小功率非道路用柴油機(jī)滿足國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究

□楊正川/閬中蠶種場(chǎng)

小功率非道路用柴油機(jī)滿足國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)研究

□楊正川/閬中蠶種場(chǎng)

本文對(duì)小功率非道路柴油機(jī)實(shí)施第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)中的問題進(jìn)行了分析，通過與美國(guó)環(huán)保署（EPA）非道路柴油機(jī)現(xiàn)行第四階段排放法規(guī)及執(zhí)行情況比較，說明小功率段柴油機(jī)國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)是全球最嚴(yán)法規(guī)之一，分析給出8 kW以下柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線，以KJ186FA柴油機(jī)為例，通過采用改進(jìn)燃燒過程和降低機(jī)油消耗的機(jī)內(nèi)凈化+DOC技術(shù)來降低柴油機(jī)排放，初次試驗(yàn)柴油機(jī)整機(jī)CO、HC+NOX、PM排放分別為0.97 g/kW·h、5.71 g/kW·h、0.46 g/kW·h，在有效壽命期內(nèi)產(chǎn)品完全能滿足中國(guó)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力多為柴油機(jī)，屬非道路柴油機(jī)范疇，我國(guó)于2015年10月1日實(shí)施非道路用柴油機(jī)排放第三階段標(biāo)準(zhǔn)，其中37 kW以下功率段柴油機(jī)的要求與美國(guó)環(huán)保署（EPA）第四階段排放法規(guī)的限值相當(dāng)。2008年開始，美國(guó)對(duì)非道路柴油機(jī)實(shí)施過渡期的第四階段排放法規(guī)；2015年起，美國(guó)確定了第四階段排放的最終限值并開始對(duì)所有機(jī)型嚴(yán)格執(zhí)行。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)是發(fā)展中國(guó)家，基礎(chǔ)建設(shè)任務(wù)較重，多年來小型非道路柴油機(jī)的產(chǎn)量和使用量巨大，單缸柴油機(jī)年產(chǎn)量約占全世界的80％，因此對(duì)小功率段的非道路柴油機(jī)實(shí)施排放限值對(duì)保護(hù)環(huán)境非常重要。我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)多為修改采用歐盟的排放指令，第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的限值對(duì)19～560 kW的柴油機(jī)采用的是歐盟2007年執(zhí)行的3A階段限值，歐盟對(duì)19 kW以下柴油機(jī)至今無要求（他們相對(duì)保有量、使用時(shí)間較少），計(jì)劃到2019年才升級(jí)對(duì)此功率段實(shí)施排放要求。對(duì)19 kW以下功率的柴油機(jī)目前僅有美國(guó)、韓國(guó)、印度和中國(guó)有排放限值要求，國(guó)外的排放法規(guī)多類似美國(guó)的第四階段，僅限值大小、實(shí)施時(shí)間不同，美國(guó)EPA第四階段排放將37 kW以下功率段柴油機(jī)分為0～8 kW、8～19 kW和19～37 kW三個(gè)功率段，每個(gè)功率段有不同的排放限值，我國(guó)將37 kW以下列為一個(gè)功率段，且排放限值與歐盟19～37 kW相同，結(jié)果8 kW以下功率段的CO排放比美國(guó)第四階段限值高出45％，HC+NOX排放限值相同，PM排放要求低于美國(guó)，但因?yàn)槲覈?guó)柴油品種與美國(guó)有一定差異，PM達(dá)標(biāo)難度與美國(guó)相當(dāng)，所以對(duì)8 kW以下小功率柴油機(jī)，我國(guó)的柴油機(jī)排放要求已是全球最嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)之一。由于37 kW以下功率段柴油機(jī)在我國(guó)產(chǎn)量大，達(dá)標(biāo)難度較大，目前我國(guó)三第階段排放標(biāo)準(zhǔn)并未嚴(yán)格執(zhí)行。國(guó)內(nèi)企業(yè)的達(dá)標(biāo)產(chǎn)品大多仍處于研發(fā)階段。

本文結(jié)合凱艦動(dòng)力公司對(duì)8 kW以下非道路柴油機(jī)的低排放技術(shù)研發(fā)，分析國(guó)三及更低排放要求產(chǎn)品的技術(shù)方案。

