不同尾氣熱管理策略對當(dāng)量天然氣發(fā)動機(jī)WHTC循環(huán)排放的影響

鄧遠(yuǎn)海，寧德忠，蔣繼，潘恒斌，付長城，官維

摘要： 國六天然氣發(fā)動機(jī)采用等當(dāng)量燃燒結(jié)合外部冷卻EGR及TWC的排放控制技術(shù)路線，TWC的轉(zhuǎn)化效率是保證發(fā)動機(jī)排放達(dá)標(biāo)的重要因素，而催化器的入口溫度是決定TWC轉(zhuǎn)化效率高低的最重要影響參數(shù)之一。然而，在冷起動階段及排氣管路溫降較大的情況下，存在TWC入口尾氣溫度難以滿足發(fā)動機(jī)及整車排放高效轉(zhuǎn)化需求的問題。針對該問題，在一臺4.5 L排量的發(fā)動機(jī)和一輛搭載該發(fā)動機(jī)的城市環(huán)衛(wèi)車上探究不同尾氣熱管理策略對發(fā)動機(jī)WHTC循環(huán)排放及整車作業(yè)循環(huán)排放的影響。研究結(jié)果表明：采用起動快速溫升的尾氣熱管理策略，能有效提高冷起動階段發(fā)動機(jī)尾氣溫度，WHTC循環(huán)的TWC入口溫度達(dá)到300 ℃所需時間縮短了300 s，顯著降低了NOx，CH4和CO循環(huán)排放，降幅分別達(dá)到38.5%，38.5%和5.8%；采取在TWC上增加金屬載體前級方案的尾氣控制策略，WHTC循環(huán)的NOx，CH4和CO循環(huán)排放分別降低了62.2%，42.8%和15.7%；采用對整車排氣尾管包裹的尾氣熱管理策略，在整車作業(yè)循環(huán)工況下，TWC入口溫度相比采用普通石棉包裹的方案提高了近200 ℃，使得NOx瞬時排放值30 s平均值的最大值降低了60.9%，能更好地滿足北京第六階段的排放法規(guī)要求。

關(guān)鍵詞： 天然氣發(fā)動機(jī)；當(dāng)量燃燒；尾氣熱管理；冷起動；排氣溫度

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.02.008

中圖分類號： TK437文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B文章編號： 1001-２２２２（２０24）０2-００53-０7

天然氣的主要成分為甲烷（CH4），具有儲量大、來源廣泛、燃燒清潔的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于車用發(fā)動機(jī)中［1-3］。特別是重型天然氣發(fā)動機(jī)，在商用車領(lǐng)域的需求與日俱增［4］。當(dāng)前階段，我國已實(shí)施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）》［5］法規(guī)（以下簡稱國六排放法規(guī)），同時為進(jìn)一步降低北京市車輛排放，北京市執(zhí)行DB11/1476—2017《重型汽車氮氧化物快速檢測方法及排放限值》［6］法規(guī)（以下簡稱京六排放法規(guī)），要求NOx瞬時排放值30 s平均值（最大值）＜550×10-6，占比為100%。國六天然氣發(fā)動機(jī)普遍采用等當(dāng)量燃燒+外部冷卻EGR+TWC（三效催化器）的排放控制技術(shù)路線［7-8］，主要是由于當(dāng)量燃燒增加了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)熱負(fù)荷和爆震風(fēng)險，采用高壓冷卻EGR技術(shù)后，可以有效降低熱負(fù)荷和爆震傾向，改善發(fā)動機(jī)關(guān)鍵燃燒部件的可靠性，同時提升發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性［9-11］。

當(dāng)量天然氣發(fā)動機(jī)主要通過增壓中冷、四氣門、燃燒優(yōu)化、發(fā)動機(jī)本體設(shè)計(jì)等措施來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)PM和PN排放達(dá)標(biāo)。同時，通過應(yīng)用上述措施，結(jié)合外部冷卻EGR策略將NOx，NMHC，CH4和CO等發(fā)動機(jī)原機(jī)排放控制到一定水平，再結(jié)合機(jī)外凈化的方式（TWC）對發(fā)動機(jī)原機(jī)排放進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，最終使發(fā)動機(jī)尾氣排放控制在國六排放法規(guī)限值之內(nèi)［12-13］。

