾氣凈化

1 引言

不斷升級(jí)的排放法規(guī)，對(duì)各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家提出更嚴(yán)苛的技術(shù)挑戰(zhàn)，其中重型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)要滿足現(xiàn)階段排放限值要求，存在兩種主要解決思路，一是當(dāng)量燃燒+EGR+TWC技術(shù)路線；二是空燃比大于1，后處理采用DOC+SCR+ASC技術(shù)路線。各發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為率先滿足排放要求，主流技術(shù)路線均選擇當(dāng)量燃燒+EGR+TWC，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程破壞NO的生成環(huán)境，降低NOx排放，更容易滿足排放限值。本文主要研究天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用第二種技術(shù)路線，并提供NOx、CH、CO等污染物的解決辦法，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)滿足更高排放提供一種新的解決方案。

2 法規(guī)要求

2.1 污染物

發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物主要包括氣態(tài)污染物和顆粒物；氣態(tài)污染物主要為一氧化碳（CO），碳?xì)浠衔铮℉C）和氮氧化物（NOx）；顆粒物指在溫度不超過52℃的稀釋排氣中，有規(guī)定的過濾介質(zhì)所收集到的所有物質(zhì)。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱漏氣必須進(jìn)行處理，即為閉環(huán)形式。

2.3 WHTC循環(huán)主要污染物排放限值[1]

表1 WHTC循環(huán)主要污染物排放限值

排放認(rèn)證時(shí)，必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放系統(tǒng)的耐久性，所以認(rèn)證時(shí)要有劣化系數(shù)的加權(quán)。各污染物劣化系數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)有效壽命終點(diǎn)和起點(diǎn)排放值之比。所以要認(rèn)證時(shí)標(biāo)準(zhǔn)為：

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證時(shí)污染物排放限值

2.4 測(cè)試方法

首先，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)外特性，國(guó)六排放按照WHTC循環(huán)進(jìn)行測(cè)試。WHTC測(cè)試分為冷態(tài)和熱態(tài)，冷態(tài)與熱態(tài)之間有10分鐘的間隔（熱浸期），排放計(jì)算如下[2]：

—排放物的質(zhì)量，；

—根據(jù)C.6.8.6條確定的實(shí)際循環(huán)功，；

—最終的結(jié)果為冷態(tài)和熱態(tài)加權(quán)的結(jié)果；

—冷啟動(dòng)循環(huán)各排放物組分的質(zhì)量，；

—熱啟動(dòng)循環(huán)各排放物組分的質(zhì)量，；

—冷啟動(dòng)循環(huán)的實(shí)際循環(huán)功，；

—冷啟動(dòng)循環(huán)的實(shí)際循環(huán)功，。

其次是排放取樣方法：部分流稀釋和全流稀釋；國(guó)六排放試驗(yàn)時(shí)采用全流稀釋法。全流稀釋法成熟度要高于部分流稀釋（相關(guān)資料表明）。全流稀釋與部分流稀釋結(jié)果出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)以全流稀釋為準(zhǔn)。

最后，測(cè)試過程中，排放設(shè)備實(shí)測(cè)CH4、CO、NOx三者的實(shí)際值。

2.5 WHTC循環(huán)

WHTC循環(huán)共1800個(gè)點(diǎn)，共運(yùn)行1800s。

圖1 WHTC試驗(yàn)循環(huán)

以某7L 260馬力燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為例，WHTC試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行區(qū)間為：

圖2 WHTC試驗(yàn)主要運(yùn)行區(qū)間

圖3 WHTC實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)

2.6 工程指標(biāo)

由于排放設(shè)備的差異性和氣體機(jī)的不穩(wěn)定性，在做排放試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上下調(diào)5%。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放指標(biāo)

3 氣體機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)六排放的基本路線

一種路線是過量空氣+催化器+SCR+ASC（本文檔主要內(nèi)容依據(jù)此路線進(jìn)行分析總結(jié)）。

圖4 采用過量空氣方案基本路線

另外一種路線是理論空燃比+EGR+三元催化器。

4 原排的確定

從前期試驗(yàn)表明，DOC和SCR的轉(zhuǎn)化效率和原排有較大關(guān)系，能滿足國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的話，DOC對(duì)CH4、NMCH和SCR對(duì)NOx的催化效率都能達(dá)到90%以上，據(jù)此推算出原排。對(duì)于CO和PM值，對(duì)于氣體機(jī)來說排放量很少，滿足排放限值要求[3]。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)原排限值

5 原排的影響分析

保證發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的情況下，只分析對(duì)原排的影響，暫不考慮經(jīng)濟(jì)性。

