非道路柴油機(jī)37-130kW排放控制的發(fā)展方向與趨勢(shì)

盛偉鵬 金林夢(mèng)赟 楊炎林 趙會(huì)峰 王達(dá)

摘要：非道路國四排放法規(guī)實(shí)施在即，本文簡單闡述了非道路領(lǐng)域應(yīng)用的37-130kW柴油機(jī)在非道路國四階段的排放控制策略與手段。在非道路國四階段，高壓共軌技術(shù)是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的主流，同時(shí)必須使用后處理技術(shù)來滿足法規(guī)的PN要求。合理有效控制柴油機(jī)成本，延長后處理DPF的再生周期將是該功率段柴油機(jī)在非道路領(lǐng)域的核心競爭力。

Abstract： The implementation of the non-road country IV emission regulations is imminent. This paper briefly expounds the emission control strategies and means of the 37-130kW diesel engine applied in the non-road country IV in the non-road country. In the fourth stage of non-road countries， high-pressure common rail technology is the mainstream of diesel fuel system， and after-treatment technology must be used to meet the PN requirements of regulations. Reasonable and effective control of the cost of diesel engines and extension of the regeneration cycle of the aftertreatment DPF will be the core competitiveness of diesel engines in this power segment in the non-road field.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);高壓共軌;EGR技術(shù);后處理技術(shù);非道路國四

Key words： diesel engine;high pressure common rail;EGR technology;aftertreatment technology;non-road country IV

中圖分類號(hào)：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0091-03

0 ?引言

隨著大家環(huán)保意識(shí)逐漸加強(qiáng)，國家藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)計(jì)劃的發(fā)起，針對(duì)非道路柴油機(jī)的排放也更加引起了關(guān)注，近幾年來，非道路的排放法規(guī)快速升級(jí)。2018年11月9日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《非道路移動(dòng)柴油機(jī)械煙度限值及測(cè)量方法》;2020年12月28日，生態(tài)環(huán)保部發(fā)布《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求（HJ 1014—2020）》，該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)GB 20891—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(cè)量方法（中國第三、四階段）》中第四階段內(nèi)容的補(bǔ)充。到2022年12月1日起所有生產(chǎn)、進(jìn)口和銷售的560kW以下（含560kW）非道路移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。為滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機(jī)制造商紛紛采用有效的排放控制手段和技術(shù)措施來降低柴油柴油機(jī)的排放。

1 ?非道路柴油柴油機(jī)的現(xiàn)狀

2014年5月，國家環(huán)保部發(fā)布針對(duì)非道路移動(dòng)機(jī)械柴油機(jī)的排放法規(guī)《非道路用柴油機(jī)排氣污染物限值及測(cè)量方法（中國第三、第四階段）》，2016年4月開始全面實(shí)施國三標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)非道路國三排放的要求，目前國內(nèi)市場(chǎng)的非道路用柴油機(jī)主要進(jìn)行了柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化升級(jí)。在37kW以下的多缸柴油機(jī)大多數(shù)廠家選用了VE泵進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，在37kW以上的柴油柴油機(jī)多數(shù)采用了電控燃油系統(tǒng)，引進(jìn)單體泵和高壓共軌技術(shù)，基本滿足了非道路國三排放要求。與國三排放相比，國四排放法規(guī)將更加嚴(yán)格，具體如表1所示。

基于非道路國四的排放法規(guī)要求，機(jī)內(nèi)凈化處理已經(jīng)很難滿足，特別是PN排放要求，在37-130kW的小型柴油機(jī)勢(shì)必引進(jìn)DPF技術(shù)，因此滿足國四排放要求的柴油機(jī)基本集中在高壓共軌+DOC+EGR+DPF或者高壓共軌+DOC+DPF+SCR這兩種技術(shù)路線。

2 ?排放控制技術(shù)

滿足非道路柴油機(jī)國四排放法規(guī)需求的技術(shù)路線與國三相比最大的區(qū)別就是引進(jìn)高壓共軌系統(tǒng)和尾氣后處理系統(tǒng)，非道路柴油機(jī)市場(chǎng)競爭激烈，成本控制顯得尤為關(guān)鍵，EGR+DPF路線可以更好的進(jìn)行成本控制，以便在市場(chǎng)競爭中占得先機(jī)。

