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天然气车排放检验不合格原因

2019-06-14 08:17:28 山东科大集团 阅读

此篇文章转自卡车之家-天天向左002先生(很想结识)的文章《升级国六反而增加气耗 那为什么还要选这个技术?》,端午节假的最后一天,睡眼读到此篇文章,赶尽转发出来。结合最近热议的天然气车在新排放标准下大量车检验不合格的问题,相必读了此文,对广大机动车检验机构同行能有较大帮助。


一,国六天然气发动机为什么选择当量比燃烧?


国五以前的天然气发动机其发展方向是稀薄燃烧。但是,到了国六以后为何又转向回头去采用比较保守的当量比燃烧呢?

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我们知道天然气发动机的理论空燃比是17.2/1,意思是17.2公斤空气可以将1公斤天然气完全燃烧掉(金镶玉:过量空气系数λ的限值0.95-1.05判定是依据汽油车发动机的理论空燃比14.7/1设计的,天然气车用此限值判定就不大适用了)。所以理论空燃比也叫当量比,依靠空气燃烧做功的内燃发动机都有一个难题:燃料和空气在极短时间内难以均匀混合。

当量比燃烧尤甚,当混合不均匀的话就会造成局部区域混合气过浓难以充分燃烧或燃烧时间过长(后燃)。

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没有充分燃烧的天然气及其残留物会污染环境(后文会讲到利用三元催化来消除天然气燃烧后的残余可燃气体)做功燃烧时间过长会带来发动机高温的问题:一个最佳的燃烧模型就是在过上止点的一瞬间燃料可以烧的干干净净,如果直到排气行程还在燃烧的话(后燃)必然会造成缸体,缸盖,气门以及排气高温。从燃烧控制角度来看,当量比燃烧对于稀薄燃烧来说混合气浓度一直较大,采用当量比燃烧的天然气发动机在动力性表现会更好,瞬态响应快,低速扭矩表现更好。

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这也很好解释了为什么一些天然气发动机升级国六后,动力更强了;同时,因为没有过量的空气,所以也不会产生大量的氮氧化物排放。但是,采用当量比燃烧方式发动机的热负荷问题,其发动机整机、冷却、燃烧、排气等系统都需要强化,有些零部件必须使用进口耐高温材料,这就意味着发动机成本会大大提升。天然气发动机采用多点喷射的目的就是为了让天然气和空气更好的混合。

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即使这样也不能从根本上解决空气和燃料混合难的问题,所以设计师们发明了稀薄燃烧技术。(金镶玉:稀薄燃烧技术其共同点都是利用缸内涡流运动,使聚集在火花塞附近的最浓混合气先被点燃,然后迅速向外层推进燃烧,并有较高的压缩比。)就跟战场上杀敌似的,一对一的情况下总是不可能将敌人完全歼灭。

如果让两个战士甚至三个,四个战士对付一个敌人,将敌人包围住就可以将敌人消灭的干干净净,基本上不会有多少漏网之鱼!同理,让过量的空气进入燃烧室,保证每个天然气分子都可以让空气充分包裹就可以达到彻底燃烧的目的。燃烧的越彻底我们说越节能!所以,在环保标准不高的时候,节能才是天然气发动机的主流!

稀薄燃烧节能的同时带来了大量的氮氧化物(因为空气中主要成分是氮气和氧气,没有参与燃烧的过量空气经过高温以后会产生大量的氮氧化合物)而氮氧化物因为遇湿呈强酸的特性会戕害人的下呼吸道,特别对于老人,小孩,体弱多病者危害尤其大。

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并且氮氧化物也是光化学烟雾和酸雨的主要来源之一,我们看到的柴油车外挂所背负的尿素系统就是为了解决氮氧化物排放问题。天然气发动机稀薄燃烧的空燃比在19比1到25比1之间,也就是说天然气发动机采用稀薄燃烧技术时的空燃比是采用当量比燃烧时的空燃比的1.1倍至1.5倍。因为天然气点火温度要求更高的缘故过稀的混合气会造成点火困难以及后燃,高功率输出的时候加速困难等现象。所以天然气发动机一般在1.1倍进气量的情况下可以兼顾动力性的同时节能效果最明显。反观柴油发动机的稀薄燃烧,其空气进气量可以达到理论空燃比的2-3倍。

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可想而知柴油发动机那么多多余的空气参与燃烧,其氮氧化物排放如果没有后处理的话是何其恐怖了!

