國六天然氣發(fā)動機排放技術方案分析

張騰，賈紅杰，韓文濤*，王林波，王磊，劉近報

1. 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2. 濰柴西港新能源動力有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量穩(wěn)步上升，但石油資源短缺問題日益凸顯，迫使人們加快車用發(fā)動機代用燃料的研發(fā)和應用進程。隨著“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”戰(zhàn)略的持續(xù)深入以及國六排放標準逐步實施，清潔能源商用車的普及步伐不斷加快，天然氣憑借排放污染低、資源豐富、價格低廉等優(yōu)點是目前兼顧運營與環(huán)保的理想代用燃料[1]。與石油基燃料相比，天然氣作為替代能源，顆粒物(particular matter，PM)排放可以減少約40%，CO2排放減少約24%，HC排放減少約72%，CO排放減少約97%[2]。隨著油氣價格的回落，天然氣作為替代燃料的優(yōu)勢進一步凸顯[3-4]。

文獻[5]對天然氣發(fā)動機的排放限值做了嚴格規(guī)定，因此，降低發(fā)動機污染物排放的技術是當前天然氣發(fā)動機研發(fā)的重點。

國六排放標準的實施有力推動了天然氣發(fā)動機技術的發(fā)展與革新，特別是天然氣發(fā)動機較柴油發(fā)動機提前一年實施國六排放標準，給天然氣發(fā)動機發(fā)展帶來了機遇和挑戰(zhàn)。研究滿足國六排放標準的天然氣發(fā)動機排放技術，可為天然氣發(fā)動機性能和排放優(yōu)化提供一定理論依據，具有重要的應用價值和現(xiàn)實意義。

1 排放標準分析

為了減少城市污染、改善空氣質量，我國已分階段實施國六排放標準。相比于國五排放標準，國六對重型車用發(fā)動機排放測試方法和限值要求更加嚴格，污染物排放限值大幅降低[5]。

1)國六排放標準的排放測試循環(huán)采用全球統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(world harmonized transient cycle，WHTC)，不再使用自國三開始使用的歐洲瞬態(tài)循環(huán)(European transient cycle，ETC)，更能全面考核天然氣發(fā)動機在不同負荷狀態(tài)下的排放結果。兩種循環(huán)相比較，WHTC工況分布及權重更偏向于低速低負荷，與當前重型天然氣發(fā)動機低速大扭矩的趨勢一致，同時也與發(fā)動機在低速低負荷時排放難以控制相適應[6]。

2)國六排放標準新增了整車實際道路行駛排放測試，對車輛在實際道路上的排放測試做出了要求。

3)國六排放標準對發(fā)動機尾氣成分種類和限值要求更加嚴格。

4)國六排放標準對發(fā)動機曲軸箱通風排放提出要求，天然氣發(fā)動機需要使用閉式循環(huán)裝置。

5)國六排放標準增加了車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostic，OBD)控制要求。

6)國六排放標準增加了排放耐久、排放保質等其他要求。

從發(fā)動機排放限值水平來看，國六標準的各污染物排放限值與歐六排放限值相當，比國五標準加嚴40%以上，NOx排放限值最高加嚴77%，同時天然氣發(fā)動機排放中增加了PM和粒子數(shù)量(particle number，PN)的限值要求及新增尾氣中NH3的排放限值。因此，必須提升發(fā)動機排放控制技術以滿足國六標準的嚴格要求。天然氣發(fā)動機各排放階段限值如表1所示。

表1 天然氣發(fā)動機各排放階段限值

現(xiàn)階段，天然氣發(fā)動機的排放污染物種類、限值及測試方法不僅需滿足國六排放標準要求，還需增強對環(huán)境的適應性及滿足整車實際道路排放測試需求。因此，對天然氣發(fā)動機排放技術方案分析具有重要的應用價值。

2 污染物排放控制分析

天然氣發(fā)動機尾氣中污染物的成分與柴油機基本一致，主要為CO、非甲烷烴(NMHC)、CH4、NOx、NH3以及PM、PN。天然氣發(fā)動機具有獨特的燃燒特性，污染物生成方式與柴油機不盡相同，因此其污染物排放控制方式與柴油機亦不相同。

