4V5R柴油機(jī)滿足非道路國三排放的技術(shù)淺析

張怡軍　陳　鵬　楊　森　李　鐵　薛強(qiáng)強(qiáng)

（一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司洛陽471003）

4V5R柴油機(jī)滿足非道路國三排放的技術(shù)淺析

張怡軍陳鵬楊森李鐵薛強(qiáng)強(qiáng)

（一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司洛陽471003）

本文介紹了國內(nèi)非道路柴油機(jī)排放控制標(biāo)準(zhǔn)，非道路柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢。并以4V5R柴油機(jī)為例介紹幾種技術(shù)路線及其各自優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較分析，并結(jié)合國四階段的排放要求，提出中國非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)第三階段技術(shù)路線盡量采用電控共軌技術(shù)方案。

柴油機(jī) 排放標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)方案

一、引言

隨著國家對非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)不斷與發(fā)達(dá)國家靠攏，升級非道路機(jī)械用柴油機(jī)尾氣排放已成為刻不容緩的緊迫任務(wù)。2015年是GB 20891—2014非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國三、四階段）從二階段向三階段升級轉(zhuǎn)化的初始年，在排放升級和市場配套中，非道路國三排放柴油機(jī)的生產(chǎn)成本和使用成本（經(jīng)濟(jì)性）出現(xiàn)了突出的矛盾，如何開發(fā)適合中國國情的非道路柴油機(jī)將是柴油機(jī)生產(chǎn)廠家未來發(fā)展的主要方向。本文以4V5R為例介紹柴油機(jī)滿足非道路國三排放升級的技術(shù)方案。

二、國內(nèi)排放法規(guī)及現(xiàn)狀

1、國內(nèi)排放法規(guī)

我國實(shí)施的《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》（Ⅰ、Ⅱ階段）主要參考了歐盟標(biāo)準(zhǔn)，是在歐盟（指令97/68/EC）標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了農(nóng)業(yè)和漁業(yè)機(jī)械方面的要求，此標(biāo)準(zhǔn)將于2016年4月1日起廢止。自2015年10月1日起，新生產(chǎn)的非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)開始執(zhí)行《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了第三階段非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值和測量方法，并提出了第四階段的預(yù)告性要求。本階段標(biāo)準(zhǔn)修改采用歐盟（EU）指令97/68/EC（截止到修訂版2004/26/EC）《關(guān)于協(xié)調(diào)各成員國采取措施防治非道路移動機(jī)械用發(fā)動機(jī)氣態(tài)污染物和顆粒物排放的法律》中有關(guān)非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)的技術(shù)內(nèi)容。

表1表2分別為二、三階段排氣污染物限值。從2015年10月1日起開始執(zhí)行第三階段，與第二階段限值相比，CO、顆粒物排放量變化不大，HC+NOx排放量降低了28～43％。

2、國內(nèi)現(xiàn)狀

我國目前的技術(shù)裝備和相關(guān)工藝水平與國外同期水平相比存在很大差距，內(nèi)燃機(jī)企業(yè)的開發(fā)創(chuàng)新和技術(shù)儲備嚴(yán)重不足，特別是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域使用的柴油機(jī)差距更加明顯。表3為目前國內(nèi)外非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)主要性能指標(biāo)對比。

表1　非道路移動機(jī)械裝用柴油機(jī)排氣污染物限值（第二階段）

表2　非道路移動機(jī)械裝用柴油機(jī)排氣污染物限值（第三階段）

表3　國內(nèi)外非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)主要性能指標(biāo)對比

與國外同期的柴油機(jī)相比，國內(nèi)柴油機(jī)存在高排放、低比功率、高油耗、可靠性差等不足，因此專門為國內(nèi)非道路市場開發(fā)一款高質(zhì)量、低污染的專用發(fā)動機(jī)已經(jīng)到了刻不容緩的地步。

三、4V5R技術(shù)路線的選定

4V5R的技術(shù)路線選定即需要適合中國目前國情，同時(shí)也要兼顧下一階段的排放升級。目前國內(nèi)為滿足非道路國三排放標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)路線有“機(jī)械泵+電控EGR”、“電控單體泵+電控EGR”和“電控共軌”，各技術(shù)路線及優(yōu)缺點(diǎn)具體如下：

1、“機(jī)械泵+電控EGR”路線

優(yōu)點(diǎn)：在國二機(jī)械泵基礎(chǔ)上，加EGR廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，減少廢氣排放，結(jié)構(gòu)變動小，達(dá)標(biāo)成本增加少，估計(jì)在2000元左右。

缺點(diǎn)：受機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)限制，其提升噴射壓力，改善燃燒的空間很小，難以保證排放一致性，尤其在農(nóng)機(jī)使用工況比較惡劣和多變的情況下。即使該路線可以順利達(dá)標(biāo)國三，但也不具備升級國四和國五的潛力。

另外，在2015年3月2日的國家環(huán)保部召開的非道路國三申報(bào)工作會議上，對“機(jī)械泵+電控EGR+渦輪增壓”路線暫不接受認(rèn)證，因此此技術(shù)路線還存在國家政策風(fēng)險(xiǎn)，需要謹(jǐn)慎對待。

