國六天然氣發動機排放技術方案分析

張騰，賈紅杰，韓文濤*，王林波，王磊，劉近報

1. 濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2. 濰柴西港新能源動力有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

隨著汽車工業飛速發展，汽車保有量穩步上升，但石油資源短缺問題日益凸顯，迫使人們加快車用發動機代用燃料的研發和應用進程。隨著“打贏藍天保衛戰”戰略的持續深入以及國六排放標準逐步實施，清潔能源商用車的普及步伐不斷加快，天然氣憑借排放污染低、資源豐富、價格低廉等優點是目前兼顧運營與環保的理想代用燃料[1]。與石油基燃料相比，天然氣作為替代能源，顆粒物(particular matter，PM)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]。隨著油氣價格的回落，天然氣作為替代燃料的優勢進一步凸顯[3-4]。

文獻[5]對天然氣發動機的排放限值做了嚴格規定，因此，降低發動機污染物排放的技術是當前天然氣發動機研發的重點。

國六排放標準的實施有力推動了天然氣發動機技術的發展與革新，特別是天然氣發動機較柴油發動機提前一年實施國六排放標準，給天然氣發動機發展帶來了機遇和挑戰。研究滿足國六排放標準的天然氣發動機排放技術，可為天然氣發動機性能和排放優化提供一定理論依據，具有重要的應用價值和現實意義。

1 排放標準分析

為了減少城市污染、改善空氣質量，我國已分階段實施國六排放標準。相比于國五排放標準，國六對重型車用發動機排放測試方法和限值要求更加嚴格，污染物排放限值大幅降低[5]。

1)國六排放標準的排放測試循環采用全球統一瞬態測試循環(world harmonized transient cycle，WHTC)，不再使用自國三開始使用的歐洲瞬態循環(European transient cycle，ETC)，更能全面考核天然氣發動機在不同負荷狀態下的排放結果。兩種循環相比較，WHTC工況分布及權重更偏向于低速低負荷，與當前重型天然氣發動機低速大扭矩的趨勢一致，同時也與發動機在低速低負荷時排放難以控制相適應[6]。

2)國六排放標準新增了整車實際道路行駛排放測試，對車輛在實際道路上的排放測試做出了要求。

3)國六排放標準對發動機尾氣成分種類和限值要求更加嚴格。

4)國六排放標準對發動機曲軸箱通風排放提出要求，天然氣發動機需要使用閉式循環裝置。

5)國六排放標準增加了車載診斷系統(on-board diagnostic，OBD)控制要求。

6)國六排放標準增加了排放耐久、排放保質等其他要求。

從發動機排放限值水平來看，國六標準的各污染物排放限值與歐六排放限值相當，比國五標準加嚴40%以上，NOx排放限值最高加嚴77%，同時天然氣發動機排放中增加了PM和粒子數量(particle number，PN)的限值要求及新增尾氣中NH3的排放限值。因此，必須提升發動機排放控制技術以滿足國六標準的嚴格要求。天然氣發動機各排放階段限值如表1所示。

表1 天然氣發動機各排放階段限值

現階段，天然氣發動機的排放污染物種類、限值及測試方法不僅需滿足國六排放標準要求，還需增強對環境的適應性及滿足整車實際道路排放測試需求。因此，對天然氣發動機排放技術方案分析具有重要的應用價值。

2 污染物排放控制分析

天然氣發動機尾氣中污染物的成分與柴油機基本一致，主要為CO、非甲烷烴(NMHC)、CH4、NOx、NH3以及PM、PN。天然氣發動機具有獨特的燃燒特性，污染物生成方式與柴油機不盡相同，因此其污染物排放控制方式與柴油機亦不相同。

天然氣發動機尾氣中，CO是由燃料未充分燃燒產生的，通過優化發動機燃燒及使用氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)進行處理；HC化合物包括CH4和NMHC，CH4的主要成因是燃料未完全燃燒，NMHC的主要成因是非燃料燃燒，兩者的處理方式與CO的處理方式類似，可以使用DOC進行控制；對于NOx排放的控制，國五階段通常采用的機內凈化技術很難滿足國六排放標準的要求，需要借助機外凈化控制技術對其進行控制； NH3主要由天然氣發動機后處理系統內部發生的副反應產生，可以借助氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst，ASC)或者電子控制標定進行控制。天然氣發動機尾氣中，PM和PN的含量較少，與其在大氣中的含量為同一數量級，一般使用低灰分級機油即可滿足國六排放標準要求[7]。

只靠單一的機內凈化技術達不到國六排放標準的嚴格要求，需要綜合使用天然氣發動機排放控制技術，才能滿足國六排放限值的要求[8]。

3 排放技術方案

天然氣的主要成分是CH4，其化學分子式中H、C原子數量之比為4，是當前燃料中H、C原子數量之比較高的燃料之一。燃料中H、C原子數量之比越高，燃料燃燒氧化產生的化合物中含碳量越低，即可認為是清潔燃料，因此，天然氣是含碳量較低的清潔能源。但天然氣在燃燒做功過程中，其尾氣也會產生污染物，只有將天然氣發動機燃燒產生的污染物進行凈化處理，才能成為真正的清潔能源。

為滿足國六排放標準，柴油機除使用增壓中冷、優化燃燒、電子控制等機內凈化技術外，還采用了DOC-顆粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)-選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)-ASC和廢氣再循環(exhaust gas recirculation，EGR)-DOC-DPF-SCR兩種排放技術方案。由于排放物大部分相同，天燃氣發動機可借鑒使用柴油機的這些成熟的排放控制技術。天然氣發動機在選擇排放技術方案時，需根據發動機空燃比確定后處理技術方案[8]。國五階段，天然氣發動機普遍采用稀薄燃燒-DOC的技術方案，可以有效解決天然氣發動機尾氣中的HC和CO，對于NOx排放則需采用機內凈化技術進行控制。隨著國六排放標準的實施，該技術方案已經無法滿足要求，需要探究能滿足國六排放標準的技術方案。

