燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)雙級(jí)后處理催化效率分析

袁志宏，劉家嫵，張華皓，吳宗海，崔銘輝

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

氣候變化是人類面臨的全球性問題，石油等不可再生能源大量消耗，產(chǎn)生了大量的污染物，能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的重點(diǎn)工作。同時(shí)，重型汽車領(lǐng)域新能源的使用已經(jīng)引起極大的重視。天然氣憑借排放污染低、資源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)成為目前兼顧運(yùn)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(jià)格的回落，天然氣作為替代燃料的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步凸顯[3-4]。天然氣一直被認(rèn)為是重型汽車非常具有競(jìng)爭力的替代能源。目前，我國已經(jīng)執(zhí)行了第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著環(huán)境保護(hù)力度加大，排放法規(guī)及污染物控制日益嚴(yán)苛，因此，研究重型燃?xì)廛嚺欧判阅芫哂兄匾饬x。

天然氣主要成分為甲烷（CH4），未充分燃燒的CH4形成排氣污染物，在氧化耐久方面有公認(rèn)的難題，尚未徹底解決，對(duì)氧化催化轉(zhuǎn)化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）的性能有較大的影響，且DOC 無法處理排氣污染物中的NOx。國六階段法規(guī)要求N3 類車輛后處理系統(tǒng)污染物排放控制裝置有效壽命期應(yīng)滿足7 年或700 000 km，國六天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用三元催化轉(zhuǎn)化器（Three Way Catalytic Converter, TWC）。

TWC 中存在氧化型活性劑，對(duì)C、H 等物質(zhì)進(jìn)行氧化反應(yīng)，也存在還原型活性劑，對(duì)NOx 等物質(zhì)進(jìn)行還原反應(yīng)，氧化和還原反應(yīng)同時(shí)存在，可以提高后處理的耐久性能。研究發(fā)現(xiàn)，不同溫度下活性劑的活性和廢氣污染物的反應(yīng)效率存在較大差異，本文概述了重型燃?xì)廛嚺欧盼廴疚锏奶卣?，并針?duì)提高污染物轉(zhuǎn)化效率的后處理方案進(jìn)行分析和探討。

1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放及后處理分析

1.1 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放污染物

天然氣主要成分為CH4，CH4是H/C 比值最高的碳?xì)浠衔?，因此，CH4相比其他HC 燃料在燃燒過程中有更少的CO2生成量，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的主要排放污染物有未完全燃燒的CH4，未充分燃燒產(chǎn)生的HC、CO，以及與空氣中的N2高溫反應(yīng)生成的NOx，其中CH4含量較高。NOx 中絕大部分為NO 及NO2，是導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧的主要因素之一，對(duì)肺和心肌有很強(qiáng)的毒性，一氧化氮能引起中樞神經(jīng)麻痹和痙攣，人吸收一氧化氮會(huì)氧化成有毒的二氧化氮，有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性；排放污染物中的CH4是一種對(duì)人體有害的物質(zhì)，引起的溫室效應(yīng)要比CO2高20～25 倍，CH4為穩(wěn)定的正四面體結(jié)構(gòu)，是碳?xì)浠衔镏凶铍y被氧化的氣體成分[5]；CO 是一種有毒氣體，CO 與人體血紅蛋白親和，生成一氧化碳血紅蛋白，剝奪對(duì)人體的供氧能力，引起肌肉調(diào)節(jié)障礙、頭痛、虛脫、神志不清等癥狀，致人死亡；HC 具有刺激性，刺激眼結(jié)膜，引起流淚，導(dǎo)致紅眼癥，同時(shí)對(duì)鼻、咽、喉器官有刺激作用，能引起急性喘息癥[6]。通過天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物及其危害分析可以確定本文提出的提高后處理催化效率，減少排放污染物的技術(shù)方案重要性較高。

1.2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)路線

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)通常有稀薄燃燒和理論空燃比兩種缸內(nèi)燃燒方式。稀薄燃燒是指缸內(nèi)參與燃燒的空氣量與燃?xì)庵却笥?7.2，即空氣過量，稀薄燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)NOx 原排就能滿足國五排放，無需活性劑還原反應(yīng)，因此，稀薄燃燒通常與DOC 相結(jié)合實(shí)現(xiàn)國五、歐五排放。理論空燃比技術(shù)是指控制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在所有運(yùn)行工況下的過量空氣系數(shù)為1，即將缸內(nèi)參與燃燒的新鮮空氣量與天然氣之比控制在17.2 左右[7]。理論空燃比又稱為當(dāng)量燃燒，采用理論空燃比的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和后處理排放耐久方面具有優(yōu)勢(shì)，通常與三元催化轉(zhuǎn)化器和廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation, EGR）系統(tǒng)相結(jié)合滿足國六甚至更嚴(yán)格的排放限值要求。目前，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線有兩種：1）國四/國五：稀薄燃燒+DOC；2）國六：當(dāng)量燃燒+EGR+TWC。

