燃氣發動機低NOX排放技術路線研究

王文霞 查小輝 滑文山 石超 徐禮英

摘要：為實現低NOX排放，需對傳統的發動機進行技術改進與硬件升級。CARB（加州空氣資源委員會）聯合SwRI（美國西南研究院）對燃氣發動機進行了一些調查和研究，展示了能夠將NOX排放限制在0.02g/bhp-hr的系統[1-4]。同時采用不同的測試循環來檢測氨（NH3）、甲烷（CH4）、一氧化碳和碳氫化合物的排放。本文主要采用后處理系統快速啟動和優化空燃比控制的方式減少NOX的排放。具體實現采用適配的后處理催化器、高精度控制的發動機零部件及高魯棒性的穩態和瞬態標定數據等。

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.

關鍵詞：燃氣發動機;低NOX排放;技術路線

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

中圖分類號：TK431 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0007-04

0 ?引言

隨著大氣污染問題的日益突出，世界各國都在尋找減少污染物排放的方法。重型車輛的排放以NOX和PM[5]為主，未來需要加強對降NOX的技術研究工作以應對更嚴格的排放標準。

SwRI的研究項目使用2012年康明斯-西港ISX12-G發動機進行超低氮氧化物及其他污染物的排放測試，該發動機已驗證達到美國2010排放標準。他們根據FTP工況，RMC-SET工況，WHTC工況以及其他專業工況以制定基準和更新發動機測試條件。除了軟件和硬件的更新，他們還嘗試做穩態以及瞬態發動機標定，最終論證結果表明，康明斯-西港公司的ISX12-G型發動機在FTP和RMC-SET工況循環下能滿足0.02g/hp-hrNOX排放標準，在以上三個工況循環下，可以滿足接近零NOX和零NMHC排放標準。加州大學進行了一項關于接近零NOX排放的ISLG燃氣發動機的評價研究[6];加州能源委員會的能源研發部門開發了一款“ISX12N”發動機已于2018年2月投入商業生產以實現超低排放，使用了改進的三元催化器、封閉曲軸箱通風系統和優化的發動機控制系統[7]。阿凱提斯動力公司（Achates Power）目前正致力于高精度對置活塞發動機的測試和開發，通過迅速提高發動機輸出溫升以實現超低NOX排放[8-9]。本文基于上述研究成果和報告，從發動機部件升級和數據標定兩方面進行總結，以期可以為下一代燃氣發動機的開發提供一些可借鑒的技術指導。

1 ?發動機部件升級

1.1 快速起燃催化器

減少后處理催化器起燃時間的措施通常是對排氣系統進行處理，包括啟動和關閉發動機階段，旨在保留排氣中的熱量，防止損失到大氣中。MECA成員提出了幾種不同的排氣隔熱技術，包括廢氣再循環系統、從發動機排氣口到后處理入口安裝排氣隔熱傳輸管、采用裝有三元催化器罐體的排氣隔熱管等。盡管每個方法對整個系統只有很小的貢獻，但是它們可以同時提高系統效率。

除了上述被動的熱量保持，也可以向廢氣中增加熱量以加速催化器的起燃，包括使用電加熱和化學加熱（燃料反應），加熱器可以安裝在需要加熱的器件附件中。圖1為一種電加熱催化器內部效果圖，圖2為原理圖。

電子加熱系統具有更高的靈活性，因其接通后能更快的產生熱量。而化學加熱方式采用的微型燃燒器雖然能夠高效的為排氣系統增加熱量，但需要一個助燃空氣的補充源，在結構上較為復雜。

1.2 優化催化器配置

傳統的燃氣發動機使用三元催化器（TWC）來保證當前法規排放要求，然而，為了實現超低NOX排放，單靠一種三元催化器配置是不夠的。三個MECA（制造商排放控制協會）團隊提供了先進的后處理技術和四套不同配置和結構的三元催化器樣品用于試驗研究。SwRI通過對比各個樣品的性能結果，分析冷啟動和熱啟動循環的排放趨勢，總結出這四種催化器的優缺點，對配置進行重組優化。最終定制的催化器結構如圖3所示，采用一種緊密耦合催化器加底盤式催化器組合的方式，上游催化器負責碳氫化合物的氧化，下游催化器負責減少氮氧化物。

1.3 高能點火系統

為了實現發動機低NOX排放，需提高發動機的EGR率，但高EGR率容易造成點火困難。為確保在整個發動機運行過程中穩定燃燒，并平衡在高EGR水平下產生的缸內溫度的降低（NOX排放需要），采用高能點火系統。

