基于不同標準工況的甲醇發動機排放特性測試研究

康見見， 劉 波， 張 超， 劉 冰， 吳 滴

(重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質量監督檢驗中心， 重慶 401122)

在不斷涌現的眾多新發動機節能減排方案中，甲醇發動機因燃料使用成本低、甲醇配套相關產業日趨成熟[1]、經濟性[2]和環保性能[3-4]相對柴油機和汽油機有明顯優勢[5-7]等特點而日益受到重視。

目前因國內尚未有甲醇發動機的法規標準，甲醇發動機公告認證依據工信部[2012] 42 號文件采用GB 14762—2008[8]規定的汽油機瞬態循環(GETC)開展試驗。本文在已有的GETC循環基礎上，特引入GB 17691—2005[9]中的ETC循環及HJ 689—2014[10]中的WTHC冷、熱態循環工況對甲醇發動機排放性能表現進行探究。

1 試驗方法

在進行GETC、ETC循環試驗時，需對發動機進入循環時發動機邊界條件進行控制。設定進氣空調進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設定冷卻水循環溫度為85 ℃，維持發動機額定工況運轉5～10 min，觀察進氣狀態、水循環溫度、排氣溫度，在水循環溫度為85 ℃±2 ℃，排氣穩定溫度差為±2 ℃時，開始對應的排放測試循環試驗。試驗循環結束后在分析儀讀完袋采結果，還未對采樣袋進行反吹時取消自動反吹過程，用外置取樣泵對采樣袋中氣體進行2次30 min的樣氣采集，以便后續對尾氣中非常規排放物甲醛進行分析。

在進行冷、熱態WHTC循環試驗時，需對發動機進行常溫狀態下不少于6 h的浸機處理，然后設定進氣空調進氣壓力為101 kPa、進氣溫度為25 ℃、進氣濕度為45%，設定冷卻水循環溫度為85 ℃，發動機從停機狀態直接啟動，依次進行冷、熱態WHTC排放測試循環試驗。試驗結束后，采用上述同樣的方法對尾氣袋采樣氣中的非常規排放物甲醛進行采集，以便后續甲醛排放的分析。

2 試驗結果及分析

本文依托一臺多點電噴+理論空燃比燃燒+三元催化后處理技術路線的M100(燃料100%為甲醇)甲醇發動機進行研究。

2.1 常規排放特性

經過試驗，甲醇發動機的常規排放物CO、HC、NOx的比排放(特定污染物的質量與循環工況的循環功的比值)結果均可以滿足相應的法規限值要求，且有較大余量，結果見表1：WHTC冷態循環下，CO的比排放遠高于其他循環工況，其他3種循環模式下CO的比排放水平接近；GETC循環及WHTC熱態循環HC比排放水平明顯低于ETC循環與WHTC冷態循環；NOx的比排放在不同循環間差異性較小，保持相對穩定的排放狀態。

表1 不同法規工況下污染物比排放

為詳細探討上述現象、分析原因，以不同法規循環工況下的CO濃度為例，特畫出CO秒采數據曲線，如圖1至圖4所示。從圖1可以看出：GETC循環下CO濃度值在高負荷工況區域出現激增現象，但未出現量級的變化；從圖2可以看出：CO濃度較GETC循環普遍較高，但整體濃度量級保持一致，因ETC循環高負荷工況點較多，循環功為50.4 kW較GETC的18.9 kW高出近3倍，最終導致GETC、ETC兩循環的CO比排放結果相近；從圖3可以看出：WHTC熱態循環CO最大濃度與ETC循環相近，但高濃度密集區域較ETC循環較少，考慮到WHTC循環功為29.4 kW，最終WHTC熱態循環的CO比排放量與ETC循環接近。圖4中WHTC冷態循環的CO濃度在循環前200 s時間內相比其他3種循環出現量級增長，且隨著循環的進行，CO濃度呈現逐漸降低趨勢；造成此現象的原因在于 WHTC冷態循環從冷機狀態直接開始排放測試，機體整體溫度較低，循環前期噴射進缸內的甲醇混合氣因缸內溫度較低汽化不好，導致甲醇燃料與氧氣混合不均、燃燒不充分造成CO排放增多、NOx排放減少，在三效催化轉化器溫度窗口及反應物濃度的雙重作用下降低了催化效果，最終導致CO比排放增多。

此外，GETC中HC受循環波動影響較小且濃度維持在5 ppm附近，表明在該循環工況下甲醇混合氣較為均勻，甲醇燃燒較好，三效催化轉化器的溫度窗口及反應物濃度適宜情況下針對尾氣中HC的轉化效率較高；ETC循環前700 s時間HC濃度處于25～170 ppm范圍內，造成整體循環比排放增加，對比發現HC濃度變化趨勢與ETC循環轉速變化趨勢類似，表明該循環工況下閉環標定及甲醇噴射策略尚有提升空間，盡管如此，在ETC循環下HC比排放值0.134 g/kW·h與法規限值0.55 g/kW·h相比仍具有巨大的余量空間；WHTC冷態循環前200 s時間HC濃度較高，隨著循環的進展HC濃度逐漸降低且維持穩定，后期濃度表現與WHTC熱態循環HC濃度類似，此現象仍是由WHTC冷態循環的初始機體溫度低導致未燃甲醇增多、三效催化轉化器溫度窗口導致的低催化效率兩方面因素引起的。

圖1 GETC秒采試驗數據

圖2 ETC秒采試驗數據

圖3 熱態WHTC秒采試驗數據

圖4 冷態WHTC秒采試驗數據

從表1可看出，NOx在不同循環工況下的排放濃度均處于一個相對穩定、無量級激增的狀態，甲醇發動機的NOx排放水平在不同法規工況下一致性表現較好，呈現該現象的主要原因在于甲醇自身汽化潛熱較大，缸內燃燒過程可通過吸收潛熱降低缸內燃燒溫度，從NOx生成的高溫富氧的機理出發，對其生成起到了一定的抑制作用；此外還因為瞬態工況下甲醇燃燒不完全，形成了催化器的缺氧環境，使得更多NOx在催化作用下被還原。

2.2 非常規醛類排放

作為甲醇發動機特有的非常規排放物質甲醛，其主要來源為甲醇不完全氧化的產物。表1中GETC、ETC及WHTC加權排放結果均滿足對應法規針對甲醇限值的要求。從不同循環間的對比發現，甲醛的比排放值循環間差異與HC的差異類似，造成該現象的主要原因在于HC及甲醛均為甲醇不完全燃燒的產物，其受不同循環工況、混合氣濃度狀態、缸體初始溫度及三效催化轉化器溫度窗口的影響均與HC類似，此處不再贅述。

3 結 論

1) 甲醇發動機更適用于城市道路交通。

2) 甲醇發動機在不同法規循環下NOx排放一致性較好。

3) 甲醇發動機在常規污染物排放方面表現突出，且生成的非常規污染物甲醛滿足現階段法規文件限值要求；從試驗結果看，在降低未燃HC及甲醛方面甲醇發動機尚有提升空間。