通過以上分析對(duì)本文提出的天然氣車型三元催化轉(zhuǎn)化器技術(shù)路線進(jìn)行說明，確定分析方向的正確性。

2 天然氣車后處理布置分析

重型天然氣車后處理布置形式有單級(jí)和雙級(jí)兩種。單級(jí)后處理布置在整車車架上，國五車型后處理一般布置在車架左側(cè)，國六車型為保證后處理催化效率，增加對(duì)尾氣的保溫要求，后處理布置在車架右側(cè)靠近增壓器的位置，單級(jí)后處理外形采用箱式或筒式布置，與增壓器距離一般要求控制在2 900 mm 以內(nèi)，同時(shí)要求對(duì)排氣管路進(jìn)行保溫材料包裹，布置方式如圖1 所示。

圖1 某重型燃?xì)廛噯渭?jí)后處理布置

國六天然氣車型后處理存在另一種布置形式，雙級(jí)后處理布置方式，在增壓器后50～200 mm 處的發(fā)動(dòng)機(jī)本體上布置1 級(jí)后處理，受布置空間限制，1 級(jí)后處理一般采用圓筒式，且外形較??；車架上布置2 級(jí)后處理，2 級(jí)后處理布置形式與單級(jí)后處理布置相同，2 級(jí)后處理有筒式或箱式等布置形式，布置方式如圖2 所示。本文重點(diǎn)對(duì)采用雙級(jí)后處理布置形式的后處理催化效率進(jìn)行分析。

圖2 某重型燃?xì)廛噧杉?jí)后處理布置

3 排氣溫度和排放測(cè)試

3.1 排氣溫度測(cè)試

不同種類燃料熱值統(tǒng)計(jì)如表1 所示。天然氣主要成分是CH4，根據(jù)表1 可知，天然氣熱值高于汽油、柴油和乙醇，同時(shí)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率小于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，故天然氣車的排氣溫度高于其他車型。

表1 不同燃料熱值統(tǒng)計(jì)

對(duì)某重型天然氣試驗(yàn)樣車進(jìn)行排氣溫度測(cè)試，在其發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器后50 mm、150 mm、250 mm、二級(jí)后處理入口、二級(jí)后處理出口處分別布置排氣溫度傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，控制發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度98 ℃，固定油門100%，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5 min 后進(jìn)行記錄各項(xiàng)參數(shù)，轉(zhuǎn)速每隔100 r/min 選取工況點(diǎn)，記錄額定轉(zhuǎn)速到怠速的每個(gè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)排氣溫度T1、T2、T3、T4、T5，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 某重型燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排溫?cái)?shù)據(jù)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，T1最高排氣溫度可達(dá)660 ℃，T2最高排氣溫度可達(dá)655 ℃，T3最高排氣溫度可達(dá)650 ℃，T4最高排氣溫度可達(dá)500 ℃，T5最高排氣溫度可達(dá)470 ℃。

3.2 整車道路排放測(cè)試

樣車1 采用單級(jí)后處理布置形式，樣車2 采用雙級(jí)后處理布置形式，兩個(gè)樣車后處理中Pt、Pd、Rh 貴金屬含量相同。

本文按照文獻(xiàn)[8]要求，對(duì)N3 類非城市牽引車樣車1 和樣車2 進(jìn)行道路實(shí)際便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System,PEMS）測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 天然氣車輛PEMS 測(cè)試結(jié)果 單位：g/(kW·h)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度

由圖3 可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況時(shí)增壓器后最高排氣溫度可達(dá)到660 ℃，在雙級(jí)后處理布置形式中，第一級(jí)后處理布置在增壓器后50～200 mm處，進(jìn)入一級(jí)后處理的排氣溫度為550～660 ℃，進(jìn)入二級(jí)后處理的排氣溫度為350～500 ℃，一級(jí)后處理排氣溫度高于二級(jí)后處理。

4.2 排放性能

國六天然氣車型后處理采用三元催化轉(zhuǎn)化器，三元催化劑最低反應(yīng)溫度為350 ℃，最佳工作溫度（活性最高）為400～800 ℃，穩(wěn)定工作溫度≤980 ℃，非甲烷HC、CH4以及NOx 轉(zhuǎn)化效率在三元催化劑作用下隨溫度的升高轉(zhuǎn)化效率也升高。

根據(jù)表2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，樣車2 污染物排放值小于樣車1，整體排放性能優(yōu)于樣車1，可以得出結(jié)論，樣車2 后處理催化效率高于樣車1，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器后布置第一級(jí)后處理可以增加三元催化器的催化效率。

5 結(jié)論

根據(jù)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度測(cè)試結(jié)果和三元催化劑最佳工作溫度分析得出結(jié)論，采用雙級(jí)后處理布置方式時(shí)一級(jí)后處理中的催化劑工作在最佳溫度，一級(jí)后處理有利于提高催化劑活性。根據(jù)燃?xì)廛囌嚨缆放欧艑?duì)比測(cè)試結(jié)果分析得出結(jié)論，采用雙級(jí)后處理可以提升排氣污染物的轉(zhuǎn)化效率，提高后處理催化效率。綜上所述，使用TWC作為后處理系統(tǒng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙級(jí)后處理技術(shù)方案可以提高后處理催化效率。