CHEN Benlin 1，YUAN Weibo 2，WANG Shu 1，WANG Guohua 1
(1.Chongqing CAERI Power Technology Co.，Ltd.，Chongqing 401122，China ；
2. China Automobile Engineering Research Institute ，Chongqing 401122，China )
Abstract :In this paper, a diesel engine was transformed into a natural-gas-premixed engine with single-point injection. The engine adopted the technical route of the equivalence-ratio combustion without exhaust gas recirculation (EGR ) plus the three-way catalytic converter. By matching the optimized calibrations of the supercharger, the three-way catalytic converter and the electronic control system, the emission test was carried out according to the world harmonized transient cycle (WHTC ). The results show that the dynamic performance and fuel economy of the developed China VI natural gas engine meet the design targets, and the emissions meet the requirements of GB 17691—2018 Limits and Measurement Methods for emissions from diesel-fueled heavy-duty Vehicles (China VI ).Keywords :natural gas engine; emissions; three way catalyst; stoichiometric operation
收稿日期：2020-06-01 改稿日期：2020-06-15
基金项目：
重庆市科学技术委员会重点产业共性关键技术创新专项（cstc2017zdcy-zdyfX0097）
参考文献引用格式：
CHEN Benlin ，YUAN Weibo ，WANG Shu ，et al. Development of China VI Emission Natural Gas Engine [J ]. Chinese Journal of Automotive Engineering ，2021，11(1)：47-52. (in Chinese )
近年来，我国的经济高速发展，对石油的需求越来越大，由此产生了能源短缺和环境污染问题。中国石油集团经济技术研究院发布的《2018年国
内外油气行业发展报告》称，2018年中国的石油进口量为4.4亿吨，同比增长11％，石油对外依存度升至69.8％，已严重影响到我国的能源安全。作为
048 汽车工程学报 第11卷
用油大户的汽车行业，近几年也获得快速发展。到
2018年底，我国的汽车保有量已达到2.4亿辆，汽
车消耗了大量的石油，同时也排放了大量的污染物。
为缓解石油短缺带来的问题，改善大气环境，
发展天然气汽车和天然气发动机是一个有效的替代
方案。近几年，我国的页岩气、煤层气的产量获得
较大的提高，为天然气汽车的发展提供了能源基础。烧天然气的汽车
2018年6月22日，生态环境部正式发布了
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）》标准[1]，并从2019年
7月1日起开始实施。因此，急需开发满足国六排
放标准的天然气发动机。在国五排放阶段，天然
气发动机一般采用稀薄燃烧+氧化型催化器DOC
（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）的技术路线。
采用这种技术路线，天然气发动机的NO x和CH4
排放都很高。文献[2]和[3]研究了重型稀薄燃
烧天然气发动机的NO x和HC排放，试验数据表
明，在催化器后天然气发动机外特性上NO x的体
积浓度在100×10-6～200×10-6范围内，HC的体
积浓度在120×10-6～240×10-6范围内。文献[4]和[5]研究的稀薄燃烧天然气发动机，在欧洲瞬态循环E
TC（European Transient Cycle，ETC）下，NO x、CH4的比排放分别达到2.31 g/kWh、1.07 g/ kWh和1.855 g/kWh、0.995 g/kWh。要满足国六排放标准的要求，天然气发动机需要采用当量比燃烧+三元催化器的技术路线。文献[6]在中型商用车天然气发动机上进行了当量比燃烧+三元催化器的技术研究。在ETC循环下，NO x和CH4的排放分别达到1.32 g/kWh和0.28 g/kWh。文献[7]在重型天然气发动机上进行了当量比燃烧+EGR+三元催化器的技术研究。在WHTC循环下，NO x 和THC的排放分别达到0.15 g/kWh和1.8 g/kWh。在过量空气系数α=0.99附近，三元催化器对CO、NMHC、CH4、NO x都有很高的转换效率[8]。天然气发动机采用当量比燃烧，活塞等零部件的热负荷较大，发生爆震的趋势较大[9]，NO x排放也较高。采用冷却的EGR技术，可有效降低热负荷和爆震倾向[9]，同时减少NO x排放。但采用EGR技术会
1 发动机技术方案
1.1 本体改进
