燃气发动机双级后处理催化效率分析

袁志宏，刘家妩，张华皓，吴宗海，崔铭辉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

气候变化是人类面临的全球性问题，石油等不可再生能源大量消耗，产生了大量的污染物，能源与环境问题日益严峻。在经济飞速发展的同时，环境保护、节能减排已经成为世界各国关注的重点工作。同时，重型汽车领域新能源的使用已经引起极大的重视。天然气凭借排放污染低、资源丰富、价格低廉等优点成为目前兼顾运营与环保的理想代用燃料[1]。与石油基燃料相比，天然气作为替代能源，颗粒物排放可以减少约40%，CO2排放减少约24%，HC 排放减少约72%，CO排放减少约97%[2]。随着油气价格的回落，天然气作为替代燃料的优势进一步凸显[3-4]。天然气一直被认为是重型汽车非常具有竞争力的替代能源。目前，我国已经执行了第六阶段排放标准，随着环境保护力度加大，排放法规及污染物控制日益严苛，因此，研究重型燃气车排放性能具有重要意义。

天然气主要成分为甲烷（CH4），未充分燃烧的CH4形成排气污染物，在氧化耐久方面有公认的难题，尚未彻底解决，对氧化催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）的性能有较大的影响，且DOC 无法处理排气污染物中的NOx。国六阶段法规要求N3 类车辆后处理系统污染物排放控制装置有效寿命期应满足7 年或700 000 km，国六天然气发动机采用三元催化转化器（Three Way Catalytic Converter, TWC）。

TWC 中存在氧化型活性剂，对C、H 等物质进行氧化反应，也存在还原型活性剂，对NOx 等物质进行还原反应，氧化和还原反应同时存在，可以提高后处理的耐久性能。研究发现，不同温度下活性剂的活性和废气污染物的反应效率存在较大差异，本文概述了重型燃气车排放污染物的特征，并针对提高污染物转化效率的后处理方案进行分析和探讨。

1 天然气发动机排放及后处理分析

1.1 天然气发动机排放污染物

天然气主要成分为CH4，CH4是H/C 比值最高的碳氢化合物，因此，CH4相比其他HC 燃料在燃烧过程中有更少的CO2生成量，天然气发动机的主要排放污染物有未完全燃烧的CH4，未充分燃烧产生的HC、CO，以及与空气中的N2高温反应生成的NOx，其中CH4含量较高。NOx 中绝大部分为NO 及NO2，是导致酸雨和光化学烟雾的主要因素之一，对肺和心肌有很强的毒性，一氧化氮能引起中枢神经麻痹和痉挛，人吸收一氧化氮会氧化成有毒的二氧化氮，有强烈的腐蚀性和毒性；排放污染物中的CH4是一种对人体有害的物质，引起的温室效应要比CO2高20～25 倍，CH4为稳定的正四面体结构，是碳氢化合物中最难被氧化的气体成分[5]；CO 是一种有毒气体，CO 与人体血红蛋白亲和，生成一氧化碳血红蛋白，剥夺对人体的供氧能力，引起肌肉调节障碍、头痛、虚脱、神志不清等症状，致人死亡；HC 具有刺激性，刺激眼结膜，引起流泪，导致红眼症，同时对鼻、咽、喉器官有刺激作用，能引起急性喘息症[6]。通过天然气发动机排气污染物及其危害分析可以确定本文提出的提高后处理催化效率，减少排放污染物的技术方案重要性较高。

1.2 天然气发动机后处理技术路线

天然气发动机通常有稀薄燃烧和理论空燃比两种缸内燃烧方式。稀薄燃烧是指缸内参与燃烧的空气量与燃气之比大于17.2，即空气过量，稀薄燃烧发动机通过机内净化技术NOx 原排就能满足国五排放，无需活性剂还原反应，因此，稀薄燃烧通常与DOC 相结合实现国五、欧五排放。理论空燃比技术是指控制天然气发动机在所有运行工况下的过量空气系数为1，即将缸内参与燃烧的新鲜空气量与天然气之比控制在17.2 左右[7]。理论空燃比又称为当量燃烧，采用理论空燃比的发动机动力性和后处理排放耐久方面具有优势，通常与三元催化转化器和废气再循环（Exhaust Gas Recirculation, EGR）系统相结合满足国六甚至更严格的排放限值要求。目前，天然气发动机技术路线有两种：1）国四/国五：稀薄燃烧+DOC；2）国六：当量燃烧+EGR+TWC。

