柴油—氣體燃料雙燃料發動機歐Ⅵ排放標準研究及國內標準的制定

劉純+樸世文+劉小舫+劉堯武+楊俊

摘 要：本文對聯合國汽車法規ECE R49-06的修正本1（柴油-氣體燃料重型雙燃料發動機和汽車的技術要求）進行解析，詳細介紹了柴油-氣體燃料雙燃料發動機的歐Ⅵ排放標準，包括雙燃料發動機機型劃分、臺架試驗項目、排放限值確定和OBD特殊要求等。分析了國內雙燃料發動機的標準和技術現狀及標準制定進展，最后詳細介紹了已經完成的雙燃料驗證試驗。

關鍵詞：雙燃料發動機；歐六法規；發動機排放；標準制定

中圖分類號：U464.173 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0039-06

Research of Euro VI Emission Standardfor Diesel-gas Dual-fuel Enginesand the Establishment of Domestic Relevant Standard

LIU Chun， PIAO Shi-wen， LIU Xiao-fang， LIU Yao-wu， YANG Jun

（ National Automobile Quality Supervision and TestCenter [Xiangyang]，

Xiangyang441004， China ）

Abstract： In this paper， the United Nations Regulation No.49 Revision 6– Amendment 1 （technical requirements of heavy-duty dual-fuel （HDDF） engines and vehicles） was analyzed. The Euro VI emission regulation of diesel-gas dual-fuel engineswas detailly introduced， including types division of HDDF engines and vehicles， bench test projects， determination of the emission limits and additional OBD requirements etc.. Then this paper analyzed the present standard situation and technical status of the dual-fuel engines in China， the process and progress and the verification tests of the establishment for dual-fuelengines emission standards in our country wasalso detailly introduced.

Key Words： dual-fuel engines； Euro VIregulation； engine emission； standard establishment

，汽車排放已經為各國政府所重視，視其為制約可持續發展的一個重要因素。全球汽車排放法規基本分為兩大體系，即為美國和歐洲體系。而我國汽車法規采用和根據的即是歐洲法規體系。我國現行的車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機和汽車的排放標準GB17691-2005隨著全球汽車保有量越來越大，汽車作為一個流動的污染源[1]是根據歐盟指令88/77/EEC及其修訂版修改制定而成，該歐盟指令即對應歐洲經濟委員會法規ECE R49。

目前，因我國雙燃料相關標準內容較少且陳舊，國內早已經有很多發動機制造商在研發制造雙燃料發動機，管理部門十分重視雙燃料發動機產品和技術，為了管理相關產品的公告申報，曾制定了國三和國四的雙燃料發動機管理辦法，但隨著國五和國六技術的更替，更新和制定相關標準的呼聲日趨強烈。本文首先對ECE R49-06的修正本1[2]進行了解析，其內容為雙燃料發動機和汽車的排放技術要求，接著分析了國內雙燃料發動機發展現狀及標準制定進展，最后詳細介紹了對雙燃料發動機進行的相關驗證試驗。

1 歐盟柴油-氣體燃料雙燃料發動機排放標準解析

1.1 雙燃料發動機類型和要求

雙燃料發動機也叫重型雙燃料發動機（Heavy-Duty Dual-Fuel engine）簡稱HDDF型發動機，其發動機系統設計為可以同時的使用柴油和氣體燃料，兩種燃料單獨地計量，當消耗一定量的一種燃料，相應的另外一種燃料的消耗量會根據操作發生變化。雙燃料發動機的類型定義和要求見表1：

1.2 雙燃料發動機的臺架試驗項目

雙燃料發動機進行第Ⅵ階段型式核準時，采用WHTC、WHSC和WNTE等試驗循環進行臺架試驗測定其排氣污染物，見表2：

1.3 雙燃料發動機的排放限值

雙燃料發動機試驗限值按照ECE R49 Revision 6中的限值要求，見下表3所示，但以下特殊情況除外：

1）HDDF 2A型和HDDF 2B型天然氣雙燃料發動機在雙燃料模式下，其WHTC試驗循環的碳氫化合物排放限值（單位mg/kWh）見圖1，其計算公式見公式（1）：

THCGER = NMHCPI + （ CH4PI×GERWHTC ）

當THCGER ≤ CH4PI，THC限值= THCGER；且不適用于CH4和NMHC的限值。

當THCGER> CH4PI，不適用于THC的限值；但同時適用于NMHCPI和CH4PI的限值。

式中，NMHCPI為點燃式發動機WHTC試驗循環的NMHC排放限值。

CH4PI為點燃式發動機WHTC試驗循環的CH4排放限值。

2）HDDF 2A型和HDDF 2B型發動機在雙燃料模式下，其WHTC試驗循環的PN限值見圖2，其計算公式見公式（2）；

PN limitWHTC = PN limitCI/WHTC + （PN limitPI/WHTC PN limitCI/WHTC）× GERWHTC

式中：PN limitPI/WHTC是點燃式發動機WHTC試驗循環的PM顆粒數限值；

PN limitCI/WHTC是壓燃式發動機WHTC試驗循環的PM顆粒數限值。

1.4 雙燃料發動機和汽車特殊的OBD要求

雙燃料汽車上應提供一個駕駛員可視的指示器，即雙燃料模式指示器，顯示發動機的運行模式（雙燃料模式、柴油模式或服務模式），還應安裝一部雙燃料警報系統，用以在氣體燃料箱即將空時給駕駛員報警。

