非道路國Ⅳ柴油機(jī)不同技術(shù)路線應(yīng)用研究

余 磊 賀 捷 朱 波 呂恩雨 吳蓋周 李 輝

（1-安徽全柴動(dòng)力股份有限公司 安徽 滁州 239500 2-天津內(nèi)燃機(jī)研究所（天津摩托車技術(shù)中心））

引言

柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等非道路移動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域[1]。隨著國家對(duì)節(jié)能減排要求的不斷提高，非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)于2022 年12 月1 日正式實(shí)施[2]，從三階段向四階段推進(jìn)，其限值大幅降低，非道路柴油機(jī)的排放控制技術(shù)也逐漸受到重視[3]。額定凈功率在130 kW 以上時(shí)通常選擇SCR 技術(shù)路線；額定凈功率在100 kW以下通常選擇EGR 技術(shù)路線[4]。對(duì)于額定凈功率在100kW 到130kW 區(qū)間法規(guī)限值NOx為3.3 g/（kW·h），在此區(qū)間的柴油機(jī)采用EGR 與SCR 技術(shù)路線均能較好地滿足非道路國四排放要求，這個(gè)功率區(qū)間選擇何種路線更加高效經(jīng)濟(jì)是一個(gè)值得研究的問題。

1 兩種技術(shù)路線簡介

滿足非道路柴油機(jī)國四排放法規(guī)下經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性較優(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。柴油機(jī)排放的主要污染物是NOx和PM，在國四階段新增了PN（去除揮發(fā)性物質(zhì)的稀釋排氣中，所有粒徑超過23nm 的粒子總數(shù)）要求。國內(nèi)柴油機(jī)制造商通常采取EGR+DOC+DPF 技術(shù)路線或DOC+DPF+SCR技術(shù)路線使柴油機(jī)達(dá)到非道路國四階段排放要求[5]。

1.1 EGR 技術(shù)路線

采用EGR 技術(shù)路線降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度和氧氣濃度來降低NOx排放，同時(shí)也會(huì)因此產(chǎn)生大量的顆粒，這些原排過來的顆粒可以利用DPF 將其攔截以降低排放。顆粒物不斷被捕捉會(huì)導(dǎo)致排氣不暢，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性變差，在顆粒累積到一定程度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身釋放一次遠(yuǎn)程后噴，這些燃油會(huì)產(chǎn)生大量的碳?xì)浠衔铩Ｒ虼嗽贒PF 的前端加入DOC 氧化還原裝置，碳?xì)浠衔锪魅隓OC 中在催化劑作用下進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，在DOC 內(nèi)部的氧化反應(yīng)會(huì)釋放出大量的熱量，DPF 中捕集到的碳粒在高溫的作用下和氧氣反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w排出，這一過程就叫做DPF 的主動(dòng)再生（Soot Burning）[6]。除此之外，DOC 在催化劑的作用下，當(dāng)達(dá)到一定溫度也會(huì)將排氣中的NO 氧化成NO2，附著在DPF 載體上面的顆粒物會(huì)被NO2氧化消耗，這一過程被稱為DPF 被動(dòng)再生（Continuously Regeneration Trap）。通過上述的技術(shù)路線（見圖1）可達(dá)到非道路移動(dòng)機(jī)械國家第四階段排放限值要求。

圖1 EGR+DOC+DPF 技術(shù)路線示意圖

1.2 SCR 技術(shù)路線

通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)原排顆粒水平，然后在后處理上使用選擇性催化還原裝置（SCR）：在尾氣排放中加入還原劑，利用其還原劑的性質(zhì)，在尾氣中氧濃度較高時(shí)，尾氣中的NOx可以被還原為N2，這個(gè)技術(shù)被稱為選擇性催化還原技術(shù)[7]。SCR 工作過程也可以選擇催化劑，通常用NH3噴入排氣管中，排入的NH3指定選擇NOx進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，將其以N2和H2O 的形式排出。因國四階段加入PN要求，雖然原排PM 排放較低，但仍然需要加入DPF部件以滿足PN 的要求。SCR 技術(shù)路線如圖2 所示，表1 為非道路國四階段的SCR 與EGR 兩種技術(shù)路線對(duì)比。

表1 非道路國四階段兩種技術(shù)路線對(duì)比

圖2 DOC+DPF+SCR 技術(shù)路線示意圖

2 兩種技術(shù)路線的能耗對(duì)比

選擇一款6.5 L 非道路柴油機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表2）在額定功率118 kW 情況下分別基于兩種技術(shù)路線進(jìn)行臺(tái)架標(biāo)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試滿足非道路國四階段法規(guī)要求（測(cè)試結(jié)果見表3），再結(jié)合3 種用戶提供的實(shí)際行車路譜進(jìn)行能耗測(cè)試，測(cè)試工況分別為NRTC 循環(huán)、拖拉機(jī)路譜、叉車隨機(jī)負(fù)載路譜和叉車高負(fù)載路譜。EGR 技術(shù)路線只需測(cè)試其燃油消耗，而SCR 技術(shù)路線同時(shí)測(cè)試燃油及尿素溶液消耗。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表3 兩種技術(shù)路線排放測(cè)試結(jié)果

