探讨天然气重型发动机尾气处理工艺的技术路线

探讨天然气重型发动机尾气处理工艺的
技术路线
1.
固安迪诺斯环保设备制造有限公司河北省廊坊市065500
3.固安迪诺斯环保设备制造有限公司河北省廊坊市065500
摘要：为了更好地使天然气发动机达到国六排放法规要求，当前主流的发动机采用当量燃烧，尾气后处理采用EGR+TWC（ASC）技术方案。

而国五之前，天然气重型发动机采用稀薄燃烧方式，采用GOC+SCR（ASC）的后处理技术路线，满足法规排放需求。

稀薄燃烧发动机的构造简易，气耗低，并且有效的减少车子热负荷，是符合国家减碳排放政策的潜力技术路线。

关键词：天然气发动机；燃烧；原排；尾气净化
现阶段，尾气排放的有关法律法规明确对发动机制造厂商提出了更严格的技术性检测，包含达到目前尾气排放规定规范的重型燃气发动机。

有二种主要的解决方法，一种是当量燃烧+EGR+TWC（ASC）技术路线；另一种是稀薄燃烧
+GOC+SCR（ASC）技术路线。

目前，天然气重型车辆领域主流选用第一种解决方案，将发动机的空燃比控制在1附近，采用含有铂钯铑的三元催化剂，将CH4、CO和NOx通过氧化还原转化为CO2，H2O和N2，从而达到法规排放要求。

文中主要是探讨了天然气发动机选择的第二种技术性解决方法，即在发动机采用稀薄燃烧方式下，如何满足排放法规需求。

1.
天然气重型车辆尾气排放的相关法规
1.1 污染物排放标准
重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）即GB17691-2018法规规定，所有重型燃气车辆自2019年07月01日气，污染物排放满足国六a 限值要求，自2021年7月1日起，污染物排放满足国六6限值要求。

天然气发动机排放物主要包含气体污染物质和细颗粒物；气体污染物质主要是一氧化碳（CO）、甲烷（HC）和氮氧化物（NOX）等。

1.2 发动机状态要求
务必解决汽车发动机曲轴箱漏气，即闭环控制方式[1]。

1.3 WHTC循环排放限值
WHTC循环主要污染物为CO、CH4、NO
X
，排放限值分别为4000mg/kWh、
500mg/kWh、460mg/kWh。

在排放验证流程中，考虑到汽车发动机排放系统的耐用性，所以在验证流程中应加权劣化系数。

各污染物质劣化指数就是指汽车发动机有效寿命结束与起始点排放值之比，具体认证排放限值如表1：
表1 发动机污染物认证排放限值
项目法规限值
（mg/kWh）劣化指数认证限值
（mg/kWh）
CO4000 1.33070 CH4500 1.4350
NO
X460
1.15400
2.4 测试方法
第一，依据WHTC循环系统检测汽车发动机的外部特点。

WHTC检测分成热冷
情况。

热冷情况之前有10min的间隔（热浸期）。

排放计算如下所示[2]：
M—排放物的质量，g/test；
Wact—根据C.6.8.6条确定的实际循环功，kW·h；
WHTC—最终的结果为冷态和热态加权的结果；
mcold—冷启动循环各排放物组分的质量，g/test；
mhot—热启动循环各排放物组分的质量，g/test；
Wact cold—冷启动循环的实际循环功，kW·h；
Wact hot—冷启动循环的实际循环功，kW·h。

第二，是排放取样实验：一些流稀释和全流稀释；全流稀释法进行国六排放
实验。

全流稀释法的成熟度大于一些流稀释（有关资料显示）[3]。

全流稀释与一
些流稀释效果出现异议时，以全流稀释为标准。

最终，实际测量排放过程中CH4、CO、NO
的数值。

X
1.
国六标准下重型天然气发动机稀薄燃烧（简称稀燃）下气体排放的技术路线
2.1 技术路线的确定
设计的天然气汽车尾气后处理技术线路是：稀燃+GOC+SCR+ASC，本文依据本
线路开展的研究分析。