2.1 機(jī)內(nèi)凈化處理技術(shù)

非道路柴油機(jī)使用工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，在引進(jìn)后處理技術(shù)以后，DPF的再生周期將是國四柴油機(jī)開發(fā)的關(guān)鍵指標(biāo)，影響DPF再生周期的主要因素有：①柴油機(jī)原排的顆粒排飯水平;②后處理系統(tǒng)的被動(dòng)再生能力。因此，首先要在國三柴油機(jī)技術(shù)上進(jìn)一步優(yōu)化柴油機(jī)原排的顆粒排放水平以延長DPF的再生周期。

2.1.1 燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

非道路國三柴油機(jī)在37-130kW功率段多采用單體泵技術(shù)，國四階段需選用高壓共軌技術(shù)，進(jìn)一步提高燃油系統(tǒng)噴射壓力，降低噴油器噴孔尺寸，使燃油霧化條件更好;使用高壓共軌技術(shù)后，與國三機(jī)相比，噴油器噴孔尺寸下降，噴油器噴油初始速度增加，噴油持續(xù)時(shí)間也相對(duì)加長，這樣噴油器的噴霧貫穿度增加，為了控制NOX排放，優(yōu)化柴油機(jī)燃燒，需要對(duì)柴油機(jī)燃燒室機(jī)型優(yōu)化，適當(dāng)加大燃燒室口徑;降低柴油機(jī)壓縮比，合理調(diào)整油束分配。燃燒室變化如圖1所示。同時(shí)選用高壓共軌系統(tǒng)可以更好的融合后處理技術(shù)，特別是DPF再生策略目前在高壓共軌技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

2.1.2 增壓器優(yōu)化選型

對(duì)于非道路用柴油機(jī)來說，基本上還是選用傳統(tǒng)的WGT增壓器。對(duì)于大多數(shù)非道路柴油機(jī)生產(chǎn)廠家來說，電控柴油機(jī)起步比較晚，柴油機(jī)標(biāo)定能力比較弱，與VGT增壓器相比，WGT增壓器標(biāo)定工作相對(duì)較少，可以有效快速的完成產(chǎn)品研發(fā)。同時(shí)WGT和VGT相比價(jià)格更低，成本優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)然，WGT增壓器的選型工作更難，控制手段少，更多依賴增壓器自身的性能，合適的增壓器是柴油機(jī)性能開發(fā)的關(guān)鍵。增壓器選型要結(jié)合柴油機(jī)的使用工況，對(duì)于非道路柴油機(jī)來說，應(yīng)用于不同領(lǐng)域的柴油機(jī)的使用工況差異很大。如收割機(jī)機(jī)型在進(jìn)行收割工況時(shí)，工作區(qū)域在標(biāo)定轉(zhuǎn)速或者調(diào)速段工作，在收割過程中遇到田間坑道或者收割密度突然增加時(shí)，柴油機(jī)負(fù)荷會(huì)瞬間加大，同時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)下降轉(zhuǎn)速，往扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速靠近，增大柴油機(jī)扭矩輸出來滿足工況需求，另外就是收割機(jī)的放糧作業(yè)，這種工況的負(fù)荷較低，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速也一般保持在1500r/min左右，總的來說收割機(jī)是以高轉(zhuǎn)速工況為主，所以說收割機(jī)的增壓器主要關(guān)注高轉(zhuǎn)速工作工況，將增壓器的高效區(qū)域放在扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速以上區(qū)域，降低泵氣損失來優(yōu)化主要作業(yè)工況的燃油經(jīng)濟(jì)性;同理，拖拉機(jī)的工況主要集中在低速段和扭矩點(diǎn)附近，特別是在拖拉機(jī)起步階段，一般拖拉機(jī)在將柴油機(jī)轉(zhuǎn)速拉至1200r/min左右，進(jìn)行下犁作業(yè)，此時(shí)柴油機(jī)負(fù)荷會(huì)突然加載，轉(zhuǎn)速急劇下降，增壓器應(yīng)當(dāng)快速響應(yīng)補(bǔ)充進(jìn)氣以適應(yīng)這種突然加載工況，因此拖拉機(jī)機(jī)型的增壓器選型應(yīng)將高效區(qū)域放在扭矩點(diǎn)附近，需要重點(diǎn)關(guān)注增壓器的低速響應(yīng)性。在低速高效的增壓器一般來說增壓器起效轉(zhuǎn)速低，增壓壓力較高，在關(guān)注增壓器高效區(qū)域的同時(shí)需要關(guān)注渦前排氣壓力（p3）和增壓壓力的壓差（p2），以便保證有效的EGR率，滿足排放需求。

