1. 背景
近年来，由于天然气储量相对较丰富，而且排放较好，在发动机行业得到大规模应用。目前，天然气发动机主要有两种技术路线[1][2]。第一种是理论空燃比加三元催化器，第二种路线是增压稀燃加氧化催化转化器。前一种路线主要优点在于使排放大幅度降低，但是其经济性较差，而且容易发生爆燃，排气温度很高，可靠性差[3]。稀燃路线经济性提高，同时能降低排气温度，热负荷小，提高发动机可靠性[4][5]。在同样满足排放法规的前提下，第二种技术路线更可取。本文对增压稀燃天然气发动机进行了试验研究。
2. 实验介绍
试验采用的EQ系列发动机由东风汽车公司提供，采用DELIPH公司ITMS-6F电控单元，单点电控CNG喷射，水冷式涡轮增压中冷，分组高能点火系统，空燃比开环控制。整个电控系统由传感器、执行器和ECU组成。表1是发动机的主要参数。
表1 发动机主要性能参数
Tab.1 Engine specifications
气缸数
6缸直列
缸径×冲程（mm）
105×120
总排量（L）
6.234
压缩比
10.5
试验采用了天然气流量计、空气流量计、五气分析仪等仪器对试验进行记录。在此试验条件下进行了空燃比调整试验、点火角调整试验、十三工况试验、加催化后的十三工况试验等，对天然气发动机的排放特性进行分析。
3. 空燃比调整排放试验
3.1 空燃比调整排放试验方法
进行空燃比调整试验，选定转速，在定进气管绝对压力（MAP）条件下调整空燃比。从400r/min到2800r/min每隔400r/min取转速点，在每一转速下各指定MAP值点进行空燃比调整试验。由于每个空燃比下可能会有不同的最佳点火提前角，因此空燃比调整试验中首先在每个空燃比下调节点火时刻取得比较好的点火角，然后在此点火角下进行空燃比调整试验。
3.2 空燃比调整试验
下面选取1400r/min转速下的MAP试验结果进行分析，处理曲线时，分别研究NMHC排放、NOx排放等随空燃比的变化，做出相应曲线并分析结果。
下面是1400r/min下各性能曲线：
图1 NMHC比排放与空燃比的关系
Fig.1 Brake specific NMHC values
versus Air fuel ratio at 1400r/min
NMHC排放随空燃比增大先减少后增加，空燃比太小时混合气过浓NMHC排放较多，而空燃比太大时混合气过稀燃烧不充分[6]，NMHC排放也比较多。在各负荷下NMHC排放达到最低点时的空燃比也有所不同，负荷越大最佳空燃比越大，从低负荷的19增大到高负荷的21。
图2 NOx比排放与空燃比的关系
Fig.2 Brake specific NOx values
versus Air fuel ratio at 1400r/min
各负荷下NOx排放在空燃比19~21左右达到最高值，负荷越大，NOx排放达到最高时的空燃比越大；在图中可以看到空燃比取到21以后，NOx排放剧减，达到24以后时NOx比排放达到5g/kWh以下的水平，可达到欧三的排放要求。
3.3 定MAP不同转速试验
下面来看在MAP=87kPa条件下，从800r/min到2800r/min每隔200r/min取一个转速点，在每个转速点进行调整空燃比试验，下面是得到的性能曲线。
图3 不同转速下NMHC比排放
Fig.3 Brake specific NMHC values
versus Air fuel ratio at different speed
在图3中NMHC比排放自空燃比18开始一直增加，与图1 基本保持一致，随着转速增加，NMHC比排放略有降低。总体上看，NMHC排放整体都比较小，性能比较好。
图4 NOx排放随空燃比变化曲线
Fig.4 Brake specific NOx values
versus Air fuel ratio at different speed
图5 NOx比排放随转速的变化曲线
Fig.5 Brake specific NOx values versus speed
图4是MAP=87kPa时的NOx随空燃比变化的曲线。在随空燃比变化曲线中，可以看到NOx排放在空燃比21左右达到最高，此时燃烧充分燃烧温度高，生成了较多NOx。图5是MAP=87kPa时NOx排放随转速变化曲线。NOx排放基本上出现先下降后增加的趋势，比较燃烧温度发现，每个空燃比下的燃烧温度都随转速增加而上升，同空燃比下的氧浓度可认为基本一致，分析NOx排放在中低转速出现降低的原因，是反应时间导致，随发动机转速增加，生成NOx的反应时间越来越少，所以NOx出现降低，同时由于反应温度越来越高，所以NOx排放又出现增加趋势。从而使发动机工作区域的最低NOx排放点基本出现在1600r/min~1800r/min之间。