1 低排放小功率非道路柴油機(jī)國(guó)內(nèi)外的技術(shù)分析

中國(guó)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)頒布后，企業(yè)開展了大量的研發(fā)工作，小功率柴油機(jī)環(huán)保部初始技術(shù)路線是重新設(shè)計(jì)新機(jī)型，提高油泵、油嘴噴油壓力，采用電控技術(shù)等，但實(shí)際實(shí)施資金投入、技術(shù)難度都較大。美國(guó)從2008年開始實(shí)施小功率非道路柴油機(jī)排放法規(guī)，對(duì)進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)銷售的柴油機(jī)必須通過排放認(rèn)證，且通過認(rèn)證的機(jī)型在美國(guó)EPA網(wǎng)站對(duì)外公布。美國(guó)第四階段的實(shí)施是2013年開始逐步加嚴(yán)，2015年起完全實(shí)施最終的第四階段限值。因此，我們統(tǒng)計(jì)了美國(guó)3個(gè)年份的認(rèn)證機(jī)型，從認(rèn)證機(jī)型公布的技術(shù)資料看（表1），多數(shù)機(jī)型是單缸柴油機(jī)，2009年生產(chǎn)企業(yè)較多，我國(guó)也有多個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品出口（表1中2012年前使用后處理DOC的產(chǎn)品多是中國(guó)出口的186FA柴油機(jī)），但隨著法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行，2015年僅有世界著名企業(yè)的13個(gè)單缸柴油機(jī)留在美國(guó)市場(chǎng)，分別是德國(guó)的哈茲、日本的久保田、洋馬和美國(guó)的科勒公司。久保田的4個(gè)機(jī)型采用渦流室，其余都采用直噴燃燒系統(tǒng)，其中4個(gè)機(jī)型采用了后處理的氧化催化技術(shù)（DOC），DOC可降低CO、HC和顆粒PM，一個(gè)機(jī)型在氣門罩殼上設(shè)置通道實(shí)現(xiàn)機(jī)型EGR來降低NOX，沒有機(jī)型采用電控供油技術(shù)，降低排放的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要是通過燃燒過程優(yōu)化和低機(jī)油耗技術(shù)。

表1 美國(guó)EPA認(rèn)證機(jī)型源機(jī)技術(shù)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)滿足國(guó)三排放限值要求，實(shí)現(xiàn)小功率柴油機(jī)低排放研究的技術(shù)路線有：采用電控噴油系統(tǒng)（如電控單體泵或共軌噴油系統(tǒng)）并優(yōu)化供油性能；用傳統(tǒng)機(jī)械噴油的機(jī)內(nèi)凈化；用傳統(tǒng)機(jī)械噴油的機(jī)內(nèi)凈化+DOC技術(shù)。

采用電控噴油系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)噴油壓力提高和不同工況能改變噴油提前角，使燃燒優(yōu)化，但生產(chǎn)成本高，對(duì)8 kW以下的單缸柴油機(jī)售價(jià)要比原價(jià)翻一倍左右，并且作為農(nóng)業(yè)機(jī)械配套農(nóng)民難以接受，使用、維修保養(yǎng)的要求也較高。用傳統(tǒng)機(jī)械噴油的機(jī)內(nèi)凈化能使柴油機(jī)排放降低到一定數(shù)值，但由于我國(guó)CO限值較嚴(yán)格，在有效壽命期（3 000 h）內(nèi)達(dá)國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)有一定難度，按我國(guó)CO限值5.5 g/kW·h，通過美國(guó)EPA認(rèn)證的13個(gè)機(jī)型中有3個(gè)超標(biāo)（EPA限值是8.0 g/kW·h）。批量生產(chǎn)控制一致性都符合標(biāo)準(zhǔn)限值也有難度；用傳統(tǒng)機(jī)械噴油的機(jī)內(nèi)凈化+DOC技術(shù)方案，采用機(jī)內(nèi)凈化降低NOX達(dá)一定數(shù)值，并使整機(jī)的CO、HC+NOX、PM初次排放試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)限值，通過采用DOC技術(shù)使CO、HC、PM排放值分別減少80％、60％和30％左右，這樣能實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在有效壽命期內(nèi)達(dá)標(biāo)，且可以減少批量生產(chǎn)的生產(chǎn)一致性控制中CO難達(dá)標(biāo)問題，但需增加成本30％左右。凱艦動(dòng)力公司生產(chǎn)的柴油機(jī)主要配套農(nóng)業(yè)機(jī)械，經(jīng)綜合比較與高校的產(chǎn)學(xué)研合作研發(fā)后，選用機(jī)內(nèi)凈化+后處理DOC技術(shù)方案。

2 達(dá)國(guó)三排放要求的小型柴油機(jī)研發(fā)

目前凱艦動(dòng)力公司生產(chǎn)的柴油機(jī)有KJ170F、KJ173F、KJ178F、KJ186FA、KJ190FA、KJ192FA等機(jī)型，參考美國(guó)認(rèn)證的資料及我們所做的工作，對(duì)缸徑78mm以上的機(jī)型在原機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行了機(jī)內(nèi)凈化研究，再配用DOC技術(shù)，能滿足國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)以KJ186FA柴油機(jī)為例進(jìn)行分析。

KJ186FA柴油機(jī)為立式直噴燃燒的風(fēng)冷單缸柴油機(jī)，標(biāo)定功率6.3 kW、轉(zhuǎn)速3 600 r/min，該機(jī)型原樣機(jī)是日本洋馬公司的L系列中的機(jī)型，目前國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量超過100萬臺(tái)，廣泛配套農(nóng)業(yè)機(jī)械（微耕機(jī)、小型收割機(jī)）、水泵機(jī)組、發(fā)電機(jī)組等，也是凱艦動(dòng)力公司的主導(dǎo)產(chǎn)品。首先對(duì)原機(jī)進(jìn)行摸底試驗(yàn)，通過分析對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)內(nèi)凈化措施

