混燃模式在燃氣發動機國Ⅴ排放中的應用

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

混燃模式在燃氣發動機國Ⅴ排放中的應用

陸靜安

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

重型天燃氣發動機采用缸外預混合燃燒方式，空燃比決定著天然氣發動機排放及動力性能。采用當量燃燒/稀薄燃燒相結合的混合燃燒方式，在中低負荷區，通過當量燃燒和三效催化器降低排氣中各種污染物的濃度、減小循環波動、提高整車驅動性；在大負荷區，通過稀薄燃燒降低NOx原始排放，同時降低熱負荷、提高經濟性，發動機本體不需作重大改進即可滿足國Ⅴ排放及驅動性的要求。

當量燃燒稀薄燃燒三效催化轉化器排放

1 前言

近年來，隨著城市大氣污染的日趨嚴重，人們對環境污染的問題也越來越重視，越來越認識到環境保護的重要性；限制汽車發動機尾氣排放的法規日趨嚴厲，北京上海等一線城市已開始全面執行國Ⅴ排放法規。天然氣是一種清潔的替代燃料，與傳統燃料相比，天然氣燃燒時不產生碳煙，具有較低的NOx、CO、HC等排放污染物，在國內得到了普及推廣，尤其是城市公交領域。天然氣發動機普遍采用稀薄燃燒技術和氧化型催化轉換器滿足國Ⅳ排放要求。但面對更嚴厲的國Ⅴ和京Ⅴ排放法規，稀薄燃燒技術難于兼顧排放和動力性。本文闡述了稀薄燃燒+當量燃燒相結合的混燃技術在發動機本體不作重大改進的情況下能同時兼顧天然氣發動機國Ⅴ排放及整車的動力性和經濟性。

2 稀薄燃燒對排放及動力性的影響

燃氣發動機采用缸外預混合均質稀燃模式，燃氣和空氣在缸外混合器中形成均質的預混合氣，火花塞的火花在壓縮上止點前點燃混合氣。稀薄燃燒發動機不同于常規發動機之處，源自其過量空氣過量系數λ超出常規。充入氣缸內的實際空氣與進入氣缸內的燃料完全燃燒所需的理論空氣量的比值稱為空氣過量系數。空氣過量系數的大小不僅影響著發動機的性能和排放，還可能導致發動機失火。

重型燃氣發動機一般以柴油機為基礎，將燃油系統改為燃氣系統，同時降低壓縮比、更改燃燒室、增加點火系統，由壓燃式內燃機改為點燃式內燃機。電控系統通過寬范圍線性氧傳感器檢測實際空燃比，根據實際空燃比和目標空燃比的差異調整燃氣供給量，精確控制空燃比。相對于壓燃式的柴油機，當量燃燒的點燃式燃氣發動機的排溫遠高于柴油機的排溫，在發動機本體少作重大修改的前提下，早期的燃氣發動機采用稀薄燃燒工作方式，通過稀薄燃燒來降低排氣溫度、確保耐久性、可靠性，并同時降低NOx及燃料消耗率。

2.1 稀薄燃燒對熱效率的影響

稀薄燃燒就是使過量空氣系數從λ＝1左右提高到λ遠遠超過1.1的水平。由理論循環熱效率公式可知，熱效率ηK將隨著絕熱指數K的增加而增加。天然氣發動機工質是天然氣與空氣以及燃燒產物的混合體，其燃燒產物主要由CO2、H2O等多原子分子組成。所以，當混合氣較濃時，多原子成分的比例較大，絕熱指數K較小，當混合氣較稀時，絕熱指數K反而增大。從理論上講，混合氣越稀，K值越大，熱效率也越高。因此在不使發動機失火的前提下，應盡可能進行稀薄燃燒。

2.2 稀薄燃燒對CO排放量的影響

從宏觀的角度來看，當可燃混合氣的空燃比小于理論上空燃比時，就會有部分燃料不能完全燃燒而產生CO。由于氣缸內可燃混合氣的微觀濃度分布不均勻，即使缸內空燃比在超過理論空燃比的情況下，排氣中仍可能存在較多的CO。尾氣中CO的濃度主要受過量空氣系數的影響，而轉速和負荷對CO造成的影響也是通過過量空氣系數的變化起作用的。采用稀薄燃燒后，在λ＞1的某一范圍內，CO的含量可以得到有效控制。