三元催化器（TWC）的轉(zhuǎn)化效率是保證發(fā)動機(jī)排放達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素［14-16］，國六天然氣發(fā)動機(jī)采用的TWC對氣體排放污染物的轉(zhuǎn)化效率較高，新鮮態(tài)催化劑能達(dá)到近100%的轉(zhuǎn)化效率。然而，在TWC轉(zhuǎn)化裝置中的貴金屬配比、載體、封裝和涂層等參數(shù)確定的情況下，TWC的入口溫度對TWC轉(zhuǎn)化效率有極為重要的影響，當(dāng)TWC入口溫度達(dá)到450 ℃左右時，TWC對氣體排放污染物的轉(zhuǎn)化效率接近100%［17］。因此，提高TWC入口溫度對降低天然氣發(fā)動機(jī)原排和整車尾排有決定性作用。在WHTC冷態(tài)循環(huán)下，TWC入口溫度較低，催化劑難以實(shí)現(xiàn)起燃，轉(zhuǎn)化效率較低，排放超出限值的風(fēng)險明顯增大，需要針對性開發(fā)排氣熱管理策略以降低WHTC冷態(tài)循環(huán)下的排放。

對于車用發(fā)動機(jī)，目前采用的尾氣熱管理策略主要有：①通過改變?nèi)紵齾?shù)提溫，一般采用調(diào)軌壓、調(diào)整噴油提前角、使用后噴等排溫控制策略［18］；②增加加熱裝置，如在催化器之前加裝電加熱的加熱格柵來快速提升尾氣溫度［19］；③增加進(jìn)氣或排氣節(jié)流閥并開發(fā)排溫控制策略，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)［20］；④采用可變氣門控制裝置實(shí)現(xiàn)對缸內(nèi)工質(zhì)的調(diào)控來提升發(fā)動機(jī)排氣溫度［21］。

從上述這些排氣溫度管理方案可以看出，除了電加熱方式是使用發(fā)動機(jī)外部熱量來助力實(shí)現(xiàn)催化器快速起燃之外，其他策略均是利用發(fā)動機(jī)廢氣熱管理策略來提高催化器入口的溫度，廢氣能量高效利用是提高催化器溫度最有效的技術(shù)手段，充分利用廢氣能量是提升催化器快速起燃的關(guān)鍵。因此，研究適合工程推廣應(yīng)用的尾氣熱管理策略對天然氣發(fā)動機(jī)滿足當(dāng)前及未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)具有非常重要的工程價值。本研究重點(diǎn)圍繞天然氣發(fā)動機(jī)冷起動階段催化器入口溫度難以提升以及排氣尾管溫降較大的問題，提出了起動快速提溫策略、兩級催化器耦合方案和排氣管包裹方案的尾氣熱管理策略，并驗(yàn)證其對后處理排放轉(zhuǎn)化效率的影響。

1研究方法

試驗(yàn)在一臺玉柴4.5 L排量的天然氣發(fā)動機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)樣車參數(shù)及試驗(yàn)條件如表1所示，整車類型為N2城市環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車（壓縮式垃圾車），整備質(zhì)量7 500 kg，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量8 200 kg，燃料類型為LNG。整車排氣管路為1 500 mm，管路內(nèi)徑75 mm，在TWC出口安裝NOx傳感器，通過采集TWC出口的NOx排放，分析排氣尾管溫度對排放的影響。試驗(yàn)分別在玉柴發(fā)動機(jī)臺架測試間和北京通州整車試驗(yàn)場開展，臺架試驗(yàn)按照WHTC瞬態(tài)循環(huán)測試要求進(jìn)行，整車測試按照中國典型城市環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車運(yùn)行工況開展。表2所示為發(fā)動機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

