1 引言(Introduction)

20世纪末以来，中国各大中城市机动车保有量快速增加，使城市大气污染由过去的煤烟型污染发展为煤烟、机动车尾气复合型污染(Chan et al.，2008; 张菊等，2006; 肖致美等，2014). 机动车尾气已经成为影响城市大气环境质量的主要因素(Song et al.，2007; Chen et al.，2012; 孙茜等，2010; 赵雪艳等，2014). 据统计，2012年，我国机动车保有量约达到2.24亿辆，产销量居世界首位. 据估算，未来5 a我国还将新增车辆1亿辆以上，新增车用汽、柴油1.0×10⁸~1.5×10⁸ t，这带来了十分巨大的环境压力(http://www. vecc-mep. org. cn/download/index. jsp). 研究表明机动车尾气会导致过敏性呼吸道疾病和支气管哮喘发病率的上升(Cesaroni et al.，2013; Laumbach et al.，2012). 流行病学与临床实践表明，长期暴露于颗粒物以及汽车尾气下，会诱发心血管疾病、心肌梗塞，呼吸道过敏等心肺疾病(Brunekreef et al.，2009; BROOK et al.，2010). 燃气汽车的污染物排放量较汽油车和柴油车有较大幅度减小，以清洁能源替代传统燃料是控制尾气排放的一个主要途径(Wagemakers et al.，2012; Sahoo et al.，2009). 天然气作为可替代常规汽油或柴油的燃料，其自身优点(Ma et al.，2007; Makogon et al.，2010)以及天然气发动机的燃烧特性决定了其巨大的发展潜力(Kato et al.，1999). 由于石油资源分布不均及日益短缺的威胁，寻找清洁的代用燃料成为影响社会可持续发展的重要因素之一. 在各种汽车代用燃料中，天然气因其清洁、储量大、热值高、排污低、使用经济性好而备受关注. 发展天然气汽车对于改善城市空气质量，缓解我国能源压力有着重要的现实意义.

国内外学者对天然气发动机排放特征进行了大量研究.有学者(窦慧莉等，2006)研究了过量空气系数对天然气发动机燃烧排放性能的影响，结果表明在过量空气系数达到1.1以后，NO_x、CO和HC排放随过量空气系数的增大而降低. 双燃料发动机瞬态工况下的污染物排放特征也被大量研究(邱飞等，2015; 解淑霞等，2011). 在发动机使用天然气和氢气混合物时的排放特征及性能进行研究时(Bysveen et al.，2007)，发现在相同过量空气系数下，加氢之后的性能明显优于未加氢的情况.

有大量关于发动机在稳态工况运行时排放情况的研究(Lapuerta et al.，2008; Hassaneen et al.，2012; Labecki et al.，2012)，但是在日常行驶条件下，发动机只有很少时间处于稳态工况中，车用发动机大部分时间运转于瞬态工况中(刘忠长等，2004)，瞬态工况占据运行工况的大部分比例，而NO_x的排放控制是发展燃气汽车的核心问题之一，因此，对内燃机瞬态工况NO_x的研究和寻找降低瞬态工况过程的排放具有十分重要的意义. 文章对燃气型发动机瞬态工况下NO_x排放特征的研究，旨在为今后在燃气发动机瞬态排放特征方面积累基础数据，为燃气发动机NO_x排放控制提供科学依据.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 发动机技术参数

试验采用6MK375N-50型增压中冷燃气发动机，其主要技术参数如表 1所示.

2.2 测试系统

测试系统如图 1所示，本次试验的气源来自珠海LNG，外界大气压101.9 kPa，环境干球温度27.6 ℃，湿度26.1%，实验室大气因子fa(无量纲)为1.00，测功机为AFA_T490(Schneider Electric Power Drives GmbH，Ruthnergasse 1，A-1210 VIENNA，0.5%+2×NWG)，控制系统采用PUMA Open1.5.2(AVL，Austria)，油耗仪采用AVL 735S(AVL List GmbH，Hans-List-Platz 1，8020 Graz，Austria)，采用ABB(Sensyflow)(ABB，Switzerland，0~2400 kg·h^-1)空气流量计，AMA4000(AVL，Austria)气体分析仪来测定NO_x的实时排放数据，系统响应时间为3 s，实验进气温度为实验室环境温度，发动机通过台架实验室中的温控设备来调整实验室环境温度；调整环境温度，使进气温度达到试验要求，湿度可以通过实验室的加湿设备予以调整，为保障测量精度，每一种湿度环境测定相应工况(调整转速)，再切换不同湿度进行测量，试验采用计算机控制步进电机来实现油门开度，同时同步采集和记录不同转速下的进气流量、转矩、进气温度、进气湿度以及NO_x排放.

2.3 研究方法

本次台架试验对电控6MK375N-50双燃料增压中冷发动机进行瞬态工况下NO_x排放的测定，逐秒变化的瞬态工况(ETC)测定规程严格按照GB17691—2005中规定进行，通过分析仪的积分方法测量循环中的NO_x浓度. 对实验结果进行了无重复双因素方差分析，对实验条件进行F检验，F值是对解释变量整体显著性的检验，通过SPSS软件求得F值.其中

F_A>F_0.01(df_A，df_e)，因素A对实验影响非常显著；

F_0.05(df_A，df_e)< F_A < F_0.01(df_A，df_e)，因素A对实验影响显著；

F_A < F_0.05(df_A，df_e)，因素A对实验影响不显著.