4. 调整点火角排放试验
4.1 点火角调整介绍
在点火提前角试验中，选择从转速400r/min到2800r/min每隔400r/min取转速点，在每一转速下的多个指定MAP值点处进行测量取点标定，这样基本上覆盖了发动机的整个运行工况面。
由于不同空燃比下的最佳点火提前角也不相同，试验过程中，在各转速下先进行空燃比调整试验取得最佳空燃比，然后在此空燃比下再进行点火提前角的详细试验并记录，相应得到点火提前角的变化规律和MAP图。
4.2 试验结果与分析
下面我们以1600r/min时的情况为例来分析标定结果和曲线。
图6 1600r/min时的NMHC排放
Fig.6 Brake specific NMHC values
versus Ignition time at 1600r/min
图7 1600r/min时的NOx排放
Fig.7 Brake specific NOx
values versus Ignition time at 1600r/min
在定MAP下，NMHC基本上随点火角增大先降低后增加，其原因与比气耗基本一致，点火角增大使燃烧更充分所以NMHC减少，而点火角过大时后燃减少NMHC排放增加。此外可以看到NMHC排放在中负荷时最优，而大负荷和小负荷NMHC排放都比较多，这是因为实验所用的此种稀燃发动机在大负荷时需要更好的动力性而采取较浓的混和气，而小负荷时燃烧不充分所以产生了较多的NMHC。
NOx在指定试验区域内一般是随点火提前角增大而增大，主要是因为点火提前燃烧温度不断增加造成的。
5. 加催化器前后的十三工况试验
5.1 十三工况试验条件
试验按照GB14762-2002欧II标准[7]采用的十三工况进行，分别采用不同的两种催化器在怠速、1600r/min、2800r/min取13个点进行测量取值试验。为了评测催化器的效果，比较加催化器前后的发动机排放情况，也进行了不加催化器时的发动机十三工况试验。然后比较不加催化器和加催化器的发动机排放，以研究加催化器后的发动机排放改善情况。催化器参数见表2。
表2催化器参数
Tab.2 converter specifications
性能指标
I型
II型
体积（L）
4.71
4.71
目数（cpsi）
600
600
载体
金属蜂窝
金属蜂窝
铂含量（g/L）
1.1
0.6
钯含量（g/L）
4.2
2.9
5.2 试验结果与分析
下面来看十三工况的试验结果，分别测量不加催化器、加I型催化器、加II型催化器情况下的排放性能进行对比。由于十三工况试验是按照扭矩来确定工况点，所以在此不比较三种情况下的动力性和经济性。下面是分别测量不加催化器、加I型催化器、加II型催化器三种情况得到的排放曲线。
图8 NOx比排放对比
Fig.8 the comparison of the Brake specific NOx values
首先比较NOx排放，由于催化器是氧化型催化器，对NOx没有催化效果，再加上不加催化器的发动机功率更高，所以比较NOx的比排放量时不加催化器的时候反而有更多的点比排放更低。
图9 CH4比排放对比
Fig.9 the comparison of the
Brake specific CH4 values
比较三种情况下的CH4排放，可以看到在两种催化器下CH4排放都出现了大幅下降，尤其是加I型催化器后CH4排放量已经很小。加II型催化器时还存在着在怠速点转化效果不是很好的问题，此时的空燃比大概在18左右，II型催化器的转化效率并不高，大大影响了整体十三工况排放量。
图10 CO比排放对比
Fig.10 the comparison of the
Brake specific CO values
比较三种情况下的CO排放，可以发现加I型催化器的排放规律类似于CH4排放，转化效果较好，将CO排放降低到很低的程度。而II型催化器对CO的转化效果不理想，尤其是在怠速工况点，CO降低很少。
图11 NMHC比排放对比
Fig.11 the comparison of
the Brake specific NMHC values
再来看NMHC的排放情况，可以看到I型和II型催化器都对NMHC起到了一定的转化效果，相比之下还是I型催化器转化效果更好一些，尤其是在排放比较严重的怠速点。
经过计算可以得到各项排放的十三工况测量值，如表3所示。
表3 实验结果对比(单位：g/kWh)
Tab.3 Comparison of the experiment results( g/kWh)
排放物
测量值
NOx
CH4
CO
NMHC
不加催化器
4.993257
1.719451
