商用車柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)3大衍生問題解疑及技術(shù)路線匯總

李 安 楊立慧 萬 濤 |文

商用車柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)3大衍生問題解疑及技術(shù)路線匯總

李 安 楊立慧 萬 濤 |文

國Ⅳ和國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)油品的主要差異是提升燃燒性能——抗爆性和排放優(yōu)化——腐蝕性這2項指標(biāo)。

Solutions to Three Major Issues by Commercial Vehicles Diesel Engine Emission Standard

This issue will open a discussion on three major issues by commercial vehicles diesel engine emission standard, and summarize various solutions to technology development.

本期我們將對上期衍生出來的3個問題進(jìn)行討論，并將對柴油機(jī)排放升級的技術(shù)路線進(jìn)行簡單匯總。

解疑3大問題

1.為什么我國排放標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定國Ⅵ排放限值？

從表1不難發(fā)現(xiàn)，北京的實際道路工況與歐洲的ETC和全球的WHTC相比還是有一定差異的，而且我國其他地區(qū)的道路更為復(fù)雜多變，所以為了客觀、有效地減少發(fā)動機(jī)排放物對環(huán)境的污染，我國沒有再按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定出臺國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)一些有責(zé)任心的發(fā)動機(jī)廠家已經(jīng)著手研究、儲備符合我國道路工況的減排技術(shù)，相信在不久的將來，大家能看到一部與我國環(huán)境相關(guān)的國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.工況試驗排放情況和車輛實際運(yùn)行排放情況是否有差異？

毫無疑問，回答是肯定的——有差異。于是PEMS(Portable Emission Measurement System，便攜式排放測試系統(tǒng))檢測方法應(yīng)運(yùn)而生。這是一種安裝在實車上的測試系統(tǒng)，又稱“車載法”，可以進(jìn)行臺架試驗，也可以進(jìn)行實車運(yùn)行試驗，所以這是最貼近實際運(yùn)行的檢測方法。我國京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)《DB11_965-2013_重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法》明確規(guī)定使用PEMS系統(tǒng)檢測，又稱為“車載法”。

3.相應(yīng)的排放限值是否需要不同品質(zhì)的柴油？

不同的排放限值對燃油品質(zhì)的要求也不相同。表2示出了國Ⅳ和國Ⅴ柴油的各項性能指標(biāo)，從中可以看出2者之間的差異。

燃油品質(zhì)的性能指標(biāo)可以歸納為抗爆性、蒸發(fā)性、流動性、腐蝕性和安定性。

⑴抗爆性。柴油的抗爆性指標(biāo)是十六烷值。十六烷值低，則燃料發(fā)火困難，滯燃期長，發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)粗暴；十六烷值高，發(fā)火性能好，滯燃期短，燃燒均勻，發(fā)動機(jī)工作平穩(wěn)；十六烷值過高，局部燃燒不完全，冒黑煙。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，十六烷值分別從49、46、45提升至51、49、47。

表1 不同國家道路行駛特征數(shù)據(jù)比較 %

表2 國Ⅳ和國Ⅴ柴油性能指標(biāo)比較 %

⑵蒸發(fā)性。評定柴油蒸發(fā)性的指標(biāo)包括餾程和閃點。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標(biāo)沒有變化。

⑶流動性。評定柴油流動性的指標(biāo)包括黏度、凝點和冷濾點。高精度的油泵及噴嘴柱塞主要靠柴油潤滑，對流體性能要求較高從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標(biāo)沒有變化。

⑷腐蝕性。評定柴油腐蝕性的指標(biāo)包括含硫化合物和含硫量。柴油中含硫化合物對發(fā)動機(jī)的工作壽命影響很大。從國Ⅳ到國Ⅴ的柴油硫含量從50 ppm降至10 ppm。從燃油品質(zhì)解決了硫化物的污染，不僅能減少柴油燃燒產(chǎn)物對金屬的腐蝕，而且能切實減弱柴油車硫化物對大氣污染的程度。