式中，F_A为因素A的F值，服从自由度为(df_A，df_e)的F分布，df_A、df_e分别为因素A离差平方和的自由度和因素A、B误差平方和的自由度.

3 试验结果与分析(Results and discussion) 3.1 进气流量对NO_x排放的影响

图 2为进气流量为100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210 kg·h^-1，转速分别为800、1000、1200、1400、1600、1800 r·min^-1时的NO_x排放曲线.可以看出同一转速下NO_x先随进气流量增大而增大，因为随着进气流量的增加，空燃比增大，燃料空气混合体系中O₂浓度升高，燃料充分燃烧，使得燃烧温度升高，从而更加有利于NO_x的生成.然而进气流量大于180 kg·h^-1之后，NO_x排放量明显趋缓并有下降趋势，进气流量进一步增加，稀燃导致燃烧能力弱化，火焰传播速度减慢，抑制燃烧，从而有效降低了NO_x的排放水平.

3.2 转矩对NO_x排放的影响

试验控制转矩为40～220 N·m，步长为20，研究了不同转速下NO_x的排放规律.结果表明，随着转矩的增大，NO_x排放水平明显升高，原因在于转矩增大，发动机喷气量迅速增加，空气燃料混合气体浓度增加，在良好的氧氛围下，更多的燃气和氧分子迅速接触和反应，化学反应得到强化，燃烧速率加快，气缸内燃气温度升高，从而NO_x排放也升高.当转矩保持恒定步长升高的同时，NO_x排放水平升高速率变缓，原因在于转矩升高，进气流量不变的情况下，空燃比逐渐减小，燃料燃烧不充分，混合气O₂比率降低，NO_x排放减少.

3.3 进气温度对NO_x排放的影响

本次试验测定了不同转速下进气温度分别为26.5、27.0、27.5、28.0、28.5、29.0、29.5、30.0、30.5、31.0、31.5 ℃时的NO_x瞬时排放量，从图 4可以看出NO_x排放量随着进气温度的升高而增大，进气温度的增加使得气缸初始燃烧温度增大，更加有利于燃料燃烧，对NO_x的生成起到了促进作用，当温度大于31.5 ℃之后，NO_x排放增加趋缓，原因在于后期发动机稳定运行之后，进气温度对NO_x的影响减小.

3.4 进气湿度对NO_x排放的影响

本试验研究了进气湿度分别为35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%时不同转速下NO_x的排放特征. 从图 5可以看出随着进气湿度的上升，NO_x排放水平逐渐降低，由于进气湿度越大，进气中水分含量越多，燃烧过程中容易水气产生微爆，降低了燃烧室温度，从而使NO_x排放降低.进气湿度65%之后，NO_x排放降低逐渐趋缓，随着进气湿度的进一步增加，燃料着火延时增加，使得燃烧室温度和压力下降，使NO_x的排放水平趋缓.

从图 2、3、4、5还可以看到，随着转速的增加NO_x排放水平逐渐增大，由于转速增加，气缸内压力增加，使得燃烧温度上升，NO_x排放量增大，当转速为1400 r·min^-1出现最大值，随着转速的继续增大，NO_x排放水平有所下降，原因在于较高转速下，稀燃程度可能增大，导致燃烧温度有所降低，从而降低了NO_x的排放量. 在增压中冷发动机工作时，瞬态工况存在涡轮迟滞现象，进气流量滞后于燃料供应，恶化了燃烧环境，接近理论空燃比的混合气燃烧使得燃烧温度达到峰值，缸内局部温度迅速升高，NO_x排放水平升高，而转速大于1400 r·min^-1之后，增压中冷降低了尾气温度，使得NO_x排放水平有所降低.

3.5 数据方差分析与拟合

分别对转速和进气流量、转速和转矩、转速和进气温度、转速和进气湿度进行了双因素无重复方差分析，比较F值，从检验结果可知，各工况对NO_x的排放影响均非常显著.1400 r·min^-1下各工况NO_x排放拟合结果如图 6所示.从图 6可以看出，各工况影响因素与NO_x排放量在试验范围内符合公式y=a+b×ln(x+c)所描述的规律，拟合效果较好，此规律较好地反映了6MK375N-50型增压中冷燃气发动机在中高转速下的NO_x排放特征，合理选择发动机运行参数，有利于降低NO_x的排放水平.

4 结论(Conclusions)

1)随着转速的增加，NO_x排放水平上升，而增压中冷降低了NO_x排放水平，试验测得最高NO_x排放水平转速为1400 r·min^-1，随着转速的继续升高，NO_x排放水平有所下降.NO_x排放水平随着转矩的增加而升高，而高转矩下的低空燃比使得NO_x排放浓度升高趋势放缓.

2)进气流量直接影响空燃比，NO_x排放浓度随着进气流量的增加先升高后趋缓，试验得到最大NO_x排放水平对应进气流量为180 kg·h^-1. 进气温度对NO_x生成有直接影响，NO_x排放随着进气温度的升高而升高，试验得到最高NO_x排放进气温度为31. 5 ℃.进气湿度影响燃烧室温度，随着进气湿度的增大，NO_x排放水平降低.

3)对转速、进气流量、转矩、进气温度、进气湿度分别进行双因素方差分析可知，各因素对NO_x排放均有显著影响，对1400 r·min^-1下各工况对应NO_x排放进行拟合，变化规律符合y=a-b×ln(x+c).