圖1示出該試驗(yàn)天然氣發(fā)動機(jī)在不同TWC入口溫度下的NOx，CH4和CO轉(zhuǎn)化效率變化規(guī)律。由圖可知，TWC催化器入口排氣溫度對氣體排放污染物轉(zhuǎn)化效率的影響非常顯著，僅當(dāng)入口排氣溫度達(dá)到450 ℃以上時，氣體的轉(zhuǎn)化效率才能達(dá)到接近100%的水平。因此，本研究通過發(fā)動機(jī)臺架和整車測試，分析起動快速提溫策略、兩級催化器耦合方案和排氣管包裹方案等尾氣熱管理策略對提升催化器入口排氣溫度的影響，以期獲得滿足催化轉(zhuǎn)化器高效轉(zhuǎn)化的溫度需求。

方案一采用起動快速溫升策略，通過排溫預(yù)測模型來調(diào)整燃燒控制參數(shù)，即通過起動階段對排溫準(zhǔn)確預(yù)測來快速實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)火角度和EGR率的控制，提高冷起動階段的廢氣溫度，降低冷起動階段的排放。

方案二采用兩級催化器方案，在TWC入口前增加一個體積相對較小的金屬載體類型的TWC。圖2示出原機(jī)單級催化器布置方案與兩級催化器布置方案的對比。金屬載體布置在后級TWC前100 mm處，屬于緊耦合布置方式。金屬載體快速升溫效果較好，且體積較后級要明顯小，在冷起動階段金屬載體內(nèi)部的催化反應(yīng)能快速提升金屬載體的溫度，前級金屬載體催化器的出口溫度即為后級TWC的入口溫度，從而可實(shí)現(xiàn)后級TWC催化器排氣入口溫度的快速提升，降低冷起動階段的排放。

方案三采用整車排氣尾管特殊包裹工藝，解決傳統(tǒng)包裹方式如包裹隔熱棉、隔熱護(hù)等方式隔熱效果差的問題，降低排氣尾管的尾氣溫降，從而助力整車排放的控制。圖3示出排氣管特殊包裹工藝在臺架和整車上的狀態(tài)示意。本研究采用的先進(jìn)包裹工藝方案如下：第一層采用高硅氧化氈，厚度為3 mm；第二層采用無堿針刺氈，厚度為8 mm；第三層采用鍍鋁纖維布，厚度為0.25 mm；最外層為SUS304壓花板，厚度為0.25 mm。依次將高硅氧化氈、無堿針刺氈、鍍鋁纖維布用扎帶纏繞在排氣管上，用壓花不銹鋼焊接于排氣管上（見圖3）。

2尾氣熱管理策略方案研究

2.1起動快速溫升策略對排放的影響

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)起動快速升溫，本研究設(shè)計(jì)了起動快速溫升策略，即在發(fā)動機(jī)起動時刻，根據(jù)發(fā)動機(jī)催化器上溫度傳感器的溫度信號和發(fā)動機(jī)負(fù)荷情況對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火角和EGR率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時修正，以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)混合氣燃燒持續(xù)期延長或產(chǎn)生后燃，從而提升發(fā)動機(jī)排溫及催化器入口溫度。圖4和圖5分別示出冷熱WHTC測試循環(huán)下發(fā)動機(jī)催化器入口溫度對比。從圖中對比可見，在冷態(tài)WHTC循環(huán)下，未采用起動快速升溫策略時，TWC入口溫度在400 s時才能達(dá)到300 ℃，而采用起動快速升溫策略時，TWC入口溫度在約100 s時已達(dá)到300 ℃。此外，在循環(huán)前600 s采用起動快速升溫策略的TWC入口溫度均高于未采用提溫策略。同樣地，在熱態(tài)WHTC循環(huán)下，采用起動快速升溫策略后，循環(huán)前400 s，TWC入口溫度相比未采用起動快速升溫策略最大提升了約62 ℃。TWC入口溫度的提升將顯著改善TWC的排氣催化轉(zhuǎn)化效率。