2.2 技术路线的应用
2.2.1确定原排
根据初期实验，GOC和SCR的转化效率与原排有很大的关联。

要想能符合国六规范，GOC对CH4、CO以及SCR对NO
X
的转化率须达到90%以上，以此为依据可测算出原排，如表2。

针对CO和PM值，某气体机排放量不大，符合排放限制值规定[4]。

表2 发动机原排限值
项目原排限值
（mg/kWh）
认证指标（mg/kWh）
CO气体满足要
求
3070
CH43500350
NO
X4000
400
2.2.2边界条件的影响因素
影响排放的因素很多，如大气压力、中冷后温度、进气温度、ECT、进气湿度、进气阻力边界条件、背压等。

因此，在排放试验过程中，需要准确定义边界条件。

2.2.3硬件方面
（1）合理匹配增压器
因为国六排放要求相对来说较小的混合物(小于MBT5~10°)和相对来说较薄
的混合物，国六汽车发动机要求更大的进气量和更强的实力来达到同样的驱动力。

但增压器务必在可控范围内。

（2）曲轴箱漏气实现闭环
曲轴箱完成闭环有两种方法：漏气、进气/排气闭环。

一般来说，选用漏气、进气闭环。

2.2.4 原排总结
一方面，务必明确汽车发动机的工作边界条件，确定汽车发动机运行状态优良；机架和排放设备的测试准确率；稳态关键标识VE表、Bost表、点火前角和PHI表；瞬态校正十分关键。

应依据排放的结果重点模拟高排放标准，随后开展
深入分析和改进。

应重视排温控制，排温不适合过高。

1.
尾气处理的效果分析
GOC和SCR 的起燃温度、背压、排温、尿素喷射量等都会对汽车尾气后处理
造成影响，应用本文技术路线后，尾气处理的效果如下：
3.1 GOC 转化效率
选择7L、260马力气体机进行GOC转化率测试发现：转化率随着温度的升高
而增加，当温度超过350℃时，GOC转化率至少为95%，效果较好；当排温小于300℃时，转化效率极低。

3.2 SCR 转化效率
以分子筛材料作为依据，可将SCR分为 Fe基、Cu基、Fe-Cu基等[5]。

本次
实验以气体机排温特性作为依据，选择Cu基分子筛，分析SCR转化效率与排温、转化效率与尿素喷射量之间的关系。

实验可知，SCR转化效率受到排温的影响，
温度在200℃以下时，氮氧化物的转化率逐渐上升；温度在略大于200℃时，氮
氧化物的转化率到达最大值；一直到温度到达在500℃，氮氧化物的转化率维持
在最大值；温度在500℃以上时，转化率逐渐开始下降；转化效率可能受到硫污染、尿素喷射过量、尿素结晶、进气和出气装反等因素的影响[6]。

3.4 后处理小结
第一，GOC贵金属成分应确保90%以上的催化效率；第二，SCR务必考虑到排放温度和空速对转换效率的影响，最好是应用上游NOx传感器结合发动机系统标
，应尽可能控制过高温定调测；第三，针对ASC中部分NH3氧化反应生成的NO
X
度下尿素的喷射。

1.
总结
现阶段，天然气发动机主流采用当量燃烧的方式。

但发动机采用稀燃方式，由于氧含量高，天然气可以充足燃烧，气耗低，与当量燃烧线路对比具备极佳的经济优点，可以提升车辆的核心竞争力。

文中选用发动机WHTC试验，详细分析发动机原排和后处理污染物质的原理，发现GOC+SCR+ASC技术路线的后处理技术更具优势，可作为天然气重型车辆尾气后处理的解决方案。

参考文献：
[1] 刘长兵.汽车尾气减排技术对空气质量的影响[J].西藏科
技.2019,(4).36-38,41.
[2] 孔祥花,张振涛,陈火雷.满足WHTC的NOx排放控制方法概述[J].排放与噪声,2017,34(5):70-72.
[3]王乐雪,孙庆寅,孙琪,等.汽车尾气污染控制有效技术分析[J].科学技术创新.2018,(32).173-174.
[4] 吴广阔,吴双群. Phi值对煤质柴油发动机燃烧和排放的影响[J].内燃机,2018,6:31-35.
[5] 李志军,方熙宇,刘双喜等.分子筛与钒基 SCR 催化器瞬态反应特性对比[J].燃烧科学与技术,2016,22(6):513-521.
[6] 张俊,唐韬,曹东晓等.重型柴油机欧Ⅵ后处理系统构型方案试验研究[J].内燃机工程,2017,38(1):7-11.。