国六重型天然气车排放控制策略分析

薛黎明　彭德文　江涛　李义敏

摘 要：随着石油能源日益枯竭和排放法规的日趋严格，天然气作为一种储量丰富且清洁高效的能源越来越受到汽车行业的重视。本文概述了重型天然气车污染物排放特征，重点分析和讨论了两条满足国六标准的排放控制策略，这对重型天然气车的开发与排放控制具有重要意义。

关键词：重型天然气车 国六排放标准 稀燃 当量燃烧 排放控制

1 前言

汽车在推动人类工业化快速发展的同时，也消耗着大量不可再生的石油资源，产生大量CO、NOx、HC、颗粒物（PM）等有害物排放，造成了日益严峻的能源与环境问题。在日趋严厉的环保法规要求下，世界各国都越来越重视新能源在重型汽车领域的应用。其中，天然气由于探明储量丰富、易于开采、价格相对低廉、燃烧排放污染物少等优点，被认为是当今最具竞争力的重型车代用燃料。目前，我国已经颁布了第六阶段排放标准，相比于国五标准，国六标准对重型车排放测试方法的要求更加严格，污染物排放限值大幅降低。因此，研究国六阶段重型天然气车排放控制策略具有重要意义。本文概述了重型天然气车污染物排放特征，对满足国六标准的两条排放控制策略进行了分析和探讨。

2 污染物排放特征

天然气的主要成分是甲烷（CH4），燃烧后的废气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）和颗粒物（PM）等。在所有这些排放物中，会造成环境污染的主要是HC、CO和NOx，控制的难点是HC和NOx排放。

天然气车排放的HC主要为未燃烧的甲烷（CH4）和非甲烷总烃（NMHC）。CH4对人体基本无害，但CH4是一种温室气体，以单位分子数而言，其温室效应比二氧化碳大25倍。大气中的NMHC超过一定浓度，除直接对人体有害外，在一定条件下会产生光化学烟雾，对环境和人类造成危害。HC排放的主要原因有扫气损失、冷激效率、狭隙损失、燃烧不完全损失等[1]。天然气作为轻质燃料，易快速与空气混合形成均匀混合气，因此燃烧更为均匀、彻底，与柴油车相比，天然气车HC排放可减少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%以上为NO。NO是无色无味的有毒性气体，进入空气后会氧化成具有强烈刺激作用的棕红色NO2，同时NO2还是形成酸雨的成因之一。NOx的生成由高温、富氧、持续时间决定，天然气发动机大多采用稀薄燃烧或当量燃烧+EGR模式，燃烧速率较慢，燃烧温度较低，因此NOx排放也明显较低。

CO2是主要的温室气体，但目前在我国排放法规中还未作为排放污染物进行限制。CO是一种对血液与神经系统毒性很强的污染物，是HC燃料燃烧过程的中间产物。因天然气主要成分CH4的碳氢比较高，因此其燃烧产生的CO、CO2排放较低。在车辆加速过程中，为提供响应速度一般会加浓混合气，此时会导致CO排放增多。

在颗粒物（PM）排放方面，因CH4几乎没有碳链结构，且可以在较短时间内与空气混合，不利于达到高温缺氧的条件，因此其燃烧过程几乎不产生碳烟排放。同时天然气中不含如苯之类的芳香族化合物，同时硫含量也极低，因此天然气车颗粒物排放要明显低于柴油车。但是，机油的消耗对天然气车颗粒物排放有一定的影响。

为更好地控制重型车排放，2018年6月22日，GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》颁布实施。国六标准中，对于天然气发动机排放，NMHC、CH4和NOx排放限值分别降低了71%、55%和77%，同时新增了NH3、PM和PN排放限值。对于重型天然气车整车排放，NOx排放限值降低了83%。重型天然气车主流的后处理技术包括氧化型催化器（MOC）、三元催化器（TWC）、废气再循环（EGR）、选择性催化还原（SCR）等，根据发动机类型的不同，目前主要有两条满足国六标准的排放控制策略。

3 稀薄燃烧+MOC+SCR

3.1 稀薄燃烧

稀薄燃烧是指参于燃烧的混合气浓度小于理论空燃比的燃烧方式，与柴油机类似。稀薄燃烧主要优势在于：1）过量空气系数较大，可以促进天然气完全燃烧;燃烧温度较低，传热损失较小，缸内爆震倾向较低，可以采用更高的压缩比，因此热效率和经济性较好。2）燃烧温度较低，对NOx生成有抑制作用，通过不断拓展稀燃极限，在不安装后处理装置时可实现较低的NOx排放。3）燃烧温度低，热负荷较小，提高了发动机等关键零部件的可靠性和寿命[2]。稀薄燃烧具有同时实现较高的热效率和较低的NOx原始排放等优势，是天然气发动机最常采用的燃烧方式。

3.2 MOC

稀薄燃烧模式下，NOx排放较低，仅需处理排气中的未燃HC和CO即可。氧化型催化器（MOC）是净化HC和CO的常用有效措施。MOC一般由壳体、载体和催化剂涂层组成。壳体一般为不锈钢，用于固定和支撑载体。载体一般使用蜂窝状陶瓷体即堇青石或金属材料。载体上有丰富的孔道，表面涂附贵金属铂Pt、钯Pd以及耐硫型γ-Al2O3（活性氧化铝）等助剂，其对HC和CO的处理效率可达80%以上[3]。通过缸内净化控制NOx排放，通过MOC处理废气中HC和CO排放，在国五阶段，重型天然气车普遍采用这种控制策略。

