非道路機(jī)械用柴油機(jī)排放升級(jí)技術(shù)分析及展望

季小燕，孔彥軍，王兆亮

JI Xiao-yan，KONG Yan-jun，WANG Zhao-liang

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

柴油機(jī)熱效率高，動(dòng)力性好，在燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力輸出及排放等方面相對(duì)汽油機(jī)更有優(yōu)勢，柴油機(jī)在道路和非道路機(jī)械中的各種領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。非道路機(jī)械用柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、火車、船舶等，尤其是我國城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)機(jī)械化建設(shè)進(jìn)程的加快，使得柴油機(jī)的使用量大幅提升。隨著柴油機(jī)的尾氣排放對(duì)大氣的污染日趨嚴(yán)重，加之人們對(duì)環(huán)保越來越重視，非道路機(jī)械的污染物排放問題日益得到人們的關(guān)注[1]。世界上很多國家均制定了非道路機(jī)械的排放法規(guī)，不斷地進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和排放控制研究，以適應(yīng)排放法規(guī)升級(jí)的要求。相對(duì)應(yīng)的非道路機(jī)械排放控制技術(shù)在近些年得到比較快速的發(fā)展。

1 柴油機(jī)排氣污染物及其生成機(jī)理

柴油機(jī)排氣污染物的主要成分是CO、HC、NOx以及顆粒物，此外燃油中含有少量的S，使柴油機(jī)排放SO2和SO3[2]。

柴油機(jī)屬于壓燃式內(nèi)燃機(jī)，其可燃混合氣在燃燒前及燃燒中極短時(shí)間內(nèi)形成，可燃混合氣混合不均勻程度較為嚴(yán)重,燃料的氧化反應(yīng)不可能完全。CO為燃料的氧化反應(yīng)不完全所產(chǎn)生；HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化的產(chǎn)物如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等上百種成分；內(nèi)燃機(jī)排放的氮氧化物多為NO，少量為NO2，用NOx表示，其主要生成機(jī)理可分為3類：溫度型、燃料型和快速溫度型。溫度型為空氣中的氮?dú)庠诟邷叵陆?jīng)過一系列的氧化反應(yīng)生成NOx，燃料型是柴油中的含N有機(jī)物燃燒氧化成NOx，快速溫度型是氮?dú)夥肿优c燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成HCN和CN后在氧化成氮氧化物；柴油機(jī)排放的顆粒物大多小于0.3μm，其主要成分為碳煙粒子及其吸附的有機(jī)物質(zhì)，對(duì)于它的生成機(jī)制通常認(rèn)為是燃油中的成分—烴類在高溫并且缺氧的條件下裂解而成。

2 國內(nèi)外非道路機(jī)械用柴油機(jī)排放現(xiàn)狀

2.1 中國非道路機(jī)械用柴油機(jī)排放現(xiàn)狀

2014年我國發(fā)布了GB20891-2014《非道路移動(dòng)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），明確了第三階段單機(jī)NOx減排量在30%～45%左右，第四階段單機(jī)PM減排50%～94%，我國非道路機(jī)械用柴油機(jī)正式進(jìn)入“國三”時(shí)代。

目前，在中國大陸地區(qū)，除北京地區(qū)執(zhí)行DB11/185-2013標(biāo)準(zhǔn)外，其余地區(qū)均執(zhí)行GB 20891-2014標(biāo)準(zhǔn)。北京于2013年率先發(fā)布相當(dāng)于歐洲StageⅢA的“京三”排放標(biāo)準(zhǔn)，2015年1月起，在北京地區(qū)銷售的非道路移動(dòng)機(jī)械的排放要求達(dá)到“京四”標(biāo)準(zhǔn)（指標(biāo)與國四標(biāo)準(zhǔn)相同），目前我國第四階段的相關(guān)排放限值雖然已經(jīng)公布，但是具體的型式核準(zhǔn)執(zhí)行日期還未明確。

2.2 歐美非道路機(jī)械柴油機(jī)排放介紹

2004年，歐盟公布了非道路車輛用柴油機(jī)的第Ⅲ階段（A階段和B階段）和第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)2004/26/EC指令。美國非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)是40 CFRPART 89，規(guī)定了非道路用柴油機(jī)第一、第二、第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)。

歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）的排放法規(guī)和歐盟（EU）的排放指令共同加以實(shí)現(xiàn)的，EU認(rèn)證即通常所說的小e認(rèn)證，在歐盟成員國強(qiáng)制實(shí)施統(tǒng)一的限值和實(shí)施日期，使用Directive。而ECE認(rèn)證即通常所說的大E認(rèn)證，成員國可以根據(jù)自己的情況決定具體實(shí)施日期，使用Regulation。

目前，歐、美高端市場已經(jīng)處于Stage IV/Tier 4 Final的升級(jí)階段。我國的“國三”階段排放大概相當(dāng)于其歐美的StageⅢA/Tier3階段的排放。

3 非道路機(jī)械用柴油機(jī)排放升級(jí)技術(shù)

目前，國內(nèi)銷售非道路機(jī)械用柴油機(jī)均需滿足我國第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)，我國非道路用柴油機(jī)“國二”升“國三”技術(shù)路線大多采用電控高壓共軌+增壓中冷的技術(shù)路線，通過精確控制噴油時(shí)刻以及噴油量優(yōu)化排放，控制NOx和HC的產(chǎn)生，通過在整車上安裝空空中冷來降低柴油機(jī)最高燃燒溫度，降低NOx的產(chǎn)生，使柴油機(jī)排放達(dá)到“國三”的要求。

對(duì)于即將到來的第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家均制定了多種不同的技術(shù)路線，“國三”升“國四”需要考慮的問題有：四階段排放限值、發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定的難易程度、測試方法、油耗及可靠性、成本、后續(xù)升級(jí)潛力等多種因素。因此，未來即將實(shí)施的四階段排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家及整車生產(chǎn)廠提出了更高的技術(shù)要求。

3.1 柴油機(jī)排放控制技術(shù)介紹

總的來說，未來發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)可分為兩個(gè)方面：機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)以及機(jī)外控制技術(shù)。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要有廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR），燃燒室優(yōu)化和改進(jìn)，電控燃油噴射技術(shù)，進(jìn)氣增壓中冷技術(shù)，多氣門技術(shù)等；機(jī)外控制技術(shù)主要有氧化催化技術(shù)（DOC），顆粒物捕集技術(shù)（DPF），選擇性催化還原技術(shù)（SCR）等。

3.1.1 廢氣再循環(huán)技術(shù)（EGR）

EGR技術(shù)是指使少部分廢氣重新進(jìn)入燃燒室并與新鮮混合器一起再次燃燒的技術(shù)，其原理如圖1所示。其作用機(jī)理是降低混合器氧濃度，吸收燃燒釋放的熱量，使燃燒速度減慢以降低燃燒溫度，從而減少NOx的生成數(shù)量最終減少對(duì)大氣污染的目的[4]。降低燃燒時(shí)汽缸中的溫度，是機(jī)內(nèi)降低NOx排放最有效的手段，采用EGR技術(shù)對(duì)柴油機(jī)機(jī)體改動(dòng)小，成本低，但隨之而來的是PM排放升高，燃油經(jīng)濟(jì)型變差以及發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性等問題。

圖1 EGR技術(shù)原理

3.1.2 選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

SCR是利用尿素溶液對(duì)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行還原處理的技術(shù)，將氮氧化物還原成氮?dú)?，在還原過程中，起作用的主要是NH3，實(shí)際應(yīng)用過程中為了存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)姆奖阈钥紤]，通常用尿素的飽和溶液作為還原劑，反應(yīng)過程中，尿素水溶液被噴到排氣管，尿素分子在此過程中發(fā)生熱解反應(yīng)生成氨氣和異氰酸，最后異氰酸分子發(fā)生水解反應(yīng)生成氨氣和水。相關(guān)反應(yīng)過程如下

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過程中，主要排氣污染物是NO，排氣中NO2的量很少，柴油機(jī)中一般小于15%，上個(gè)過程生成的氨氣與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)夂退Ｏ嚓P(guān)反應(yīng)過程如下

