小功率非道路用柴油機滿足國三排放標準的技術研究

□楊正川/閬中蠶種場

小功率非道路用柴油機滿足國三排放標準的技術研究

□楊正川/閬中蠶種場

本文對小功率非道路柴油機實施第三階段排放標準中的問題進行了分析，通過與美國環保署（EPA）非道路柴油機現行第四階段排放法規及執行情況比較，說明小功率段柴油機國三排放標準是全球最嚴法規之一，分析給出8 kW以下柴油機實現第三階段排放標準的技術路線，以KJ186FA柴油機為例，通過采用改進燃燒過程和降低機油消耗的機內凈化+DOC技術來降低柴油機排放，初次試驗柴油機整機CO、HC+NOX、PM排放分別為0.97 g/kW·h、5.71 g/kW·h、0.46 g/kW·h，在有效壽命期內產品完全能滿足中國第三階段排放標準的要求。

我國農業機械動力多為柴油機，屬非道路柴油機范疇，我國于2015年10月1日實施非道路用柴油機排放第三階段標準，其中37 kW以下功率段柴油機的要求與美國環保署（EPA）第四階段排放法規的限值相當。2008年開始，美國對非道路柴油機實施過渡期的第四階段排放法規；2015年起，美國確定了第四階段排放的最終限值并開始對所有機型嚴格執行。我國是一個農業大國，同時是發展中國家，基礎建設任務較重，多年來小型非道路柴油機的產量和使用量巨大，單缸柴油機年產量約占全世界的80％，因此對小功率段的非道路柴油機實施排放限值對保護環境非常重要。我國排放標準多為修改采用歐盟的排放指令，第三階段排放標準的限值對19～560 kW的柴油機采用的是歐盟2007年執行的3A階段限值，歐盟對19 kW以下柴油機至今無要求（他們相對保有量、使用時間較少），計劃到2019年才升級對此功率段實施排放要求。對19 kW以下功率的柴油機目前僅有美國、韓國、印度和中國有排放限值要求，國外的排放法規多類似美國的第四階段，僅限值大小、實施時間不同，美國EPA第四階段排放將37 kW以下功率段柴油機分為0～8 kW、8～19 kW和19～37 kW三個功率段，每個功率段有不同的排放限值，我國將37 kW以下列為一個功率段，且排放限值與歐盟19～37 kW相同，結果8 kW以下功率段的CO排放比美國第四階段限值高出45％，HC+NOX排放限值相同，PM排放要求低于美國，但因為我國柴油品種與美國有一定差異，PM達標難度與美國相當，所以對8 kW以下小功率柴油機，我國的柴油機排放要求已是全球最嚴的標準之一。由于37 kW以下功率段柴油機在我國產量大，達標難度較大，目前我國三第階段排放標準并未嚴格執行。國內企業的達標產品大多仍處于研發階段。

本文結合凱艦動力公司對8 kW以下非道路柴油機的低排放技術研發，分析國三及更低排放要求產品的技術方案。

1 低排放小功率非道路柴油機國內外的技術分析

中國第三階段排放標準頒布后，企業開展了大量的研發工作，小功率柴油機環保部初始技術路線是重新設計新機型，提高油泵、油嘴噴油壓力，采用電控技術等，但實際實施資金投入、技術難度都較大。美國從2008年開始實施小功率非道路柴油機排放法規，對進入美國市場銷售的柴油機必須通過排放認證，且通過認證的機型在美國EPA網站對外公布。美國第四階段的實施是2013年開始逐步加嚴，2015年起完全實施最終的第四階段限值。因此，我們統計了美國3個年份的認證機型，從認證機型公布的技術資料看（表1），多數機型是單缸柴油機，2009年生產企業較多，我國也有多個企業的產品出口（表1中2012年前使用后處理DOC的產品多是中國出口的186FA柴油機），但隨著法規的嚴格執行，2015年僅有世界著名企業的13個單缸柴油機留在美國市場，分別是德國的哈茲、日本的久保田、洋馬和美國的科勒公司。久保田的4個機型采用渦流室，其余都采用直噴燃燒系統，其中4個機型采用了后處理的氧化催化技術（DOC），DOC可降低CO、HC和顆粒PM，一個機型在氣門罩殼上設置通道實現機型EGR來降低NOX，沒有機型采用電控供油技術，降低排放的機內凈化技術主要是通過燃燒過程優化和低機油耗技術。

表1 美國EPA認證機型源機技術參數的統計

目前國內滿足國三排放限值要求，實現小功率柴油機低排放研究的技術路線有：采用電控噴油系統（如電控單體泵或共軌噴油系統）并優化供油性能；用傳統機械噴油的機內凈化；用傳統機械噴油的機內凈化+DOC技術。

