燃气发动机低NOX排放技术路线研究

王文霞 查小辉 滑文山 石超 徐礼英

摘要：为实现低NOX排放，需对传统的发动机进行技术改进与硬件升级。CARB（加州空气资源委员会）联合SwRI（美国西南研究院）对燃气发动机进行了一些调查和研究，展示了能够将NOX排放限制在0.02g/bhp-hr的系统[1-4]。同时采用不同的测试循环来检测氨（NH3）、甲烷（CH4）、一氧化碳和碳氢化合物的排放。本文主要采用后处理系统快速启动和优化空燃比控制的方式减少NOX的排放。具体实现采用适配的后处理催化器、高精度控制的发动机零部件及高鲁棒性的稳态和瞬态标定数据等。

Abstract： In order to achieve lower NOX emission， technical changes and hardware upgrades may be added to traditional engines. CARB（California Air Resources Board） associated SwRI has done some investigation and research on Nature Gas engine， demonstrating systems capable of the target NOX emissions limit of .02 g/bhp-hr[1-4]. Different test cycles were used to detect ammonia （NH3）， methane （CH4）， carbon monoxide and hydrocarbon emissions.there are mainly two functions for NOX reduction， lighting off the after-treatment quickly to achieve high efficiency and optimizing air-fuel ratio control. To achieve that， other options are identified - a suitable slice of aftertreatment catalysts， useful engine components to make air-fuel ratio （AFR） control well， highly robustness of steady state and transient calibration data， and so on.

关键词：燃气发动机;低NOX排放;技术路线

Key words： natural gas engine;low NOX emission;technologies and methods

中图分类号：TK431                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0007-04

0  引言

隨着大气污染问题的日益突出，世界各国都在寻找减少污染物排放的方法。重型车辆的排放以NOX和PM[5]为主，未来需要加强对降NOX的技术研究工作以应对更严格的排放标准。

SwRI的研究项目使用2012年康明斯-西港ISX12-G发动机进行超低氮氧化物及其他污染物的排放测试，该发动机已验证达到美国2010排放标准。他们根据FTP工况，RMC-SET工况，WHTC工况以及其他专业工况以制定基准和更新发动机测试条件。除了软件和硬件的更新，他们还尝试做稳态以及瞬态发动机标定，最终论证结果表明，康明斯-西港公司的ISX12-G型发动机在FTP和RMC-SET工况循环下能满足0.02g/hp-hrNOX排放标准，在以上三个工况循环下，可以满足接近零NOX和零NMHC排放标准。加州大学进行了一项关于接近零NOX排放的ISLG燃气发动机的评价研究[6];加州能源委员会的能源研发部门开发了一款“ISX12N”发动机已于2018年2月投入商业生产以实现超低排放，使用了改进的三元催化器、封闭曲轴箱通风系统和优化的发动机控制系统[7]。阿凯提斯动力公司（Achates Power）目前正致力于高精度对置活塞发动机的测试和开发，通过迅速提高发动机输出温升以实现超低NOX排放[8-9]。本文基于上述研究成果和报告，从发动机部件升级和数据标定两方面进行总结，以期可以为下一代燃气发动机的开发提供一些可借鉴的技术指导。

1  发动机部件升级

1.1 快速起燃催化器

减少后处理催化器起燃时间的措施通常是对排气系统进行处理，包括启动和关闭发动机阶段，旨在保留排气中的热量，防止损失到大气中。MECA成员提出了几种不同的排气隔热技术，包括废气再循环系统、从发动机排气口到后处理入口安装排气隔热传输管、采用装有三元催化器罐体的排气隔热管等。尽管每个方法对整个系统只有很小的贡献，但是它们可以同时提高系统效率。

除了上述被动的热量保持，也可以向废气中增加热量以加速催化器的起燃，包括使用电加热和化学加热（燃料反应），加热器可以安装在需要加热的器件附件中。图1为一种电加热催化器内部效果图，图2为原理图。

电子加热系统具有更高的灵活性，因其接通后能更快的产生热量。而化学加热方式采用的微型燃烧器虽然能够高效的为排气系统增加热量，但需要一个助燃空气的补充源，在结构上较为复杂。

1.2 优化催化器配置

传统的燃气发动机使用三元催化器（TWC）来保证当前法规排放要求，然而，为了实现超低NOX排放，单靠一种三元催化器配置是不够的。三个MECA（制造商排放控制协会）团队提供了先进的后处理技术和四套不同配置和结构的三元催化器样品用于试验研究。SwRI通过对比各个样品的性能结果，分析冷启动和热启动循环的排放趋势，总结出这四种催化器的优缺点，对配置进行重组优化。最终定制的催化器结构如图3所示，采用一种紧密耦合催化器加底盘式催化器组合的方式，上游催化器负责碳氢化合物的氧化，下游催化器负责减少氮氧化物。

