一種天然氣發(fā)動機尾氣凈化技術路線探索

樊于朝，馬佳，張攀

一種天然氣發(fā)動機尾氣凈化技術路線探索

樊于朝，馬佳，張攀

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

為使天然氣發(fā)動機滿足現(xiàn)階段排放要求，主流企業(yè)均采用當量燃燒+EGR+TWC技術路線，文章通過研究一種提高天然氣發(fā)動機進氣量的燃燒及相應的尾氣凈化技術，同樣可以滿足排放要求，且發(fā)動機無需EGR，結構簡單，氣耗更低，同時有效降低整車熱負荷，為重型天然氣發(fā)動機滿足更高排放要求提供新的解決思路。

天然氣發(fā)動機；燃燒；原排；尾氣凈化

1 引言

不斷升級的排放法規(guī)，對各發(fā)動機生產廠家提出更嚴苛的技術挑戰(zhàn)，其中重型燃氣發(fā)動機要滿足現(xiàn)階段排放限值要求，存在兩種主要解決思路，一是當量燃燒+EGR+TWC技術路線；二是空燃比大于1，后處理采用DOC+SCR+ASC技術路線。各發(fā)動機企業(yè)為率先滿足排放要求，主流技術路線均選擇當量燃燒+EGR+TWC，發(fā)動機燃燒過程破壞NO的生成環(huán)境，降低NOx排放，更容易滿足排放限值。本文主要研究天然氣發(fā)動機采用第二種技術路線，并提供NOx、CH、CO等污染物的解決辦法，為天然氣發(fā)動機滿足更高排放提供一種新的解決方案。

2 法規(guī)要求

2.1 污染物

發(fā)動機排放污染物主要包括氣態(tài)污染物和顆粒物；氣態(tài)污染物主要為一氧化碳（CO），碳氫化合物（HC）和氮氧化物（NOx）；顆粒物指在溫度不超過52℃的稀釋排氣中，有規(guī)定的過濾介質所收集到的所有物質。

2.2 發(fā)動機狀態(tài)

發(fā)動機曲軸箱漏氣必須進行處理，即為閉環(huán)形式。

2.3 WHTC循環(huán)主要污染物排放限值[1]

表1 WHTC循環(huán)主要污染物排放限值

排放認證時，必須考慮發(fā)動機排放系統(tǒng)的耐久性，所以認證時要有劣化系數(shù)的加權。各污染物劣化系數(shù)是指發(fā)動機有效壽命終點和起點排放值之比。所以要認證時標準為：

表2 發(fā)動機認證時污染物排放限值

2.4 測試方法

首先，測試發(fā)動機外特性，國六排放按照WHTC循環(huán)進行測試。WHTC測試分為冷態(tài)和熱態(tài)，冷態(tài)與熱態(tài)之間有10分鐘的間隔（熱浸期），排放計算如下[2]：

—排放物的質量，；

—根據(jù)C.6.8.6條確定的實際循環(huán)功，；

—最終的結果為冷態(tài)和熱態(tài)加權的結果；

—冷啟動循環(huán)各排放物組分的質量，；

—熱啟動循環(huán)各排放物組分的質量，；

—冷啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，；

—冷啟動循環(huán)的實際循環(huán)功，。

其次是排放取樣方法：部分流稀釋和全流稀釋；國六排放試驗時采用全流稀釋法。全流稀釋法成熟度要高于部分流稀釋（相關資料表明）。全流稀釋與部分流稀釋結果出現(xiàn)爭議時以全流稀釋為準。

最后，測試過程中，排放設備實測CH4、CO、NOx三者的實際值。

2.5 WHTC循環(huán)

WHTC循環(huán)共1800個點，共運行1800s。

圖1 WHTC試驗循環(huán)

以某7L 260馬力燃氣發(fā)動機為例，WHTC試驗發(fā)動機主要運行區(qū)間為：

圖2 WHTC試驗主要運行區(qū)間

圖3 WHTC實際運行工況點

2.6 工程指標

由于排放設備的差異性和氣體機的不穩(wěn)定性，在做排放試驗時試驗結果在認證標準的基礎上下調5%。

表3 發(fā)動機污染物排放指標

3 氣體機實現(xiàn)國六排放的基本路線

一種路線是過量空氣+催化器+SCR+ASC（本文檔主要內容依據(jù)此路線進行分析總結）。

圖4 采用過量空氣方案基本路線

另外一種路線是理論空燃比+EGR+三元催化器。

4 原排的確定

從前期試驗表明，DOC和SCR的轉化效率和原排有較大關系，能滿足國六標準的話，DOC對CH4、NMCH和SCR對NOx的催化效率都能達到90%以上，據(jù)此推算出原排。對于CO和PM值，對于氣體機來說排放量很少，滿足排放限值要求[3]。