1.134571
0.095171
加I型催化器
4.227887
0.051289
0.238942
0.042385
加II型催化器
5.011837
0.218454
1.244256
0.047328
欧II
7.0
1.1(THC)
4.0
1.1(THC)
欧III
5.0
1.6
5.45
0.78
欧Ⅳ
3.5
1.1
4.0
0.55
从表中可以看到，发动机不加催化器与欧二标准相差不大，THC要差一些；与欧三标准相比NOx相当，CH4则稍差一些。而在加I型催化器后发动机十三工况排放值已经要好于欧三排放水平，具有了达到欧三甚至欧四排放水平的潜力。综合十三工况试验的性能曲线和计算数据，可以看出原机基本满足欧II标准的要求，排放比较好，在加I型催化器后CH4、CO、NMHC的排放结果都比较好，尤其是在CH4转化方面做得很好，使发动机有了达到欧三和欧四的潜力。所以试验所采用的发动机排放效果比较好。
6. THC排放中CH4的排放比例研究
下面对十三工况试验中的CH4和THC进行分析计算，得到THC排放中的CH4比例，研究CH4与总的碳氢化合物的关系。
图12 十三工况中CH4占THC的比例曲线
Fig.12 the percent of the CH4 in the THC
可以看到在不加催化器的原机情况下，CH4在THC中的体积比例约为90%左右，证明在天然气发动机的THC排放中CH4占绝大部分，是天然气发动机排放需要注意的重要部分。此外，加催化器后CH4在THC中的比例出现下降，说明催化器对CH4的催化效果明显。
7、总结
对EQ系列天然气发动机进行了空燃比和点火角调整试验、十三工况等试验，得出如下结论：
1、 定转速下，NMHC排放随空燃比增大先减少后增加，NOx排放随空燃比增加先增大后减少，在空燃比19-21左右达到最大值。在空燃比24左右NMHC和NOx排放都较低。
2、 NMHC比排放随转速升高略有降低， NOx排放随转速升高先减小后增加，发动机最低NOx排放点所对应的发动机转速为1600r/min~1800r/min。
3、 定MAP下，NMHC随点火提前角增大先降低后增加，NOx排放随点火提前角增大而增大。
4、 在天然气发动机的THC排放中CH4占THC排放的90%左右；本研发项目所选用的氧化型催化器对CH4有很好的催化转化效果，转化效率达到99%。
5、 本研发项目加装催化器后，CH4和CO远小于欧Ⅳ排放标准。研究结果表明：增压稀燃和氧化型催化转化器相结合是天然气发动机一种有效的技术路线。
8. 参考文献
[1] Xiaobo Sun, Ron Toth, Tom Wiedmann. Development of the GM 5.7L CNG Bi-Fuel Pickup Trucks. SAE 980817
[2] Mostafa M.Kamel. The B5.9G Gas Engine ‘Technology. SAE 952649
[3] P.Corbo, M.Gambino,S.Lannaccone,and A.Unich. Comparison Between Lean-Burn and Stoichiometric technology for CNG heavy-Duty Engines. SAE 950057
[4] Akio Mizutani, Teppei Okawa, Hiroshi Matsuzaki. Oxygen Sensor for CNG Application as ULEV or Tighter Emission Vehicle. SAE 980264
[5] Jose Antonio Marques Neto. Application Analysis of Otto Cycle Natural Gas Engines for the Urban bus Fleet in the Sao Paulo City. SAE 2001-01-3825
[6] Heywood JB. Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.
[7] State Environmental Protection Administration Of China. GB14762-2002. The emission regulation of the spark-ignition engine and the measure methods. 2003-01-01
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