2、“電控單體泵+電控EGR”路線

優(yōu)點(diǎn)：對柴油機(jī)改動小，制造工藝簡單，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低，制造成本較低，對燃油的品質(zhì)要求并不高，國三達(dá)標(biāo)容易，價(jià)格適中，升級成本大約在3000元左右。

缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)多次噴射，各缸噴射的壓力不均勻，國內(nèi)生產(chǎn)可靠性性差，國四實(shí)現(xiàn)有困難，升級潛力小。

3、“電控共軌”路線

優(yōu)點(diǎn)：在共軌式儲壓器噴射系統(tǒng)中，ECU通過接收各傳感器的信號，借助于噴油器上的電磁閥，讓柴油機(jī)以正確的噴油壓力在正確的噴油點(diǎn)噴射出正確的噴油量，保證柴油機(jī)最佳的燃燒比，霧化和最佳的點(diǎn)火時(shí)間，以及良好的經(jīng)濟(jì)性和最少的污染排放。電控共軌系統(tǒng)具有供油壓力高，供油穩(wěn)定，控制靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，在國四之后進(jìn)一步發(fā)展的潛力較大，各缸噴射的壓力非常一致等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：柴油機(jī)變動大，匹配時(shí)間及供貨易受供應(yīng)商制約，要求燃油的品質(zhì)非常嚴(yán)格，成本變動大，升級成本大約在4000元左右。

通過以上三種技術(shù)路線的比較，電控共軌路線具有供油壓力高，供油穩(wěn)定，控制靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，兼顧國四及之后進(jìn)一步的排放升級需要，同時(shí)升級成本增加不明顯。因此4V5R的技術(shù)路線優(yōu)先選用電控共軌路線。

四、4V5R技術(shù)參數(shù)

4V5R型柴油機(jī)是一拖（洛陽）柴油機(jī)有限公司與英國里卡多公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的最新產(chǎn)品，運(yùn)用CAD/UG等三維技術(shù)和CAE分析技術(shù)對重要部件全面優(yōu)化。采用裙部多曲面加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的缸體，運(yùn)用干式缸套和活塞強(qiáng)制噴油冷卻技術(shù)，低渦流進(jìn)氣道的整體缸蓋，全面提升了柴油機(jī)的使用可靠性。運(yùn)用了國際最新的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)，優(yōu)化匹配的燃油噴射系統(tǒng)。使該機(jī)型的排放指標(biāo)全面達(dá)到《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規(guī)定，主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見表4。

委托相關(guān)法定檢驗(yàn)部門對4V5R樣機(jī)進(jìn)行排氣污染物檢測試驗(yàn)，檢測結(jié)果表明柴油機(jī)排氣污染物限值完全達(dá)到《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規(guī)定。樣機(jī)排氣污染物的實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值比較見表5。

表4　4V5R主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

表5　排氣污染物的實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值比較

五、結(jié)束語

4V5R通過采用新結(jié)構(gòu)活塞、高壓軌、高壓泵、電控噴油器等零件，使排放指標(biāo)全面達(dá)到《非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規(guī)定。柴油機(jī)具有供油壓力高，供油穩(wěn)定，控制靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)多次噴射，兼顧國四及之后進(jìn)一步的排放升級需要，同時(shí)升級成本增加不明顯。另外4V5R為自然吸氣機(jī)型，主機(jī)廠及用戶安裝使用及維護(hù)成本比增壓及增壓中冷機(jī)型大幅降低，是國內(nèi)非道路機(jī)械的首選動力。

［1］GB20891-2007.非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅰ、Ⅱ階段）［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［2］GB20891-2014.非道路移動機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法（中國三、四階段）［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［3］張怡軍，黃幼林，皮道平，徐信峰.東方紅LR4M3-24柴油機(jī)滿足非道路國II排放技術(shù)［J］.柴油機(jī)，2011，33（6）：10～12.

［4］喻世學(xué)，馬志豪，張怡軍.農(nóng)用柴油機(jī)滿足非道路國Ⅱ排放的技術(shù)淺析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2011（19）：110～112.

張怡軍（1980～），男，漢族，江蘇連云港，工程師，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動機(jī)開發(fā)配套。

陳鵬（1985～），男，漢族，湖北應(yīng)城，助理工程師，本科，主要研究方向：發(fā)動機(jī)開發(fā)。

楊森（1987～），男，漢族，河南南陽，助理工程師，本科，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動化。

李鐵（1986～），男，回族，河南洛陽，助理工程師，碩士研究生，主要研究方向：發(fā)動機(jī)配套開發(fā)。

薛強(qiáng)強(qiáng)（1986～），男，漢族，河南宜陽，助理工程師，本科，主要研究方向：發(fā)動機(jī)性能及ECU標(biāo)定。

Technological Brief Analysis on 4V5R Type Diesel Engine Satisfying the Non-road KingdomⅢEmissions

Zhang YijunChen PengYang SenLi TieXue Qiangqiang
（YTO（LuoYang）Diesel Engine Co.，Ltd.Luoyang471003）

This paper introduces non-road diesel engine emission control standards and development trend.Through 4V5R diesel enginentroduce several kinds of technical route and their respective advantages and disadvantages Through the comparative analysis，and combining the four stages of emissions，put forward China than the third stage road mobile diesel engine with mechanical technical route as far as possible the electronically controlled common rail technology solutions.

Diesel engineEmissions standardsTechnical solutions

TK421+.5

B

160725-7349