重型增壓天然氣發動機國五排放優化的試驗研究

楊曉力，張志雷

(1.湖南長豐動力有限責任公司，湖南 長沙 410100；2.Woodward控制器(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215300)

隨著環境污染和能源危機的加劇，控制和解決大中城市機動車排放污染[1-2]已經是一個常抓不懈的課題，同時也推動了車用動力朝著超低排放的目標發展。天然氣汽車動力以其排放清潔、經濟適用、性價比突出[3]等特點，在全世界范圍內已得到廣泛應用。

采用電控噴射與空燃比閉環控制的發動機控制系統大量應用于城市公交車、卡車、工程車輛用動力等領域，已經成為解決環境污染與能源供給緊張問題的有效手段。隨著車用動力相關排放標準的升級，大量的道路用國四發動機需要升級到國五、國六排放標準。眾多發動機制造商在尾氣(NOx，THC，CO)處理時多采用SCR與催化轉化器相結合的技術路線，采用該技術手段會增加產品成本，尤其是SCR系統占用了一大部分整機成本，降低了產品性價比。

1 國五排放進展

目前，針對天然氣發動機升級國五排放的主要技術方案是稀薄燃燒+SCR+氧化型后處理(DOC)+電控閉環控制系統。采用這種技術方案能夠使發動機達到國五甚至國六的排放標準，動力性良好，發動機排溫不會太高[4]，缺點在于SCR控制系統復雜，造價較高，需要定期維護。從產品應用的角度來考慮，發動機廠商希望降低后處理的成本來提高自身的優勢與性價比。省去SCR系統能夠大大降低后處理部分的費用，但這無疑給工程師提出了新的挑戰：有效地控制缸內燃燒產物中的NOx排放物濃度，省去SCR系統帶來的成本與缺點。

此外，車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)規定道路用氣體發動機達到國五排放要求需要通過ETC(European transient cycle,瞬態循環)試驗，但實際調研時發現ETC試驗車型式核準試驗工況存在缺陷，由于城市公交車(或城市車輛)的低溫、低速工況不具備代表性，使得企業開發機型時基本沒有考慮低速、低負荷的城市工況，后處理SCR系統工作溫度低引起NOx轉化效率低下，導致城市車輛實際運行時的NOx排放超標。所以，增加了針對城市道路車輛用低溫低速工況的WHTC(World Harmonized Transient Cycle，全球統一瞬態循環)試驗循環[5](見圖1)，并規定了型式認證試驗中各排放物的限值(見表1)。

對于采用稀薄燃燒與空燃比閉環控制系統的天然氣發動機，空燃比與各排放物之間的關系(見圖2)。

表1 國Ⅴ排放認證試驗的污染物限值

圖1 WHTC試驗循環

圖2 過量空氣系數與污染物比排放值的關系

NOx比排放量先隨過量空氣系數的增大而增大，在過量空氣系數等于1.2左右達到最大值，在過量空氣系數等于1.6左右時最低[6]，同時HC和CO的比排放值逐漸增大，所以可采用氧化催化裝置(DOC)來處理HC和CO氣體。此外，采用稀薄燃燒的天然氣發動機需要優化控制點火提前角、點火能量和空燃比修正來保證缸內燃燒穩定，本研究基于上述幾個調整變量進行國五排放試驗研究。

2 試驗系統與條件

2.1 發動機配置與技術指標

KSPN12C5天然氣發動機是在KSPD12C4柴油機的基礎上，采用電控多點順序噴射系統、電子節氣門、電控廢氣旁通閥、寬域線性氧傳感器閉環的控制方式升級而來。另外，設計了帶倒流凸臺的進氣總成(見圖3)，能夠使各缸進氣在發動機低速低負荷工況下獲得較好的一致性，同時保證在不同工況下的快速響應與均勻性。KSPN12C5發動機參數見表2，多點電控噴射控制系統見圖4。

圖3 進氣總管導流凸臺

表2 發動機的主要技術指標

圖4 天然氣發動機多點電控噴射控制系統

該發動機采用ECM-OH6多點電控噴射控制系統，主要包括電控單元(ECM-OH)、電控節流閥體、燃氣預處理裝置、電控WGCV閥、寬域線性氧傳感器等各種傳感器。電控系統采集、處理由傳感器得到的各種發動機工況運行信號，并通過中央處理器運算，確定發動機在不同轉速、負荷、溫度等工況下的天然氣噴射量。同時，根據點火正時以及機油溫度、水溫、缸內有效壓力修正，確定各缸點火時刻從而實現準確點火。為了保證發動機在最優過量空氣系數下運行，ECM-OH根據氧傳感器信號、進氣溫度、WGCV閥開度、節氣門開度、設定增壓壓力、缸套修正、冷卻液修正溫度及天然氣溫度、壓力等信號實時修正天然氣的噴射量，發送給執行模塊，實現燃氣多點順序噴射。