2.3 稀薄燃燒對HC排放量的影響

對點燃式內燃機而言，在實際空燃比稍大于理論空燃比的情況下，尾氣中未燃HC的含量較少；但是當空燃比小于或大大超過理論空燃比的時候，未燃HC的排放量就會提高。圖1為排氣溫度、NO、CH4和CO隨空氣過量系數λ的變化情況。從圖1可見，HC的排放量隨著空燃比的增大而減少，其原因主要是由于混合氣較稀薄，燃燒效率提高，且氧氣充裕，能在排氣行程和排氣道中進一步對HC進行氧化；但當λ＞1.6時，HC的排放量就因為失火和部分燃燒而大大增加。所以進行恰當的稀薄燃燒才可以改善HC的排放[2]。

圖1 排氣溫度、NOx、HC和CO隨空氣過量系數的變化

2.4 稀薄燃燒對NOx排放量的影響

如圖1所示，在理論空燃比右側某位置，NOx的排放量最多，而高于或低于這一位置時，NOx的排放量均降低。因為在燃料濃的區域氧含量少，而在稀薄區域運轉時最高燃燒溫度會下降，這都有利于NOx排放量的降低。

2.5 稀薄燃燒對循環波動的影響

與理論空燃比燃燒相比，稀薄燃燒的缺點是燃燒速率顯著降低。稀薄燃燒時，由于混合氣太稀，使火焰傳播速度下降，導致燃燒不穩定、缸內壓力和扭矩波動加劇、CH排放增加。當點燃式發動機的未燃混合氣偏稀時，則火焰發展期、快速燃燒期及燃燒的循環變動將增加；達到某一數值時，發動機運轉變得粗暴且不穩定，加減速平順性下降。燃燒速率的降低導致總燃燒持續期的延長，這又導致傳遞到氣缸壁的熱損失增加，總的熱效率降低。均質稀燃天燃氣的空燃比稀燃極限在27左右。

綜上所述，稀燃的最大優點是在提高指示熱效率、降低發動機熱負荷的同時，能大大降低NOx的排放量。如圖1所示，隨著過量空氣系數的增加，NOx排放量不斷下降、指示功的循環波動率增大，加速性變差。HC排放量隨著空燃比的增加不斷減少。在空燃比1.3左右達到最低，繼續增大空燃比，循環波動增加，CH4排放量又開始不斷增加。對于稀燃發動機，空燃比決定了NO排放濃度，氧化型催化器轉化效率決定了CO、CH4、NMHC排放濃度。氧化型催化器用鉑PT和鈀PD作為活性元素，配方優化后的氧化型催化器的CH、NMHC轉化效率能達到90%以上。通過精確控制空燃比并適當推遲點火提前角，外加氧化型催化轉化器，稀薄燃燒天然氣發動機能夠滿足國Ⅳ排放要求及整車驅動性要求。

3 低排放和稀薄燃燒

隨著經濟的發展和環境保護意識的增強，汽車發動機尾氣排放的法規日趨嚴厲，國內部分城市已開始實施國Ⅴ排放標準，對發動機的排放要求越來越高。國Ⅴ排放要求NOx比排放控制在2 g/kW·h以內，遠低于國Ⅳ排放限值3.5 g/kW·h，NOx比排放下降43%。采用稀薄燃燒控制策略，由于氧化型催化器對NOx無催化能力，降低NOx完全依靠缸內燃燒過程，只有進一步增加空氣過量系數及推遲點火提前角，降低最高燃燒溫度，才能降低NOx至規定限值2 g/kW·h。進一步增加空氣過量系數及推遲點火提前角必然引起燃燒速率的降低及指示功的循環波動率增大，惡化發動機的燃燒工作過程，導致加速性及經濟性惡化。

天然氣主要來源于油田，它是地表下巖石儲集層中自然存在的、以輕質碳氫化合物為主體的氣體混合物，主要成分是甲烷（CH4），其余為乙烷、丙烷、丁烷及少量其它物質。滿足國Ⅴ排放的稀薄燃燒天然氣發動機的空燃比已接近失火極限，當實際燃氣成分稍有波動，發動機很可能工作在失火區，車輛無法正常運轉。

