非道路柴油機37-130kW排放控制的發展方向與趨勢

盛偉鵬 金林夢赟 楊炎林 趙會峰 王達

摘要：非道路國四排放法規實施在即，本文簡單闡述了非道路領域應用的37-130kW柴油機在非道路國四階段的排放控制策略與手段。在非道路國四階段，高壓共軌技術是柴油機燃油系統的主流，同時必須使用后處理技術來滿足法規的PN要求。合理有效控制柴油機成本，延長后處理DPF的再生周期將是該功率段柴油機在非道路領域的核心競爭力。

Abstract： The implementation of the non-road country IV emission regulations is imminent. This paper briefly expounds the emission control strategies and means of the 37-130kW diesel engine applied in the non-road country IV in the non-road country. In the fourth stage of non-road countries， high-pressure common rail technology is the mainstream of diesel fuel system， and after-treatment technology must be used to meet the PN requirements of regulations. Reasonable and effective control of the cost of diesel engines and extension of the regeneration cycle of the aftertreatment DPF will be the core competitiveness of diesel engines in this power segment in the non-road field.

關鍵詞：柴油機;高壓共軌;EGR技術;后處理技術;非道路國四

Key words： diesel engine;high pressure common rail;EGR technology;aftertreatment technology;non-road country IV

中圖分類號：TK429 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0091-03

0 ?引言

隨著大家環保意識逐漸加強，國家藍天保衛戰計劃的發起，針對非道路柴油機的排放也更加引起了關注，近幾年來，非道路的排放法規快速升級。2018年11月9日，生態環境部發布《非道路移動柴油機械煙度限值及測量方法》;2020年12月28日，生態環保部發布《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求（HJ 1014—2020）》，該標準是對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（中國第三、四階段）》中第四階段內容的補充。到2022年12月1日起所有生產、進口和銷售的560kW以下（含560kW）非道路移動機械及其裝用的柴油機應符合該標準要求。為滿足日趨嚴格的排放法規，柴油機制造商紛紛采用有效的排放控制手段和技術措施來降低柴油柴油機的排放。

1 ?非道路柴油柴油機的現狀

2014年5月，國家環保部發布針對非道路移動機械柴油機的排放法規《非道路用柴油機排氣污染物限值及測量方法（中國第三、第四階段）》，2016年4月開始全面實施國三標準。根據非道路國三排放的要求，目前國內市場的非道路用柴油機主要進行了柴油機機內凈化升級。在37kW以下的多缸柴油機大多數廠家選用了VE泵進行技術升級，在37kW以上的柴油柴油機多數采用了電控燃油系統，引進單體泵和高壓共軌技術，基本滿足了非道路國三排放要求。與國三排放相比，國四排放法規將更加嚴格，具體如表1所示。

基于非道路國四的排放法規要求，機內凈化處理已經很難滿足，特別是PN排放要求，在37-130kW的小型柴油機勢必引進DPF技術，因此滿足國四排放要求的柴油機基本集中在高壓共軌+DOC+EGR+DPF或者高壓共軌+DOC+DPF+SCR這兩種技術路線。

2 ?排放控制技術

滿足非道路柴油機國四排放法規需求的技術路線與國三相比最大的區別就是引進高壓共軌系統和尾氣后處理系統，非道路柴油機市場競爭激烈，成本控制顯得尤為關鍵，EGR+DPF路線可以更好的進行成本控制，以便在市場競爭中占得先機。

2.1 機內凈化處理技術

非道路柴油機使用工況復雜，工作環境惡劣，在引進后處理技術以后，DPF的再生周期將是國四柴油機開發的關鍵指標，影響DPF再生周期的主要因素有：①柴油機原排的顆粒排飯水平;②后處理系統的被動再生能力。因此，首先要在國三柴油機技術上進一步優化柴油機原排的顆粒排放水平以延長DPF的再生周期。