5.1 穩(wěn)態(tài)條件下

（1）排氣背壓

排氣背壓增大，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性減小，排放惡化；CH含量急劇增加，對(duì)NOx有一定的好處。由于加裝DOC+SCR造成排氣背壓高于原發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定的值，所以對(duì)DOC和SCR的壓差提出一定的要求，盡可能的減小排氣背壓。使得排氣背壓在合理的范圍內(nèi)。由于過大的排氣背壓有可能需要重新匹配增壓器以滿足動(dòng)力性需求。

（2）點(diǎn)火提前角

隨著點(diǎn)火提前角減小，CH4和NOx都降低，所以點(diǎn)火提前角的減小可以降低HC+NOx的總含量。但是過小的點(diǎn)火提前角會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷提高以及扭矩的降低，嚴(yán)重時(shí)可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作穩(wěn)定性。

（3）PHI（當(dāng)量空燃比）值

在稀燃范圍內(nèi)，PHI值越大，HC含量越小，NOx含量越高，NOx變化率遠(yuǎn)大于HC變化率；PHI值越小，HC含量越大，NOx含量越??；所以通過改變PHI值可以平衡CH4和NOx各自的含量[4]。

（4）燃?xì)獬煞?/p>

用于試驗(yàn)的燃?xì)獠皇羌兗淄闀r(shí)，需要通過改變過量空氣系數(shù)達(dá)到排放要求。

5.2 瞬態(tài)條件下

（1）TLC（增壓器壓力限制）和FSO（燃料切斷）

關(guān)閉TLC和FSO模式；TLC對(duì)于PHI的修正增加的是基礎(chǔ)PHI表，對(duì)timing的修正為提前點(diǎn)火；從穩(wěn)態(tài)結(jié)論可知對(duì)排放不好。

（2）瞬態(tài)加濃

dmap/dt-1需要有一個(gè)較大的系數(shù)；關(guān)閉dmap/dt-2。

（3）VE（沖量系數(shù)）表

準(zhǔn)確的VE表對(duì)于系統(tǒng)自學(xué)習(xí)有重要的影響，從而影響實(shí)際空燃比；所以VE表盡可能的反應(yīng)實(shí)際情況。

（4）Cylinder Wall

適當(dāng)?shù)腃ylinder Wall參數(shù)設(shè)置對(duì)VE適當(dāng)?shù)男拚?，使得PHI良好的跟隨。對(duì)于CH4，cylinder wall有很強(qiáng)的修正作用。

（5）Min throttle

回怠速時(shí)，應(yīng)保持轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，防止PHI的低速波動(dòng)。

（6）氧傳感器

做排放前，必須重新標(biāo)定氧傳感器。氧傳感器的補(bǔ)償標(biāo)定應(yīng)配合Cylinder Wall等參數(shù)的調(diào)整而調(diào)整，保持PHI值得良好的跟隨。

（7）失火

PHI值的設(shè)定要遠(yuǎn)離失火極限，以P7為例PHI值不能低于0.65。

（8）Boost響應(yīng)性

MAP升的過快容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火，從而導(dǎo)致CH4含量過大；Boost調(diào)整原則為：響應(yīng)迅速，但不能出現(xiàn)過增壓超扭矩的狀態(tài)，合理配置FF table（燃料流量）。

5.3 邊界條件的影響因素

中冷后溫度、ECT、進(jìn)氣溫度和濕度、背壓、大氣壓力，進(jìn)氣阻力邊界條件也是影響排放的重要因素，所以排放測(cè)試時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確界定邊界條件。

5.4 硬件方面

（1）增壓器合理的匹配

由于國(guó)六排放需要相對(duì)較小的（低于MBT 5~10°），相對(duì)較稀的混合氣，所以滿足同等動(dòng)力的情況下，國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)需要更大的進(jìn)氣量，需要能力更強(qiáng)的增壓器。但是增壓器必須在可控范圍內(nèi)。

（2）曲軸箱漏氣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)

若曲軸箱漏氣實(shí)現(xiàn)閉環(huán)有兩種方式：漏氣與進(jìn)氣閉環(huán)和漏氣與排氣閉環(huán)。一般情況下，選擇與進(jìn)氣閉環(huán)。所以要求發(fā)動(dòng)機(jī)：① 相對(duì)較小的漏氣量，盡可能減小對(duì)動(dòng)力性的影響；② 油氣分離器，要求油氣分離效果更好，防止污染增壓器、火花塞。

5.5 原排總結(jié)