稀薄燃燒發動機采用寬范圍線性氧傳感器和氧化型催化器，無法對催化器的轉化能力、老化程度進行監控，對CH4和NMCH排放量的超標無實時檢測能力，發動機運行過程中存在排放超標的可能。另外，國Ⅴ稀燃氧化型催化器需要更多的貴金屬，耐久性較差，增加用戶使用成本。

4 低排放燃燒控制策略

表1 混燃和稀薄燃燒排放比較

重型燃氣發動機采用缸外預混合燃燒方式，稀薄燃燒時無法進行分層燃燒，為保持燃燒穩定性，無法進一步增加空燃比，僅靠燃燒過程NOx排放量難以控制在更低水平。對于歐Ⅴ及歐Ⅴ以上的發動機，國外普遍采用當量燃燒方式，采用三效催化轉換器同時對CO、CH4、NMHC、NOx等有害物質轉化成無害的H2O、CO2和N2。三效催化轉換器利用催化反應加速排氣中各成分可能進行的化學反應，使其接近平衡組成，顯著降低排氣中各種污染物的濃度。在精確控制空燃比的情況下，污染物的濃度主要與三效催化器的轉化效率有關。為滿足超低排放要求，一般采用純當量燃燒及當量燃燒+EGR兩種方式。采用純當量燃燒方式，發動機排溫、熱負荷明顯上升，原發動機的缸蓋、排氣管、增壓器等零部件不能承受高的熱負荷，需要做重大的改進；采用當量燃燒+EGR方式，能有效降低熱負荷，發動機本體零部件不需改進，但需要增加一套復雜的EGR裝置，大流量高溫高效率的EGR冷卻器相當昂貴，成本難以接受。各種控制策略及性能比較見表1。

滿足國Ⅴ以上的低排放燃氣發動機，采用當量燃燒是唯一可行的方式，各種污染物依靠三效催化器的催化作用才能顯著降低排氣中各種污染物的濃度。重型發動機采用當量燃燒開發成本較大，開發周期較長。對于國Ⅴ排放限值，在發動機本體不作重大變化的情況下，可采用當量燃燒與稀薄燃燒相結合的方式，通過三效催化器和優化控制策略來滿足排放限值和整車驅動性要求。在中低負荷，采用當量燃燒方式，利用高效的三效催化器同時對CO、CH、NOx等有害物質進行轉化。由于熱負荷不大，發動機采用原有的結構能滿足可靠性要求。在高負荷，采用稀薄燃燒方式，將NOx原始排放在進入三效催化器前控制在較低的水平，CO、CH有害物質仍通過三效催化器進行轉化；高速高負荷工況通過稀薄燃燒降低發動機的熱負荷，避免發動機零部件重大改進或采用EGR等高成本措施。

5 當量/稀薄混合燃燒和國Ⅴ排放

稀薄燃燒降低熱負荷是以增加NOx排放及降低驅動性為代價，當量燃燒提高驅動性、降低排放是以增加氣耗和熱負荷為代價。所以在當量/稀薄混合燃燒中必須按發動機工況合理調整當量/稀薄燃燒區域。在不同區域精確控制空燃比，在滿足國Ⅴ排放的前提下，降低發動機氣耗和熱負荷，提高發動機驅動性和舒適性。

5.1 空燃比的控制

當量燃燒時三效催化器的轉化效率和稀薄燃燒時NOx污染物濃度與空燃比的控制密切相關，精確控制空燃比是實現國Ⅴ排放的首要條件。三效催化器前后分別安裝稀薄型寬帶線性氧傳感器和當量開關型氧傳感器。稀薄型前氧傳感器是一種片式雙電池限電流傳感器，它的輸出電流與排氣中氧的成分有一定的關系。輸出電流在λ=1處改變方向，且與λ幾乎成線性關系，在λ從0.8到2.5的廣闊范圍內準確地測定λ數值，因此可以將閉環控制的目標設定在一個很寬的λ范圍內的任意數值。前氧傳感器主要用于控制空燃比。開關型后氧傳感器只能判斷λ＞1或λ＜1，無法測定λ的具體數值，λ＞1則氧過剩，混合氣過稀；λ＜1則氧不足，混合氣過濃。后氧傳感器主要對三效催化器進行診斷，防止排放超標，同時能對前氧漂移進行補償。