2.1.1 燃燒系統優化改進

非道路國三柴油機在37-130kW功率段多采用單體泵技術，國四階段需選用高壓共軌技術，進一步提高燃油系統噴射壓力，降低噴油器噴孔尺寸，使燃油霧化條件更好;使用高壓共軌技術后，與國三機相比，噴油器噴孔尺寸下降，噴油器噴油初始速度增加，噴油持續時間也相對加長，這樣噴油器的噴霧貫穿度增加，為了控制NOX排放，優化柴油機燃燒，需要對柴油機燃燒室機型優化，適當加大燃燒室口徑;降低柴油機壓縮比，合理調整油束分配。燃燒室變化如圖1所示。同時選用高壓共軌系統可以更好的融合后處理技術，特別是DPF再生策略目前在高壓共軌技術已經基本成熟。

2.1.2 增壓器優化選型

對于非道路用柴油機來說，基本上還是選用傳統的WGT增壓器。對于大多數非道路柴油機生產廠家來說，電控柴油機起步比較晚，柴油機標定能力比較弱，與VGT增壓器相比，WGT增壓器標定工作相對較少，可以有效快速的完成產品研發。同時WGT和VGT相比價格更低，成本優勢明顯。當然，WGT增壓器的選型工作更難，控制手段少，更多依賴增壓器自身的性能，合適的增壓器是柴油機性能開發的關鍵。增壓器選型要結合柴油機的使用工況，對于非道路柴油機來說，應用于不同領域的柴油機的使用工況差異很大。如收割機機型在進行收割工況時，工作區域在標定轉速或者調速段工作，在收割過程中遇到田間坑道或者收割密度突然增加時，柴油機負荷會瞬間加大，同時柴油機轉速會下降轉速，往扭矩點轉速靠近，增大柴油機扭矩輸出來滿足工況需求，另外就是收割機的放糧作業，這種工況的負荷較低，柴油機轉速也一般保持在1500r/min左右，總的來說收割機是以高轉速工況為主，所以說收割機的增壓器主要關注高轉速工作工況，將增壓器的高效區域放在扭矩點轉速以上區域，降低泵氣損失來優化主要作業工況的燃油經濟性;同理，拖拉機的工況主要集中在低速段和扭矩點附近，特別是在拖拉機起步階段，一般拖拉機在將柴油機轉速拉至1200r/min左右，進行下犁作業，此時柴油機負荷會突然加載，轉速急劇下降，增壓器應當快速響應補充進氣以適應這種突然加載工況，因此拖拉機機型的增壓器選型應將高效區域放在扭矩點附近，需要重點關注增壓器的低速響應性。在低速高效的增壓器一般來說增壓器起效轉速低，增壓壓力較高，在關注增壓器高效區域的同時需要關注渦前排氣壓力（p3）和增壓壓力的壓差（p2），以便保證有效的EGR率，滿足排放需求。

2.1.3 EGR技術優化

原非道路國三機型相當部分機型選用氣動EGR閥，及EGR閥開環控制。到非道路國四階段，NOX排放控制要求更高更精準，一般會選用直流電動EGR閥，EGR基于空氣流量計的閉環控制，同時加裝EGR冷卻器，降低柴油機混合進氣溫度，更好的控制NOX排放。與氣動閥相比，電動閥的響應性更好，控制更精確，控制跟隨性更好，不需要外加真空源，可以適應非道路國四排放的瞬態工況測試（NRTC）需求。同時采用基于空氣流量計閉環控制策略，可以有效的避免增壓器、進氣管路以及EGR本身的公差內誤差以及外部邊界條件造成的NOX排放差異，保證柴油機性能排放的一致性。非道路國四柴油機對各缸的燃燒均勻性要求更高，EGR系統的管路需要進行優化設計，在混合氣進入氣缸前應盡量使EGR廢氣與新鮮空氣得到充分混合，保證進入各缸的進氣均勻性，從而保證各缸燃燒一致性。EGR閥是帶EGR柴油機的主要故障件，EGR卡滯是EGR的常見故障模式，選用熱端EGR閥，可以有效減少EGR閥結膠，減少EGR閥卡滯故障。但是，與冷端EGR相比，EGR閥需要增加冷卻系統，對EGR零部件的密封及尺寸公差要求更高，零部件成本也更高。從傳統意義上理解，EGR可以有效的較低NOX排放，但會是燃燒惡化而，增加碳煙排放，同時增加柴油機燃油耗。在實際試驗中發現，控制合適的EGR率在實現降低NOX排放的同時，碳煙和柴油機燃油耗可以維持同一水平或者略微上漲。特別是在非道路柴油機普遍選用WGT增壓器的情況下，在低負荷狀態合適的EGR率可以做到NOX和碳煙以及燃油耗雙贏的效果。有研究也標明，某直噴柴油機原機的柴油機加權油耗為240g/kW·h，在增加EGR系統以后加權油耗降低至235g/kW·h，可見EGR系統在柴油機的平均油耗起積極作用[1]。EGR系統的標定是NOX排放與其他指標的一個折中標定，在保證NOX排放的同時盡可能減少EGR對柴油機碳煙排放及柴油機動力性和燃油經濟性的影響。

