天然气发动机烃类污染物比排放偏差分析

闫鹏勇 李明坤 翟学超 刘吉绪 王振宇 汪晓伟，2

（1-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

目前，天然气发动机在重型商用车上应用广泛[1]。油耗及排放标准的不断加严有力地推动了天然气发动机技术的发展与革新[2-3]。各种满足GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[4]（简称国六排放标准）的天然气发动机排放技术应运而生。

所有降低发动机排放的技术路线都离不开催化器的应用，铂、钯、铑等贵金属是催化器的主要活性成分，被广泛应用于三元催化器。为了满足严格的排放标准要求，催化器中贵金属的含量激增，以致贵金属的价格大幅上涨[5]。各大发动机生产厂商纷纷对催化剂配方进行优化，使催化器兼顾价格和排放两方面要求。根据国六排放标准规定，重型国六排放标准天然气发动机型式检验应按照国六排放标准中附录C 规定的瞬态循环（WHTC）进行发动机台架试验，气态污染物和颗粒物排放结果乘以附录H 指定的劣化系数后，小于发动机标准循环排放限值即可，不强制要求在发动机台架上通过开展污染物排放控制装置耐久试验（简称排放耐久试验）实测得到劣化系数。随着各种催化剂配比方案的出炉，生态环境部对贵金属含量较低的催化剂配比方案监管力度加强。因此，针对匹配低含量贵金属催化器的天然气发动机，用实测得到的劣化系数来验证其排放能否满足国六排放标准成为各大发动机生产厂商目前着重考虑的问题。

全流定容稀释采样系统（CVS）中，总碳氢（THC）和甲烷（CH4）通过在稀释通道内连续测量得到，非甲烷碳氢（NMHC）为连续测量值积分结果，其与CH4瞬时浓度计算方法由标定方法决定；系统响应时间应与CVS 流量波动、采样时间、测试循环对齐[4]，但国六排放标准中并未对“对齐”方法作详细说明。对于天然气发动机，国六排放标准还规定，进行THC的排气质量计算时，需使用CH4的排气组分密度与排气密度比（ugas）系数。排放测试中，NMHC 与CH4比排放之和与THC 比排放总会出现一个相对偏差（简称烃的偏差），讨论“对齐”及THC 的ugas系数的不同设定会对烃的偏差造成多大影响是本文研究的内容。

目前，国六排放标准中对点燃式发动机的THC限值没有要求，试验时，研究人员对THC 的比排放关注较少，往往容易忽视烃的偏差大小。其次，目前，重型国六排放标准发动机进行排放耐久试验的次数较少，尤其天然气发动机进行排放耐久试验的频率更低，研究人员对天然气发动机比排放的关注主要集中在未开展排放耐久试验的冷热态循环加权排放[1，6]结果上，而一般天然气发动机冷热态循环的NMHC加权排放都比较低，不像排放耐久试验中的NMHC排放结果能引起大家重视。另外，部分台架测控系统中，THC 的ugas是按照柴油的ugas进行设置的，在台架上进行天然气发动机的排放试验时，ugas需手动更新，试验前，该ugas往往容易被忽略。

本文在试验台架上，采用WHTC 循环，对一台满足国六排放标准的重型天然气发动机进行排放耐久试验，并对测量结果进行对比和研究，分析与烃类污染物比排放相关的偏差产生的原因和修订方法。

1 试验设置

1.1 试验环境

试验台架示意图如图1 所示，包括电力测功机、测控系统、全流采样通道、CVS、颗粒物采样系统、颗粒计数器等。

图1 发动机台架示意图

CVS 的型号为MEXA-ONE-DC-OV，其所配备的双氢火焰离子化探测器（FID）能同时对稀释排气中的THC 和CH4进行测量，是烃类气态污染物的主要测试单元。试验条件：进气温度为25 ℃，进气湿度为50%，中冷后温度为（47±2）℃，排气背压为20 kPa。试验主要测试设备见表1。

表1 主要测试设备

1.2 试验发动机

试验发动机为一台满足国六排放标准的13 L直列六缸天然气发动机，主要参数见表2。

表2 试验发动机参数

1.3 试验计划

对试验发动机开展1 500 h 排放耐久试验，排放测试时间间隔为300 h，排放数据均为热态WHTC 循环测试结果，得到6 份比排放结果。根据“对齐”和ugas系数的不同设置，重新计算比排放，并对烃的偏差进行分析。烃的偏差公式如下：

式中：eCH4为CH4比排放，mg/（kW·h）；eNMHC为NMHC比排放，mg/（kW·h）；eTHC为THC 比排放，mg/（kW·h）。

2 结果与分析

2.1 采样延迟时间对烃的偏差影响分析

试验过程中，排气流量由进气流量和燃料流量相加得到。其中，排气流量与进气流量的记录在同一时刻进行。而采样点处的气态污染物瞬时浓度与记录的排气流量在时间上总会相差一个采样延迟时间（该时间与国六排放标准定义不同），如图2 所示。同时，分析仪中探测器测得的气态污染物浓度时刻与采样点处排气流量流过的时刻也相差一段时间，称为分析仪的响应时间，响应时间由采样点与探测器之间的管路以及探测器内部构造决定。