OBD系統應包含一個計數系統，用以記錄當系統監測到一個氣體燃料供應系統故障時起發動機在故障狀態下連續工作的小時數。該計數器應能記錄30分鐘的運行時間，計數器的間隔時間不應該超過3分鐘。當計數器到達系統允許的最大值，應記錄其計數值，直到滿足使計數器重置歸零的條件。當監測到一個氣體燃料供應故障，計數器應該立即開始從零計數，并且與之對應的診斷故障代碼（DTC）應該確認和激活。如果診斷后，沒有監測到原本激活計數器的故障，或者該故障已經被一個診斷工具或維修軟件刪除，那么計數器應該終止和記下當前值。當服務模式激活的時候，計數器也應該終止和記下當前值。當計數器凍結的時候，如果監測到一個與計數器相關的故障并且服務模式被激活時，計數器應該重置為零，并且重新計數。

1A型和2A型雙燃料發動機，在熱機和啟動時單獨使用柴油，此時服務模式被激活，當冷卻液溫度達到70℃或者該策略起作用15分鐘，服務模式失效。在服務模式下，雙燃料發動機服從操作限制機制，并且暫時免除服從本法規中關于排氣污染物、OBD和NOX的要求。操作限制包括兩種，企業可以選擇其一來設計雙燃料汽車：1）激活服務模式，此時，汽車自動將車速限制為20km/h。2）發動機無法使汽車移動。

2 我國雙燃料發動機發展現狀及標準制定進展

2.1 我國雙燃料發動機標準現狀

目前，國內適用于汽車行業雙燃料發動機的標準只有《QC/T694-2002柴油/壓縮天然氣雙燃料發動機技術條件》。該標準定義了柴油/壓縮天然氣雙燃料發動機為具有柴油和壓縮天然氣（CNG）兩套燃料供給系統，兩套燃料供給系統按預定的配比向氣缸供給燃料、在氣缸內完成混合燃燒的壓燃式發動機。該標準沒有根據氣體燃料替代率來細分發動機類型，而把雙燃料發動機統稱為一種混合燃燒的壓燃式發動機，且對雙燃料發動機的試驗方法和限值等沒有明確規定，顯然該標準已經遠遠不能滿足我國目前雙燃料發動機的開發、認證和檢測等要求。

為了管理雙燃料發動機的公告申報，中機車輛技術服務中心（簡稱中機中心）于2011年10月向工信部提交了《關于柴油-天然氣雙燃料發動機產品《公告》試驗有關要求的報告》汽車產品技術委員會2011年第13號（總第44號）文件。該文件在國內首次提出了柴油-天然氣混合燃燒的工作模式和純柴油工作模式，并且對具有柴油-天然氣混合燃燒工作模式的發動機提出了國三和國四的公告申報管理要求。

2.2 我國雙燃料發動機技術現狀

自2015年1月，我國已經全面執行重型柴油機國4排放標準，而早在2013年1月天然氣發動機就已經執行國5排放標準。目前，順應市場要求和國內外技術趨勢，柴油-氣體燃料雙燃料發動機在我國已有了一定的技術儲備。很多著名高校和研究機構已經和正在進行著大量的雙燃料技術研究工作[3-6]。很多企業也已經開始開發這種適應性強、經濟性好的發動機，也有部分企業已將這種技術路線的發動機應用到市場中去。但各廠家的燃氣替代率、控制模式與燃氣系統結構都不盡相同，試驗方法也不盡相同。

2.3 我國雙燃料發動機標準的制定及其進展

由中機中心提交的汽車產品技術委員會2011年第13號文件，即是我國雙燃料發動機國三和國四的管理辦法。隨著發動機技術的進步，該管理辦法早已不能指導目前國五和國六雙燃料發動機的研發、試驗和申報工作。自2014年初起，國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）發動機室就開始立項進行柴油/氣體雙燃料發動機試驗標準和方法研究。2015年6月，國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）被中國環境保護部環境標準研究所納入《重型汽車污染物排放限值及測量方法（中國六階段）》標準起草單位，負責雙燃料發動機技術要求的編寫工作。2016年5月，根據國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽）研究和起草的國Ⅴ雙燃料發動機試驗標準，中機中心發布了國五雙燃料發動機管理辦法，標志著我國國五重型雙燃料發動機試驗方法正式實施。2016年10月，GB17691-201X發征求意見稿，雙燃料發動機技術要求為其附錄N，標志著我國國六重型雙燃料發動機試驗方法即將有法可依。