2.1.3 EGR技術(shù)優(yōu)化

原非道路國三機(jī)型相當(dāng)部分機(jī)型選用氣動(dòng)EGR閥，及EGR閥開環(huán)控制。到非道路國四階段，NOX排放控制要求更高更精準(zhǔn)，一般會(huì)選用直流電動(dòng)EGR閥，EGR基于空氣流量計(jì)的閉環(huán)控制，同時(shí)加裝EGR冷卻器，降低柴油機(jī)混合進(jìn)氣溫度，更好的控制NOX排放。與氣動(dòng)閥相比，電動(dòng)閥的響應(yīng)性更好，控制更精確，控制跟隨性更好，不需要外加真空源，可以適應(yīng)非道路國四排放的瞬態(tài)工況測(cè)試（NRTC）需求。同時(shí)采用基于空氣流量計(jì)閉環(huán)控制策略，可以有效的避免增壓器、進(jìn)氣管路以及EGR本身的公差內(nèi)誤差以及外部邊界條件造成的NOX排放差異，保證柴油機(jī)性能排放的一致性。非道路國四柴油機(jī)對(duì)各缸的燃燒均勻性要求更高，EGR系統(tǒng)的管路需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在混合氣進(jìn)入氣缸前應(yīng)盡量使EGR廢氣與新鮮空氣得到充分混合，保證進(jìn)入各缸的進(jìn)氣均勻性，從而保證各缸燃燒一致性。EGR閥是帶EGR柴油機(jī)的主要故障件，EGR卡滯是EGR的常見故障模式，選用熱端EGR閥，可以有效減少EGR閥結(jié)膠，減少EGR閥卡滯故障。但是，與冷端EGR相比，EGR閥需要增加冷卻系統(tǒng)，對(duì)EGR零部件的密封及尺寸公差要求更高，零部件成本也更高。從傳統(tǒng)意義上理解，EGR可以有效的較低NOX排放，但會(huì)是燃燒惡化而，增加碳煙排放，同時(shí)增加柴油機(jī)燃油耗。在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，控制合適的EGR率在實(shí)現(xiàn)降低NOX排放的同時(shí)，碳煙和柴油機(jī)燃油耗可以維持同一水平或者略微上漲。特別是在非道路柴油機(jī)普遍選用WGT增壓器的情況下，在低負(fù)荷狀態(tài)合適的EGR率可以做到NOX和碳煙以及燃油耗雙贏的效果。有研究也標(biāo)明，某直噴柴油機(jī)原機(jī)的柴油機(jī)加權(quán)油耗為240g/kW·h，在增加EGR系統(tǒng)以后加權(quán)油耗降低至235g/kW·h，可見EGR系統(tǒng)在柴油機(jī)的平均油耗起積極作用[1]。EGR系統(tǒng)的標(biāo)定是NOX排放與其他指標(biāo)的一個(gè)折中標(biāo)定，在保證NOX排放的同時(shí)盡可能減少EGR對(duì)柴油機(jī)碳煙排放及柴油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

2.2 后處理技術(shù)

雖然通過機(jī)內(nèi)進(jìn)化技術(shù)可以有效地減少柴油機(jī)NOX和碳煙顆粒排放物，但要滿足非道路國四排放需求，必須加裝柴油機(jī)尾氣后處理裝置，特別是非道路國四排放PN排放小于5×1012#/kW·h要求，DPF成為了后處理系統(tǒng)的必選項(xiàng)，本文針對(duì)37-130kWX小型柴油機(jī)，考慮整個(gè)后處理的成本壓力，以及開發(fā)標(biāo)定工作量，多推薦使用EGR+DOC+DPF技術(shù)。

