天然氣發(fā)動機烴類污染物比排放偏差分析

閆鵬勇 李明坤 翟學超 劉吉緒 王振宇 汪曉偉，2

（1-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

目前，天然氣發(fā)動機在重型商用車上應用廣泛[1]。油耗及排放標準的不斷加嚴有力地推動了天然氣發(fā)動機技術的發(fā)展與革新[2-3]。各種滿足GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[4]（簡稱國六排放標準）的天然氣發(fā)動機排放技術應運而生。

所有降低發(fā)動機排放的技術路線都離不開催化器的應用，鉑、鈀、銠等貴金屬是催化器的主要活性成分，被廣泛應用于三元催化器。為了滿足嚴格的排放標準要求，催化器中貴金屬的含量激增，以致貴金屬的價格大幅上漲[5]。各大發(fā)動機生產(chǎn)廠商紛紛對催化劑配方進行優(yōu)化，使催化器兼顧價格和排放兩方面要求。根據(jù)國六排放標準規(guī)定，重型國六排放標準天然氣發(fā)動機型式檢驗應按照國六排放標準中附錄C 規(guī)定的瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）進行發(fā)動機臺架試驗，氣態(tài)污染物和顆粒物排放結果乘以附錄H 指定的劣化系數(shù)后，小于發(fā)動機標準循環(huán)排放限值即可，不強制要求在發(fā)動機臺架上通過開展污染物排放控制裝置耐久試驗（簡稱排放耐久試驗）實測得到劣化系數(shù)。隨著各種催化劑配比方案的出爐，生態(tài)環(huán)境部對貴金屬含量較低的催化劑配比方案監(jiān)管力度加強。因此，針對匹配低含量貴金屬催化器的天然氣發(fā)動機，用實測得到的劣化系數(shù)來驗證其排放能否滿足國六排放標準成為各大發(fā)動機生產(chǎn)廠商目前著重考慮的問題。

全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）中，總碳氫（THC）和甲烷（CH4）通過在稀釋通道內連續(xù)測量得到，非甲烷碳氫（NMHC）為連續(xù)測量值積分結果，其與CH4瞬時濃度計算方法由標定方法決定；系統(tǒng)響應時間應與CVS 流量波動、采樣時間、測試循環(huán)對齊[4]，但國六排放標準中并未對“對齊”方法作詳細說明。對于天然氣發(fā)動機，國六排放標準還規(guī)定，進行THC的排氣質量計算時，需使用CH4的排氣組分密度與排氣密度比（ugas）系數(shù)。排放測試中，NMHC 與CH4比排放之和與THC 比排放總會出現(xiàn)一個相對偏差（簡稱烴的偏差），討論“對齊”及THC 的ugas系數(shù)的不同設定會對烴的偏差造成多大影響是本文研究的內容。

目前，國六排放標準中對點燃式發(fā)動機的THC限值沒有要求，試驗時，研究人員對THC 的比排放關注較少，往往容易忽視烴的偏差大小。其次，目前，重型國六排放標準發(fā)動機進行排放耐久試驗的次數(shù)較少，尤其天然氣發(fā)動機進行排放耐久試驗的頻率更低，研究人員對天然氣發(fā)動機比排放的關注主要集中在未開展排放耐久試驗的冷熱態(tài)循環(huán)加權排放[1，6]結果上，而一般天然氣發(fā)動機冷熱態(tài)循環(huán)的NMHC加權排放都比較低，不像排放耐久試驗中的NMHC排放結果能引起大家重視。另外，部分臺架測控系統(tǒng)中，THC 的ugas是按照柴油的ugas進行設置的，在臺架上進行天然氣發(fā)動機的排放試驗時，ugas需手動更新，試驗前，該ugas往往容易被忽略。

本文在試驗臺架上，采用WHTC 循環(huán)，對一臺滿足國六排放標準的重型天然氣發(fā)動機進行排放耐久試驗，并對測量結果進行對比和研究，分析與烴類污染物比排放相關的偏差產(chǎn)生的原因和修訂方法。