2.2 主要試驗設備

排放優化試驗對設備精度要求較高，要求能夠實時地反映穩態工況與瞬態工況的測試結果，本次試驗的主要設備有S22-4/0934-1BS-1低慣量電力測功機，AMA i60 R1D1排氣分析系統，PSS i60顆粒采集系統，AVL7351CST油耗儀，Sensy Flow P空氣流量計。

3 優化策略對排放結果的影響

為了有效地控制排放物中的NOx濃度，利用Woodward Toolkit 4.5標定軟件，基于臺架標定數據，圍繞改善缸內燃燒效果和優化瞬態燃氣噴射兩個方向進行優化。按影響因素的重要度，從點火提前角、電控廢氣閥開度、點火能量和空燃比控制4個方面展開試驗研究。

3.1 點火提前角

NOx主要是在高溫以及富氧的情況下燃燒生成，隨著點火提前角加大，最高燃燒壓力提高，燃燒放熱率高，燃燒速度快，最高燃燒溫度迅速提高，造成NOx排放急劇增加。推遲點火時間能夠最大限度降低燃燒室內的最高燃燒溫度，調整預燃期的時間，從而達到抑制NOx生成的目的[7-8]。減小點火提前角有利于降低NOx濃度，但點火效率的下降同時會帶來發動機扭矩下降和排氣溫度過高的問題。扭矩下降可以通過調整空燃比、增壓壓力和充量系數進行平衡，優化過程中還需同時關注排氣溫度的變化。

由于ETC試驗與WHTC試驗均屬于瞬態工況試驗，為了確保高效地實現工程目標，選取工況循環中一段來監測排放物濃度和發動機排溫。圖5示出WHTC試驗循環中不同點火提前角下的NOx實測濃度，圖6示出WHTC試驗循環中不同點火提前角下的排氣溫度。

圖5 不同點火提前角下的NOx實測濃度

圖6 不同點火提前角下的排氣溫度

從試驗結果可以看出，隨著點火提前角的不斷減小，NOx污染物濃度下降的幅度越來越小，從32°BTDC到26°BTDC調整過程中降幅最為明顯，NOx污染物濃度下降可達300×10-6，但是排氣溫度上升較快。點火提前角為22°BTDC和20°BTDC時的NOx污染物濃度差異不大，排溫也比較接近，所以點火提前角整體優化到臺架基礎數據的65%～70%較為合適，此時的排溫仍然低于575 ℃。

3.2 電控廢氣閥開度

瞬態工況下，負荷變化需求從零負荷到全負荷調整，從而節氣門開度調整幅度很大，通常會出現實際增壓壓力大于目標增壓壓力的現象，發動機的實測扭矩偏大，即使電控WGCV閥開度接近100%全開狀態，依然不能使實際壓力與設定的目標壓力接近，工程上稱這一現象為過增壓。當發動機從全負荷向低負荷調整時，又會出現WGCV閥開度調整過度，使得實際增壓壓力低于目標增壓壓力的現象，并且不能及時回調，稱之為欠增壓。

ETC試驗循環中存在大量的變工況，調節時間小于1 s。雖然電控噴射系統的響應時間可以達到毫秒級，但傳遞到WGCV(電控廢氣旁通閥)閥桿動作的時間遠遠大于毫秒級。過增壓會帶來過于充分的燃燒與高溫，減小過增壓現象能夠大大降低排放物中NOx排放體積分數。瞬態工況時需要良好的WGCV開度與VBoost MAP(目標增壓壓力)相配合，避免出現過增壓與欠增壓的現象。在保證發動機扭矩和排溫基本一致的情況下，通過選取不同的WGCV開度與增壓壓力的組合來獲得較低的排放。

從圖7可以看出，1 400 r/min工況下的NOx實測排放體積分數隨著增壓壓力的升高和WGCV開度的減小而不斷降低，WGCV開度為50%，目標增壓壓力為250 kPa時的NOx排放體積分數最大值僅為120×10-6，而WGCV開度為90%，目標增壓壓力為230 kPa時的NOx排放體積分數最大值可達378×10-6，前者不到后者數值的1/3。1 700 r/min工況下NOx實測排放體積分數的變化規律與1 400 r/min工況相似(見圖8)。所以，對于瞬態工況的標定數據優化，應該朝著WGCV閥處于滿量程的50%左右，增壓壓力偏大的方向調整。