2.2.1 DOC技術(shù)

DOC是柴油機(jī)氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst）的縮寫，是安裝在柴油車排氣系統(tǒng)中，能通過各種物理化學(xué)作用來降低排氣中污染物排放量的裝置。DOC的主要作用是降低顆粒物中的可溶性有機(jī)物（Soluble Organic Fraction，SOF）以及HC、CO、氧化醛類和芳香烴類有害污染物的排放[2，3]。DOC的載體有陶瓷和金屬之分，通常陶瓷是堇青石的，金屬的種類較多，鐵、銅、黃銅等。DOC的主要作用是通過載體涂覆的貴金屬氧化排放尾氣中還原性氣體，或者將NO氧化為NO2配合DPF與CDPF起作用，有效的控制DPF內(nèi)顆粒物的累積速度。在適當(dāng)溫度下DOC也可以將燃油的硫氧化為SO2，最終生成硫酸鹽，從而增加顆粒PM及顆粒數(shù)PN的排放，且硫容易造成后處理系統(tǒng)的催化劑中毒失效，所以在裝有DOC后處理的柴油機(jī)的燃油油品應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2.2.2 DPF技術(shù)

DPF是柴油機(jī)顆粒捕集器（Diesel Particulate Filte）的縮寫，DPF的主體部分是過濾載體，按材料主要分為陶瓷基和金屬基兩大類。陶瓷基DPF載體材料有堇青石、碳化硅、莫來石、氧化鋯等;金屬基DPF載體材料有燒結(jié)金屬式、泡沫金屬、金屬絲網(wǎng)等。目前，最常用的過濾體材料為堇青石和碳化硅。DPF的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有壁流式、流體式等，最常見的是壁流式。該類型DPF通常采用圓柱形陶瓷結(jié)構(gòu)，在軸向上形成許多的細(xì)小、平行通道。不同于一般流通式結(jié)構(gòu)的捕集器，壁流式濾芯結(jié)構(gòu)在過濾層相鄰的通道中，選擇兩端中的任意一端堵塞，從而強(qiáng)迫廢氣通過多孔壁面，實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物的捕集，與其他結(jié)構(gòu)的DPF相比，壁流式顆粒捕集器的碳煙捕集效率更高。DPF隨著捕集的顆粒增加，排氣背壓會(huì)快速上升，因此DPF需要定期的進(jìn)行再生，即將捕集的顆粒二次燃燒清除或者物理清除等。因此為了減緩DPF顆粒沉積的速度目前多應(yīng)用CDPF，即帶有催化涂層的DPF，主要工作原理是通過DPF上涂覆貴金屬鉑和鈀，在催化作用下使排氣中的NO2氧化碳粒，這就是連續(xù)再生（CRT技術(shù)），也通常稱為被動(dòng)再生[4-6]。在理想狀態(tài)下CRT就可以滿足DPF的內(nèi)部碳平衡，但這對(duì)柴油機(jī)的源排和燃油油品有較高的要求，目前我們國內(nèi)廠家生產(chǎn)的柴油機(jī)大多不能滿足。而且對(duì)于非道路柴油機(jī)來說使用環(huán)境惡劣苛刻，使用工況差異大，與道路機(jī)相比急加速急加載工況多，排煙排放量難以控制，這些都使得CRT技術(shù)不能完全滿足DPF的再生。