1 試驗設置

1.1 試驗環(huán)境

試驗臺架示意圖如圖1 所示，包括電力測功機、測控系統(tǒng)、全流采樣通道、CVS、顆粒物采樣系統(tǒng)、顆粒計數(shù)器等。

圖1 發(fā)動機臺架示意圖

CVS 的型號為MEXA-ONE-DC-OV，其所配備的雙氫火焰離子化探測器（FID）能同時對稀釋排氣中的THC 和CH4進行測量，是烴類氣態(tài)污染物的主要測試單元。試驗條件：進氣溫度為25 ℃，進氣濕度為50%，中冷后溫度為（47±2）℃，排氣背壓為20 kPa。試驗主要測試設備見表1。

表1 主要測試設備

1.2 試驗發(fā)動機

試驗發(fā)動機為一臺滿足國六排放標準的13 L直列六缸天然氣發(fā)動機，主要參數(shù)見表2。

表2 試驗發(fā)動機參數(shù)

1.3 試驗計劃

對試驗發(fā)動機開展1 500 h 排放耐久試驗，排放測試時間間隔為300 h，排放數(shù)據(jù)均為熱態(tài)WHTC 循環(huán)測試結果，得到6 份比排放結果。根據(jù)“對齊”和ugas系數(shù)的不同設置，重新計算比排放，并對烴的偏差進行分析。烴的偏差公式如下：

式中：eCH4為CH4比排放，mg/（kW·h）；eNMHC為NMHC比排放，mg/（kW·h）；eTHC為THC 比排放，mg/（kW·h）。

2 結果與分析

2.1 采樣延遲時間對烴的偏差影響分析

試驗過程中，排氣流量由進氣流量和燃料流量相加得到。其中，排氣流量與進氣流量的記錄在同一時刻進行。而采樣點處的氣態(tài)污染物瞬時濃度與記錄的排氣流量在時間上總會相差一個采樣延遲時間（該時間與國六排放標準定義不同），如圖2 所示。同時，分析儀中探測器測得的氣態(tài)污染物濃度時刻與采樣點處排氣流量流過的時刻也相差一段時間，稱為分析儀的響應時間，響應時間由采樣點與探測器之間的管路以及探測器內部構造決定。

圖2 采樣延遲時間和響應時間示意圖

本文的研究過程中，與THC 和CH4相關的響應時間分別為3.6 s 和4.1 s，這2 個時間為分析儀進行響應時間檢查后自動生成的時間，不需人為設定。響應時間確定后，搭載發(fā)動機測試排氣污染物濃度波峰與排氣流量波峰的時間間隔，作為采樣延遲時間設置在臺架電腦中。根據(jù)上述響應時間測得的采樣延遲時間為5 s。理論上，進行排放測試后，分析儀會根據(jù)響應時間將THC 和CH4的濃度自動向前調整3.6 s和4.1 s 進行數(shù)據(jù)對齊，作為此刻采樣點THC 和CH4濃度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至測控系統(tǒng)。試驗結束后，測控系統(tǒng)根據(jù)采樣延遲時間將THC 和CH4的濃度數(shù)據(jù)分別向前調整，最后再與排氣流量進行后續(xù)計算。

臺架系統(tǒng)按照采樣延遲時間5 s 和上述響應時間開展0 h（即第1 次）的WHTC 循環(huán)測試，排放結果見表3。

表3 0 h 比排放及烴的偏差結果

從表3 可以看出，0 h 的WHTC 循環(huán)測試，烴的偏差為7%，超出了“偏差在±3%以內”的試驗預期結果。THC、CH4排放和排氣流量隨測試時間的變化趨勢如圖3 所示。

圖3 THC、CH4 排放和排氣流量隨測試時間的變化趨勢

將圖3 中排氣流量突變的A 區(qū)域進行放大（放大區(qū)間為261～275 s 區(qū)間），得到THC 和CH4排放峰值延遲時間分析圖如圖4 所示。

圖4 THC、CH4 排放峰值延遲時間分析圖

從圖4 可以看到，排氣流量峰值到達時間為267 s，對應的THC 排放峰值到達時間為272.3 s，對應的CH4排放峰值到達時間為273.1 s，THC 排放峰值和CH4排放峰值到達時間分別比排氣流量峰值到達時間延遲5.3 s 和6.1 s；而CH4排放峰值到達時間比THC 排放峰值到達時間延遲0.8 s。

