國Ⅳ、國Ⅴ柴油叉車排放控制技術探究

合肥寶發動力技術有限公司 / 蔣旭東 丁光金 莫志遠

國Ⅳ、國Ⅴ柴油叉車排放控制技術探究

合肥寶發動力技術有限公司 / 蔣旭東 丁光金 莫志遠

本文對國Ⅳ、國Ⅴ柴油叉車未來的排放標準做了比對，對柴油叉車排放的控制技術做了介紹，探討了新法規的推行對中國柴油叉車技術路線選擇的影響及相應實施難點。

國Ⅳ、國Ⅴ、柴油叉車、排放標準、控制技術

我國內燃叉車國Ⅲ排放標準實施以來，取得了一定的效果。排放標準雖然提高了，但終端用戶對內燃叉車的反饋意見不盡如人意。目前，北京市已實施“京四”的排放標準，一些對排放要求比較嚴的城市普遍使用更高排放水平的內燃叉車以凈化環境質量，但由于相關柴油非道路的國Ⅳ、國Ⅴ法規還沒有落地，導致這些城市不約而同地采用了油改電技術路線的變更。譬如：深圳市決定在2016年10月份起禁止5噸以下柴油叉車的銷售，而北京市也開始對在用柴油叉車進行大規模摸底登記排查。

根據深圳市人居委網站公布的柴油叉車與汽油轎車的試驗數據對比以及排放標準，一輛3噸柴油車碳顆粒物的排放量相當于296輛國Ⅳ小轎車。目前我國每年新增20多萬輛柴油叉車，由此造成的污染相當突出。從燃料來看，柴油車氮氧化物和顆粒物污染問題比較突出，排放的氮氧化物接近機動車排污總量的七成，顆粒物占到九成以上。

全世界機動車排放標準技術體系，主要以歐洲體系、美國體系、日本體系為主。應該講，中國從國Ⅰ到國Ⅴ，機動車排放標準基本是按照歐洲技術體系設置的，到第六階段，中國才會同時融合美國排放標準，而國Ⅵ階段的排放標準會更加嚴格。因此，提前按照國家非道路排放標準制定好相關的柴油動力排放控制技術非常必要。

一、國Ⅳ與國Ⅴ排放標準對比

道路柴油車國Ⅴ與國Ⅳ排放標準對比，如表1：對于柴油車，氮氧化物（NOX）排放限制國Ⅴ比國Ⅳ嚴格了28%，碳氫化合物和氮氧化物（HC+NOX）總和指標嚴格了23%，而對于柴油車的顆粒物濃度（PM）限制提升了82%。還有新增的顆粒物粒子數量（PN）也是對柴油車提出的要求，PN標準只對柴油車檢測。相比于汽油車，國Ⅴ排放標準顯然對柴油車要求更高。

只依靠發動機自身機內技術提升很難達到國Ⅳ、Ⅴ的排放標準，必須要連帶柴油品質和后處理技術的提升與應用方可以達標。對于油品，國Ⅴ的油品標準也比國Ⅳ高，主要體現在硫含量上。國Ⅴ這次提升的目標更多是柴油車，體現出國家對空氣治理的決心。

二、柴油叉車的排放控制技術

柴油叉車順利過渡到國Ⅴ、國Ⅳ時代，需要邁過幾道坎，其中最重要的是技術升級問題。無論是我國還是歐美，為了既滿足日趨嚴格的排放法規，又要降低柴油機的油耗，通常在以下三個方面實施改進：機前處理技術，主要是提供燃油品質；機內處理技術：燃油系統、增壓系統、燃燒系統、降低機油消耗等；機后處理技術，主要指后處理系統。

表1 道路柴油車國Ⅳ與國Ⅴ排放標準對比

1.提升燃油品質

包括降低柴油中的硫含量、膠質含量，控制多環芳烴含量、十六烷值，提高潤滑性能、添加劑的使用等，來降低顆粒等的排放。

我國國Ⅴ標準柴油已經執行，“三桶油”的加油站，已經基本全部置換完畢；但柴油叉車使用的柴油來源非常復雜，許多甚至達不到普通柴油。部分送貨上門的柴油多以地方煉廠的產品為主，有些用戶甚至使用非常規柴油，譬如生物柴油等。

2.柴油機機內凈化

機內凈化技術包括電控高壓燃油噴射技術、增壓中冷技術、廢氣再循環（EGR）技術、多氣門技術、可變渦流進氣道技術、可變壓縮比技術、均質混合壓燃技術（HCCI）以及優化燃燒室結構和參數的相關技術等，可以減少NOx和PM等的產生。現在我國道路車輛已經從國IV發動機就開始采用了電噴技術，相信叉車行業也一定會沿襲此技術路線。

（1）燃燒系統設計。發動機燃燒系統改善工作主要集中在幾個方面：高噴射壓力以及控制柔性；提高EGR冷卻效率、各缸分布；優化增壓器，尤其是與EGR的耦合；優化燃燒室與油嘴匹配；降低壓縮比。

