非道路用柴油機(jī)排放現(xiàn)階段及國(guó)四排放升級(jí)

馬輝林

摘 要：文章介紹非道路用柴油機(jī)排放現(xiàn)狀，結(jié)合非道路用柴油機(jī)的特點(diǎn)，分析非道路國(guó)四技術(shù)路線，供業(yè)內(nèi)同仁以及關(guān)注非道路排放法規(guī)的有關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：非道路用柴油機(jī)；排放限制；技術(shù)路線；國(guó)四排放

中圖分類號(hào)：TK42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0179-02

前言

隨著我國(guó)道路用柴油機(jī)排放法規(guī)日益嚴(yán)格，道路用柴油機(jī)已實(shí)施國(guó)五排放階段，國(guó)六排放階段實(shí)施迫在眉睫。隨著城市建設(shè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展，各類非道路移動(dòng)機(jī)械在市場(chǎng)、生活中的應(yīng)用迅速發(fā)展，非道路用柴油機(jī)的污染日益凸顯，對(duì)其進(jìn)行污染物排放控制的需要也越來(lái)越迫切。2014年5月正式發(fā)布了《非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值與測(cè)量方法（中國(guó)三、四階段）》，隨著非道路國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)裝備機(jī)械用柴油機(jī)的技術(shù)升級(jí)到整車匹配都迎來(lái)了一次升級(jí)風(fēng)，其產(chǎn)生的環(huán)境效益也非常龐大，因此對(duì)非道路用柴油機(jī)排放技術(shù)尤其是該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究和分析很有必要。

1 我國(guó)非道路用柴油機(jī)的國(guó)三排放現(xiàn)狀

非道路移動(dòng)機(jī)械指的是以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的各種移動(dòng)式機(jī)械設(shè)備，如工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等，與道路車輛同屬移動(dòng)污染源范疇。我國(guó)非道路用柴油機(jī)每年新增約200萬(wàn)臺(tái)左右，全國(guó)每年超過(guò)1億噸的柴油消耗總量中，約有20%用于各類非道路移動(dòng)機(jī)械。這些非道路移動(dòng)機(jī)械是氮氧化物的重要排放源，初步估算每年約排放氮氧化物200萬(wàn)噸以上。面對(duì)無(wú)比嚴(yán)重的污染問題，2014年5月國(guó)家環(huán)保部發(fā)布了《非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值與測(cè)量方法（中國(guó)三、四階段）》，從國(guó)二階段到國(guó)三階段，主要降低氮氧化合物（NOx）和碳氮化合物（THC），根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不同，降低幅度約30%-45%，國(guó)三階段與國(guó)二階段的污染物排放檢測(cè)方法相同，與國(guó)三階段新增加了排放控制耐久性要求（詳見GB20891-2007和GB20891-2014），第二階段和第三階段非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值見表1。

非道路國(guó)三階段柴油機(jī)的技術(shù)路線，根據(jù)功率的不同，可采用共軌、增壓中冷、廢氣再循環(huán)（EGR）等技術(shù)，小型發(fā)動(dòng)機(jī)可采用提高油泵、油嘴噴射壓力、渦流室、增壓中冷等技術(shù)。目前各發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)采取的技術(shù)路線基本一致。

目前市場(chǎng)上能夠達(dá)到非道路三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)路線有兩種，一種是電控單體泵系統(tǒng)，另一種是電控高壓共軌系統(tǒng)，現(xiàn)就兩種系統(tǒng)的工作原理作一介紹，兩種系統(tǒng)的工作原理基本一致，都是ECU（電子控制單元）隨時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)工況的各種信息，并通過(guò)對(duì)電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的控制。通過(guò)傳感器反饋發(fā)動(dòng)機(jī)工作信息給ECU，再由ECU根據(jù)不同的工況發(fā)出控制信號(hào)，來(lái)指揮電磁閥的打開與閉合，控制著各缸噴油器的開啟時(shí)間及開啟時(shí)間的長(zhǎng)短，已達(dá)到噴油時(shí)間噴油量等的精確控制。不同的是共軌系統(tǒng)控制的噴油器上電磁閥，而單體泵控制的是油泵上的電磁閥。

2 非道路國(guó)四階段排放標(biāo)準(zhǔn)介紹

（1）2014年5月正式發(fā)布了《非道路機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值與測(cè)量方法（中國(guó)三、四階段）》，自2014年10月1日起，凡進(jìn)行排氣污染物排放型式核準(zhǔn)的非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)都必須符合本標(biāo)準(zhǔn)第三階段要求。非道路機(jī)械用柴油機(jī)第四階段排氣污染物排放限值見表2。

（2）2017年8月21日在中國(guó)農(nóng)機(jī)零部件行業(yè)峰會(huì)上，環(huán)保部大氣環(huán)境管理司處長(zhǎng)汪濤針對(duì)一些媒體或?qū)＜姨岢龅年P(guān)于國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間進(jìn)行了否定，汪濤說(shuō)，目前還沒有確定國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施時(shí)間，從發(fā)展趨勢(shì)及監(jiān)管角度考慮，鼓勵(lì)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用DPF技術(shù)路線。