圖6示出有無起動快速溫升策略對冷態(tài)WHTC循環(huán)CH4和NOx排放的影響。在循環(huán)前600 s，采用起動快速溫升策略的CH4排放相比不采用溫升策略時要低一些，主要是起動快速溫升策略提升了催化器入口溫度，進(jìn)而提升了CH4的轉(zhuǎn)化效率。采用起動快速溫升策略時NOx排放在循環(huán)前300 s顯著降低，這主要是因?yàn)椴捎闷饎涌焖贉厣呗院骉WC入口溫度達(dá)到300 ℃的時間縮短了近300 s，這能快速提升冷態(tài)循環(huán)下催化器的起燃溫度。

圖7示出有無起動快速溫升策略對熱態(tài)WHTC循環(huán)下CH4和NOx排放的影響。在熱態(tài)WHTC循環(huán)下，采用起動快速升溫策略時，發(fā)動機(jī)在循環(huán)前400 s的NOx和CH4排放均有大幅降低，排放峰值降幅達(dá)到50%以上。這主要是因?yàn)橄啾炔徊捎闷饎涌焖偕郎夭呗詴r，TWC入口溫度最高提升了約62 ℃，縮短了催化器的起燃時間，提高了催化器的轉(zhuǎn)化效率。

圖8示出有無起動快速溫升策略對冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)下NOx，CH4和CO比排放的影響，圖9示出冷熱態(tài)WHTC循環(huán)加權(quán)排放值。從圖中可知，未采用起動快速溫升策略時，NOx，CH4和CO的循環(huán)加權(quán)排放分別為0.179，2.291，0.517 g/（kW·h），而采用起動快速溫升策略后，NOx，CH4和CO的冷熱態(tài)循環(huán)排放均獲得顯著改善，特別是冷態(tài)循環(huán)下改善幅度特別大，導(dǎo)致循環(huán)加權(quán)排放大幅度降低，降幅分別達(dá)到38.5%，38.5%和5.8%。由此可見，起動快速溫升策略對于冷起動階段催化轉(zhuǎn)化效率的提升非常重要，是滿足WHTC排放測試循環(huán)法規(guī)要求的重要排溫管理措施。

2.2兩級催化器方案對排放的影響

通過采用兩級催化器緊耦合方案來提升催化器入口溫度，分析其對排放的影響。試驗(yàn)在一臺排量為4.5 L的天然氣發(fā)動機(jī)上開展，排氣管長度為2 400 mm，采用隔熱棉包裹方式。兩級方案為在后級TWC入口前100 mm處增加一個小的前級TWC，載體為金屬載體，后級TWC為劣化嚴(yán)重的催化器，NOx和CH4排放已經(jīng)超國六排放法規(guī)限值，載體為陶瓷載體。前后級貴金屬比例為1∶8.8，前級TWC載體尺寸為直徑101.6 mm，長100 mm，后級TWC載體尺寸為直徑266.7 mm，長203.2 mm。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由于金屬載體的導(dǎo)熱性優(yōu)于陶瓷載體（在20 ℃時，金屬載體導(dǎo)熱系數(shù)為13 W/（K·m），陶瓷載體導(dǎo)熱系數(shù)為1 W/（K·m）），采用兩級催化器緊耦合方案后，相比原機(jī)單機(jī)催化器布置方案，后級陶瓷載體催化器的入口平均溫度最高提升了約83 ℃，從圖中可以看到，兩級催化器緊耦合方案在整個WHTC循環(huán)下催化器入口溫度均高于單級方案。兩級方案不僅使催化器實(shí)現(xiàn)了快速起燃，同時使催化器工作在高效轉(zhuǎn)化的工作溫度窗口內(nèi)，導(dǎo)致整個WHTC循環(huán)（冷熱態(tài)加權(quán)）下發(fā)動機(jī)NOx，CH4和CO循環(huán)排放大幅度降低，如圖11所示，NOx，CH4和CO的加權(quán)循環(huán)排放分別降低了62.2%，42.8%和15.7%，使劣化的催化器重新具備滿足國六排放法規(guī)要求的能力。