采用電控噴油系統可實現噴油壓力提高和不同工況能改變噴油提前角，使燃燒優化，但生產成本高，對8 kW以下的單缸柴油機售價要比原價翻一倍左右，并且作為農業機械配套農民難以接受，使用、維修保養的要求也較高。用傳統機械噴油的機內凈化能使柴油機排放降低到一定數值，但由于我國CO限值較嚴格，在有效壽命期（3 000 h）內達國三標準有一定難度，按我國CO限值5.5 g/kW·h，通過美國EPA認證的13個機型中有3個超標（EPA限值是8.0 g/kW·h）。批量生產控制一致性都符合標準限值也有難度；用傳統機械噴油的機內凈化+DOC技術方案，采用機內凈化降低NOX達一定數值，并使整機的CO、HC+NOX、PM初次排放試驗結果達到國三標準限值，通過采用DOC技術使CO、HC、PM排放值分別減少80％、60％和30％左右，這樣能實現柴油機在有效壽命期內達標，且可以減少批量生產的生產一致性控制中CO難達標問題，但需增加成本30％左右。凱艦動力公司生產的柴油機主要配套農業機械，經綜合比較與高校的產學研合作研發后，選用機內凈化+后處理DOC技術方案。

2 達國三排放要求的小型柴油機研發

目前凱艦動力公司生產的柴油機有KJ170F、KJ173F、KJ178F、KJ186FA、KJ190FA、KJ192FA等機型，參考美國認證的資料及我們所做的工作，對缸徑78mm以上的機型在原機基礎上進行了機內凈化研究，再配用DOC技術，能滿足國三排放標準的要求，現以KJ186FA柴油機為例進行分析。

KJ186FA柴油機為立式直噴燃燒的風冷單缸柴油機，標定功率6.3 kW、轉速3 600 r/min，該機型原樣機是日本洋馬公司的L系列中的機型，目前國內年產量超過100萬臺，廣泛配套農業機械（微耕機、小型收割機）、水泵機組、發電機組等，也是凱艦動力公司的主導產品。首先對原機進行摸底試驗，通過分析對柴油機進行了結構改進設計。

2.1 機內凈化措施

機內凈化包括燃燒過程的組織和降低機油消耗。降低機油消耗是所有機型的共性問題，通過機體等固定件剛性的加強，活塞及環組的優化設計，使用氣門油封，曲軸箱通風用呼吸器的改進，以及生產裝配過程的質量控制，減少柴油機的機油消耗量，可有效降低柴油機的顆粒排放。標定功率8 kW以下柴油機機油消耗率國家標準要求是小于2.82 g/kW·h，目前國內機器水平多在1.0～2.0 g/kW·h，因此，需采取上述措施降低機油消耗來實現低的顆粒排放。設定目標值是0.8 g/kW·h以下，經過試驗，研發改進的多臺樣機的機油消耗量在0.50～0.76 g/kW·h。

柴油機燃燒系統優化從以下幾個方面入手。通過改進空氣濾清器、進排氣道減少流動阻力，增加柴油機進氣量，這樣柴油機標定功率不變，能使柴油機缸內混合氣濃度變稀，柴油機燃燒完全，降低柴油機燃油消耗及排放，改進后柴油機進氣量提高了6.3％。缸內燃燒通過提高噴油器的霧化質量，控制噴油嘴流量和油嘴伸出高度，改善燃燒室內油氣混合的均勻性，提高燃燒速度，減少燃燒持續期，同時通過推遲噴油，降低缸內燃燒溫度來減少NOX，這樣能保證柴油機燃油消耗率、煙度不會惡化變差，通過氣缸壓縮余隙控制保證壓縮比、改善缸內氣流運動，強化燃燒，最終使柴油機油耗在基本不變的前提下減少排放。

通過上述優化，經多次試驗，柴油機的性能大幅提高，機內凈化研發的新機與原機的性能對比試驗結果見表2，表中的整機排放試驗結果采用6工況試驗循環進行。通過機內凈化，柴油機NOX、顆粒PM明顯下降，標定工況燃油消耗be也下降了8.6 g/kW·h，這主要是增大進氣量和燃燒優化的結果，樣機除CO指標外，其他指標都滿足要求。

表2 不同設計研發方案的KJ186FA柴油機性能單位：g/kW·h

2.2 使用后處理的DOC技術

對KJ186FA柴油機消聲器進行改造，在消聲器內安裝氧化催化劑載體，使用DOC技術減少CO、HC、PM排放，設計采用了江蘇大學的專利技術，使柴油機噪聲保持基本不變，消聲器的結構使氣流較均勻地通過催化劑載體，與以前的結構設計相比，氣流均勻流過載體的流速相對下降、載體溫度場的最高溫度降低、使用壽命提高，同時CO、HC、PM的轉化效率也得到了相應的提高。表2中給出了試驗結果，可以看出，各項排放指標均達到了國三排放標準限值，且都留有足夠的余量，能保證3 000 h有效壽命期內排放滿足國三標準要求，柴油機燃油消耗也符合國家對第二代單缸柴油機的指標要求。

通過研發，KJ186FA柴油機樣機已達到我國第三階段排放標準的要求。為批量生產合格產品，企業需進行技術改造，嚴格執行《大氣污染防治法》，從產品說明書、零部件質量和整機生產質量入手來保證產品質量，為社會提供環保型農機產品。

3 小結

我國單缸柴油機產量約占全世界的80％，實施排放控制對保護環境非常必要，我國實施的國三非道路柴油機排放標準對小功率段柴油機來說已是全球最嚴的排放標準一之，因此，需要對產品低排放技術開展研究、改造生產條件，控制批量生產的產品質量，以滿足標準的要求。

KJ186FA柴油機采用系列的機內凈化措施和DOC技術，柴油機能滿足中國第三階段排放標準的要求，為社會提供環保型農用動力。