前氧線性傳感器測量排氣中的氧離子濃度，通過濕度、排氣背壓等修正，得出發動機實際空燃比。電控單元計算實際空燃比和目標空燃比的差值，并將該差值用于對燃氣供給量的控制，從而將實際空燃比與目標空燃比的差值控制在一定的范圍內。在稀薄燃燒和當量燃燒不同區域，空燃比控制采用不同控制策略。在稀薄燃燒時，為降低NOx排放及循環波動，采用PID調節方式控制實際空燃比，要求空燃比控制盡可能迅速及穩定；在當量燃燒時，為提高三效催化器轉化效率，加寬三效催化器的高效窗口，降低起燃溫度，目標空燃比應在當量值附近以一定頻率和幅度波動。三效催化劑能理想工作的過量空氣系數“窗口”很窄，λ寬度只有0.01～0.02左右（對應空燃比A/F窗口寬度0.15～0.3），且并不相對λ=1.00對稱。在這個窗口工作，CO、HC和NOx的凈化效率均在80%以上。空燃比波動頻率為0.5～1.5 Hz，波動幅度λ=0.01左右，波動周期和波動頻率取決于氧傳感器響應時間的長短，即取決于發動機負荷、轉速和進排氣管道。

λ閉環控制目標主要由發動機負荷和轉速確定，可以用λ特性場的形式表示。特性場分為λ=1和λ＞1兩個區域，分別對應當量燃燒和稀薄燃燒，圖2為當量燃燒和稀薄燃燒的λ分布區域。合理調整稀薄燃燒區域，兼顧發動機熱負荷、排放、加速性。當量燃燒和稀薄燃燒過渡區域空燃比階躍變化，能夠在當量燃燒和稀薄燃燒切換過程中迅速跳過為了控制NOx而設置的空燃比禁區，即跳過A/F=17～23（λ=1.05～1.3）的范圍。空然比低于這個范圍，三效催化轉換器對NOx還有一定程度的轉化能力；高于這個范圍，NOx原始排放相對來說較低。如果λ正落在這個范圍內，那么一方面機內產生的NOx濃度很高，另一方面三效催化轉換器又無法進行NOx轉化，對排放最為不利。圖3為混燃模式下NOx濃度、排溫及扭矩波動隨過量系數的變化。

圖2 當量燃燒和稀薄燃燒λ分布區域

5.2 空燃比的切換控制策略

燃氣發動機輸出扭矩主要取決于空氣流量、空燃比、點火提前角。當量燃燒和稀薄燃燒切換過程中，通過空燃比階躍變化來降低NOx排放.為實現過渡的平順性，空燃比的突變必然要求空氣流量和點火提前角的突變[1]。圖4描述了發動機從怠速突加油門加速過程中，油門踏板（FPP）、節氣門（TPS）、進氣歧管壓力（MAP）、空然比（A/F）、發動機轉速和發動機扭矩的變化曲線。油門踏板被往下踩到一定程度不再變動。起先，負荷和轉速較小，發動機工作在當量燃燒區，節氣門和進氣歧管壓力較小，發動機逐步加速，當發動機越過某一轉速和負荷時混合氣迅速由濃轉稀，進入稀薄燃燒區。這個過程是自動進行的，駕駛員無法知道什么時候應該切換，更無法干預切換，所以必定保持油門踏板位置不變。在傳統的發動機中這就意味著進氣量不變，所以當切換到λ＞1時，必定噴油量陡減，扭矩明顯下降，如圖4中的三條虛線所示。此時乘員感受到一種意外的、短促的制動，破壞了汽車的平順性。解決這個問題的方法是，在切換到λ＞1時增加節氣門開度。在較稀空燃比下ECU會相應地增加空氣流量，燃氣流量基本不變，扭矩也保持在切換至以前混合氣的水平。在稀薄燃燒和當量燃燒兩個不同區域，分別進行節氣門開度、空燃比、點火提前角、充氣效率等脈譜圖標定，確保空燃比切換時無扭矩沖擊，提高駕駛舒適性。

