國六重型天然氣車排放控制策略分析

薛黎明　彭德文　江濤　李義敏

摘 要：隨著石油能源日益枯竭和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，天然氣作為一種儲量豐富且清潔高效的能源越來越受到汽車行業(yè)的重視。本文概述了重型天然氣車污染物排放特征，重點分析和討論了兩條滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的排放控制策略，這對重型天然氣車的開發(fā)與排放控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：重型天然氣車 國六排放標(biāo)準(zhǔn) 稀燃 當(dāng)量燃燒 排放控制

1 前言

汽車在推動人類工業(yè)化快速發(fā)展的同時，也消耗著大量不可再生的石油資源，產(chǎn)生大量CO、NOx、HC、顆粒物（PM）等有害物排放，造成了日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問題。在日趨嚴(yán)厲的環(huán)保法規(guī)要求下，世界各國都越來越重視新能源在重型汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，天然氣由于探明儲量豐富、易于開采、價格相對低廉、燃燒排放污染物少等優(yōu)點，被認(rèn)為是當(dāng)今最具競爭力的重型車代用燃料。目前，我國已經(jīng)頒布了第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，相比于國五標(biāo)準(zhǔn)，國六標(biāo)準(zhǔn)對重型車排放測試方法的要求更加嚴(yán)格，污染物排放限值大幅降低。因此，研究國六階段重型天然氣車排放控制策略具有重要意義。本文概述了重型天然氣車污染物排放特征，對滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的兩條排放控制策略進(jìn)行了分析和探討。

2 污染物排放特征

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），燃燒后的廢氣成分主要有二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）、碳?xì)浠衔铮℉C）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）等。在所有這些排放物中，會造成環(huán)境污染的主要是HC、CO和NOx，控制的難點是HC和NOx排放。

天然氣車排放的HC主要為未燃燒的甲烷（CH4）和非甲烷總烴（NMHC）。CH4對人體基本無害，但CH4是一種溫室氣體，以單位分子數(shù)而言，其溫室效應(yīng)比二氧化碳大25倍。大氣中的NMHC超過一定濃度，除直接對人體有害外，在一定條件下會產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，對環(huán)境和人類造成危害。HC排放的主要原因有掃氣損失、冷激效率、狹隙損失、燃燒不完全損失等[1]。天然氣作為輕質(zhì)燃料，易快速與空氣混合形成均勻混合氣，因此燃燒更為均勻、徹底，與柴油車相比，天然氣車HC排放可減少90%以上。

排放的NOx一般包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），其中90%以上為NO。NO是無色無味的有毒性氣體，進(jìn)入空氣后會氧化成具有強烈刺激作用的棕紅色NO2，同時NO2還是形成酸雨的成因之一。NOx的生成由高溫、富氧、持續(xù)時間決定，天然氣發(fā)動機大多采用稀薄燃燒或當(dāng)量燃燒+EGR模式，燃燒速率較慢，燃燒溫度較低，因此NOx排放也明顯較低。

CO2是主要的溫室氣體，但目前在我國排放法規(guī)中還未作為排放污染物進(jìn)行限制。CO是一種對血液與神經(jīng)系統(tǒng)毒性很強的污染物，是HC燃料燃燒過程的中間產(chǎn)物。因天然氣主要成分CH4的碳?xì)浔容^高，因此其燃燒產(chǎn)生的CO、CO2排放較低。在車輛加速過程中，為提供響應(yīng)速度一般會加濃混合氣，此時會導(dǎo)致CO排放增多。

在顆粒物（PM）排放方面，因CH4幾乎沒有碳鏈結(jié)構(gòu)，且可以在較短時間內(nèi)與空氣混合，不利于達(dá)到高溫缺氧的條件，因此其燃燒過程幾乎不產(chǎn)生碳煙排放。同時天然氣中不含如苯之類的芳香族化合物，同時硫含量也極低，因此天然氣車顆粒物排放要明顯低于柴油車。但是，機油的消耗對天然氣車顆粒物排放有一定的影響。