1.3 高能点火系统

为了实现发动机低NOX排放，需提高发动机的EGR率，但高EGR率容易造成点火困难。为确保在整个发动机运行过程中稳定燃烧，并平衡在高EGR水平下产生的缸内温度的降低（NOX排放需要），采用高能点火系统。

1.4 封闭式曲轴箱通风系统

封闭式曲轴箱通风系统（CCV）的添加是为了减少燃油损耗，同时减少了发动机悬浮微粒和碳氢化合物的排放。

1.5 EGR混合器及反馈系统

为了在瞬态运行过程中实现精确的空燃比控制，需要准确计算空气量、燃气量和EGR气体质量流量。进气系统所采用的方案为在节流阀下游添加了一个升级的EGR混合器，以确保气体混合均匀性，如图4所示。EGR混合器采用文丘里结构，并安装有差压传感器、温度传感器、压力传感器，实现了EGR流量的精准测量。另外，混合器上还安装有氧传感器以精确的测量废气中的氧浓度，通过控制算法来计算得到EGR率。

1.6 增压再循环阀

在快速启动和瞬态工况下，过量的空气进入到燃烧室会导致混合气过度稀释。为了克服这个问题，在增压中冷之后，节流阀之前，添加增压气体的再循环阀。这些过量的空气会重新回到压缩机之中。增压再循环阀的原理图如图5所示。增压器安装有电控放气阀，用于精准控制发动机在稳态以及瞬态工况下增压压力。

1.7 燃油连续流量阀

与传统燃气喷射阀不同，连续流量阀（CFV）允许在不考虑压力变化的情况下保持一致的流量和燃油计量，并提高燃油计量精度。因此SwRI在燃料供给系统采用连续流阀进行燃气的控制。

2  发动机标定

2.1 稳态发动机标定

稳态工况下的发动机标定内容包括容积效率、点火正时、空燃比、EGR率和节气门进气压力等，以匹配发动机的基准性能。

①容积效率（VE）。容积效率表的数据从发动机台架基准测试中获取，ECU根据冷却液温度、进气温度、节气门开度以及气缸壁温度，进行了几项容积效率修正。上述所有标定都是稳态工况下进行修正，基于发动机负载参数的修正在发动机瞬态标定部分体现。

②点火正时。点火正时是利用缸内压力传感器确定的，并对所有六个缸的燃烧时间进行了优化。点火正时被设定为在上止点（TDC）的8-12曲轴转角度处燃烧质量分数为50% （CA50），或在发动机绝大部分工作区设置为临界爆震的点火提前角位置（KLSA），但在发动机怠速运行时，需延迟点火使得催化器保持在一定温度。标定两张点火正时脉谱图，一张是最小允许EGR（除了高速和高负荷外为零），另一张是标准EGR。点火正时根据两张表之间采用内插值推算得到，以便点火正时根据EGR率、转速和负载进行优化。

③空燃比。使用位于催化器上游的氧传感器在稳态下校准空气燃料比，该氧传感器用于ECU的空燃比测量反馈。研究者通过两种方法确定了不同转速和负载下合适的当量比。第一种使用Horiba Mexa 7200D稀释气体排放试验台进行催化器后采样，调整当量比，直到CO和NOX排放均接近于零。第二种方案是在催化器后安装开关传感器，调整当量比直到后氧开关传感器读取的电压为0.7V。速状态下的当量比偏大，有助于降低瞬态排放，并在长时间怠速状态下保持低NOX。

④EGR率。为了提高EGR率，在节流阀未完全打开的情况下，关闭排气阀使得EGR回路和进气流之间的压差更大，从而获得更高的EGR率。为了使催化器在较长的怠速期间保持较高的温度，在怠速时关闭EGR阀。EGR是基于发动机冷却液温度进行数据调整的，当冷却液温度小于43℃时不使用EGR，而当冷却液温度高于71℃时使用标准EGR率，两者之间采用线性插值计算得到。

2.2 瞬态发动机标定

①气流的精准计算。在瞬态工况下的排放比在稳态下的排放更难标定，需将燃料流量与气流精确匹配。为了匹配燃料流量，必须精确计算燃气喷射时的空气流量。需要发动机转速、歧管压力、歧管温度和此时的容积效率采用速度密度计算燃气流量，但以下两个瞬态现象会影响计算结果：1）瞬态运行过程中容积效率的变化;2）发动机进气门和燃气喷射点之间的歧管容积的填充和排空。

因此，瞬态标定需要动态考虑容积效率和进气量的准确性。如前述第2部分发动机部件升级所述，SwRI在系统中使用CFV供应燃料，当节流阀打开时，燃气阀处的质量流量包括进入发动机的流量和充满歧管的流量，如图6所示。如果填充歧管的流量没有计算进去，那么燃料流量过低导致混合气过稀。