圖3 混燃模式NOx濃度、排溫及扭矩波動隨過量系數的變化

圖4 當量燃燒和稀薄燃燒切換策略

5.3 催化器的診斷

三效催化轉化器對發動機的排放控制具有決定性的作用，沒有三效催化轉化器就不可能滿足排放法規。對于重型燃氣發動機，EOBDⅡ要求若催化轉換器的劣化造成NOx排放超過3.5 g/kW·h限值時，必須點亮故障指示燈和記錄故障碼,超過7.0 g/kW·h限值時必須限制發動機扭矩。對催化轉化器劣化的診斷是基于檢測轉化器的儲氧能力（OSC）。為了對三元催化轉化器進行故障診斷，必須在它的前面和后面各裝一個氧傳感器。通過比較前后氧傳感器（簡稱前氧、后氧）的信號值，EOBD系統計算轉換器轉化效率。當催化器有足夠的儲氧能力時，后氧傳感器的輸出幾乎是一條直線（圖5）；當催化器喪失儲氧能力時，后氧傳感器的輸出類似于前氧傳感器的輸出（圖6）。正常運行的三效催化轉化器因其儲氧能力而使后氧傳感器的的動態響應明顯差于前氧傳感器，后氧傳感器動態響應曲線的振幅非常小。反之，如果后氧傳感器的波形非常接近前氧傳感器，只不過相位滯后，則ECU認為三效轉化器效率過低。因此通過觀察前氧傳感器和后氧傳感器的波形就能判斷三效催化轉化器是否失效。圖7和圖8表示催化器的儲氧能力和后氧傳感器響應時間的關系。

圖5 儲氧能力好的轉換器(Low OSC)

圖6 已喪失儲氧能力的轉換器(High OSC)

6 混合燃燒和稀薄燃燒的性能比較

圖7 儲氧能力好時：下游氧傳感器的反應滯后

圖8 氧能力喪失后：下游氧傳感器的反應變快

圖9 混燃和稀薄燃燒加速時間比較

采用當量/稀薄混合燃燒時在中低負荷區，混合器濃度為當量空燃比，火焰傳播速度快，循環波動小，燃燒穩定，排溫高，增壓器響應快，能提高發動機瞬態響應性和整車加速性；在大負荷區，加速工況已完成，采用稀薄燃燒，能降低熱負荷、提高經濟性。采用稀薄燃燒時，通過降低混合器濃度和推遲點火提前角來降低NOx排放，過稀的混合氣由于燃燒速率降低，燃燒時間拉長，火焰發展期、快速燃燒期及燃燒的循環變動增加，發動機運轉變得粗暴且不穩定，加速平順性下降；過遲的點火提前角使燃燒中心后移，熱損失增加，后燃嚴重，進一步降低發動機加速性。圖9為踩下全油門時，從起步至車速50 km/h不同燃燒方式加速時間的比較。采用當量/稀薄混合燃燒時加速時間26 s，采用稀薄燃燒時加速時間32 s，稀薄燃燒比混合燃燒加速時間增加23%。采用當量/稀薄混合燃燒時在中低負荷區，依靠三效催化器的催化作用同時降低排氣中各種污染物的濃度。采用稀薄燃燒時催化器對NOx無轉化能力，NOx濃度完全取決于混合器濃度和推遲點火提前角，排放性能不能進一步優化。表2為不同燃燒方式時排放性能的比較。

Application of Mixed Combustion Mode in China-V Compliant Gas Engine

Lu Jingan
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

For heavy-duty gas engine with outside-cylinder premixed combustion mode,the air-fuel ratio determines the gas engine emissions and power performance.Mixed combustion mode by using equivalent combined combustion/lean burn can in low load region reduce the concentration of various exhaust pollutants,reduce cycle fluctuation and improve vehicle driving with equivalent combustion and three way catalytic converter,and can in high load area reduce NOxemissions and heat load at the same time and improve fuel economy by lean combustion.The engine with the mixed combustion mode can meet the China V emissions standard and driving requirement without significant modification.

equivalent combustion,lean combustion,three-way catalytic converter, emissions

來稿日期：2014-05-27

陸靜安（1970），男，工程師，主要研究方向為發動機性能標定。

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.03.001