4V5R柴油機滿足非道路國三排放的技術淺析

張怡軍　陳　鵬　楊　森　李　鐵　薛強強

（一拖（洛陽）柴油機有限公司洛陽471003）

4V5R柴油機滿足非道路國三排放的技術淺析

張怡軍陳鵬楊森李鐵薛強強

（一拖（洛陽）柴油機有限公司洛陽471003）

本文介紹了國內非道路柴油機排放控制標準，非道路柴油機排放標準發展趨勢。并以4V5R柴油機為例介紹幾種技術路線及其各自優缺點。通過比較分析，并結合國四階段的排放要求，提出中國非道路移動機械用柴油機第三階段技術路線盡量采用電控共軌技術方案。

柴油機 排放標準 技術方案

一、引言

隨著國家對非道路機械用柴油機排氣污染物排放強制性標準不斷與發達國家靠攏，升級非道路機械用柴油機尾氣排放已成為刻不容緩的緊迫任務。2015年是GB 20891—2014非道路移動機械用柴油機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的生產成本和使用成本（經濟性）出現了突出的矛盾，如何開發適合中國國情的非道路柴油機將是柴油機生產廠家未來發展的主要方向。本文以4V5R為例介紹柴油機滿足非道路國三排放升級的技術方案。

二、國內排放法規及現狀

1、國內排放法規

我國實施的《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》（Ⅰ、Ⅱ階段）主要參考了歐盟標準，是在歐盟（指令97/68/EC）標準的基礎上，增加了農業和漁業機械方面的要求，此標準將于2016年4月1日起廢止。自2015年10月1日起，新生產的非道路移動機械用柴油機開始執行《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》標準，此標準規定了第三階段非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值和測量方法，并提出了第四階段的預告性要求。本階段標準修改采用歐盟（EU）指令97/68/EC（截止到修訂版2004/26/EC）《關于協調各成員國采取措施防治非道路移動機械用發動機氣態污染物和顆粒物排放的法律》中有關非道路移動機械用柴油機的技術內容。

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、國內現狀

我國目前的技術裝備和相關工藝水平與國外同期水平相比存在很大差距，內燃機企業的開發創新和技術儲備嚴重不足，特別是農業領域使用的柴油機差距更加明顯。表3為目前國內外非道路移動機械用柴油機主要性能指標對比。

表1　非道路移動機械裝用柴油機排氣污染物限值（第二階段）

表2　非道路移動機械裝用柴油機排氣污染物限值（第三階段）

表3　國內外非道路移動機械用柴油機主要性能指標對比

與國外同期的柴油機相比，國內柴油機存在高排放、低比功率、高油耗、可靠性差等不足，因此專門為國內非道路市場開發一款高質量、低污染的專用發動機已經到了刻不容緩的地步。

三、4V5R技術路線的選定

4V5R的技術路線選定即需要適合中國目前國情，同時也要兼顧下一階段的排放升級。目前國內為滿足非道路國三排放標準，主要技術路線有“機械泵+電控EGR”、“電控單體泵+電控EGR”和“電控共軌”，各技術路線及優缺點具體如下：

1、“機械泵+電控EGR”路線

優點：在國二機械泵基礎上，加EGR廢氣再循環系統，減少廢氣排放，結構變動小，達標成本增加少，估計在2000元左右。

缺點：受機械泵的結構限制，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，尤其在農機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標國三，但也不具備升級國四和國五的潛力。

另外，在2015年3月2日的國家環保部召開的非道路國三申報工作會議上，對“機械泵+電控EGR+渦輪增壓”路線暫不接受認證，因此此技術路線還存在國家政策風險，需要謹慎對待。

2、“電控單體泵+電控EGR”路線

優點：對柴油機改動小，制造工藝簡單，技術實現難度低，制造成本較低，對燃油的品質要求并不高，國三達標容易，價格適中，升級成本大約在3000元左右。

缺點：不能實現多次噴射，各缸噴射的壓力不均勻，國內生產可靠性性差，國四實現有困難，升級潛力小。

3、“電控共軌”路線

優點：在共軌式儲壓器噴射系統中，ECU通過接收各傳感器的信號，借助于噴油器上的電磁閥，讓柴油機以正確的噴油壓力在正確的噴油點噴射出正確的噴油量，保證柴油機最佳的燃燒比，霧化和最佳的點火時間，以及良好的經濟性和最少的污染排放。電控共軌系統具有供油壓力高，供油穩定，控制靈活，能夠實現多次噴射，在國四之后進一步發展的潛力較大，各缸噴射的壓力非常一致等優點。

缺點：柴油機變動大，匹配時間及供貨易受供應商制約，要求燃油的品質非常嚴格，成本變動大，升級成本大約在4000元左右。

通過以上三種技術路線的比較，電控共軌路線具有供油壓力高，供油穩定，控制靈活，能夠實現多次噴射，兼顧國四及之后進一步的排放升級需要，同時升級成本增加不明顯。因此4V5R的技術路線優先選用電控共軌路線。

四、4V5R技術參數

4V5R型柴油機是一拖（洛陽）柴油機有限公司與英國里卡多公司聯合設計的最新產品，運用CAD/UG等三維技術和CAE分析技術對重要部件全面優化。采用裙部多曲面加強結構的缸體，運用干式缸套和活塞強制噴油冷卻技術，低渦流進氣道的整體缸蓋，全面提升了柴油機的使用可靠性。運用了國際最新的內燃機燃燒技術，優化匹配的燃油噴射系統。使該機型的排放指標全面達到《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規定，主要設計技術指標見表4。

委托相關法定檢驗部門對4V5R樣機進行排氣污染物檢測試驗，檢測結果表明柴油機排氣污染物限值完全達到《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規定。樣機排氣污染物的實測值與標準值比較見表5。

表4　4V5R主要設計技術指標

表5　排氣污染物的實測值與標準值比較

五、結束語

4V5R通過采用新結構活塞、高壓軌、高壓泵、電控噴油器等零件，使排放指標全面達到《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法》（三、四階段）中的三階段規定。柴油機具有供油壓力高，供油穩定，控制靈活，能夠實現多次噴射，兼顧國四及之后進一步的排放升級需要，同時升級成本增加不明顯。另外4V5R為自然吸氣機型，主機廠及用戶安裝使用及維護成本比增壓及增壓中冷機型大幅降低，是國內非道路機械的首選動力。

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

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

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

［4］喻世學，馬志豪，張怡軍.農用柴油機滿足非道路國Ⅱ排放的技術淺析［J］.農業機械，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：發動機開發配套。

陳鵬（1985～），男，漢族，湖北應城，助理工程師，本科，主要研究方向：發動機開發。

楊森（1987～），男，漢族，河南南陽，助理工程師，本科，主要研究方向：機械設計與制造及其自動化。

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：發動機配套開發。

薛強強（1986～），男，漢族，河南宜陽，助理工程師，本科，主要研究方向：發動機性能及ECU標定。

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