分析圖3 中的其它區(qū)域以及其它氣態(tài)污染物峰值到達的延遲時間，發(fā)現(xiàn)氣態(tài)污染物排放峰值到達時間比排氣流量峰值到達時間大體延遲5 s。因此，將THC 采樣延遲時間設置為5 s 是沒有問題的。如果將CH4采樣延遲時間也設置為5 s，在進行NMHC的瞬時濃度計算時，會由于CH4與THC 濃度數(shù)據(jù)未“對齊”，造成NMHC 的瞬時濃度時正時負，導致NMHC 比排放結果失真。這是由于在設定采樣延遲時間后，隨著分析儀使用時間的增加，其管路和探測器內壁的清潔度比出廠時差，探測器之間響應時間的差在檢定后會發(fā)生微弱變化，分析儀傳遞至測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)未對齊。

鑒于響應時間和采樣延遲時間均有調整數(shù)據(jù)對齊狀態(tài)的作用，可以通過調整CH4采樣延遲時間設置方式，達到快速使CH4濃度數(shù)據(jù)與THC 濃度數(shù)據(jù)在最終計算時相對齊的效果，重點在于確定THC 濃度數(shù)據(jù)與CH4濃度數(shù)據(jù)延遲時間的真實值。

為了確定整個循環(huán)過程中THC 濃度數(shù)據(jù)和CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間差的具體數(shù)值，將整個循環(huán)中THC 的瞬時濃度與CH4的瞬時濃度相減，結果為正值的數(shù)據(jù)標記為1，以0.1 s 為步長（數(shù)據(jù)頻率為10 Hz），通過將CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間提前或延后，得到不同的CH4濃度數(shù)據(jù)與THC 濃度數(shù)據(jù)對齊狀態(tài)，“1”的個數(shù)越多，說明2 者重合度越高，NMHC 的濃度越接近真實值，如圖5 所示。重合度最高所對應的時間與采樣時間設定值5 s 求和即為CH4最準確的采樣延遲時間設定值。

圖5 CH4 濃度數(shù)據(jù)對應時間提前對NMHC 濃度的影響

從圖5a 可以看出，隨著CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間提前，正值的個數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，峰值坐標為（0.7，17 955）。這表示將CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間提前0.7 s 后，在整個1 800 s 的WHTC 循環(huán)中，有17 955 個數(shù)據(jù)為正。換句話說，在1 800 s 的WHTC循環(huán)中，在1 795.5 s 的時間里，THC 濃度大于CH4濃度，此時2 條濃度曲線的重合度最高。將CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間以0.1 s 為步長，依次做出THC 與CH4濃度的差值曲線，得到多條NMHC 的濃度曲線。其中，CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間未提前和提前0.7 s 的NMHC 濃度曲線分別如圖5b 和圖5c 所示。這更直觀地反映了CH4濃度數(shù)據(jù)對應時間提前0.7 s 后，NMHC 的濃度曲線負值更少，更符合客觀規(guī)律。

將0.7 s 加上之前設定的5 s 共計5.7 s 作為CH4采樣延遲時間設定值，重新計算0 h 的排放，見表4。

表4 CH4 采樣延遲時間調整前后0 h 排放結果

從表4 可以看出，將5.7 s 作為CH4采樣延遲時間設定值后，THC 排放無變化，NMHC 排放減少5.55 mg/（kW·h），減少約46.69%；CH4排放減少0.053 mg/（kW·h），減少約0.08%，說明響應時間的微弱偏差會對NMHC 比排放結果產(chǎn)生重大影響。

2.2 ugas 系數(shù)對烴的偏差影響分析

國六排放標準中，排氣質量的計算公式為：

式中：ugas為國六排放標準表CA.2 中排氣組分密度和稀釋排氣密度比；cgas為背景修正后的排氣組分平均濃度，cm3/m3；med為整個WHTC 循環(huán)的總稀釋排氣質量，kg。

公式（2）中，當cgas和med不變時，mgas為ugas的比例函數(shù)。國六排放標準規(guī)定：在對天然氣發(fā)動機排氣質量進行計算時，THC 需使用CH4的ugas，為0.000 553；而在對柴油機排氣質量進行計算時，THC的ugas為0.000 479。本文在進行天然氣發(fā)動機排放試驗時，THC 的ugas使用柴油機的參數(shù)設定，即將臺架系統(tǒng)中THC 的ugas由0.000 553 改為0.000 479，重新計算0 h 的排放結果，見表5。

