非道路用柴油機排放現階段及國四排放升級

馬輝林

摘 要：文章介紹非道路用柴油機排放現狀，結合非道路用柴油機的特點，分析非道路國四技術路線，供業內同仁以及關注非道路排放法規的有關人員參考。

關鍵詞：非道路用柴油機；排放限制；技術路線；國四排放

中圖分類號：TK42 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0179-02

前言

隨著我國道路用柴油機排放法規日益嚴格，道路用柴油機已實施國五排放階段，國六排放階段實施迫在眉睫。隨著城市建設、農業發展，各類非道路移動機械在市場、生活中的應用迅速發展，非道路用柴油機的污染日益凸顯，對其進行污染物排放控制的需要也越來越迫切。2014年5月正式發布了《非道路機械用柴油機排氣污染物排放限值與測量方法（中國三、四階段）》，隨著非道路國三排放標準的實施，工程機械、農業裝備機械用柴油機的技術升級到整車匹配都迎來了一次升級風，其產生的環境效益也非常龐大，因此對非道路用柴油機排放技術尤其是該技術的關鍵技術進行深入研究和分析很有必要。

1 我國非道路用柴油機的國三排放現狀

非道路移動機械指的是以內燃機為動力的各種移動式機械設備，如工程機械、農業機械、發電機組等，與道路車輛同屬移動污染源范疇。我國非道路用柴油機每年新增約200萬臺左右，全國每年超過1億噸的柴油消耗總量中，約有20%用于各類非道路移動機械。這些非道路移動機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200萬噸以上。面對無比嚴重的污染問題，2014年5月國家環保部發布了《非道路機械用柴油機排氣污染物排放限值與測量方法（中國三、四階段）》，從國二階段到國三階段，主要降低氮氧化合物（NOx）和碳氮化合物（THC），根據發動機功率的不同，降低幅度約30%-45%，國三階段與國二階段的污染物排放檢測方法相同，與國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械用柴油機排氣污染物排放限值見表1。

非道路國三階段柴油機的技術路線，根據功率的不同，可采用共軌、增壓中冷、廢氣再循環（EGR）等技術，小型發動機可采用提高油泵、油嘴噴射壓力、渦流室、增壓中冷等技術。目前各發動機企業采取的技術路線基本一致。

目前市場上能夠達到非道路三階段排放標準的主要技術路線有兩種，一種是電控單體泵系統，另一種是電控高壓共軌系統，現就兩種系統的工作原理作一介紹，兩種系統的工作原理基本一致，都是ECU（電子控制單元）隨時收集發動機工況的各種信息，并通過對電磁閥的控制，實現對發動機工況的控制。通過傳感器反饋發動機工作信息給ECU，再由ECU根據不同的工況發出控制信號，來指揮電磁閥的打開與閉合，控制著各缸噴油器的開啟時間及開啟時間的長短，已達到噴油時間噴油量等的精確控制。不同的是共軌系統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 非道路國四階段排放標準介紹

（1）2014年5月正式發布了《非道路機械用柴油機排氣污染物排放限值與測量方法（中國三、四階段）》，自2014年10月1日起，凡進行排氣污染物排放型式核準的非道路移動機械用柴油機都必須符合本標準第三階段要求。非道路機械用柴油機第四階段排氣污染物排放限值見表2。

（2）2017年8月21日在中國農機零部件行業峰會上，環保部大氣環境管理司處長汪濤針對一些媒體或專家提出的關于國四排放標準的實施時間進行了否定，汪濤說，目前還沒有確定國四排放標準的實施時間，從發展趨勢及監管角度考慮，鼓勵發動機生產企業國四排放標準發動機運用DPF技術路線。

3 非道路用柴油機國四排放技術路線

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。為了能夠實現各個排放物能達到標準非道路等第四階段的限值要求，需要通過共軌系統燃油二次噴射，帶有冷卻器的廢氣再循環裝置和機外顆粒捕集器等技術的應用。

目前，道路用柴油機國五排放標準從2017年7月實施，但很多企業已提前實施一年多了，非道路柴油機控制技術可以借鑒道路用柴油機，例如高壓共軌、EGR技術、氧化催化（DOC）和顆粒捕集器等。但非道路用柴油機在實際的用途和排放工況還是存在一定的差異，所以還要根據非道路的實際特點來選擇合適的技術路線，從目前對非道路柴油機使用的降低排放的技術手段來看，一般從燃油的品質、柴油機機內凈化和機外凈化兩部分技術方案著手。

3.1 柴油機排放機內凈化技術

柴油機的機內凈化技術主要從有害污染物的生成機理及影響因素出發，通過對柴油機進行優化和改進，進而達到降低柴油機污染物生產量。機內凈化主要是對燃燒過程進行改造，即改進柴油機的燃燒噴射系統、進氣系統及燃燒系統等，以減少有害成分的產生。目前柴油機常使用的機內凈化手段有：增壓中冷、高壓共軌、廢氣再循環、多氣門技術、新型燃燒室和降低油耗等技術。

3.2 柴油機排放機外凈化技術

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

（1）氧化催化轉化器（DOC）

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

（2）顆粒氧化催化轉化器（POC）

顆粒氧化催化轉化器（POC）是一種安裝在柴油機排氣系統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雜的通道內不斷的改變流線，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，還有一些大顆粒無法通過而被載體表層這節捕捉。endprint

（3）顆粒捕集器（DPF）

顆粒捕集器（DPF）是柴油機顆粒排放后處理最有效的方法，一般由收集柴油機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組成。

（4）選擇性催化還原轉化器（SCR）

選擇性催化還原轉化器（SCR）技術是一種能夠有效降低柴油機NOx排放的機外控制措施，SCR的工作原理：工作時添藍罐中的尿素泵會提前泵入計量器中，并具有一定的壓力。當計量器收到ECU發出的指令后，會從計量器中將所需的尿素液噴出通過與壓縮空氣混合，進行霧化后通過噴嘴噴入排氣管中，未使用到的尿素液將回流到添藍罐中。在尿素霧化分解為H2O和NH3后，在發動機的排氣管混合區域中與廢氣進行混合，混合后將進入到SCR反應裝置。

4 結束語

（1）滿足非道路用柴油機國四排放法規下經濟性和實用性最優的技術路線：具體為高壓共軌燃油系統、增壓中冷、廢氣再循環和合適的后處理技術路線。

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

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