為更好地控制重型車排放，2018年6月22日，GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》頒布實施。國六標(biāo)準(zhǔn)中，對于天然氣發(fā)動機排放，NMHC、CH4和NOx排放限值分別降低了71%、55%和77%，同時新增了NH3、PM和PN排放限值。對于重型天然氣車整車排放，NOx排放限值降低了83%。重型天然氣車主流的后處理技術(shù)包括氧化型催化器（MOC）、三元催化器（TWC）、廢氣再循環(huán)（EGR）、選擇性催化還原（SCR）等，根據(jù)發(fā)動機類型的不同，目前主要有兩條滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的排放控制策略。

3 稀薄燃燒+MOC+SCR

3.1 稀薄燃燒

稀薄燃燒是指參于燃燒的混合氣濃度小于理論空燃比的燃燒方式，與柴油機類似。稀薄燃燒主要優(yōu)勢在于：1）過量空氣系數(shù)較大，可以促進(jìn)天然氣完全燃燒;燃燒溫度較低，傳熱損失較小，缸內(nèi)爆震傾向較低，可以采用更高的壓縮比，因此熱效率和經(jīng)濟性較好。2）燃燒溫度較低，對NOx生成有抑制作用，通過不斷拓展稀燃極限，在不安裝后處理裝置時可實現(xiàn)較低的NOx排放。3）燃燒溫度低，熱負(fù)荷較小，提高了發(fā)動機等關(guān)鍵零部件的可靠性和壽命[2]。稀薄燃燒具有同時實現(xiàn)較高的熱效率和較低的NOx原始排放等優(yōu)勢，是天然氣發(fā)動機最常采用的燃燒方式。

3.2 MOC

稀薄燃燒模式下，NOx排放較低，僅需處理排氣中的未燃HC和CO即可。氧化型催化器（MOC）是凈化HC和CO的常用有效措施。MOC一般由殼體、載體和催化劑涂層組成。殼體一般為不銹鋼，用于固定和支撐載體。載體一般使用蜂窩狀陶瓷體即堇青石或金屬材料。載體上有豐富的孔道，表面涂附貴金屬鉑Pt、鈀Pd以及耐硫型γ-Al2O3（活性氧化鋁）等助劑，其對HC和CO的處理效率可達(dá)80%以上[3]。通過缸內(nèi)凈化控制NOx排放，通過MOC處理廢氣中HC和CO排放，在國五階段，重型天然氣車普遍采用這種控制策略。

3.3 SCR

隨著國六法規(guī)的實施，為滿足更低的NOx排放，稀燃極限需進(jìn)一步提高。這一方面造成火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆担紵ㄈ荻茸儾?另一方面造成混合氣過稀區(qū)域增加，未燃HC排放升高，進(jìn)而造成燃燒效率下降。同時，通過拓展稀燃極限降低原始NOx排放的能力也已經(jīng)接近極限，即使大幅拓展稀燃極限，原始NOx排放仍很難滿足國六法規(guī)要求。因此，在稀燃+MOC基礎(chǔ)上增加選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。SCR系統(tǒng)主要由尿素噴射系統(tǒng)、起催化作用的SCR催化箱及傳感器等組成。SCR將尿素水溶液噴入排氣尾管中，經(jīng)蒸發(fā)、熱解、水解反應(yīng)產(chǎn)生氨氣（NH3），NH3與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，從而滿足國六法規(guī)NOx排放要求。SCR系統(tǒng)的增加也大大降低了天然氣發(fā)動機原始NOx排放要求。

4 當(dāng)量燃燒+EGR+TWC

4.1 當(dāng)量燃燒

當(dāng)量燃燒，也叫理論空燃比燃燒，即燃料燃燒時，參與燃燒的空氣與天然氣符合理論空燃比的燃燒模式。與稀薄燃燒相比，當(dāng)量燃燒具有一些技術(shù)缺陷：1）混合氣較濃，燃燒速度快，燃燒溫度與排氣溫度較高，需要應(yīng)用耐熱性較高的材料來提升發(fā)動機與后處理的可靠性。2）因燃燒溫度較高，NOx排放明顯增加。3）傳熱損失增加，爆震傾向加大，壓縮比不能過高，限制了熱效率和經(jīng)濟性的提升。針對當(dāng)量燃燒存在的問題，目前已有研究表明：通過增加EGR稀釋程度并改善由此引起的火焰?zhèn)鞑ニ俾氏陆祮栴}、優(yōu)化燃燒室和氣道結(jié)構(gòu)、使用米勒循環(huán)、提高幾何壓縮比和混合氣分層等技術(shù)措施可予以改善[4]。由此可見，當(dāng)量燃燒具有較大的提升潛力。雖然當(dāng)量燃燒在熱負(fù)荷、原始NOx排放、熱效率和經(jīng)濟性方面均劣于稀薄燃燒，但在后處理方面具有獨特的優(yōu)勢。