天然氣發(fā)動機尾氣中，CO是由燃料未充分燃燒產生的，通過優(yōu)化發(fā)動機燃燒及使用氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)進行處理；HC化合物包括CH4和NMHC，CH4的主要成因是燃料未完全燃燒，NMHC的主要成因是非燃料燃燒，兩者的處理方式與CO的處理方式類似，可以使用DOC進行控制；對于NOx排放的控制，國五階段通常采用的機內凈化技術很難滿足國六排放標準的要求，需要借助機外凈化控制技術對其進行控制； NH3主要由天然氣發(fā)動機后處理系統(tǒng)內部發(fā)生的副反應產生，可以借助氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)或者電子控制標定進行控制。天然氣發(fā)動機尾氣中，PM和PN的含量較少，與其在大氣中的含量為同一數(shù)量級，一般使用低灰分級機油即可滿足國六排放標準要求[7]。

只靠單一的機內凈化技術達不到國六排放標準的嚴格要求，需要綜合使用天然氣發(fā)動機排放控制技術，才能滿足國六排放限值的要求[8]。

3 排放技術方案

天然氣的主要成分是CH4，其化學分子式中H、C原子數(shù)量之比為4，是當前燃料中H、C原子數(shù)量之比較高的燃料之一。燃料中H、C原子數(shù)量之比越高，燃料燃燒氧化產生的化合物中含碳量越低，即可認為是清潔燃料，因此，天然氣是含碳量較低的清潔能源。但天然氣在燃燒做功過程中，其尾氣也會產生污染物，只有將天然氣發(fā)動機燃燒產生的污染物進行凈化處理，才能成為真正的清潔能源。

為滿足國六排放標準，柴油機除使用增壓中冷、優(yōu)化燃燒、電子控制等機內凈化技術外，還采用了DOC-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)-ASC和廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation，EGR)-DOC-DPF-SCR兩種排放技術方案。由于排放物大部分相同，天燃氣發(fā)動機可借鑒使用柴油機的這些成熟的排放控制技術。天然氣發(fā)動機在選擇排放技術方案時，需根據發(fā)動機空燃比確定后處理技術方案[8]。國五階段，天然氣發(fā)動機普遍采用稀薄燃燒-DOC的技術方案，可以有效解決天然氣發(fā)動機尾氣中的HC和CO，對于NOx排放則需采用機內凈化技術進行控制。隨著國六排放標準的實施，該技術方案已經無法滿足要求，需要探究能滿足國六排放標準的技術方案。

3.1 稀薄燃燒-DOC-SCR-ASC

當發(fā)動機空燃比大于17.2時，稱為稀薄燃燒。稀薄燃燒技術可降低發(fā)動機油耗和排放。天然氣發(fā)動機采用稀薄燃燒技術時，單純使用機內凈化技術已經無法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR進一步降低NOx排放，并且需要配合ASC對使用SCR后發(fā)動機尾氣中的NH3進行控制，滿足國六排放的要求。

排放控制技術可最大限度提高天然氣發(fā)動機的動力性和經濟性，同時又能獲得較好的排放性能，是柴油發(fā)動機中應用最廣泛、技術最成熟、綜合效果最好的技術方案[9]。但該技術方案在天然氣發(fā)動機的應用中存在諸多問題：1)根據發(fā)動機原排計算，需要天然氣發(fā)動機排放后處理系統(tǒng)催化轉化效率保持在90%以上；2)使用該技術后，天然氣發(fā)動機排溫比柴油機高且產生大量的H2O，對發(fā)動機排放耐久帶來了挑戰(zhàn)；3)在增加SCR系統(tǒng)后，后處理系統(tǒng)以及整車運行成本均增加較多。因此，該技術方案在天然氣發(fā)動機中應用較少。

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

理論空燃比技術指控制天然氣發(fā)動機在所有運行工況下的過量空氣系數(shù)為1，即將缸內參與燃燒的新鮮空氣量與天然氣之比控制在17.2左右。在采用理論空燃比技術后，發(fā)動機在經濟性、熱負荷、熱效率等方面均劣于稀薄燃燒技術，但是在動力性、后處理使用、排放耐久方面優(yōu)勢明顯，可以滿足國六甚至更嚴格的排放限值要求。