機(jī)內(nèi)凈化包括燃燒過程的組織和降低機(jī)油消耗。降低機(jī)油消耗是所有機(jī)型的共性問題，通過機(jī)體等固定件剛性的加強(qiáng)，活塞及環(huán)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用氣門油封，曲軸箱通風(fēng)用呼吸器的改進(jìn)，以及生產(chǎn)裝配過程的質(zhì)量控制，減少柴油機(jī)的機(jī)油消耗量，可有效降低柴油機(jī)的顆粒排放。標(biāo)定功率8 kW以下柴油機(jī)機(jī)油消耗率國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求是小于2.82 g/kW·h，目前國(guó)內(nèi)機(jī)器水平多在1.0～2.0 g/kW·h，因此，需采取上述措施降低機(jī)油消耗來實(shí)現(xiàn)低的顆粒排放。設(shè)定目標(biāo)值是0.8 g/kW·h以下，經(jīng)過試驗(yàn)，研發(fā)改進(jìn)的多臺(tái)樣機(jī)的機(jī)油消耗量在0.50～0.76 g/kW·h。

柴油機(jī)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化從以下幾個(gè)方面入手。通過改進(jìn)空氣濾清器、進(jìn)排氣道減少流動(dòng)阻力，增加柴油機(jī)進(jìn)氣量，這樣柴油機(jī)標(biāo)定功率不變，能使柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度變稀，柴油機(jī)燃燒完全，降低柴油機(jī)燃油消耗及排放，改進(jìn)后柴油機(jī)進(jìn)氣量提高了6.3％。缸內(nèi)燃燒通過提高噴油器的霧化質(zhì)量，控制噴油嘴流量和油嘴伸出高度，改善燃燒室內(nèi)油氣混合的均勻性，提高燃燒速度，減少燃燒持續(xù)期，同時(shí)通過推遲噴油，降低缸內(nèi)燃燒溫度來減少NOX，這樣能保證柴油機(jī)燃油消耗率、煙度不會(huì)惡化變差，通過氣缸壓縮余隙控制保證壓縮比、改善缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化燃燒，最終使柴油機(jī)油耗在基本不變的前提下減少排放。

通過上述優(yōu)化，經(jīng)多次試驗(yàn)，柴油機(jī)的性能大幅提高，機(jī)內(nèi)凈化研發(fā)的新機(jī)與原機(jī)的性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表2，表中的整機(jī)排放試驗(yàn)結(jié)果采用6工況試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行。通過機(jī)內(nèi)凈化，柴油機(jī)NOX、顆粒PM明顯下降，標(biāo)定工況燃油消耗be也下降了8.6 g/kW·h，這主要是增大進(jìn)氣量和燃燒優(yōu)化的結(jié)果，樣機(jī)除CO指標(biāo)外，其他指標(biāo)都滿足要求。

表2 不同設(shè)計(jì)研發(fā)方案的KJ186FA柴油機(jī)性能單位：g/kW·h

2.2 使用后處理的DOC技術(shù)

對(duì)KJ186FA柴油機(jī)消聲器進(jìn)行改造，在消聲器內(nèi)安裝氧化催化劑載體，使用DOC技術(shù)減少CO、HC、PM排放，設(shè)計(jì)采用了江蘇大學(xué)的專利技術(shù)，使柴油機(jī)噪聲保持基本不變，消聲器的結(jié)構(gòu)使氣流較均勻地通過催化劑載體，與以前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，氣流均勻流過載體的流速相對(duì)下降、載體溫度場(chǎng)的最高溫度降低、使用壽命提高，同時(shí)CO、HC、PM的轉(zhuǎn)化效率也得到了相應(yīng)的提高。表2中給出了試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，各項(xiàng)排放指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)限值，且都留有足夠的余量，能保證3 000 h有效壽命期內(nèi)排放滿足國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)要求，柴油機(jī)燃油消耗也符合國(guó)家對(duì)第二代單缸柴油機(jī)的指標(biāo)要求。

通過研發(fā)，KJ186FA柴油機(jī)樣機(jī)已達(dá)到我國(guó)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。為批量生產(chǎn)合格產(chǎn)品，企業(yè)需進(jìn)行技術(shù)改造，嚴(yán)格執(zhí)行《大氣污染防治法》，從產(chǎn)品說明書、零部件質(zhì)量和整機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量入手來保證產(chǎn)品質(zhì)量，為社會(huì)提供環(huán)保型農(nóng)機(jī)產(chǎn)品。

3 小結(jié)

我國(guó)單缸柴油機(jī)產(chǎn)量約占全世界的80％，實(shí)施排放控制對(duì)保護(hù)環(huán)境非常必要，我國(guó)實(shí)施的國(guó)三非道路柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小功率段柴油機(jī)來說已是全球最嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)一之，因此，需要對(duì)產(chǎn)品低排放技術(shù)開展研究、改造生產(chǎn)條件，控制批量生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

KJ186FA柴油機(jī)采用系列的機(jī)內(nèi)凈化措施和DOC技術(shù)，柴油機(jī)能滿足中國(guó)第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，為社會(huì)提供環(huán)保型農(nóng)用動(dòng)力。