1.4 封閉式曲軸箱通風系統

封閉式曲軸箱通風系統（CCV）的添加是為了減少燃油損耗，同時減少了發動機懸浮微粒和碳氫化合物的排放。

1.5 EGR混合器及反饋系統

為了在瞬態運行過程中實現精確的空燃比控制，需要準確計算空氣量、燃氣量和EGR氣體質量流量。進氣系統所采用的方案為在節流閥下游添加了一個升級的EGR混合器，以確保氣體混合均勻性，如圖4所示。EGR混合器采用文丘里結構，并安裝有差壓傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器，實現了EGR流量的精準測量。另外，混合器上還安裝有氧傳感器以精確的測量廢氣中的氧濃度，通過控制算法來計算得到EGR率。

1.6 增壓再循環閥

在快速啟動和瞬態工況下，過量的空氣進入到燃燒室會導致混合氣過度稀釋。為了克服這個問題，在增壓中冷之后，節流閥之前，添加增壓氣體的再循環閥。這些過量的空氣會重新回到壓縮機之中。增壓再循環閥的原理圖如圖5所示。增壓器安裝有電控放氣閥，用于精準控制發動機在穩態以及瞬態工況下增壓壓力。

1.7 燃油連續流量閥

與傳統燃氣噴射閥不同，連續流量閥（CFV）允許在不考慮壓力變化的情況下保持一致的流量和燃油計量，并提高燃油計量精度。因此SwRI在燃料供給系統采用連續流閥進行燃氣的控制。

2 ?發動機標定

2.1 穩態發動機標定

穩態工況下的發動機標定內容包括容積效率、點火正時、空燃比、EGR率和節氣門進氣壓力等，以匹配發動機的基準性能。

①容積效率（VE）。容積效率表的數據從發動機臺架基準測試中獲取，ECU根據冷卻液溫度、進氣溫度、節氣門開度以及氣缸壁溫度，進行了幾項容積效率修正。上述所有標定都是穩態工況下進行修正，基于發動機負載參數的修正在發動機瞬態標定部分體現。

②點火正時。點火正時是利用缸內壓力傳感器確定的，并對所有六個缸的燃燒時間進行了優化。點火正時被設定為在上止點（TDC）的8-12曲軸轉角度處燃燒質量分數為50% （CA50），或在發動機絕大部分工作區設置為臨界爆震的點火提前角位置（KLSA），但在發動機怠速運行時，需延遲點火使得催化器保持在一定溫度。標定兩張點火正時脈譜圖，一張是最小允許EGR（除了高速和高負荷外為零），另一張是標準EGR。點火正時根據兩張表之間采用內插值推算得到，以便點火正時根據EGR率、轉速和負載進行優化。

③空燃比。使用位于催化器上游的氧傳感器在穩態下校準空氣燃料比，該氧傳感器用于ECU的空燃比測量反饋。研究者通過兩種方法確定了不同轉速和負載下合適的當量比。第一種使用Horiba Mexa 7200D稀釋氣體排放試驗臺進行催化器后采樣，調整當量比，直到CO和NOX排放均接近于零。第二種方案是在催化器后安裝開關傳感器，調整當量比直到后氧開關傳感器讀取的電壓為0.7V。速狀態下的當量比偏大，有助于降低瞬態排放，并在長時間怠速狀態下保持低NOX。

④EGR率。為了提高EGR率，在節流閥未完全打開的情況下，關閉排氣閥使得EGR回路和進氣流之間的壓差更大，從而獲得更高的EGR率。為了使催化器在較長的怠速期間保持較高的溫度，在怠速時關閉EGR閥。EGR是基于發動機冷卻液溫度進行數據調整的，當冷卻液溫度小于43℃時不使用EGR，而當冷卻液溫度高于71℃時使用標準EGR率，兩者之間采用線性插值計算得到。

2.2 瞬態發動機標定

①氣流的精準計算。在瞬態工況下的排放比在穩態下的排放更難標定，需將燃料流量與氣流精確匹配。為了匹配燃料流量，必須精確計算燃氣噴射時的空氣流量。需要發動機轉速、歧管壓力、歧管溫度和此時的容積效率采用速度密度計算燃氣流量，但以下兩個瞬態現象會影響計算結果：1）瞬態運行過程中容積效率的變化;2）發動機進氣門和燃氣噴射點之間的歧管容積的填充和排空。

因此，瞬態標定需要動態考慮容積效率和進氣量的準確性。如前述第2部分發動機部件升級所述，SwRI在系統中使用CFV供應燃料，當節流閥打開時，燃氣閥處的質量流量包括進入發動機的流量和充滿歧管的流量，如圖6所示。如果填充歧管的流量沒有計算進去，那么燃料流量過低導致混合氣過稀。