2.3排氣尾管包裹工藝對整車排放的影響

國六排放法規(guī)對整車排放控制的考核循環(huán)是PEMS循環(huán)，對于北京地區(qū)的車輛，需要同時滿足京六排放法規(guī)關(guān)于NOx瞬時排放值30 s平均值（最大值）＜550×10-6，占比=100%的要求，測試地點(diǎn)為實(shí)際道路。在整車排放測試過程中，若整車排氣尾管溫降過大，將對整車排放產(chǎn)生不利影響。目前傳統(tǒng)排氣尾管保溫手段是采用包裹隔熱棉的方式，這種方式保溫效果較差，且受包裹質(zhì)量一致性影響，保溫效果無法量化評估。本研究采用先進(jìn)的包裹工藝方式，研究其對整車排氣管溫降及整車排放的影響。對整車排放的影響通過催化器出口NOx傳感器測量的NOx瞬時排放值30 s平均值進(jìn)行評估，其中NOx傳感器測量值為瞬時值，30 s平均值為ECU內(nèi)部程序?qū)⑺矔r值加權(quán)平均處理得出。

首先，在發(fā)動機(jī)測試臺架上開展對比研究，圖12示出排氣尾管采用特殊包裹工藝與隔熱棉包裹工藝在WHTC熱態(tài)循環(huán)下管路溫降對比。從圖中可知，采用特殊包裹方案后，相比隔熱棉包裹方案，排氣尾管的平均溫降和最大溫降都顯著降低，最大溫降的降幅為40 ℃左右。

其次，在一輛搭載4.5 L排量天然氣發(fā)動機(jī)的城市環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車上，研究先進(jìn)包裹方案對整車排放的影響。圖13示出城市環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車運(yùn)行工況采集數(shù)據(jù)圖，圖中轉(zhuǎn)速和負(fù)荷跳變點(diǎn)是車輛處于轉(zhuǎn)彎掉頭或加速工況。作為城市環(huán)衛(wèi)清運(yùn)車，整車運(yùn)行車速較低，常在低于20 km/h車速下定速巡航行駛，發(fā)動機(jī)運(yùn)行負(fù)荷較低，轉(zhuǎn)速通常在600～800 r/min區(qū)間，負(fù)荷在20%以下。由于運(yùn)行負(fù)荷較低，催化器入口溫度難以滿足催化器高效轉(zhuǎn)化需求，導(dǎo)致存在NOx 30 s平均值無法滿足法規(guī)限值要求的風(fēng)險。

圖14示出整車特殊包裹方案與隔熱棉包裹方案TWC入口溫度對比。圖15示出整車特殊包裹方案與隔熱棉包裹方案下NOx排放對比。采用傳統(tǒng)的隔熱棉包裹方案時，整車測試循環(huán)過程催化器入口溫度均較低，對應(yīng)的NOx 30 s平均值最大值為473×10-6，相比京六法規(guī)限值要求的550×10-6較為接近，余量較小。主要是因?yàn)闇y試循環(huán)過程中TWC入口溫度較低，最高僅為300 ℃，遠(yuǎn)低于高轉(zhuǎn)換效率要求的最低溫度450 ℃。而采取特殊包裹方案后，TWC入口溫度提高至500 ℃左右，溫度處于高轉(zhuǎn)換效率需求的溫度窗口內(nèi)，此時NOx的轉(zhuǎn)換效率較高，NOx30 s平均值最大值降低至185×10-6，相比傳統(tǒng)隔熱棉包裹方案降低了60.9%，增加了滿足京六法規(guī)限值要求的裕度。因此，整車排氣管采用先進(jìn)的包裹方案可大幅度減小尾氣管路的溫降，提高催化器入口溫度，對降低整車排放具有顯著的效果，特別是為滿足京六排放等特殊地方性法規(guī)要求提供了重要的保障。