3 非道路用柴油機(jī)國(guó)四排放技術(shù)路線

從非道路第三階段到第四階段的排放限值可以看出，NOx（氮氧化合物）變化較小，PM（顆粒）變化很大，第四階段PM值基本上是第三階段的10%水平。為了能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)排放物能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)非道路等第四階段的限值要求，需要通過(guò)共軌系統(tǒng)燃油二次噴射，帶有冷卻器的廢氣再循環(huán)裝置和機(jī)外顆粒捕集器等技術(shù)的應(yīng)用。

目前，道路用柴油機(jī)國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)從2017年7月實(shí)施，但很多企業(yè)已提前實(shí)施一年多了，非道路柴油機(jī)控制技術(shù)可以借鑒道路用柴油機(jī)，例如高壓共軌、EGR技術(shù)、氧化催化（DOC）和顆粒捕集器等。但非道路用柴油機(jī)在實(shí)際的用途和排放工況還是存在一定的差異，所以還要根據(jù)非道路的實(shí)際特點(diǎn)來(lái)選擇合適的技術(shù)路線，從目前對(duì)非道路柴油機(jī)使用的降低排放的技術(shù)手段來(lái)看，一般從燃油的品質(zhì)、柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化兩部分技術(shù)方案著手。

3.1 柴油機(jī)排放機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要從有害污染物的生成機(jī)理及影響因素出發(fā)，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到降低柴油機(jī)污染物生產(chǎn)量。機(jī)內(nèi)凈化主要是對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行改造，即改進(jìn)柴油機(jī)的燃燒噴射系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)及燃燒系統(tǒng)等，以減少有害成分的產(chǎn)生。目前柴油機(jī)常使用的機(jī)內(nèi)凈化手段有：增壓中冷、高壓共軌、廢氣再循環(huán)、多氣門技術(shù)、新型燃燒室和降低油耗等技術(shù)。

3.2 柴油機(jī)排放機(jī)外凈化技術(shù)

目前，針對(duì)柴油機(jī)的排氣后處理技術(shù)的主要裝置有：降低NOx排放的還原催化轉(zhuǎn)化器，降低顆粒排放的顆粒捕集器以及用來(lái)降低顆粒中有機(jī)可溶成分SOF（主要是高分子的HC）以及氣態(tài)HC和CO排放的氧化催化轉(zhuǎn)化器三類，其中NOx還原催化器和顆粒捕集器是主流。

（1）氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）

氧化催化轉(zhuǎn)化器（DOC）是以陶瓷或金屬材料制作為載體，負(fù)載稀土、貴金屬或金屬氧化物等活性組份的柴油機(jī)排氣凈化用氧化催化單元，經(jīng)封裝加工而成的排氣后處理裝置。

（2）顆粒氧化催化轉(zhuǎn)化器（POC）

顆粒氧化催化轉(zhuǎn)化器（POC）是一種安裝在柴油機(jī)排氣系統(tǒng)中部分分流式氧化催化顆粒捕集器，POC主要由載體、涂層和貴金屬三部分組成，POC的工作原理：排氣氣流在顆粒氧化器形狀復(fù)雜的通道內(nèi)不斷的改變流線，跟不上流線的顆粒PM就脫離氣流被吸附在壁面上，C和排氣中活性大的NO2分子進(jìn)行氧化生成NO和CO2。一些小顆粒沿著溫度梯度從高溫氣流中涌向低溫載體表面而被捕捉，還有一些大顆粒無(wú)法通過(guò)而被載體表層這節(jié)捕捉。endprint

（3）顆粒捕集器（DPF）

顆粒捕集器（DPF）是柴油機(jī)顆粒排放后處理最有效的方法，一般由收集柴油機(jī)排氣中顆粒的濾芯和不同類別周期性把濾芯中收集的顆粒燒掉或氧化掉的再生系統(tǒng)組成。

（4）選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR）

選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR）技術(shù)是一種能夠有效降低柴油機(jī)NOx排放的機(jī)外控制措施，SCR的工作原理：工作時(shí)添藍(lán)罐中的尿素泵會(huì)提前泵入計(jì)量器中，并具有一定的壓力。當(dāng)計(jì)量器收到ECU發(fā)出的指令后，會(huì)從計(jì)量器中將所需的尿素液噴出通過(guò)與壓縮空氣混合，進(jìn)行霧化后通過(guò)噴嘴噴入排氣管中，未使用到的尿素液將回流到添藍(lán)罐中。在尿素霧化分解為H2O和NH3后，在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管混合區(qū)域中與廢氣進(jìn)行混合，混合后將進(jìn)入到SCR反應(yīng)裝置。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）滿足非道路用柴油機(jī)國(guó)四排放法規(guī)下經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性最優(yōu)的技術(shù)路線：具體為高壓共軌燃油系統(tǒng)、增壓中冷、廢氣再循環(huán)和合適的后處理技術(shù)路線。

（2）通過(guò)對(duì)比不同的后處理排放技術(shù)路線，目前合適非道路用柴油機(jī)的后處理排放技術(shù)路線為：EGR+DOC+POC，EGR+DOC+DPF可作為備選方案。

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