这里需要多说几句的是:很多人认为冒黑烟才是污染环境(金镶玉:山东科大集团。带尿素系统的柴油发动机不烧尿素其实污染更大,随着排放升级我们可以看到的是柴油发动机高压共轨系统压力越来越高,共轨压力越高意味着空气与柴油混合更好。

同时也意味着燃烧效率更高,燃烧室温度也越高,参与燃烧的过量空气也会产生更多的氮氧化物………。

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因为氮氧化物无色无味,所以不烧尿素比冒黑烟污染大了去了!引用《穹顶之下》一句话: “将来有一天,我会离开这个世界,但是我的孩子还在其中生活,这个世界就与我有关,所以我才凝视它,就像我凝视你,所以我才守护它,就像我守护你”。

那为什么国六天然气发动机不采用稀薄燃烧加尿素系统来解决氮氧化物排放问题而要采用当量比燃烧的技术路径呢?

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这主要是从技术和成本两方面来综合考虑的结果,两害相权取其轻,在当前环保重压下,使用经济性只能排在次要位置了,后处理相对简单的当量比燃烧就成了必然选择。

二 , 百害一利的EGR

前面说过,当量比燃烧的时候当空气和天然气混合不均匀的时候会造成局部混合气过浓,在恰好刚刚够的空气总量条件下,相对应的,既然有的地方过浓必然有的地方会过稀,混合气过稀的地方也必然会产生氮氧化物排放。在环保要求不是很高的时候肯定不用去理会这些癣疥之疾,但在高排放等级要求下这些癣疥之疾就变成心腹之患了!

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后文要谈的三元催化有利用贵金属催化转化氮氧化物的能力,但是三元催化对于氮氧化物催化转化效率极低,氮氧化物量多以后它就无能为力了。如果是极少量氮氧化物排放利用三元催化就可以治理,但是对于国六天然气三元催化却无法满足要求,兼顾经济性和满足排放的情况下只能用到EGR尾气再循环系统了!(相对来说,天然气发动机因为燃料是气体,所以对于燃料和空气和尾气的混合比柴油发动机要容易的多,所以天然气发动机选择EGR系统也就成了顺理成章的事情了)顾名思义,国六天然气发动机尾气再循环系统就是将燃烧过后经过冷却的尾气再通过进气管和可燃混合气混合以后进入燃烧室。

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利用废气去挤占燃烧室的空间,其作用有三个:

1,利用冷却过的废气降低燃烧室的温度和爆发压力(想一想这就是在起反作用);

2,减缓燃烧速度。(燃烧速度减缓可以让发动机震动和噪音更柔和,想一想这也就是EGR技术百害里面唯一的“利”了);

3,因为有一部分尾气进了进气管所以减少了尾气排放总量和减轻了后级尾气处理系统(三元催化)的压力。

简单理解:如果说采用SCR尿素喷射系统和三元催化是让人把屁放出来再去治理的话,那么EGR系统就是改造人的胃部,在进食的时候就避免了产生“气”的可能。

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EGR对于燃烧来说是起负面影响的,所以在发动机怠的时候一般不进行EGR。因为怠速工况下一般只是克服泵气损失和摩擦损失,假如进行EGR的话就没有意义了!

在发动机大功率输出的时候一般也不进行尾气再循环(EGR),因为大功率输出的情况下都是混合气过浓状态,没有富余空气也很少会有氮痒化物排放,再加此时如果进行EGR的话势必影响发动机设计性能。

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那就只剩下中速阶段了!EGR率是随发动机工况变化而变化的,负荷越大,温度越高EGR率越高。需要说明的是:当水温低,进气温度低(低温环境),发动机有影响到动力的故障码的时候,EGR都可能不工作(具体要看各厂家的控制策略)。

三,老生常谈之三元催化 发动机尾气排放物一般分固体和气体两大类

固体类比如我们耳熟能详的颗粒物排放(黑烟),天然气发动机因为燃料的特性所以一般没有颗粒物过滤的需求。而气体类尾气排放物主要有:碳氢化合物HC,这是天然气燃烧剩余可燃性气体;一氧化碳CO,这是在缺氧条件下没有完全燃烧的气体;氮痒化物NOx,这是多余空气燃烧产生的气体。

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下面是百度百科关于三元催化的解释: 三元催化,是指将汽车尾气排出的CO、HC和NOx最多含量的三种有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气的催化,所以才叫“三元”催化器。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料,安装在特制的排气管当中。称它是载体,是因为它本身并不参加催化反应,而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属和稀土涂层。

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是安装在汽车排气系统中最重要的机外净化装置。三元催化技术是一个非常成熟的技术了,通过贵金属来吸附碳氢化合物和一氧化碳将这两类可燃性气体烧掉。(金镶玉:目前部分大型天然气车安装的是二元催化器,对NO没有设计净化,原来老标准对大型天然气车使用的是双怠速法检测,不评价NO, 而新排放标准要求除全时/适时四驱车都使用工况法检测,对NO增加了评价)

同时通过贵金属将少量氮化物还原成氧和氮,这就是它和我们柴油机常见的DOC的差别之处。DOC学名叫:氧化催化器,就是一个炉子,它可以将收集来的可燃性气体通通烧掉,而对于氮氧化物却没有还原能力。

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文章已于2019-06-09修改



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