图2 采样延迟时间和响应时间示意图

本文的研究过程中，与THC 和CH4相关的响应时间分别为3.6 s 和4.1 s，这2 个时间为分析仪进行响应时间检查后自动生成的时间，不需人为设定。响应时间确定后，搭载发动机测试排气污染物浓度波峰与排气流量波峰的时间间隔，作为采样延迟时间设置在台架电脑中。根据上述响应时间测得的采样延迟时间为5 s。理论上，进行排放测试后，分析仪会根据响应时间将THC 和CH4的浓度自动向前调整3.6 s和4.1 s 进行数据对齐，作为此刻采样点THC 和CH4浓度，并将数据发送至测控系统。试验结束后，测控系统根据采样延迟时间将THC 和CH4的浓度数据分别向前调整，最后再与排气流量进行后续计算。

台架系统按照采样延迟时间5 s 和上述响应时间开展0 h（即第1 次）的WHTC 循环测试，排放结果见表3。

表3 0 h 比排放及烃的偏差结果

从表3 可以看出，0 h 的WHTC 循环测试，烃的偏差为7%，超出了“偏差在±3%以内”的试验预期结果。THC、CH4排放和排气流量随测试时间的变化趋势如图3 所示。

图3 THC、CH4 排放和排气流量随测试时间的变化趋势

将图3 中排气流量突变的A 区域进行放大（放大区间为261～275 s 区间），得到THC 和CH4排放峰值延迟时间分析图如图4 所示。

图4 THC、CH4 排放峰值延迟时间分析图

从图4 可以看到，排气流量峰值到达时间为267 s，对应的THC 排放峰值到达时间为272.3 s，对应的CH4排放峰值到达时间为273.1 s，THC 排放峰值和CH4排放峰值到达时间分别比排气流量峰值到达时间延迟5.3 s 和6.1 s；而CH4排放峰值到达时间比THC 排放峰值到达时间延迟0.8 s。

分析图3 中的其它区域以及其它气态污染物峰值到达的延迟时间，发现气态污染物排放峰值到达时间比排气流量峰值到达时间大体延迟5 s。因此，将THC 采样延迟时间设置为5 s 是没有问题的。如果将CH4采样延迟时间也设置为5 s，在进行NMHC的瞬时浓度计算时，会由于CH4与THC 浓度数据未“对齐”，造成NMHC 的瞬时浓度时正时负，导致NMHC 比排放结果失真。这是由于在设定采样延迟时间后，随着分析仪使用时间的增加，其管路和探测器内壁的清洁度比出厂时差，探测器之间响应时间的差在检定后会发生微弱变化，分析仪传递至测控系统的数据未对齐。

鉴于响应时间和采样延迟时间均有调整数据对齐状态的作用，可以通过调整CH4采样延迟时间设置方式，达到快速使CH4浓度数据与THC 浓度数据在最终计算时相对齐的效果，重点在于确定THC 浓度数据与CH4浓度数据延迟时间的真实值。

为了确定整个循环过程中THC 浓度数据和CH4浓度数据对应时间差的具体数值，将整个循环中THC 的瞬时浓度与CH4的瞬时浓度相减，结果为正值的数据标记为1，以0.1 s 为步长（数据频率为10 Hz），通过将CH4浓度数据对应时间提前或延后，得到不同的CH4浓度数据与THC 浓度数据对齐状态，“1”的个数越多，说明2 者重合度越高，NMHC 的浓度越接近真实值，如图5 所示。重合度最高所对应的时间与采样时间设定值5 s 求和即为CH4最准确的采样延迟时间设定值。

图5 CH4 浓度数据对应时间提前对NMHC 浓度的影响

从图5a 可以看出，随着CH4浓度数据对应时间提前，正值的个数呈现先增加后减少的趋势，峰值坐标为（0.7，17 955）。这表示将CH4浓度数据对应时间提前0.7 s 后，在整个1 800 s 的WHTC 循环中，有17 955 个数据为正。换句话说，在1 800 s 的WHTC循环中，在1 795.5 s 的时间里，THC 浓度大于CH4浓度，此时2 条浓度曲线的重合度最高。将CH4浓度数据对应时间以0.1 s 为步长，依次做出THC 与CH4浓度的差值曲线，得到多条NMHC 的浓度曲线。其中，CH4浓度数据对应时间未提前和提前0.7 s 的NMHC 浓度曲线分别如图5b 和图5c 所示。这更直观地反映了CH4浓度数据对应时间提前0.7 s 后，NMHC 的浓度曲线负值更少，更符合客观规律。

将0.7 s 加上之前设定的5 s 共计5.7 s 作为CH4采样延迟时间设定值，重新计算0 h 的排放，见表4。

表4 CH4 采样延迟时间调整前后0 h 排放结果

从表4 可以看出，将5.7 s 作为CH4采样延迟时间设定值后，THC 排放无变化，NMHC 排放减少5.55 mg/（kW·h），减少约46.69%；CH4排放减少0.053 mg/（kW·h），减少约0.08%，说明响应时间的微弱偏差会对NMHC 比排放结果产生重大影响。