3.1 稀薄燃燒-DOC-SCR-ASC

當發動機空燃比大于17.2時，稱為稀薄燃燒。稀薄燃燒技術可降低發動機油耗和排放。天然氣發動機采用稀薄燃燒技術時，單純使用機內凈化技術已經無法使NOx排放降至排放限值以下，需要增加SCR進一步降低NOx排放，并且需要配合ASC對使用SCR后發動機尾氣中的NH3進行控制，滿足國六排放的要求。

排放控制技術可最大限度提高天然氣發動機的動力性和經濟性，同時又能獲得較好的排放性能，是柴油發動機中應用最廣泛、技術最成熟、綜合效果最好的技術方案[9]。但該技術方案在天然氣發動機的應用中存在諸多問題：1)根據發動機原排計算，需要天然氣發動機排放后處理系統催化轉化效率保持在90%以上；2)使用該技術后，天然氣發動機排溫比柴油機高且產生大量的H2O，對發動機排放耐久帶來了挑戰；3)在增加SCR系統后，后處理系統以及整車運行成本均增加較多。因此，該技術方案在天然氣發動機中應用較少。

3.2 理論空燃比-三元催化(three way catalytic converter，TWC)-EGR

理論空燃比技術指控制天然氣發動機在所有運行工況下的過量空氣系數為1，即將缸內參與燃燒的新鮮空氣量與天然氣之比控制在17.2左右。在采用理論空燃比技術后，發動機在經濟性、熱負荷、熱效率等方面均劣于稀薄燃燒技術，但是在動力性、后處理使用、排放耐久方面優勢明顯，可以滿足國六甚至更嚴格的排放限值要求。

為降低天然氣發動機采用理論空燃比后帶來的劣勢，提升競爭力，國內開發的滿足國六排放標準的天然氣發動機普遍配備EGR系統。使用EGR系統后，可有效降低天然氣發動機的最高燃燒溫度、關鍵零部件的熱負荷和爆震傾向，降低 NOx排放，同時一定程度上提升發動機的經濟性。國外天然氣發動機普遍不使用EGR系統，所以國外天然氣發動機的功率、扭矩均小于國內相同排量的天然氣發動機[10]。

3.3 天然氣發動機排放技術方案對比

在對當前國內外天然氣發動機主流排放控制技術和滿足國六排放標準的技術調研分析基礎上，以排放控制和發動機經濟性為主要評價指標，兼顧成本、系統復雜度、對未來發動機技術發展的適應性，多維度、多角度、多尺度地建立面向國六排放標準的天然氣發動機排放控制技術方案評價體系[11]，為國六天然氣發動機開發提供參考。國六天然氣發動機與采用稀薄燃燒技術的國五天然氣發動機排放技術方案對比如表2所示。

由表2可知，通過對天然氣發動機常用排放技術方案進行對比，稀燃-DOC-SCR-ASC的技術方案在成本和經濟性方面存在較明顯的劣勢。當前發動機排放標準日益嚴格，理論空燃比-TWC(-EGR)成為當前天然氣發動機的主流技術方案。但是考慮天然氣發動機經濟性，降低熱負荷，可采用當量燃燒方式，實現發動機綜合性能的提升。

表2 國六、國五天然氣發動機排放控制技術方案對比

4 排放測試

4.1 WHTC排放測試

根據文獻[5]要求，天然氣發動機在進行WHTC測試時需要進行冷態循環和熱態循環排放測試，2個循環的測試時間均為1800 s，在冷態和熱態循環之間，發動機進行10 min的浸機工況。天然氣發動機WHTC測試結果由冷態循環和熱態循環測試結果加權構成，權重分別為14%、86%。本文中對采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的某天然氣發動機進行發動機排放測試，其WHTC排放測試結果見表3。

表3 天然氣發動機WHTC排放測試結果

由表3可知，發動機WHTC測試結果可以滿足國六排放限值要求及工程裕度需求。

4.2 整車道路實際排放測試

為有效監控車輛在使用中的實際排放狀況，在國六排放標準中規定了天然氣發動機不僅需要滿足WHTC循環排放限值，還需要滿足整車道路實際排放限值要求。整車道路實際排放測試常用的方法有隧道法、轉轂法、車載道路法(portable emissions measurement system，PEMS)等。PEMS方法操作簡單，因此選擇PEMS方法對整車進行實際道路排放測試。

本文中按照根據文獻[5]要求，對采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的某天然氣N3類非城市牽引車進行道路實際排放測試，測試結果見表4。

表4 天然氣發動機實際道路排放PEMS測試結果 mg/(kW·h)

由表3、4可知，采用理論空燃比-TWC-EGR技術方案的天然氣發動機完全滿足國六排放標準需求。

5 結論

綜合運用天然氣發動機機內排放控制和機外排放凈化技術的天然氣發動機，可以滿足國六排放標準，同時兼顧動力性和經濟性。

1)針對國六天然氣發動機的排放技術方案進行分析對比，得出采用理論空燃比-EGR-TWC技術方案是當前最優排放控制技術方案。

2)對采用理論空燃比-EGR-TWC技術方案的天然氣發動機進行WHTC排放測試和整車實際道路排放測試，兩種測試的相關污染物排放滿足國六排放排放標準要求，表明所選用技術方案切實可行。