圖7 1 400 r/min工況下的NOx實測濃度

圖8 1 700 r/min工況下的NOx實測濃度

3.3 點火能量

對于稀燃式發動機來說，發動機各缸的不均勻性與不穩定性要比柴油機更加明顯，尤其在怠速工況與瞬態工況。增加點火能量能夠優化燃燒過程，減少預燃期，調整滯燃期時間，從而減少NOx的排放[9]。此次試驗中點火能量的基礎值按照滿足發動機臺架性能目標設定，不同轉速下的修正數值不同，為了研究調整點火能量值對降低排放物濃度的作用，點火能量值在原臺架數據修正值的基礎上同時乘以不同的系數，圖9與圖10分別示出不同的點火能量系數下的NOx排放物濃度和排氣溫度。

圖9 不同點火能量系數下的NOx實測濃度

圖10 不同點火能量系數下的排氣溫度

由上圖可知，隨著點火能量系數的不斷增加，瞬態變化過程中的NOx濃度不斷降低，從最初的138×10-6下降到50×10-6左右，降幅可達60%。同時，點火能量系數為1.050和1.075兩種不同的狀態下，NOx濃度幾乎相同，并沒有出現進一步的下降。圖10示出不同點火能量系數下的排氣溫度，點火能量系數為1.075時的排氣溫度最高，而點火能量系數為1.050時的排氣溫度最低，說明此時的優化系數處于局部最優范圍。綜合考慮排溫和NOx濃度結果，點火能量系數應該優化為基礎值的105%。

3.4 精確空燃比控制

瞬態試驗循環中包含了較多的劇烈工況，實時監測尾氣濃度的時候會發現在劇烈變工況過后NOx濃度出現了尖峰，其數值往往是其他工況的幾倍甚至更多，因此，有效地控制變工況中空燃比加濃與減稀，能進一步獲得更低的排放結果。更加精準的燃氣噴射控制能夠提高瞬態工況下的燃氣噴射跟隨性，本研究通過精細調整加濃與減稀過程的空燃比來優化排放結果，為保證控制參數的單一性原則和實際工作量，采用加濃與減稀系數同步的方式進行優化。

從圖11可知，隨著加濃與減稀系數的增加，NOx濃度進一步下降，但是下降的幅度并不明顯，并且出現鋸齒現象，說明過多提高加濃與減稀系數會出現局部的燃燒不穩定或者異常現象，需要綜合排溫變化來進一步確定合適的數值。從圖12可知，0.02/s的調整系數下排溫最高，最大值可達595 ℃，而0.01/s的調整系數下排溫最低，最大值不超過585 ℃，其他兩種調整系數下排溫居中。綜合排溫與NOx濃度變化規律，空燃比加濃與減稀修正系數可以選擇0.04/s，修正幅度為基礎值的104%。

圖11 不同調整系數下的NOx實測濃度

圖12 不同調整系數下的排氣溫度

3.5 優化結果

經過對基礎數據的合理優化與調整，ETC試驗的結果表明該機型的尾氣NOx污染物濃度大幅度下降。同一試驗循環時刻的污染物濃度最大值從最初的700×10-6下降到35×10-6左右，NOx比排放量遠小于2.0 g/(kW·h)的限值；排氣溫度最大值從最初的540 ℃上升到585 ℃，依然處于增壓器蝸殼穩定耐溫范圍以下。由此證明本研究中使用的優化手段是合理有效的，最終的ETC和WHTC試驗循環測試結果見表3，各階段采取優化策略后的結果見表4，同時得出了不同優化參數對降低NOx比排放值的占比和規律。

表3 ETC和WHTC試驗循環結果(2次)

表4 各階段優化測試結果

4 結論

a) 試驗結果表明，采用的優化策略與調整方向是合理有效的，優化點火提前角、電控廢氣閥開度、點火能量和精確空燃比控制能夠極大的降低NOx排放物濃度，同時有效地控制排溫；

b) 隨著點火提前角的逐步降低，NOx濃度的宏觀特性表現為濃度逐漸下降，排溫逐漸升高，優化數據的幅度應該控制在基礎值的65%～70%；

c) 電控廢氣閥開度應該與發動機最大增壓壓力相匹配，開度為最大行程的50%時對瞬態工況的響應較好,且最有助于降低尾氣中NOx濃度；

d) 隨著點火能量系數的增加，NOx濃度呈不斷降低的趨勢，綜合考慮排溫和NOx濃度結果，點火能量系數應該優化為基礎值的105%;

e) 優化加濃與減稀過程的空燃比修正系數能夠增強實際空燃比動態跟隨性，優化局部燃燒，降低污染物濃度。