表4 發(fā)動機原排限值

5 原排的影響分析

保證發(fā)動機外特性的情況下，只分析對原排的影響，暫不考慮經濟性。

5.1 穩(wěn)態(tài)條件下

（1）排氣背壓

排氣背壓增大，發(fā)動機動力性減小，排放惡化；CH含量急劇增加，對NOx有一定的好處。由于加裝DOC+SCR造成排氣背壓高于原發(fā)動機設定的值，所以對DOC和SCR的壓差提出一定的要求，盡可能的減小排氣背壓。使得排氣背壓在合理的范圍內。由于過大的排氣背壓有可能需要重新匹配增壓器以滿足動力性需求。

（2）點火提前角

隨著點火提前角減小，CH4和NOx都降低，所以點火提前角的減小可以降低HC+NOx的總含量。但是過小的點火提前角會造成發(fā)動機熱負荷提高以及扭矩的降低，嚴重時可能影響發(fā)動機的工作穩(wěn)定性。

（3）PHI（當量空燃比）值

在稀燃范圍內，PHI值越大，HC含量越小，NOx含量越高，NOx變化率遠大于HC變化率；PHI值越小，HC含量越大，NOx含量越??；所以通過改變PHI值可以平衡CH4和NOx各自的含量[4]。

（4）燃氣成分

用于試驗的燃氣不是純甲烷時，需要通過改變過量空氣系數(shù)達到排放要求。

5.2 瞬態(tài)條件下

（1）TLC（增壓器壓力限制）和FSO（燃料切斷）

關閉TLC和FSO模式；TLC對于PHI的修正增加的是基礎PHI表，對timing的修正為提前點火；從穩(wěn)態(tài)結論可知對排放不好。

（2）瞬態(tài)加濃

dmap/dt-1需要有一個較大的系數(shù)；關閉dmap/dt-2。

（3）VE（沖量系數(shù)）表

準確的VE表對于系統(tǒng)自學習有重要的影響，從而影響實際空燃比；所以VE表盡可能的反應實際情況。

（4）Cylinder Wall

適當?shù)腃ylinder Wall參數(shù)設置對VE適當?shù)男拚沟肞HI良好的跟隨。對于CH4，cylinder wall有很強的修正作用。

（5）Min throttle

回怠速時，應保持轉速平穩(wěn)，防止PHI的低速波動。

（6）氧傳感器

做排放前，必須重新標定氧傳感器。氧傳感器的補償標定應配合Cylinder Wall等參數(shù)的調整而調整，保持PHI值得良好的跟隨。

（7）失火

PHI值的設定要遠離失火極限，以P7為例PHI值不能低于0.65。

（8）Boost響應性

MAP升的過快容易導致發(fā)動機失火，從而導致CH4含量過大；Boost調整原則為：響應迅速，但不能出現(xiàn)過增壓超扭矩的狀態(tài)，合理配置FF table（燃料流量）。

5.3 邊界條件的影響因素

中冷后溫度、ECT、進氣溫度和濕度、背壓、大氣壓力，進氣阻力邊界條件也是影響排放的重要因素，所以排放測試時應準確界定邊界條件。

5.4 硬件方面

（1）增壓器合理的匹配

由于國六排放需要相對較小的（低于MBT 5~10°），相對較稀的混合氣，所以滿足同等動力的情況下，國六發(fā)動機需要更大的進氣量，需要能力更強的增壓器。但是增壓器必須在可控范圍內。

（2）曲軸箱漏氣實現(xiàn)閉環(huán)

若曲軸箱漏氣實現(xiàn)閉環(huán)有兩種方式：漏氣與進氣閉環(huán)和漏氣與排氣閉環(huán)。一般情況下，選擇與進氣閉環(huán)。所以要求發(fā)動機：① 相對較小的漏氣量，盡可能減小對動力性的影響；② 油氣分離器，要求油氣分離效果更好，防止污染增壓器、火花塞。

5.5 原排總結

首先必須確定發(fā)動機工作邊界條件，確認發(fā)動機工作狀態(tài)良好；臺架和排放設備測試準確性；穩(wěn)態(tài)主要標定VE表、Boost表、點火提前角和PHI表；瞬態(tài)標定是非常重要的，應根據(jù)排放結果重點模擬高排放工況，進而分析優(yōu)化，應該注意對排溫的控制，排溫不宜過高。