⑸安定性。評定柴油安定性的指標(biāo)包括總不溶物和10%蒸余物殘?zhí)?，也就是柴油是否容易變質(zhì)。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標(biāo)沒有變化。

表3 歐Ⅰ到歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)升級技術(shù)路線一覽 %

表4 滿足歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的2種技術(shù)路線對比 %

綜上所述，國Ⅳ和國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)油品的主要差異是提升燃燒性能——抗爆性和排放優(yōu)化——腐蝕性這2項指標(biāo)。

技術(shù)路線匯總

油品品質(zhì)的升級是從燃燒源頭對排放進(jìn)行控制的一種措施。下面，我們結(jié)合不同排放階段的污染物限值情況進(jìn)行車輛技術(shù)升級的討論。由于通過優(yōu)化燃燒過程可以減少CO和HC，所以我們重點討論P(yáng)M和NOx這對矛盾的排放物。

針對不同階段的排放要求，柴油機(jī)需要進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)路線的升級。渦輪增壓器和中冷技術(shù)使柴油機(jī)告別了負(fù)氧時代，進(jìn)入富氧時代，從而實現(xiàn)了歐Ⅰ和歐Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。渦輪增壓器使柴油機(jī)功率質(zhì)量比大幅提升，整機(jī)的動力經(jīng)濟(jì)性顯著提高，隨著增壓效率的提升，燃燒效率也不斷提升，燃燒溫度升高使得NOx含量升高。由于機(jī)械式噴油系統(tǒng)的噴油控制相對粗放，在車輛冷啟動和急加速工況時還會有大量PM產(chǎn)生，所以歐Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步控制PM和NOx。

進(jìn)入歐Ⅲ排放階段后，技術(shù)路線出現(xiàn)變化：一種是機(jī)械式噴油系統(tǒng)升級成電控噴油系統(tǒng)，該噴油系統(tǒng)又分為2種技術(shù)路線——高壓共軌和單體泵；另一種是在機(jī)械式噴油系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。2種技術(shù)路線的優(yōu)劣勢如表4所示。

歐Ⅳ在歐Ⅲ的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少排放污染物，歐美出現(xiàn)了2種技術(shù)路線：電控噴油系統(tǒng)+SCR和電控噴油系統(tǒng)+EGR。

電控噴油系統(tǒng)+SCR技術(shù)路線是通過電控系統(tǒng)提高燃燒效率，減少PM，降低油耗。它不通過燃燒過程處理NOx，而是將該污染物交給排氣系統(tǒng)中的處理系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)NOx的減少。由于是通過尿素加熱分解為NH3和NOx反應(yīng)成N2和H2O，所以該技術(shù)路線需要社會資源的投入——尿素生產(chǎn)到購買的體系建設(shè)。此外該技術(shù)路線有一個明顯缺陷：在排溫低于200 ℃時，由于尿素水溶液無法分解，所以SCR不會工作，此時排放控制略差。

電控噴油系統(tǒng)+EGR技術(shù)路線彌補(bǔ)了我國國Ⅲ EGR技術(shù)路線燃燒粗獷的缺陷，但是PM控制需要排氣系統(tǒng)增加顆粒捕捉器PDF，該技術(shù)路線最大的優(yōu)勢是僅發(fā)動機(jī)本身就解決了排放問題，不需要社會資源的投入，但是車輛的動力性和使用經(jīng)濟(jì)性(PDF保養(yǎng)維護(hù))相對SCR技術(shù)路線要弱一些。

滿足歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)主要是降低NOx，PM相對歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)沒有變化，所以我國針對國Ⅴ排放主要采用優(yōu)化燃燒的方式實現(xiàn)。

嚴(yán)苛的歐Ⅵ排放使得發(fā)動機(jī)廠家必須使用渾身解數(shù)對排氣污染物進(jìn)行控制，所以綜合了幾種排放技術(shù)路線的優(yōu)勢：在SCR和EGR基礎(chǔ)上增加進(jìn)氣控制、排氣控制、PM回收再處理等措施。此外，還有一種稱為DPF柴油機(jī)顆粒捕捉器的后處理技術(shù)。

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