進氣總流量為燃氣噴射點（即CFV位置）和進氣閥之間的總容積。為了計算精確，對進氣歧管體積、EGR混合器、燃氣管、進氣口體積以及任何額外體積進行了物理測量，并將其輸入到ECU軟件中。在瞬態燃氣量計算過程中，CFV與空燃-egr混合器之間的體積是一個關鍵變量，很小的誤差都會對瞬態噴氣產生很大的影響。所以這部分體積的計算需要做迭代直到燃氣量的計算準確性在急踩油門/緩踩油門變化的條件下都可接受為止。

②容積效率（VE）瞬態修正。缸壁溫度影響容積效率，隨著缸壁的冷卻，密度更大的空氣進入缸體。因為空氣密度更大，空氣的質量比需求的要高，導致混合氣稀薄。康明斯-西港ISX 12g發動機上使用的E-Controls ECU提供了三種不同的缸壁溫度修正。將單點修正值應用于所有工況;急踩油門/緩踩油門不同工況下基于發動機轉速的一維修正;基于發動機進氣歧管壓力（MAP）和發動機轉速的二維修正。發動機在不同轉速和負載的工況下運行以確定最優的燃料修正。數據結果表明，從怠速狀態下的急踩油門所需的燃油消耗量要大于在高轉速下的急踩油門（因低轉速下缸壁溫度過低）的燃油消耗量。容積效率修正取決于發動機的三個主要屬性：發動機轉速、負荷和冷卻液溫度。在啟動過程中采用開環啟動過程中的簡單加濃混合氣來實現快速啟動需求。

容積效率修正值計算所使用的所有變量均被ECU軟件記錄并提供一個長效的容積效率修正。類似于ECU中的典型瞬態燃料校準表，此容積效率修正值取決于于發動機試驗，通過發動機冷卻液溫度計算一系列的修正值。容積效率修正值也取決于發動機的最大功率以及在急踩油門和緩踩油門時發動機的加速/減速時間常數。由于熱量傳遞是影響修正的關鍵因素，所以該修正在冷啟動FTP循環要優于熱啟動FTP循環。圖7與圖8展示了長效VE修正在重型FTP的冷啟動與熱啟動示例。VE修正同樣應用于WHTC循環中，修正效果與FTP趨勢一致。

③燃氣噴射反饋控制。在發動機的穩態工況與某些瞬態工況中ECU利用反饋控制來計算燃氣噴射量。只要是瞬態工況的時間長于發動機反饋的傳輸延遲時間，就采用反饋燃氣噴射。當發動機熱啟動時，發動機開環噴氣的區域很小，催化器前的寬域氧傳感器不需要很長時間來加熱，通常在第一次加速的中間階段，發動機進入閉環控制。

傳輸延遲是由進氣路徑上從燃氣噴射點到空氣燃氣及EGR廢氣混合再到燃燒后的寬域氧傳感器的采集點有物理延遲造成的。為了將傳輸延時減少到最小以實現燃氣噴射閉環控制，提高對瞬態工況的響應，氧傳感器應安裝在盡量靠近渦輪增壓器出口的位置，這樣安裝也使氧傳感器在冷啟動時可以更早的開始工作。因為寬域氧傳感器在正常工作前必須預熱，離渦輪增壓器的出口越近，就能越快進行預熱，也就能越早的進入到燃氣噴射的閉環調節。

ECU的燃氣噴射修正值使用基于發動機轉速和負載所得到的對修正值形成自適應表，該表適用于發動機的大部分工況。然而，自適應表只在發動機處于氧閉環控制時更新，此時發動機處于熱閉環狀態。當發動機重新啟動進入下一個循環時，這種自適應修正是錯誤的，需要重新進行更新（這段時間內不進行修正）。

④催化器監測標定。催化器的選擇已經在前面的催化器配置章節中進行了描述。最終的催化器配置如圖3所示，MECA團隊優化了發動機的標定，得到了如表1所示的排放結果。

在后處理配置中，上游緊密耦合的三元催化器負責快起燃和啟動過程中的NOX降低，底盤式催化器體積較大，主要負責甲烷和碳氫化合物的氧化。計算的重點應該是更快起燃以及冷啟動和熱啟動優化。用于小型汽油機TWC催化器監測的儲氧量計算和控制方法適用于燃氣發動機，但需要基于燃氣發動機的配置參數進行重新標定。

標定不能單一追求排放的降低，還需要平衡NOX的排放與燃油消耗的關系，實現最大的NOX減少量和最小的燃油消耗增加量。目前研究工作主要是針對當前系統，持續優化冷啟動的排放控制以及后處理的預熱控制，在預熱系統工作期間，使整個后處理系統的NOX降低率高達99%以上。

3 ?總結

綜上，各個機構的研究數據表明，通過對發動機部件結構進行升級，搭配高效、快速起燃的三元催化器，并優化空燃比控制，重型天然氣發動機在實現超低NOX排放的同時，其他污染物也保持在較低水平。

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