通过以上分析对本文提出的天然气车型三元催化转化器技术路线进行说明，确定分析方向的正确性。

2 天然气车后处理布置分析

重型天然气车后处理布置形式有单级和双级两种。单级后处理布置在整车车架上，国五车型后处理一般布置在车架左侧，国六车型为保证后处理催化效率，增加对尾气的保温要求，后处理布置在车架右侧靠近增压器的位置，单级后处理外形采用箱式或筒式布置，与增压器距离一般要求控制在2 900 mm 以内，同时要求对排气管路进行保温材料包裹，布置方式如图1 所示。

图1 某重型燃气车单级后处理布置

国六天然气车型后处理存在另一种布置形式，双级后处理布置方式，在增压器后50～200 mm 处的发动机本体上布置1 级后处理，受布置空间限制，1 级后处理一般采用圆筒式，且外形较小；车架上布置2 级后处理，2 级后处理布置形式与单级后处理布置相同，2 级后处理有筒式或箱式等布置形式，布置方式如图2 所示。本文重点对采用双级后处理布置形式的后处理催化效率进行分析。

图2 某重型燃气车两级后处理布置

3 排气温度和排放测试

3.1 排气温度测试

不同种类燃料热值统计如表1 所示。天然气主要成分是CH4，根据表1 可知，天然气热值高于汽油、柴油和乙醇，同时天然气发动机热效率小于柴油发动机和汽油发动机，故天然气车的排气温度高于其他车型。

表1 不同燃料热值统计

对某重型天然气试验样车进行排气温度测试，在其发动机增压器后50 mm、150 mm、250 mm、二级后处理入口、二级后处理出口处分别布置排气温度传感器，发动机在额定工况下运转，控制发动机出水温度98 ℃，固定油门100%，在发动机稳定运转5 min 后进行记录各项参数，转速每隔100 r/min 选取工况点，记录额定转速到怠速的每个工况发动机常规参数及测点排气温度T1、T2、T3、T4、T5，测试结果如图3 所示。

图3 某重型燃气发动机排温数据

根据测试结果，T1最高排气温度可达660 ℃，T2最高排气温度可达655 ℃，T3最高排气温度可达650 ℃，T4最高排气温度可达500 ℃，T5最高排气温度可达470 ℃。

3.2 整车道路排放测试

样车1 采用单级后处理布置形式，样车2 采用双级后处理布置形式，两个样车后处理中Pt、Pd、Rh 贵金属含量相同。

本文按照文献[8]要求，对N3 类非城市牵引车样车1 和样车2 进行道路实际便携式排放测试系统（Portable Emission Measurement System,PEMS）测试，测试结果如表2 所示。

表2 天然气车辆PEMS 测试结果 单位：g/(kW·h)

4 试验结果分析

4.1 发动机排气温度

由图3 可知，在发动机额定工况时增压器后最高排气温度可达到660 ℃，在双级后处理布置形式中，第一级后处理布置在增压器后50～200 mm处，进入一级后处理的排气温度为550～660 ℃，进入二级后处理的排气温度为350～500 ℃，一级后处理排气温度高于二级后处理。

4.2 排放性能

国六天然气车型后处理采用三元催化转化器，三元催化剂最低反应温度为350 ℃，最佳工作温度（活性最高）为400～800 ℃，稳定工作温度≤980 ℃，非甲烷HC、CH4以及NOx 转化效率在三元催化剂作用下随温度的升高转化效率也升高。

根据表2 试验测试结果可知，样车2 污染物排放值小于样车1，整体排放性能优于样车1，可以得出结论，样车2 后处理催化效率高于样车1，因此，在发动机增压器后布置第一级后处理可以增加三元催化器的催化效率。

5 结论

根据燃气发动机排气温度测试结果和三元催化剂最佳工作温度分析得出结论，采用双级后处理布置方式时一级后处理中的催化剂工作在最佳温度，一级后处理有利于提高催化剂活性。根据燃气车整车道路排放对比测试结果分析得出结论，采用双级后处理可以提升排气污染物的转化效率，提高后处理催化效率。综上所述，使用TWC作为后处理系统的天然气发动机采用双级后处理技术方案可以提高后处理催化效率。