在原柴油机的基础上，对汽缸盖、活塞等结构进行了改进，压缩比调整为12。燃烧室的形状为敞口碗形，如图1所示。基于发动机的4气门结构，燃烧室中置，结构对称，机械应力和热应力分布均匀。为降低活塞的热负荷，采用有机油腔的油冷活塞。活塞的材料选用BH135+铝硅合金，耐高温，带来生产成本增加、冷却系统的散热量增加，以及可靠性等问题。因此，是否采用EGR技术，需要进行综合评估。
通过匹配增压器、三元催化器和电控系统的优化标定，开发的天然气发动机的动力性和燃料经济性达到设计指标，按GB17691—2018进行WHTC
循环试验，排放满足国六限值要求。
表1 原柴油机基础参数
图1
天然气发动机的活塞
第1期 049
陈本林 等： 国六排放天然气发动机的开发
热稳定性好。为尽量提高发动机低速时增压器的压
力，增压器的压比约为2。增压器的涡轮采用耐高
温的材料。为保证天然气发动机的可靠性，将原柴
油机水泵的流量增加了30%。对天然气发动机加装
了电控系统、天然气供气系统和点火系统。
1.2 电控系统
电控系统包括电子控制单元ECU、电子节气门、
转速传感器、相位传感器、进气温度压力传感器、
水温传感器、氧传感器（前宽域氧传感器、后普通氧传感器）、专用线束等。天然气发动机工作时，ECU接收各传感器传来的信号，进行计算和判断，输出天然气的喷射脉宽和点火时刻，实现对空燃比和点火提前角的精确控制。氧传感器用于对空燃比进行闭环控制，使天然气发动机的空燃比在三元催化器的高效转换窗口内。
1.3 供气系统
是否采用EGR技术是关注的重点。在无EGR 的条件下，对天然气发动机进行了活塞温度场试验和可靠性试验，证明了天然气发动机的可靠性较好，无爆震发生。因此，天然气发动机采用无EGR的增压中冷+当量比燃烧+三元催化器的技术路线，点火系统采用各缸顺序点火，天然气的供给采用单点集中喷射预混合方案[10]。单点集中喷射预混合方案的优点是对原柴油机的进气管改动小，各缸空燃比的均匀性好。
1.4 点火系统
点火系统对天然气发动机的性能和排放有重要的影响，它包含点火线圈和火花塞。天然气发动机采用各缸顺序点火方式，每缸1个点火线圈，点火线圈直接安装在汽缸盖上。为保证可靠的点火，选用的点火线圈输出电压为33 kV（最小），火花能量为69 mJ（最小）。火花塞为铱金火花塞，耐高温，采用针状电极，点火能力强。
1.5 催化器
天然气发动机使用的三元催化器与汽油机使用的三元催化器有相似之处，但又有别于汽油机的三
2 试验设备
试验用的设备包含日本HORIBA公司的电力测功机、全流稀释系统、排放分析仪等，见表3。各种排放测试设备的测量原理、测量精度符合GB17691—2018的规定。试验台的布置如图2所示。元催化器。主要原因是天然气发动机的HC排放中，主要成分是CH4，其分子结构稳定，很难被氧化[8]。因此，天然气发动机的三元催化器需要采用更多的贵金属。通过试验，选定的三元催化器的参数见表2
。
表2 催化器的参数
表3 试验用的仪器、
设备
3 天然气发动机的试验
3.1 天然气发动机的参数
天然气发动机的主要技术参数见表4
。
表4 天然气发动机主要技术参数
图3 发动机净功率试验曲线
360转速n /(r ·min -1)
3303002702401 0001 2001 4001 6001 8002 0002 2002 4002 6002 800
2102118151296
3
校正转矩校正功率燃气消耗量燃气消耗率
电磁
第1期 051
陈本林 等： 国六排放天然气发动机的开发表6 安装催化器后天然气发动机的排放试验结果
由表5可知，天然气发动机原始排放中的CO 、NMHC 、CH 4、NO x 都很高，不能够满足发动机国六排放限值的要求。
3.5 安装催化器后天然气发动机的排放试验
对天然气发动机的过量空气系数进行了精细标定，使其在三元催化器的高效转换窗口范围内。在安装催化器的条件下，对天然气发动机进行了WHTC 循环排放试验，试验结果见表6。3.6 排放试验结果分析
（1）安装催化器后，天然气发动机冷、热启动排放试验的加权结果乘以指定的劣化系数[5]
后满足
发动机国六排放标准。
（2）冷、热启动试验加权结果与国六排放限值的比值如图4所示。由图4可知，CO 、NMHC 、CH 4、NO x 的排放量与国六限值的比值在35%以内；颗粒物PM （Particulate Matter ，PM ）和粒子数量PN （Particle Number ，PN ）的排放量与国六限值的比值在10%以内。NH 3的排放较高，接近排放限值。
（3）冷启动试验的CO 、NMHC 、CH 4排放高于热启动试验。主要原因是，热启动试验时，催化器的温度较高[10]，催化器起燃时间短，催化器的转换效率高。其次，热启动试验时，发动机汽缸内的温度较高，有利于CO 、NMHC 、CH 4的燃烧和氧化，使发动机的CO 、NMHC 、CH 4原始排放降低。
（4）冷启动试验的NO x 排放高于热启动试验。冷启动试验NO x 排放高的主要原因是催化器前的排气
温度低，在发动机冷启动时，催化器的进口温度在25℃左右[5]，催化器升温慢，达到起燃温度的时
间长，转换效率低，使催化器后的NO x 排放高。
（5）天然气发动机的原始排放中没有NH 3，NH 3是在三元催化器中产生的，在三元催化器中，NO 、CO 、H 2 发生化学反应生成NH 3[11]。冷启动试验的NH 3排放低于热启动试验，这是因为在热启动试验中，催化器中的温度较高，有利于NH 3的生成。
（6）在不安装颗粒过滤器的条件下，天然气发动机的PM 和PN 排放量都很低。天然气发动机的燃烧，是空气与天然气在分子级别上的混合燃烧，一般不会产生颗粒物排放。天然气发动机的颗粒物排放主要来自机油[12]。只要控制好机油消耗量，天然气发动机的颗粒物排放就能够满足国六排放标准。
（7）将天然气发动机的原始排放和安装催化器后的排放进行比较，可以得到三元催化器的循环平均转换效率，循环平均转换效率的定义如下：
循环平均转换效率=（原始排放加权结果－装催化器加权结果）÷原始排放加权结果×权结果。
图4 排放值与国六限值的比值
100908070605040302010CO
NMHC
CH 4
NH 3
PM
PN
NO x
排放值/国六限值/%
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