首先必須確定發(fā)動(dòng)機(jī)工作邊界條件，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)良好；臺(tái)架和排放設(shè)備測(cè)試準(zhǔn)確性；穩(wěn)態(tài)主要標(biāo)定VE表、Boost表、點(diǎn)火提前角和PHI表；瞬態(tài)標(biāo)定是非常重要的，應(yīng)根據(jù)排放結(jié)果重點(diǎn)模擬高排放工況，進(jìn)而分析優(yōu)化，應(yīng)該注意對(duì)排溫的控制，排溫不宜過高。

6 加裝后處理后對(duì)排放的影響

除了對(duì)原排的影響因素外，加裝后處理的影響因素為背壓（原排中解釋）、排溫、DOC的起燃溫度、SCR的起燃溫度、尿素噴射量等。

6.1 DOC轉(zhuǎn)化效率

對(duì)7L 260馬力氣體機(jī)DOC進(jìn)行轉(zhuǎn)化率測(cè)試：

圖5 DOC的轉(zhuǎn)化曲線

從圖中可以看出，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越高，溫度高于350℃轉(zhuǎn)化率在95%以上。當(dāng)然很明顯的是排溫低于300℃時(shí)，轉(zhuǎn)化效率極低。

6.2 SCR轉(zhuǎn)化效率

SCR根據(jù)分子篩材料的不同可以分為Fe基、Cu基、Fe-Cu基等。根據(jù)氣體機(jī)排溫特性選擇Fe基分子篩[5]。

（1）轉(zhuǎn)化效率與排溫

從圖中可以看出，氨氮噴射量當(dāng)量比小于1，排溫在250℃~550℃時(shí)，SCR轉(zhuǎn)化效率基本在90%以上。

圖6 SCR催化器轉(zhuǎn)化效率

WHTC試驗(yàn)包括14%的冷機(jī)狀態(tài)加權(quán)，所以如何快速的熱機(jī)以縮短后處理進(jìn)入高效區(qū)的時(shí)間是達(dá)到排放要求的重要策略之一。

（2）轉(zhuǎn)化效率與尿素噴射量

SCR中基本反應(yīng)為：

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)：→

快反應(yīng)：→

但同時(shí)還伴隨著：

→

上式反應(yīng)條件一般要求排溫大于500℃，這就造成了NOx的惡化。

試驗(yàn)過程中關(guān)于SCR的效率低的幾個(gè)原因：①硫污染，550℃可還原，②CH4過量，造成SCR溫度過高，超過700℃老化加快，③尿素結(jié)晶，造成SCR堵塞，④SCR分進(jìn)氣和出氣，不能裝反，因?yàn)镾CR必須在ASC前面，裝反后NOx不降反升[6]。

6.3 ASC基本原理

ASC作用為收集過量的NH3，ASC基本反應(yīng)為：

4NH+3O→N+3HO

若排溫高于500℃，ASC中會(huì)逐漸增加另一種反應(yīng)：

→

所以尿素噴射量必須適中，過大或過小都會(huì)造成NOx升高。

6.4 后處理小結(jié)

首先，對(duì)于DOC貴金屬含量應(yīng)保證催化效率在90%以上；其次，對(duì)于SCR來說必須考慮排溫、空速對(duì)轉(zhuǎn)化效率的影響，最好采用上游NOx傳感器可以配合發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試；再次，對(duì)于ASC中過量NH3反應(yīng)所產(chǎn)生的NOx有一個(gè)量化，在排溫高的情況下盡量控制尿素的噴射。

7 總結(jié)

現(xiàn)階段，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)如采用空燃比大于1的技術(shù)路線，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的精確控制策略要求較高，有相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)，這也是目前主流技術(shù)路線采用當(dāng)量燃燒的原因，但因氧氣含量較高，燃?xì)饪梢猿浞秩紵?，相比?dāng)量燃燒路線經(jīng)濟(jì)性具有優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而可以提升車輛競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

本文結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC試驗(yàn)方法，分析發(fā)動(dòng)機(jī)原排、后處理模塊對(duì)污染物的處理原理，對(duì)采用空燃比大于1，后處理采用DOC+SCR+ASC技術(shù)路線的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)提供參考。

[1] 生態(tài)環(huán)境部.重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法.GB17691- 2018[S].

[2] 孔祥花,張振濤,陳火雷.滿足WHTC的NOx排放控制方法概述[J].排放與噪聲,2017,34(5):70-72.

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[4] 吳廣闊,吳雙群. Phi值對(duì)煤質(zhì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響[J].內(nèi)燃機(jī),2018,6:31-35.

[5] 李志軍,方熙宇,劉雙喜等.分子篩與釩基SCR催化器瞬態(tài)反應(yīng)特性對(duì)比[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2016,22(6):513-521.

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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，就職于陜西重型汽車有限公司。