2.2 后處理技術

雖然通過機內進化技術可以有效地減少柴油機NOX和碳煙顆粒排放物，但要滿足非道路國四排放需求，必須加裝柴油機尾氣后處理裝置，特別是非道路國四排放PN排放小于5×1012#/kW·h要求，DPF成為了后處理系統的必選項，本文針對37-130kWX小型柴油機，考慮整個后處理的成本壓力，以及開發標定工作量，多推薦使用EGR+DOC+DPF技術。

2.2.1 DOC技術

DOC是柴油機氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst）的縮寫，是安裝在柴油車排氣系統中，能通過各種物理化學作用來降低排氣中污染物排放量的裝置。DOC的主要作用是降低顆粒物中的可溶性有機物（Soluble Organic Fraction，SOF）以及HC、CO、氧化醛類和芳香烴類有害污染物的排放[2，3]。DOC的載體有陶瓷和金屬之分，通常陶瓷是堇青石的，金屬的種類較多，鐵、銅、黃銅等。DOC的主要作用是通過載體涂覆的貴金屬氧化排放尾氣中還原性氣體，或者將NO氧化為NO2配合DPF與CDPF起作用，有效的控制DPF內顆粒物的累積速度。在適當溫度下DOC也可以將燃油的硫氧化為SO2，最終生成硫酸鹽，從而增加顆粒PM及顆粒數PN的排放，且硫容易造成后處理系統的催化劑中毒失效，所以在裝有DOC后處理的柴油機的燃油油品應進行嚴格控制。

2.2.2 DPF技術

DPF是柴油機顆粒捕集器（Diesel Particulate Filte）的縮寫，DPF的主體部分是過濾載體，按材料主要分為陶瓷基和金屬基兩大類。陶瓷基DPF載體材料有堇青石、碳化硅、莫來石、氧化鋯等;金屬基DPF載體材料有燒結金屬式、泡沫金屬、金屬絲網等。目前，最常用的過濾體材料為堇青石和碳化硅。DPF的設計結構有壁流式、流體式等，最常見的是壁流式。該類型DPF通常采用圓柱形陶瓷結構，在軸向上形成許多的細小、平行通道。不同于一般流通式結構的捕集器，壁流式濾芯結構在過濾層相鄰的通道中，選擇兩端中的任意一端堵塞，從而強迫廢氣通過多孔壁面，實現對顆粒物的捕集，與其他結構的DPF相比，壁流式顆粒捕集器的碳煙捕集效率更高。DPF隨著捕集的顆粒增加，排氣背壓會快速上升，因此DPF需要定期的進行再生，即將捕集的顆粒二次燃燒清除或者物理清除等。因此為了減緩DPF顆粒沉積的速度目前多應用CDPF，即帶有催化涂層的DPF，主要工作原理是通過DPF上涂覆貴金屬鉑和鈀，在催化作用下使排氣中的NO2氧化碳粒，這就是連續再生（CRT技術），也通常稱為被動再生[4-6]。在理想狀態下CRT就可以滿足DPF的內部碳平衡，但這對柴油機的源排和燃油油品有較高的要求，目前我們國內廠家生產的柴油機大多不能滿足。而且對于非道路柴油機來說使用環境惡劣苛刻，使用工況差異大，與道路機相比急加速急加載工況多，排煙排放量難以控制，這些都使得CRT技術不能完全滿足DPF的再生。