6 加裝后處理后對排放的影響

除了對原排的影響因素外，加裝后處理的影響因素為背壓（原排中解釋）、排溫、DOC的起燃溫度、SCR的起燃溫度、尿素噴射量等。

6.1 DOC轉化效率

對7L 260馬力氣體機DOC進行轉化率測試：

圖5 DOC的轉化曲線

從圖中可以看出，溫度越高，轉化率越高，溫度高于350℃轉化率在95%以上。當然很明顯的是排溫低于300℃時，轉化效率極低。

6.2 SCR轉化效率

SCR根據(jù)分子篩材料的不同可以分為Fe基、Cu基、Fe-Cu基等。根據(jù)氣體機排溫特性選擇Fe基分子篩[5]。

（1）轉化效率與排溫

從圖中可以看出，氨氮噴射量當量比小于1，排溫在250℃~550℃時，SCR轉化效率基本在90%以上。

圖6 SCR催化器轉化效率

WHTC試驗包括14%的冷機狀態(tài)加權，所以如何快速的熱機以縮短后處理進入高效區(qū)的時間是達到排放要求的重要策略之一。

（2）轉化效率與尿素噴射量

SCR中基本反應為：

標準反應：→

快反應：→

但同時還伴隨著：

→

上式反應條件一般要求排溫大于500℃，這就造成了NOx的惡化。

試驗過程中關于SCR的效率低的幾個原因：①硫污染，550℃可還原，②CH4過量，造成SCR溫度過高，超過700℃老化加快，③尿素結晶，造成SCR堵塞，④SCR分進氣和出氣，不能裝反，因為SCR必須在ASC前面，裝反后NOx不降反升[6]。

6.3 ASC基本原理

ASC作用為收集過量的NH3，ASC基本反應為：

4NH+3O→N+3HO

若排溫高于500℃，ASC中會逐漸增加另一種反應：

→

所以尿素噴射量必須適中，過大或過小都會造成NOx升高。

6.4 后處理小結

首先，對于DOC貴金屬含量應保證催化效率在90%以上；其次，對于SCR來說必須考慮排溫、空速對轉化效率的影響，最好采用上游NOx傳感器可以配合發(fā)動機系統(tǒng)的調試；再次，對于ASC中過量NH3反應所產生的NOx有一個量化，在排溫高的情況下盡量控制尿素的噴射。

7 總結

現(xiàn)階段，天然氣發(fā)動機如采用空燃比大于1的技術路線，對于發(fā)動機的精確控制策略要求較高，有相當大的技術挑戰(zhàn)，這也是目前主流技術路線采用當量燃燒的原因，但因氧氣含量較高，燃氣可以充分燃燒，相比當量燃燒路線經濟性具有優(yōu)勢，進而可以提升車輛競爭優(yōu)勢。

本文結合發(fā)動機WHTC試驗方法，分析發(fā)動機原排、后處理模塊對污染物的處理原理，對采用空燃比大于1，后處理采用DOC+SCR+ASC技術路線的燃氣發(fā)動機提供參考。

[1] 生態(tài)環(huán)境部.重型柴油車污染物排放限值及測量方法.GB17691- 2018[S].

[2] 孔祥花,張振濤,陳火雷.滿足WHTC的NOx排放控制方法概述[J].排放與噪聲,2017,34(5):70-72.

[3] 王華健,占雋均.汽油機和柴油機CO、HC、PM排放的顯著差異研究[J].汽車實用技術,2016,4:48-51.

[4] 吳廣闊,吳雙群. Phi值對煤質柴油發(fā)動機燃燒和排放的影響[J].內燃機,2018,6:31-35.

[5] 李志軍,方熙宇,劉雙喜等.分子篩與釩基SCR催化器瞬態(tài)反應特性對比[J].燃燒科學與技術,2016,22(6):513-521.

[6] 張俊,唐韜,曹東曉等.重型柴油機歐Ⅵ后處理系統(tǒng)構型方案試驗研究[J].內燃機工程,2017,38(1):7-11.

Exploration of a Technical Route for Natural Gas Engine Exhaust Purification

Fan Yuchao, Ma Jia, Zhang Pan

( Shaanxi Heavy Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200 )

In order to make natural gas engine meet the current emission requirements, mainstream companies have adopted the equivalent combustion+EGR+TWC. This paper, by studying a combustion and corresponding exhaust gas aftertreatment technology that increases the intake of natural gas engines, can also meet the emission requirements. In addition, the engine does not need EGR, and has a simple structure and lower gas consumption. At the same time, it can effectively reduce the vehicle's thermal load and provide new solutions for heavy natural gas engines to meet higher emissions requirements.

Natural gas engine; Combustion; Original exhaust gas; Emission solution

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.016

U464

A

1671-7988(2021)02-47-04

U464

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1671-7988(2021)02-47-04

樊于朝，就職于陜西重型汽車有限公司。