3.3 SCR

随着国六法规的实施，为满足更低的NOx排放，稀燃极限需进一步提高。这一方面造成火焰传播速率下降，燃烧定容度变差;另一方面造成混合气过稀区域增加，未燃HC排放升高，进而造成燃烧效率下降。同时，通过拓展稀燃极限降低原始NOx排放的能力也已经接近极限，即使大幅拓展稀燃极限，原始NOx排放仍很难满足国六法规要求。因此，在稀燃+MOC基础上增加选择性催化还原（SCR）系统。SCR系统主要由尿素喷射系统、起催化作用的SCR催化箱及传感器等组成。SCR将尿素水溶液喷入排气尾管中，经蒸发、热解、水解反应产生氨气（NH3），NH3与NOx反应生成N2和H2O，从而满足国六法规NOx排放要求。SCR系统的增加也大大降低了天然气发动机原始NOx排放要求。

4 当量燃烧+EGR+TWC

4.1 当量燃烧

当量燃烧，也叫理论空燃比燃烧，即燃料燃烧时，参与燃烧的空气与天然气符合理论空燃比的燃烧模式。与稀薄燃烧相比，当量燃烧具有一些技术缺陷：1）混合气较浓，燃烧速度快，燃烧温度与排气温度较高，需要应用耐热性较高的材料来提升发动机与后处理的可靠性。2）因燃烧温度较高，NOx排放明显增加。3）传热损失增加，爆震倾向加大，压缩比不能过高，限制了热效率和经济性的提升。针对当量燃烧存在的问题，目前已有研究表明：通过增加EGR稀释程度并改善由此引起的火焰传播速率下降问题、优化燃烧室和气道结构、使用米勒循环、提高几何压缩比和混合气分层等技术措施可予以改善[4]。由此可见，当量燃烧具有较大的提升潜力。虽然当量燃烧在热负荷、原始NOx排放、热效率和经济性方面均劣于稀薄燃烧，但在后处理方面具有独特的优势。

4.2 EGR

由于当量燃烧存在热负荷较高、NOx排放增加与热效率较低等问题，因此通常匹配废气再循环（EGR）系统。EGR是将发动机做功后的部分废气引入到进气系统，与空气/燃气混合气混合后重新进入发动机缸内燃烧的技术。废气中的主要成分是CO2、H2O这样的三元子分子，具有较大的比热容，可以吸收大量的热量，降低缸内燃烧温度，进而降低发动机和后处理的热负荷。同时废气对发动机缸内混合气进行了一定程度稀释，降低了氧浓度，改变了缸内高温、富氧环境，从而抑制了NOx的大量生成[5]。EGR稀释有利于降低发动机传热损失，降低爆震倾向，采用更高的压缩比，从而提高发动机热效率与经济性。因此，EGR对降低当量燃烧NOx排放与热负荷，提高热效率与经济性具有积极作用。

4.3 TWC

当量燃烧较浓的混合气，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中最难被氧化的气体，其起燃温度较其他烷烃和不饱和烃都要高[6]。三元催化器（TWC）可将尾气排出的HC、NOx和CO等有害气体通过氧化还原反应生成无害的H2O、N2和CO2，因能同时净化三种主要有害物质，故称三元。其对各种污染物催化效率均能达到80%以上，在汽油车领域应用非常广泛。TWC一般由壳体、绝热层、载体和催化剂涂层组成。载体一般由三氧化二铝（Al2O3）制成，表面涂覆有多种贵金属催化剂，一般包括铂Pt、铑Rh、钯Pd以及助催化剂二氧化铈（CeO2）等。贵金属钯（Pd）能高效促进CH4的氧化，铑（Rh）是极好的NOx还原剂，铈氧化物主要作用是提供氧的储存和释放。三元催化器的催化效率受過量空气系数的影响很大，能够同时净化CO、未燃HC和NOx的有效空燃比窗口很小。因此，TWC须配合当量燃烧发动机使用。

5 结论

综上所述，在国六法规实施以前，重型天然气车多采用稀薄燃烧+MOC控制策略，主要是由于其可同时实现较高的热效率和较低的NOx原始排放。然而面临更加严格的国六法规，仅靠拓展稀燃极限已无法满足NOx排放要求，必须在MOC基础上再增加SCR系统。由此导致整车成本明显增加，同时也增加了后处理系统使用与维护的复杂性。综合考虑尿素消耗成本，该控制策略经济性优势已不再明显。而当量燃烧+EGR+TWC排放控制策略仅需增加TWC即可满足国六法规要求（EGR为发动机附件），明显简化了后处理装置，从而显著降低了整车及后处理成本，同时其还具有较大的热效率和经济性提升潜力。因此，当量燃烧+EGR+TWC应为满足国六排放法规的主要排放控制策略。

参考文献：

[1]李孟涵，张强，李国祥，等.高压直喷天然气发动机HC排放[J].浙江大学学报（工学版），2016，50（2）：341-346.

[2]尧命发，闫博文，郑尊清，等.点燃式重型天然气发动机燃烧技术的发展及其应用[J].集输与加工，2020，37（10）：79-84.

[3]林钰.天然气发动机燃烧与排放研究[D].天津：天津大学，2017.

[4]姚鑫.当量燃烧天然气发动机燃烧系统优化研究[D].天津：天津大学机械工程学院，2018.

[5]张腾，韩文涛，田占勇，等.天然气发动机EGR系统应用研究[J].内燃机与动力装置，2020，37（4）：80-85.

[6]袁卫波，陈本林，王舒，等.基于国六排放标准的天然气发动机试验研究[J].汽车工程学报，2019，9（3）：193-200.