因此，我們在DPF內的碳煙達到滿載或者接近滿載時，需要對DPF進行主動再生。主動再生就是通過外部手段將DPF溫度加熱到600℃以上，由O2對捕集的碳煙進行氧化清除。目前常用而且已經應用的手段主要是通過燃油缸內后噴或者尾管噴射兩種方式。缸內后噴技術即用進排氣節流、提升DOC進口溫度，同時缸內后噴柴油，在的DOC的作用下柴油迅速氧化放熱，DOC出口溫度提升至600℃以上，此溫度下大部分PM都將被氧化，再生效果好，然而這種方法會導致油耗上升和二次污染[7-10]。尾管噴射就是，在顆粒捕集器入口前增加一套噴油器，噴入少量燃油，利用排氣的氧或另外供給空氣，用火花塞或電熱塞點燃，高溫燃氣再點燃微粒，一般經過1～2min后，即可完成再生過程。這種方法可以在絕大部分情況下再生，再生效果好，但需要額外增加一套燃油供給裝置，成本較高，并且噴油助燃再生時不能急加速，否則氣流容易吹熄火焰。對于37-130kW的柴油機來說，柴油機排量一般集中在4.5L以下，多為中速柴油機，柴油機的尾氣排氣溫度相對可觀，且柴油機的價格不高，缸內后噴技術相對來說成本更低，整個系統由柴油機ECU統一控制，通過標定優化基本可以滿足DPF的再生需求，同時可以有效控制尾氣的HC泄露，所以目前在這個功率段的柴油機多選用缸內后噴技術。

2.2.3 后處理標定技術

在引進柴油機后處理系統以后，后處理系統的標定工作是一個復雜工程，針對不同應用領域和使用工況的柴油機需要應用不同的標定。與道路機不同，非道路機作業環境特殊，使用客戶大多知識結構層次較低。后處理系統的操作需要盡量簡單明了，保證用戶對機械的使用安全，在特定的環境需要關閉DPF的再生功能，所以目前非道路國四柴油機DPF再生多選用駐車再生模式，即在柴油機DPF需要再生時要在特定區域進行再生操作。

由于我們非道路國四排放要求與國三階段相比，各個排放指標都進行了大幅度的提升。各生產廠家的發動機大多是在老機型的國三機型進行技術升級。筆者在國四柴油機開發試驗中發現，顆粒物中SOF成分高達70%，對于這種柴油機來說，在后處理標定中需要使用DESOF功能（使用博世高壓共軌燃油系統），就是在DPF累碳達到一定狀態時（建議累碳量達到DPF滿載的70%左右），通過進排氣節流，但同時保證NOX正常排放，將DOC的出口溫度提升至400℃以上，將DPF顆粒物的SOF部分排出，在進行DESOF以后，DPF內會只留下干碳煙（soot），碳載量明顯下降，DPF壓差明顯下降，延長整個DPF的再生周期。但在DESOF模式下，柴油機排氣溫度上升的同時，顆粒物的排放會急劇惡化，所以DESOF模式持續時間不能過長，一般控制在20-40min為宜。

3 ?結束語

非道路國四法規的即將實施加速了非道路柴油機的技術改革，高壓共軌技術將是非道路市場的主流。后處理技術也將在非道路領域得到廣泛應用，對我們柴油機生產廠家來說，不斷優化柴油機本體，提高柴油機原排水平，減小后處理系統的壓力，同時通過標定優化，合理均衡排放與燃油經濟性的杠桿，有效控制柴油機成本，是在非道路小柴領域取得領先和絕對競爭力的關鍵。

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