2.2 ugas 系数对烃的偏差影响分析

国六排放标准中，排气质量的计算公式为：

式中：ugas为国六排放标准表CA.2 中排气组分密度和稀释排气密度比；cgas为背景修正后的排气组分平均浓度，cm3/m3；med为整个WHTC 循环的总稀释排气质量，kg。

公式（2）中，当cgas和med不变时，mgas为ugas的比例函数。国六排放标准规定：在对天然气发动机排气质量进行计算时，THC 需使用CH4的ugas，为0.000 553；而在对柴油机排气质量进行计算时，THC的ugas为0.000 479。本文在进行天然气发动机排放试验时，THC 的ugas使用柴油机的参数设定，即将台架系统中THC 的ugas由0.000 553 改为0.000 479，重新计算0 h 的排放结果，见表5。

表5 ugas 变更后0 h 比排放及烃的偏差结果

从表5 可以看出，THC 的ugas由0.000 553 改为0.000 479 后：

1）THC 排放减少9.806mg/（kW·h），减少约13.38%。

2）THC 比排放的比值与对应的ugas系数比值相同，均约为1.154（较小数作被除数）；烃的偏差由-0.6%变为14.8%，变化量为15.4%。可知，变化量一致。

3）NMHC 排放与CH4排放无变化。

说明开展天然气发动机排放测试时，如果将ugas按照柴油机设定，将使THC 比排放减少约13.38%，烃的偏差增加约15.4%。

2.3 2 种典型偏差的综合影响分析

CH4采样延迟时间和ugas系数设置分组见表6。

表6 CH4 采样延迟时间和ugas 系数设置分组

重新计算0 h、300 h、600 h、900 h、1 200 h、1 500 h的排放结果见表7。

表7 不同设置下的比排放及烃的偏差

设置1、设置2、设置3 下烃的偏差对比见图6。

图6 不同设置下烃的偏差对比图

从表7 和图6 可以看出，设置1，排放中烃的偏差最小值为1 500 h 时的1.0%，最大值为300 h 时的17.8%，且烃的偏差分布并非THC、NMHC、CH4以及时间的线性函数，呈现出无规律性。设置2，排放中烃的偏差最小值为1 500 h 时的12.2%，最大值为1 200 h 时的15.0%，烃的偏差分布接近定值（15.4%），呈现出一定的规律性。设置3，排放中烃的偏差跟设置1 与设置2 中烃的偏差之和相差不大。说明2 种典型偏差同时出现时，其对烃的偏差的综合影响没有抵消作用，而是对排放结果造成了更大的影响。

2.4 烃的偏差修正结果与分析

将CH4采样延迟时间设为5.7 s、ugas系数设为0.000 553 定义为设置4，重新计算排放，得到偏差修正后的排放结果，见表8。

表8 偏差修正后的比排放及烃的偏差结果

设置4 与设置3 的数据对比如图7 所示。

图7 设置4 与设置3 的比排放及烃的偏差对比

从图7a 可以看出，相比于采用设置3，采用设置4，THC 比排放增加15.4%，比值均为1.154，与“2.2 ugas系数对烃的偏差影响分析”结论一致。从图7b 可以看出，相比于采用设置3，采用设置4，1 200 h 时，NMHC 比排放减少最多，约为63%；300 h 时，NMHC比排放减少绝对值最大，为84.6 mg/（kW·h），减少56%；NMHC 比排放整体呈现减少态势，但减少比例无规律性，与“2.1 采样延迟时间对烃的偏差影响分析”结论一致。从图7c 可以看出，相比于采用设置3，采用设置4，CH4比排放基本无变化，变化最大为0 h时，减少0.08%。从图7b 和图7c 也可以看出，采样延迟时间的微弱调整对某些气态污染物的比排放影响不大，但对NMHC 的比排放却有重大影响。从图7d 可以看出，相比于采用设置3，采用设置4，烃的偏差减小最大值为300 h 时的36.8%，烃的偏差均修正到了±3%以内。

3 结论

本文通过设置不同的CH4采样延迟时间及ugas值，在试验台架上，采用WHTC 循环，对一台满足国六排放标准的重型天然气发动机进行排放耐久试验，得到以下结论：

1）排放分析仪中FID 型探测器响应时间的微弱偏差对NMHC 比排放有重大影响，会导致烃的比排放出现较大偏差。

2）通过对测控系统中采样延迟时间进行合理修正，能快速解决THC 与CH4响应时间对NMHC 比排放造成影响的问题。

3）开展天然气发动机排放试验前，燃料参数设置时，如果THC 的ugas值按照柴油机的参数设置而未进行更新，将会造成THC 比排放下降约13.38%，烃的偏差增加约15.4%。如果对CH4采样延迟时间进行合理修正，同时将THC 的ugas值更新为CH4的ugas，烃的偏差可修正到±3%以内。