SCR系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 SCR系統(tǒng)工作原理

3.1.3 柴油機(jī)氧化催化器（DOC）

DOC多為以陶瓷為載體的通流式催化器，表面有效成分為貴金屬鉑或鈀，利用含有貴金屬的催化劑使柴油機(jī)中的HC、CO、NO和顆粒表面的可揮發(fā)性成分進(jìn)一步氧化，從而降低HC、CO和PM的量，其在使用過程中常常與EGR同時(shí)使用，以全面提高柴油機(jī)的排放水平。同時(shí)，DOC具有有益的氧化性能，也常用在SCR系統(tǒng)中，促進(jìn)尿素水解反應(yīng)。另外，DOC可以把部分NO氧化為NO2，為接下來SCR或DPF再生反應(yīng)做好準(zhǔn)備。

DOC存在的主要問題是高溫老化和催化劑中毒問題，高溫老化主要是由于貴金屬在高溫下燒結(jié)導(dǎo)致催化器性能下降；催化劑中毒主要是由于排氣中的硫化物覆蓋催化劑載體表面導(dǎo)致催化性能下降，因此DOC必須與低硫柴油一起使用。催化劑高溫老化是不可逆的，而催化劑中毒后可以部分恢復(fù)活性。

3.1.4 柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）

DPF借助慣性碰撞、截留、擴(kuò)散和重力沉降等機(jī)理將PM從氣流中分離出來。目前最常用的是壁流式蜂窩陶瓷捕集器，其原理為通過捕集器孔道前后交替封堵，使排氣從壁面穿過而達(dá)到捕集顆粒的目的。壁流式蜂窩陶瓷捕集器的過濾效果可達(dá)到60%～90%，是降低柴油機(jī)PM排放最有效的方法。

一般DPF只是一種降低排氣顆粒的物理方法，隨著過濾下來顆粒的積存，過濾孔逐漸堵塞，使排氣阻力增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的惡化，因此必須及時(shí)除去DPF中的顆粒，這稱為捕集器的再生。

根據(jù)再生方法的不同，可以把再生分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩類。主動(dòng)再生是指在高溫時(shí)顆粒被氧氣直接燃燒掉的再生方式；而被動(dòng)再生主要是指利用NO和碳煙在過濾載體表面的低溫燃燒反應(yīng)的一種再生方式。與主動(dòng)再生相比，被動(dòng)再生需要的溫度較低，可以實(shí)現(xiàn)DPF的連續(xù)再生，而主動(dòng)再生需要的溫度較高，故需要額外的升溫措施或利用催化劑降低碳煙的燃燒溫度[5]。

3.2 我國四階段排放技術(shù)路線展望

我國非道路機(jī)械用柴油機(jī)“國三”升“國四”，技術(shù)層面上難度不大，可借鑒車用柴油機(jī)及歐美排放升級(jí)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。歐美排放升級(jí)技術(shù)路線主要有兩個(gè)：①優(yōu)化燃燒+SCR（歐洲路線）；②EGR+DOC+DPF（美國路線），兩條技術(shù)路線優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 四階段技術(shù)路線對(duì)比

4 結(jié) 語

各國在柴油機(jī)排放后處理措施的選擇上有所不同，但面對(duì)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，各國技術(shù)路線有殊途同歸的趨勢。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒控制技術(shù)、燃油品質(zhì)提高技術(shù)、排氣后處理技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)相輔相成的技術(shù)。一方面發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃油噴射和燃燒控制技術(shù)，可以靈活方便地為排氣后處理提供合適的溫度和組分環(huán)境；另一方面，燃油品質(zhì)的提高，特別是柴油硫含量的逐漸降低，在使燃燒本身產(chǎn)生較少污染的同時(shí)也提高了發(fā)動(dòng)機(jī)后處理技術(shù)的耐久性和可靠性。因而柴油機(jī)排放升級(jí)問題的解決，也必須依靠以上3方面技術(shù)的發(fā)展。

[1]陸史浩.非道路第三階段柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2016.

[2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]GB20891-2014，非道路移動(dòng)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)[S].

[4]王吉華，居鈺生，王 鵬，等.柴油機(jī)電控EGR系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力，2007，（1）：20.

[5]董紅義，帥石金，李儒龍，等.柴油機(jī)排氣后處理技術(shù)最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2007，36(3)：88-90.