國六重型天然氣車排放控制策略分析

薛黎明　彭德文　江濤　李義敏

摘 要：隨著石油能源日益枯竭和排放法規的日趨嚴格，天然氣作為一種儲量豐富且清潔高效的能源越來越受到汽車行業的重視。本文概述了重型天然氣車污染物排放特征，重點分析和討論了兩條滿足國六標準的排放控制策略，這對重型天然氣車的開發與排放控制具有重要意義。

關鍵詞：重型天然氣車 國六排放標準 稀燃 當量燃燒 排放控制

1 前言

汽車在推動人類工業化快速發展的同時，也消耗著大量不可再生的石油資源，產生大量CO、NOx、HC、顆粒物（PM）等有害物排放，造成了日益嚴峻的能源與環境問題。在日趨嚴厲的環保法規要求下，世界各國都越來越重視新能源在重型汽車領域的應用。其中，天然氣由于探明儲量豐富、易于開采、價格相對低廉、燃燒排放污染物少等優點，被認為是當今最具競爭力的重型車代用燃料。目前，我國已經頒布了第六階段排放標準，相比于國五標準，國六標準對重型車排放測試方法的要求更加嚴格，污染物排放限值大幅降低。因此，研究國六階段重型天然氣車排放控制策略具有重要意義。本文概述了重型天然氣車污染物排放特征，對滿足國六標準的兩條排放控制策略進行了分析和探討。

2 污染物排放特征

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），燃燒后的廢氣成分主要有二氧化碳（CO2）、水蒸汽（H2O）、碳氫化合物（HC）、一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）等。在所有這些排放物中，會造成環境污染的主要是HC、CO和NOx，控制的難點是HC和NOx排放。

天然氣車排放的HC主要為未燃燒的甲烷（CH4）和非甲烷總烴（NMHC）。CH4對人體基本無害，但CH4是一種溫室氣體，以單位分子數而言，其溫室效應比二氧化碳大25倍。大氣中的NMHC超過一定濃度，除直接對人體有害外，在一定條件下會產生光化學煙霧，對環境和人類造成危害。HC排放的主要原因有掃氣損失、冷激效率、狹隙損失、燃燒不完全損失等[1]。天然氣作為輕質燃料，易快速與空氣混合形成均勻混合氣，因此燃燒更為均勻、徹底，與柴油車相比，天然氣車HC排放可減少90%以上。

排放的NOx一般包括一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），其中90%以上為NO。NO是無色無味的有毒性氣體，進入空氣后會氧化成具有強烈刺激作用的棕紅色NO2，同時NO2還是形成酸雨的成因之一。NOx的生成由高溫、富氧、持續時間決定，天然氣發動機大多采用稀薄燃燒或當量燃燒+EGR模式，燃燒速率較慢，燃燒溫度較低，因此NOx排放也明顯較低。

CO2是主要的溫室氣體，但目前在我國排放法規中還未作為排放污染物進行限制。CO是一種對血液與神經系統毒性很強的污染物，是HC燃料燃燒過程的中間產物。因天然氣主要成分CH4的碳氫比較高，因此其燃燒產生的CO、CO2排放較低。在車輛加速過程中，為提供響應速度一般會加濃混合氣，此時會導致CO排放增多。

在顆粒物（PM）排放方面，因CH4幾乎沒有碳鏈結構，且可以在較短時間內與空氣混合，不利于達到高溫缺氧的條件，因此其燃燒過程幾乎不產生碳煙排放。同時天然氣中不含如苯之類的芳香族化合物，同時硫含量也極低，因此天然氣車顆粒物排放要明顯低于柴油車。但是，機油的消耗對天然氣車顆粒物排放有一定的影響。

為更好地控制重型車排放，2018年6月22日，GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》頒布實施。國六標準中，對于天然氣發動機排放，NMHC、CH4和NOx排放限值分別降低了71%、55%和77%，同時新增了NH3、PM和PN排放限值。對于重型天然氣車整車排放，NOx排放限值降低了83%。重型天然氣車主流的后處理技術包括氧化型催化器（MOC）、三元催化器（TWC）、廢氣再循環（EGR）、選擇性催化還原（SCR）等，根據發動機類型的不同，目前主要有兩條滿足國六標準的排放控制策略。

3 稀薄燃燒+MOC+SCR

3.1 稀薄燃燒

稀薄燃燒是指參于燃燒的混合氣濃度小于理論空燃比的燃燒方式，與柴油機類似。稀薄燃燒主要優勢在于：1）過量空氣系數較大，可以促進天然氣完全燃燒;燃燒溫度較低，傳熱損失較小，缸內爆震傾向較低，可以采用更高的壓縮比，因此熱效率和經濟性較好。2）燃燒溫度較低，對NOx生成有抑制作用，通過不斷拓展稀燃極限，在不安裝后處理裝置時可實現較低的NOx排放。3）燃燒溫度低，熱負荷較小，提高了發動機等關鍵零部件的可靠性和壽命[2]。稀薄燃燒具有同時實現較高的熱效率和較低的NOx原始排放等優勢，是天然氣發動機最常采用的燃燒方式。

3.2 MOC

稀薄燃燒模式下，NOx排放較低，僅需處理排氣中的未燃HC和CO即可。氧化型催化器（MOC）是凈化HC和CO的常用有效措施。MOC一般由殼體、載體和催化劑涂層組成。殼體一般為不銹鋼，用于固定和支撐載體。載體一般使用蜂窩狀陶瓷體即堇青石或金屬材料。載體上有豐富的孔道，表面涂附貴金屬鉑Pt、鈀Pd以及耐硫型γ-Al2O3（活性氧化鋁）等助劑，其對HC和CO的處理效率可達80%以上[3]。通過缸內凈化控制NOx排放，通過MOC處理廢氣中HC和CO排放，在國五階段，重型天然氣車普遍采用這種控制策略。