3結(jié)論

a） 當(dāng)發(fā)動機(jī)采用起動快速升溫策略時，在冷態(tài)WHTC循環(huán)下TWC入口溫度達(dá)到300 ℃的時間縮短了300 s，在熱態(tài)WHTC循環(huán)前400 s，TWC入口溫度提升了62 ℃；在冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)下，發(fā)動機(jī)在循環(huán)前400 s的NOx和CH4排放均有大幅降低，導(dǎo)致WHTC冷熱加權(quán)循環(huán)下發(fā)動機(jī)NOx，CH4和CO循環(huán)排放分別降低了38.5%，38.5%和5.8%；起動快速升溫策略可作為降低冷起動階段排放的高效低成本方案；

b） 當(dāng)發(fā)動機(jī)采用兩級催化器緊耦合方案時，后級主催化器入口的平均溫度提升約83 ℃，整個WHTC循環(huán)下發(fā)動機(jī)NOx，CH4和CO循環(huán)排放分別降低了62.2%，42.8%和15.7%；兩級催化器緊耦合方案不僅能有效降低冷起動階段排放，同時對提升后級TWC耐久性能具有較大的應(yīng)用潛力；

c） 當(dāng)整車排氣尾管采用特殊包裹工藝的尾氣熱管理策略時，相對采用普通石棉包裹的方案，整車低速作業(yè)循環(huán)工況下，TWC入口溫度提升了約200 ℃，NOx 30 s平均值最大值降低了60.9%；特殊包裹方案的TWC入口整體溫度提高至約500 ℃，溫度處于高轉(zhuǎn)換效率需求的溫度窗口內(nèi)，NOx的轉(zhuǎn)換效率較高，NOx 30 s平均值最大值僅為185×10-6，滿足京六法規(guī)限值要求的余量大幅度提高；整車排氣管采用特殊包裹方案，可降低管路溫降，提高催化器入口溫度，對降低整車排放具有顯著的效果，是整車滿足京六排放等特殊地方性法規(guī)要求的有效熱管理方案。

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Effects of Different Exhaust Thermal Management Strategies on

WHTC Emission for Equivalent NG Engine

DENG Yuanhai1，NING Dezhong1，JIANG Ji1，PAN Hengbin2，F(xiàn)U Changcheng2，GUAN Wei2

（1.Guangxi Yuchai Machinery Company，Yulin537005，China；

2.School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning530004，China）

Abstract： The China Ⅵ natural gas engine adopts the emission control technology route of equivalent combustion combined with external cooling EGR and TWC. The conversion efficiency of TWC is an important factor to ensure that the engine emissions meet the standards， and the inlet temperature of the catalytic converter is one of the most important influencing parameters that determine the conversion efficiency of TWC. However， there is a problem that the inlet exhaust gas temperature of TWC is difficult to meet the high-efficiency conversion requirements of engine and whole vehicle emissions in the cold start stage and under the condition of large temperature drop of exhaust pipe. To address this issue， different exhaust thermal management strategies were investigated on a 4.5 L displacement engine and an urban sanitation vehicle equipped with the engine to study the effects on engine WHTC cycle emissions and whole vehicle operation cycle emissions. The results showed that the exhaust thermal management strategy with rapid temperature rise could effectively increase the exhaust gas temperature of engine during cold start. The time required for the TWC inlet temperature to reach 300 ℃ during WHTC cycle was shortened by 300 s， which significantly reduced NOx， CH4， and CO cycle emissions with the reductions of 38.5%， 38.5% and 5.8% respectively. The exhaust control strategy that added a metal carrier upstream of TWC produced the reductions of 62.2%， 42.8% and 15.7% respectively in NOx， CH4， and CO cycle emissions during WHTC cycle. Compared with the scheme using ordinary asbestos wrapping， the inlet temperature of TWC increased by nearly 200 ℃ under the whole vehicle operation cycle after using the exhaust thermal management strategy with a special wrapping process for the entire vehicle exhaust pipe， which resulted in a maximum reduction of 60.9% in the 30 s average value of transient NOx emissions. Accordingly， the emission regulation requirements of Beijings Ⅵ stage can be better met.

Key? words： NG engine；equivalent combustion；exhaust thermal management；cold start；exhaust temperature

［編輯： 潘麗麗］