（2）通過FIE系統提高柴油發動機燃油噴射技術，選擇最高噴射壓力，有利于最大功率的提高以及燃油經濟性的改善。

（3）通過EGR系統開發實現輕型柴油車排放控制。EGR系統是機內凈化的關鍵，E GR與推遲噴射相結合降低Nox排放，折中考慮排放、燃油經濟性及成本，具體措施包括：使用管束式冷卻器；改善EGR各缸的分配，對于國IV排放控制很重要；國V階段EGR冷卻器旁通閥需要考慮，降低冷機階段的HC。EGR冷卻系統設計需注意EGR冷卻器可靠性問題以及EGR冷卻對于整個冷卻系統的影響。

（4）增壓系統。輕型柴油機增壓系統匹配的主要特點包括：適應發動機小型化，BMEP大幅提高；寬廣的轉速范圍；中低轉速部分負荷區域實現大EGR率；用戶對加速響應要求提高。

（5）機油消耗的控制。機油消耗主要途徑包括缸內燃燒和排氣道燃燒。機油消耗控制的目標是機油燃燒導致顆粒和冷機狀態下HC升高明顯，機油中的不可燃燒灰分在DPF中積累造成堵塞。機油消耗需要進行嚴格控制，國IV階段機油消耗小于0.1%，國V階段機油消耗小于0.05%。

3.排氣后處理

在幾近苛刻的國Ⅴ排放法規面前，僅依靠以上發動機本體的控制技術還是不夠的，必須綜合使用排氣后處理技術來控制排放。目前使用的技術有：EGR（廢氣再循環）、DPF（顆粒捕集器）、DOC（微粒催化轉換器）與SCR（選擇性催化還原）等技術，如表2。

目前，市場上絕大部分柴油發動機制造商都是在改進國Ⅲ發動機的基礎上，再加上SCR（一般視為歐洲體系）或EGR+DOC+POC/DPF（一般視為美國體系）等后處理系統來控制排放的。目前從開發成本來看，還是較為側重SCR系統，但從長遠來看，將來隨著油品質量的提高和DPF技術的完善，后處理技術將會向EGR+DOC+DPF傾斜。EGR+DOC+DPF技術路線需要改變發動機結構，而且DPF目前單次購買價格偏高，在長時間使用之后還會產生堵塞現象，需要主動再生定期清洗，所以現階段不適合大規模推廣。

三、柴油叉車技術路線選擇及實施難點

實際上，在非道路國IV、國V標準未正式出臺之前，各發動機企業已“兵馬未動糧草先行”，積極著手國IV、國V技術儲備與產品研發。相比國Ⅲ階段，國IV、國V階段的技術有一定繼承性，也更加成熟。

表2

針對國IV發動機，各企業的技術路線會比較一致，采用SCR技術（選擇性催化還原技術，利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理）的企業比較多。而國V階段，5噸以上柴油叉車基本將延續國IV的技術路線，采用SCR技術；而3.5噸以下的柴油叉車會出現歐洲體系SCR與美國體系DPF并存的情況，也就是采用的是EGR（廢氣再循環）、DPF（顆粒捕集器）、DOC（微粒催化轉換器）技術與SCR（選擇性催化還原）技術并行的路線，但多數柴油叉車發動機企業將以后者為主，這是因為SCR允許發動機針對低顆粒、高NOx及最大燃油經濟性進行優化。同時，還得考慮到DPF標定應用技術準備需要充分、標定周期長、技術難度較大的因素。與柴油叉車排放相關的技術特征如表3。

此外，歐洲現有的SCR排放控制系統有能力在改動最小的情況下（提供更高的尿素噴射率等方法）達到歐V排放標準。歐洲重型柴油車都選擇釩基SCR系統，是因為它具有最佳的成本和效益比。在不采用DOC裝置的情況下達到歐IV標準要求的、實現60%-70%的NOx轉換率也是有可能的。這一方法有利于在無法供應低硫燃油的地區使用，特別適合類似叉車這種燃油品質無法保障的內燃車輛。

另外一個原因在于POC的技術路線已經不被工信部認可，它的PM實際捕捉率較低，而DPF主動再生技術對產品的一致性要求非常高。在柴油尾氣凈化上，尾氣溫度低造成NOx處理難、PM凈化難以及DPF和DOC催化劑硫酸鹽堵塞問題。DPF主動再生技術中的碳載量控制要求也有挑戰：碳載量太大，DPF容易燒融；碳載量太小，DPF再生不徹底，有效長度縮短。正是因為此，主機企業一般不愿意承擔如此之大的技術風險。

而針對國V柴油叉車，采用兩種路線的綜合油耗基本一樣，各有利弊。使用SCR技術的歐洲路線，發動機結構不需要改變，對燃油品質不那么敏感，可以回避國內燃油含硫量高的問題。但SCR系統體積龐大，且需要加尿素儲存裝置，對于國內輕型叉車造成了布置困難，使車輛損失有效載荷200-300kg，且SCR系統的日常使用成本昂貴，約為每年增加一定金額的車用尿素費用。同時，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素水溶液會結冰，也使其在中國北方地區的推廣受到限制；最后，尿素加注站的布局，必須保障工作區域內對尿素需求的日常供應，相對于道路車輛來說是一個挑戰，需要提早考慮。

中國面臨的環境壓力越來越大，雖然國IV、國V標準至今尚無定論，但非道路柴油機排放的研究和實踐不能停止；根據不同發動機類型、排量和原排，有不同的技術路線滿足排放準；D PF和SCR的應用能分別有效降低PM及排放，國IV階段可選用以上兩種路線之一以滿足排放要求。

表3 與柴油叉車排放相關的技術特征