进气总流量为燃气喷射点（即CFV位置）和进气阀之间的总容积。为了计算精确，对进气歧管体积、EGR混合器、燃气管、进气口体积以及任何额外体积进行了物理测量，并将其输入到ECU软件中。在瞬态燃气量计算过程中，CFV与空燃-egr混合器之间的体积是一个关键变量，很小的误差都会对瞬态喷气产生很大的影响。所以这部分体积的计算需要做迭代直到燃气量的计算准确性在急踩油门/缓踩油门变化的条件下都可接受为止。

②容积效率（VE）瞬态修正。缸壁温度影响容积效率，随着缸壁的冷却，密度更大的空气进入缸体。因为空气密度更大，空气的质量比需求的要高，导致混合气稀薄。康明斯-西港ISX 12g发动机上使用的E-Controls ECU提供了三种不同的缸壁温度修正。将单点修正值应用于所有工况;急踩油门/缓踩油门不同工况下基于发动机转速的一维修正;基于发动机进气歧管压力（MAP）和發动机转速的二维修正。发动机在不同转速和负载的工况下运行以确定最优的燃料修正。数据结果表明，从怠速状态下的急踩油门所需的燃油消耗量要大于在高转速下的急踩油门（因低转速下缸壁温度过低）的燃油消耗量。容积效率修正取决于发动机的三个主要属性：发动机转速、负荷和冷却液温度。在启动过程中采用开环启动过程中的简单加浓混合气来实现快速启动需求。

容積效率修正值计算所使用的所有变量均被ECU软件记录并提供一个长效的容积效率修正。类似于ECU中的典型瞬态燃料校准表，此容积效率修正值取决于于发动机试验，通过发动机冷却液温度计算一系列的修正值。容积效率修正值也取决于发动机的最大功率以及在急踩油门和缓踩油门时发动机的加速/减速时间常数。由于热量传递是影响修正的关键因素，所以该修正在冷启动FTP循环要优于热启动FTP循环。图7与图8展示了长效VE修正在重型FTP的冷启动与热启动示例。VE修正同样应用于WHTC循环中，修正效果与FTP趋势一致。

③燃气喷射反馈控制。在发动机的稳态工况与某些瞬态工况中ECU利用反馈控制来计算燃气喷射量。只要是瞬态工况的时间长于发动机反馈的传输延迟时间，就采用反馈燃气喷射。当发动机热启动时，发动机开环喷气的区域很小，催化器前的宽域氧传感器不需要很长时间来加热，通常在第一次加速的中间阶段，发动机进入闭环控制。

传输延迟是由进气路径上从燃气喷射点到空气燃气及EGR废气混合再到燃烧后的宽域氧传感器的采集点有物理延迟造成的。为了将传输延时减少到最小以实现燃气喷射闭环控制，提高对瞬态工况的响应，氧传感器应安装在尽量靠近涡轮增压器出口的位置，这样安装也使氧传感器在冷启动时可以更早的开始工作。因为宽域氧传感器在正常工作前必须预热，离涡轮增压器的出口越近，就能越快进行预热，也就能越早的进入到燃气喷射的闭环调节。

ECU的燃气喷射修正值使用基于发动机转速和负载所得到的对修正值形成自适应表，该表适用于发动机的大部分工况。然而，自适应表只在发动机处于氧闭环控制时更新，此时发动机处于热闭环状态。当发动机重新启动进入下一个循环时，这种自适应修正是错误的，需要重新进行更新（这段时间内不进行修正）。

④催化器监测标定。催化器的选择已经在前面的催化器配置章节中进行了描述。最终的催化器配置如图3所示，MECA团队优化了发动机的标定，得到了如表1所示的排放结果。

在后处理配置中，上游紧密耦合的三元催化器负责快起燃和启动过程中的NOX降低，底盘式催化器体积较大，主要负责甲烷和碳氢化合物的氧化。计算的重点应该是更快起燃以及冷启动和热启动优化。用于小型汽油机TWC催化器监测的储氧量计算和控制方法适用于燃气发动机，但需要基于燃气发动机的配置参数进行重新标定。

标定不能单一追求排放的降低，还需要平衡NOX的排放与燃油消耗的关系，实现最大的NOX减少量和最小的燃油消耗增加量。目前研究工作主要是针对当前系统，持续优化冷启动的排放控制以及后处理的预热控制，在预热系统工作期间，使整个后处理系统的NOX降低率高达99%以上。

3  总结

综上，各个机构的研究数据表明，通过对发动机部件结构进行升级，搭配高效、快速起燃的三元催化器，并优化空燃比控制，重型天然气发动机在实现超低NOX排放的同时，其他污染物也保持在较低水平。

参考文献：

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