4.2 EGR

由于當(dāng)量燃燒存在熱負(fù)荷較高、NOx排放增加與熱效率較低等問題，因此通常匹配廢氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)。EGR是將發(fā)動機做功后的部分廢氣引入到進(jìn)氣系統(tǒng)，與空氣/燃?xì)饣旌蠚饣旌虾笾匦逻M(jìn)入發(fā)動機缸內(nèi)燃燒的技術(shù)。廢氣中的主要成分是CO2、H2O這樣的三元子分子，具有較大的比熱容，可以吸收大量的熱量，降低缸內(nèi)燃燒溫度，進(jìn)而降低發(fā)動機和后處理的熱負(fù)荷。同時廢氣對發(fā)動機缸內(nèi)混合氣進(jìn)行了一定程度稀釋，降低了氧濃度，改變了缸內(nèi)高溫、富氧環(huán)境，從而抑制了NOx的大量生成[5]。EGR稀釋有利于降低發(fā)動機傳熱損失，降低爆震傾向，采用更高的壓縮比，從而提高發(fā)動機熱效率與經(jīng)濟性。因此，EGR對降低當(dāng)量燃燒NOx排放與熱負(fù)荷，提高熱效率與經(jīng)濟性具有積極作用。

4.3 TWC

當(dāng)量燃燒較濃的混合氣，一定程度上也增加了未燃HC、NOx和CO的排放。未燃HC中CH4占90%以上，CH4是HC中最難被氧化的氣體，其起燃溫度較其他烷烴和不飽和烴都要高[6]。三元催化器（TWC）可將尾氣排出的HC、NOx和CO等有害氣體通過氧化還原反應(yīng)生成無害的H2O、N2和CO2，因能同時凈化三種主要有害物質(zhì)，故稱三元。其對各種污染物催化效率均能達(dá)到80%以上，在汽油車領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。TWC一般由殼體、絕熱層、載體和催化劑涂層組成。載體一般由三氧化二鋁（Al2O3）制成，表面涂覆有多種貴金屬催化劑，一般包括鉑Pt、銠Rh、鈀Pd以及助催化劑二氧化鈰（CeO2）等。貴金屬鈀（Pd）能高效促進(jìn)CH4的氧化，銠（Rh）是極好的NOx還原劑，鈰氧化物主要作用是提供氧的儲存和釋放。三元催化器的催化效率受過量空氣系數(shù)的影響很大，能夠同時凈化CO、未燃HC和NOx的有效空燃比窗口很小。因此，TWC須配合當(dāng)量燃燒發(fā)動機使用。

5 結(jié)論

綜上所述，在國六法規(guī)實施以前，重型天然氣車多采用稀薄燃燒+MOC控制策略，主要是由于其可同時實現(xiàn)較高的熱效率和較低的NOx原始排放。然而面臨更加嚴(yán)格的國六法規(guī)，僅靠拓展稀燃極限已無法滿足NOx排放要求，必須在MOC基礎(chǔ)上再增加SCR系統(tǒng)。由此導(dǎo)致整車成本明顯增加，同時也增加了后處理系統(tǒng)使用與維護的復(fù)雜性。綜合考慮尿素消耗成本，該控制策略經(jīng)濟性優(yōu)勢已不再明顯。而當(dāng)量燃燒+EGR+TWC排放控制策略僅需增加TWC即可滿足國六法規(guī)要求（EGR為發(fā)動機附件），明顯簡化了后處理裝置，從而顯著降低了整車及后處理成本，同時其還具有較大的熱效率和經(jīng)濟性提升潛力。因此，當(dāng)量燃燒+EGR+TWC應(yīng)為滿足國六排放法規(guī)的主要排放控制策略。

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