為降低天然氣發(fā)動機采用理論空燃比后帶來的劣勢，提升競爭力，國內開發(fā)的滿足國六排放標準的天然氣發(fā)動機普遍配備EGR系統(tǒng)。使用EGR系統(tǒng)后，可有效降低天然氣發(fā)動機的最高燃燒溫度、關鍵零部件的熱負荷和爆震傾向，降低 NOx排放，同時一定程度上提升發(fā)動機的經濟性。國外天然氣發(fā)動機普遍不使用EGR系統(tǒng)，所以國外天然氣發(fā)動機的功率、扭矩均小于國內相同排量的天然氣發(fā)動機[10]。

3.3 天然氣發(fā)動機排放技術方案對比

在對當前國內外天然氣發(fā)動機主流排放控制技術和滿足國六排放標準的技術調研分析基礎上，以排放控制和發(fā)動機經濟性為主要評價指標，兼顧成本、系統(tǒng)復雜度、對未來發(fā)動機技術發(fā)展的適應性，多維度、多角度、多尺度地建立面向國六排放標準的天然氣發(fā)動機排放控制技術方案評價體系[11]，為國六天然氣發(fā)動機開發(fā)提供參考。國六天然氣發(fā)動機與采用稀薄燃燒技術的國五天然氣發(fā)動機排放技術方案對比如表2所示。

由表2可知，通過對天然氣發(fā)動機常用排放技術方案進行對比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技術方案在成本和經濟性方面存在較明顯的劣勢。當前發(fā)動機排放標準日益嚴格，理論空燃比-TWC(-EGR)成為當前天然氣發(fā)動機的主流技術方案。但是考慮天然氣發(fā)動機經濟性，降低熱負荷，可采用當量燃燒方式，實現(xiàn)發(fā)動機綜合性能的提升。

表2 國六、國五天然氣發(fā)動機排放控制技術方案對比

4 排放測試

4.1 WHTC排放測試

根據文獻[5]要求，天然氣發(fā)動機在進行WHTC測試時需要進行冷態(tài)循環(huán)和熱態(tài)循環(huán)排放測試，2個循環(huán)的測試時間均為1800 s，在冷態(tài)和熱態(tài)循環(huán)之間，發(fā)動機進行10 min的浸機工況。天然氣發(fā)動機WHTC測試結果由冷態(tài)循環(huán)和熱態(tài)循環(huán)測試結果加權構成，權重分別為14%、86%。本文中對采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的某天然氣發(fā)動機進行發(fā)動機排放測試，其WHTC排放測試結果見表3。

表3 天然氣發(fā)動機WHTC排放測試結果

由表3可知，發(fā)動機WHTC測試結果可以滿足國六排放限值要求及工程裕度需求。

4.2 整車道路實際排放測試

為有效監(jiān)控車輛在使用中的實際排放狀況，在國六排放標準中規(guī)定了天然氣發(fā)動機不僅需要滿足WHTC循環(huán)排放限值，還需要滿足整車道路實際排放限值要求。整車道路實際排放測試常用的方法有隧道法、轉轂法、車載道路法(portable emissions measurement system，PEMS)等。PEMS方法操作簡單，因此選擇PEMS方法對整車進行實際道路排放測試。

本文中按照根據文獻[5]要求，對采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的某天然氣N3類非城市牽引車進行道路實際排放測試，測試結果見表4。

表4 天然氣發(fā)動機實際道路排放PEMS測試結果 mg/(kW·h)

由表3、4可知，采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的天然氣發(fā)動機完全滿足國六排放標準需求。

5 結論

綜合運用天然氣發(fā)動機機內排放控制和機外排放凈化技術的天然氣發(fā)動機，可以滿足國六排放標準，同時兼顧動力性和經濟性。

1)針對國六天然氣發(fā)動機的排放技術方案進行分析對比，得出采用理論空燃比-EGR-TWC技術方案是當前最優(yōu)排放控制技術方案。

2)對采用理論空燃比-EGR-TWC技術方案的天然氣發(fā)動機進行WHTC排放測試和整車實際道路排放測試，兩種測試的相關污染物排放滿足國六排放排放標準要求，表明所選用技術方案切實可行。