表5 ugas 變更后0 h 比排放及烴的偏差結果

從表5 可以看出，THC 的ugas由0.000 553 改為0.000 479 后：

1）THC 排放減少9.806mg/（kW·h），減少約13.38%。

2）THC 比排放的比值與對應的ugas系數(shù)比值相同，均約為1.154（較小數(shù)作被除數(shù)）；烴的偏差由-0.6%變?yōu)?4.8%，變化量為15.4%?？芍?，變化量一致。

3）NMHC 排放與CH4排放無變化。

說明開展天然氣發(fā)動機排放測試時，如果將ugas按照柴油機設定，將使THC 比排放減少約13.38%，烴的偏差增加約15.4%。

2.3 2 種典型偏差的綜合影響分析

CH4采樣延遲時間和ugas系數(shù)設置分組見表6。

表6 CH4 采樣延遲時間和ugas 系數(shù)設置分組

重新計算0 h、300 h、600 h、900 h、1 200 h、1 500 h的排放結果見表7。

表7 不同設置下的比排放及烴的偏差

設置1、設置2、設置3 下烴的偏差對比見圖6。

圖6 不同設置下烴的偏差對比圖

從表7 和圖6 可以看出，設置1，排放中烴的偏差最小值為1 500 h 時的1.0%，最大值為300 h 時的17.8%，且烴的偏差分布并非THC、NMHC、CH4以及時間的線性函數(shù)，呈現(xiàn)出無規(guī)律性。設置2，排放中烴的偏差最小值為1 500 h 時的12.2%，最大值為1 200 h 時的15.0%，烴的偏差分布接近定值（15.4%），呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。設置3，排放中烴的偏差跟設置1 與設置2 中烴的偏差之和相差不大。說明2 種典型偏差同時出現(xiàn)時，其對烴的偏差的綜合影響沒有抵消作用，而是對排放結果造成了更大的影響。

2.4 烴的偏差修正結果與分析

將CH4采樣延遲時間設為5.7 s、ugas系數(shù)設為0.000 553 定義為設置4，重新計算排放，得到偏差修正后的排放結果，見表8。

表8 偏差修正后的比排放及烴的偏差結果

設置4 與設置3 的數(shù)據(jù)對比如圖7 所示。

圖7 設置4 與設置3 的比排放及烴的偏差對比

從圖7a 可以看出，相比于采用設置3，采用設置4，THC 比排放增加15.4%，比值均為1.154，與“2.2 ugas系數(shù)對烴的偏差影響分析”結論一致。從圖7b 可以看出，相比于采用設置3，采用設置4，1 200 h 時，NMHC 比排放減少最多，約為63%；300 h 時，NMHC比排放減少絕對值最大，為84.6 mg/（kW·h），減少56%；NMHC 比排放整體呈現(xiàn)減少態(tài)勢，但減少比例無規(guī)律性，與“2.1 采樣延遲時間對烴的偏差影響分析”結論一致。從圖7c 可以看出，相比于采用設置3，采用設置4，CH4比排放基本無變化，變化最大為0 h時，減少0.08%。從圖7b 和圖7c 也可以看出，采樣延遲時間的微弱調整對某些氣態(tài)污染物的比排放影響不大，但對NMHC 的比排放卻有重大影響。從圖7d 可以看出，相比于采用設置3，采用設置4，烴的偏差減小最大值為300 h 時的36.8%，烴的偏差均修正到了±3%以內。

3 結論

本文通過設置不同的CH4采樣延遲時間及ugas值，在試驗臺架上，采用WHTC 循環(huán)，對一臺滿足國六排放標準的重型天然氣發(fā)動機進行排放耐久試驗，得到以下結論：

1）排放分析儀中FID 型探測器響應時間的微弱偏差對NMHC 比排放有重大影響，會導致烴的比排放出現(xiàn)較大偏差。

2）通過對測控系統(tǒng)中采樣延遲時間進行合理修正，能快速解決THC 與CH4響應時間對NMHC 比排放造成影響的問題。

3）開展天然氣發(fā)動機排放試驗前，燃料參數(shù)設置時，如果THC 的ugas值按照柴油機的參數(shù)設置而未進行更新，將會造成THC 比排放下降約13.38%，烴的偏差增加約15.4%。如果對CH4采樣延遲時間進行合理修正，同時將THC 的ugas值更新為CH4的ugas，烴的偏差可修正到±3%以內。