因此，我們?cè)贒PF內(nèi)的碳煙達(dá)到滿載或者接近滿載時(shí)，需要對(duì)DPF進(jìn)行主動(dòng)再生。主動(dòng)再生就是通過外部手段將DPF溫度加熱到600℃以上，由O2對(duì)捕集的碳煙進(jìn)行氧化清除。目前常用而且已經(jīng)應(yīng)用的手段主要是通過燃油缸內(nèi)后噴或者尾管噴射兩種方式。缸內(nèi)后噴技術(shù)即用進(jìn)排氣節(jié)流、提升DOC進(jìn)口溫度，同時(shí)缸內(nèi)后噴柴油，在的DOC的作用下柴油迅速氧化放熱，DOC出口溫度提升至600℃以上，此溫度下大部分PM都將被氧化，再生效果好，然而這種方法會(huì)導(dǎo)致油耗上升和二次污染[7-10]。尾管噴射就是，在顆粒捕集器入口前增加一套噴油器，噴入少量燃油，利用排氣的氧或另外供給空氣，用火花塞或電熱塞點(diǎn)燃，高溫燃?xì)庠冱c(diǎn)燃微粒，一般經(jīng)過1～2min后，即可完成再生過程。這種方法可以在絕大部分情況下再生，再生效果好，但需要額外增加一套燃油供給裝置，成本較高，并且噴油助燃再生時(shí)不能急加速，否則氣流容易吹熄火焰。對(duì)于37-130kW的柴油機(jī)來說，柴油機(jī)排量一般集中在4.5L以下，多為中速柴油機(jī)，柴油機(jī)的尾氣排氣溫度相對(duì)可觀，且柴油機(jī)的價(jià)格不高，缸內(nèi)后噴技術(shù)相對(duì)來說成本更低，整個(gè)系統(tǒng)由柴油機(jī)ECU統(tǒng)一控制，通過標(biāo)定優(yōu)化基本可以滿足DPF的再生需求，同時(shí)可以有效控制尾氣的HC泄露，所以目前在這個(gè)功率段的柴油機(jī)多選用缸內(nèi)后噴技術(shù)。

2.2.3 后處理標(biāo)定技術(shù)

在引進(jìn)柴油機(jī)后處理系統(tǒng)以后，后處理系統(tǒng)的標(biāo)定工作是一個(gè)復(fù)雜工程，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域和使用工況的柴油機(jī)需要應(yīng)用不同的標(biāo)定。與道路機(jī)不同，非道路機(jī)作業(yè)環(huán)境特殊，使用客戶大多知識(shí)結(jié)構(gòu)層次較低。后處理系統(tǒng)的操作需要盡量簡單明了，保證用戶對(duì)機(jī)械的使用安全，在特定的環(huán)境需要關(guān)閉DPF的再生功能，所以目前非道路國四柴油機(jī)DPF再生多選用駐車再生模式，即在柴油機(jī)DPF需要再生時(shí)要在特定區(qū)域進(jìn)行再生操作。

由于我們非道路國四排放要求與國三階段相比，各個(gè)排放指標(biāo)都進(jìn)行了大幅度的提升。各生產(chǎn)廠家的發(fā)動(dòng)機(jī)大多是在老機(jī)型的國三機(jī)型進(jìn)行技術(shù)升級(jí)。筆者在國四柴油機(jī)開發(fā)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，顆粒物中SOF成分高達(dá)70%，對(duì)于這種柴油機(jī)來說，在后處理標(biāo)定中需要使用DESOF功能（使用博世高壓共軌燃油系統(tǒng)），就是在DPF累碳達(dá)到一定狀態(tài)時(shí)（建議累碳量達(dá)到DPF滿載的70%左右），通過進(jìn)排氣節(jié)流，但同時(shí)保證NOX正常排放，將DOC的出口溫度提升至400℃以上，將DPF顆粒物的SOF部分排出，在進(jìn)行DESOF以后，DPF內(nèi)會(huì)只留下干碳煙（soot），碳載量明顯下降，DPF壓差明顯下降，延長整個(gè)DPF的再生周期。但在DESOF模式下，柴油機(jī)排氣溫度上升的同時(shí)，顆粒物的排放會(huì)急劇惡化，所以DESOF模式持續(xù)時(shí)間不能過長，一般控制在20-40min為宜。

3 ?結(jié)束語

非道路國四法規(guī)的即將實(shí)施加速了非道路柴油機(jī)的技術(shù)改革，高壓共軌技術(shù)將是非道路市場(chǎng)的主流。后處理技術(shù)也將在非道路領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)我們柴油機(jī)生產(chǎn)廠家來說，不斷優(yōu)化柴油機(jī)本體，提高柴油機(jī)原排水平，減小后處理系統(tǒng)的壓力，同時(shí)通過標(biāo)定優(yōu)化，合理均衡排放與燃油經(jīng)濟(jì)性的杠桿，有效控制柴油機(jī)成本，是在非道路小柴領(lǐng)域取得領(lǐng)先和絕對(duì)競爭力的關(guān)鍵。

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