3.3 SCR

隨著國六法規的實施，為滿足更低的NOx排放，稀燃極限需進一步提高。這一方面造成火焰傳播速率下降，燃燒定容度變差;另一方面造成混合氣過稀區域增加，未燃HC排放升高，進而造成燃燒效率下降。同時，通過拓展稀燃極限降低原始NOx排放的能力也已經接近極限，即使大幅拓展稀燃極限，原始NOx排放仍很難滿足國六法規要求。因此，在稀燃+MOC基礎上增加選擇性催化還原（SCR）系統。SCR系統主要由尿素噴射系統、起催化作用的SCR催化箱及傳感器等組成。SCR將尿素水溶液噴入排氣尾管中，經蒸發、熱解、水解反應產生氨氣（NH3），NH3與NOx反應生成N2和H2O，從而滿足國六法規NOx排放要求。SCR系統的增加也大大降低了天然氣發動機原始NOx排放要求。

4 當量燃燒+EGR+TWC

4.1 當量燃燒

當量燃燒，也叫理論空燃比燃燒，即燃料燃燒時，參與燃燒的空氣與天然氣符合理論空燃比的燃燒模式。與稀薄燃燒相比，當量燃燒具有一些技術缺陷：1）混合氣較濃，燃燒速度快，燃燒溫度與排氣溫度較高，需要應用耐熱性較高的材料來提升發動機與后處理的可靠性。2）因燃燒溫度較高，NOx排放明顯增加。3）傳熱損失增加，爆震傾向加大，壓縮比不能過高，限制了熱效率和經濟性的提升。針對當量燃燒存在的問題，目前已有研究表明：通過增加EGR稀釋程度并改善由此引起的火焰傳播速率下降問題、優化燃燒室和氣道結構、使用米勒循環、提高幾何壓縮比和混合氣分層等技術措施可予以改善[4]。由此可見，當量燃燒具有較大的提升潛力。雖然當量燃燒在熱負荷、原始NOx排放、熱效率和經濟性方面均劣于稀薄燃燒，但在后處理方面具有獨特的優勢。

4.2 EGR

由于當量燃燒存在熱負荷較高、NOx排放增加與熱效率較低等問題，因此通常匹配廢氣再循環（EGR）系統。EGR是將發動機做功后的部分廢氣引入到進氣系統，與空氣/燃氣混合氣混合后重新進入發動機缸內燃燒的技術。廢氣中的主要成分是CO2、H2O這樣的三元子分子，具有較大的比熱容，可以吸收大量的熱量，降低缸內燃燒溫度，進而降低發動機和后處理的熱負荷。同時廢氣對發動機缸內混合氣進行了一定程度稀釋，降低了氧濃度，改變了缸內高溫、富氧環境，從而抑制了NOx的大量生成[5]。EGR稀釋有利于降低發動機傳熱損失，降低爆震傾向，采用更高的壓縮比，從而提高發動機熱效率與經濟性。因此，EGR對降低當量燃燒NOx排放與熱負荷，提高熱效率與經濟性具有積極作用。

4.3 TWC

當量燃燒較濃的混合氣，一定程度上也增加了未燃HC、NOx和CO的排放。未燃HC中CH4占90%以上，CH4是HC中最難被氧化的氣體，其起燃溫度較其他烷烴和不飽和烴都要高[6]。三元催化器（TWC）可將尾氣排出的HC、NOx和CO等有害氣體通過氧化還原反應生成無害的H2O、N2和CO2，因能同時凈化三種主要有害物質，故稱三元。其對各種污染物催化效率均能達到80%以上，在汽油車領域應用非常廣泛。TWC一般由殼體、絕熱層、載體和催化劑涂層組成。載體一般由三氧化二鋁（Al2O3）制成，表面涂覆有多種貴金屬催化劑，一般包括鉑Pt、銠Rh、鈀Pd以及助催化劑二氧化鈰（CeO2）等。貴金屬鈀（Pd）能高效促進CH4的氧化，銠（Rh）是極好的NOx還原劑，鈰氧化物主要作用是提供氧的儲存和釋放。三元催化器的催化效率受過量空氣系數的影響很大，能夠同時凈化CO、未燃HC和NOx的有效空燃比窗口很小。因此，TWC須配合當量燃燒發動機使用。

5 結論

綜上所述，在國六法規實施以前，重型天然氣車多采用稀薄燃燒+MOC控制策略，主要是由于其可同時實現較高的熱效率和較低的NOx原始排放。然而面臨更加嚴格的國六法規，僅靠拓展稀燃極限已無法滿足NOx排放要求，必須在MOC基礎上再增加SCR系統。由此導致整車成本明顯增加，同時也增加了后處理系統使用與維護的復雜性。綜合考慮尿素消耗成本，該控制策略經濟性優勢已不再明顯。而當量燃燒+EGR+TWC排放控制策略僅需增加TWC即可滿足國六法規要求（EGR為發動機附件），明顯簡化了后處理裝置，從而顯著降低了整車及后處理成本，同時其還具有較大的熱效率和經濟性提升潛力。因此，當量燃燒+EGR+TWC應為滿足國六排放法規的主要排放控制策略。

參考文獻：

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