3 雙燃料發動機的試驗驗證

國內雙燃料發動機技術呈現出多樣化的狀態，為了驗證國內雙燃料發動機的排放水平，文中選取了典型技術路線的雙燃料發動機進行排放水平驗證試驗。為了驗證不同基準燃料的排放是否存在差異，特選取基準燃料G25和G23分別對同一臺發動機（某8.9L排量的進氣道預混合天然氣發動機）進行了排放驗證，針對排氣污染物非甲烷碳氫和氮氧化合物進行了分析和比較。并完成和實現雙燃料發動機OBD特殊要求的演示。

3.1 目前國內雙燃料發動機排放水平的驗證

目前國內的典型雙燃料技術路線主要包括兩種，第一種為高壓缸內直噴型雙燃料發動機（HPDI），第二種為進氣道預混合型雙燃料發動機（MPI），后者是目前國內主流雙燃料發動機技術。

論文分別從兩種典型技術路線中選取一個廠家的典型雙燃料發動機進行排放水平驗證試驗。下圖3為東風商用車某款11L排量2型雙燃料發動機，技術路線為MPI，額定功率283kW。下圖4為濰柴西港某款9.7L排量1A型雙燃料發動機，技術路線為HPDI，額定功率247kW。

分別對樣機1、樣機2進行ESC和ETC排放試驗，其試驗結果見下表4和表5。

結果表明，選取的兩款試驗樣機分別只可以達到國Ⅳ和國Ⅴ排放水平，而從目前國內的雙燃料技術條件看，目前國內無滿足歐6階段的雙燃料發動機。

3.2 基準燃料的驗證試驗

論文分別選取了兩款基準燃料G25和G23分別對同一臺發動機（某8.9L排量的進氣道預混合天然氣發動機）進行了ETC排放驗證。目的是驗證不同的基準燃料是否對排放結果產生影響。經分析試驗數據，特別對影響較為明顯的非甲烷碳氫和氮氧化合物進行分析比較，其結果見表6所示：

結果表明：即使是同一發動機，用不同的基準燃料做試驗，其排放結果也存在差異。

3.3 OBD特殊項目的演示試驗

因雙燃料發動機OBD試驗有特殊的要求，特專門對OBD的特殊演示項目進行了驗證。本文從四個方面對雙燃料發動機的特殊要求進行了驗證。

1）服務模式的演示

通過演示A型雙燃料發動機，當燃料箱空時，工作模式指示器（該指示器在發動機上有連接接口）上看到服務模式激活，并顯示為服務模式

2）操作限制的演示

在發動機上演示燃料箱空時，工作模式先切換到服務模式（工作模式指示器顯示為服務模式），過30分鐘后操作限制激活，操作限制指示燈閃爍

3）雙燃料工作模式指示器的演示

通過演示B型雙燃料發動機，當切換柴油模式或雙燃料模式時，工作模式指示器上看到顯示為相應的工作模式。

4）雙燃料報警系統的演示

通過演示，當燃料即將耗盡時，燃料報警指示燈持續閃爍。當加注燃料后，燃料報警指示燈熄滅。

因目前國內沒有國六的雙燃料發動機，我們在現階段雙燃料發動機上已經完成和實現了除計數器相關內容外的所有六階段雙燃料OBD特殊驗證項目。

4 結束語

從雙燃料發動機歐六的排放法規可以看到，歐六的排放比以往更嚴格，而針對雙燃料發動機的燃氣替代率不同，雙燃料發動機的類型也不同，并且對于替代率在10%～90%之間的2型NG雙燃料發動機其碳氫化合物和顆粒物的排放限值也不僅僅采用單一固定值，而是需要根據替代率計算限值，這樣使得雙燃料發動機的排放認證更加縝密和科學。A型雙燃料發動機因沒有柴油模式，增加了服務模式，使得發動機在熱機和啟動時、氣體燃料供給系統故障時、異常的氣體燃料消耗時和氣體燃料耗盡時，可以切換到服務模式，保證車輛能順利駛出主要交通道路，不僅保證了A型雙燃料汽車的安全性，而且體現了機型劃分的人性化和合理性。

總體而言，柴油-氣體燃料雙燃料發動機歐六法規給我們展示了雙燃料發動機的法規方向。由于雙燃料發動機的技術成熟度和國情不同，我國相關標準的制定既要與國際先進水平同步，又要適應中國國情，與我國汽車產業的發展想協調，我國雙燃料排放標準制定遇到很多困難和問題，如：適合我國國情的雙燃料發動機機型的劃分，雙燃料發動機排放計算及限值、雙燃料發動機使用在城市車輛上的應用及WHTC排放限值確定等問題。這些問題都與我國的實際情況和標準的可執行性息息相關。最終這些難題都被一一攻克，目前國五雙燃料發動機管理辦法已經在中機中心實施，國六雙燃料技術要求也已經在17691-201X征求意見稿中發布。

參考文獻：

[1]國家環境保護總局.國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 17691-2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機和汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）[S].北京：中國環境出版社， 2005-05-30.

[2]ECE.Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines and positive ignition engines for use in vehicles. Regulation No. 49. Revision 6 - Amendment 1 [S].ECE， 2013-8-6.

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