上述四種路譜運(yùn)行工況點(diǎn)如圖3 所示，NRTC 路譜取自非道路多種應(yīng)用機(jī)械的運(yùn)行工況相結(jié)合，其運(yùn)行區(qū)間主要在高怠速附近區(qū)域和中間轉(zhuǎn)速區(qū)域；拖拉機(jī)路譜主要運(yùn)行在高怠速大負(fù)荷區(qū)域和怠速附近的中低負(fù)荷區(qū)域；叉車隨機(jī)負(fù)載路譜主要運(yùn)行在中低速中低負(fù)荷區(qū)域；叉車高負(fù)載路譜主要運(yùn)行在高怠速附近區(qū)域和中低轉(zhuǎn)速中低負(fù)荷區(qū)域。這4 種工況包含了非道路移動(dòng)機(jī)械的大部分應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3 四種路譜運(yùn)行工況圖

經(jīng)測(cè)試，從油耗角度分析SCR 技術(shù)路線油耗在四種路譜下均低于EGR 技術(shù)路線油耗，其中NRTC循環(huán)中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR 技術(shù)路線低4.5%，拖拉機(jī)路譜中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR技術(shù)路線低3.7%，叉車高負(fù)載路譜中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR 技術(shù)路線低5.8%，叉車隨機(jī)負(fù)載路譜中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR 技術(shù)路線僅低0.2%。將SCR 技術(shù)路線尿素消耗加入計(jì)算成本消耗率后NRTC 循環(huán)中SCR 技術(shù)路線成本消耗率相較EGR 技術(shù)路線低2%，拖拉機(jī)路譜中SCR 技術(shù)路線成本消耗率相較EGR 技術(shù)路線低1.3%，叉車高負(fù)載路譜中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR 技術(shù)路線低3.4%，叉車隨機(jī)負(fù)載路譜中SCR 技術(shù)路線油耗率相較EGR 技術(shù)路線反而高出1.8%。具體能耗測(cè)試結(jié)果見圖4 與表4。

表4 兩種技術(shù)路線不同路譜能耗測(cè)試結(jié)果

圖4 兩種技術(shù)路線能耗差異圖

3 兩種技術(shù)路線的成本對(duì)比

3.1 首次購買成本分析

兩種技術(shù)路線采用的發(fā)動(dòng)機(jī)本體零部件（不含EGR 總成）完全一致，因發(fā)動(dòng)機(jī)零部件眾多，此處僅對(duì)兩種路線的差異件進(jìn)行對(duì)比。EGR 路線需要EGR相關(guān)部件以及空氣流量傳感器進(jìn)行廢氣再循環(huán)以及進(jìn)氣量的閉環(huán)控制；SCR 路線則需要在后處理上增加SCR 部件以及整個(gè)尿素噴射系統(tǒng)以提供NH3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。表5 為兩種技術(shù)路線使用的后處理總成參數(shù)，SCR 路線沒有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)本體燃燒更加充分，進(jìn)氣量較大需要更大的后處理體積減小排氣壓力進(jìn)而降低功率損失，由于原排顆粒水平較低再生較少，DPF 載體選擇了更加經(jīng)濟(jì)的堇青石材料。EGR 路線后處理體積偏小，但原排顆粒物較多導(dǎo)致再生更頻繁，在DPF 載體上使用了耐熱性、傳熱性以及最大碳載量等性能指標(biāo)均優(yōu)于堇青石的碳化硅材料。

表5 兩種技術(shù)路線后處理總成參數(shù)

表6 為兩種技術(shù)路線總體的差異件，SCR 技術(shù)路線差異件總成本10 358 元，EGR 技術(shù)路線差異件總成本7 793 元，SCR 技術(shù)路線首次購買成本高出2 565 元。

表6 兩種技術(shù)路線的差異件

3.2 維修保養(yǎng)成本分析

發(fā)動(dòng)機(jī)正常使用情況下需要定時(shí)保養(yǎng)，兩種技術(shù)路線發(fā)動(dòng)機(jī)本體完全一致，其保養(yǎng)方式也相同，具體的保養(yǎng)項(xiàng)目見表7。日常保養(yǎng)中需每日檢查并補(bǔ)充燃油和尿素，其中EGR 技術(shù)路線只需要添加燃油作為能源供給，但對(duì)燃油要求更高，需要更低的硫含量以防燃燒產(chǎn)生的碳煙中帶有硫磷化合物導(dǎo)致DPF 硫中毒；SCR 技術(shù)路線除了燃油需要外還需定期添加尿素溶液維持SCR 后處理的正常工作，目前國內(nèi)尿素獲取相對(duì)沒有燃油獲取方便，需要消耗更多的時(shí)間成本。

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)保養(yǎng)規(guī)范

在正常使用并按保養(yǎng)手冊(cè)進(jìn)行維護(hù)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛生命周期內(nèi)一般不會(huì)出現(xiàn)故障；但發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境極為惡劣或保養(yǎng)不及時(shí)等可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障需要維修，兩種技術(shù)路線的維修成本與其易損件直接相關(guān)，EGR 技術(shù)路線在發(fā)動(dòng)機(jī)本體增加了EGR 部件，其中EGR 閥與EGR 冷卻器是易損件，更換成本為1 230 元；SCR 技術(shù)路線在后處理上多出尿素儲(chǔ)存與噴射系統(tǒng)，其中尿素泵及尿素噴嘴是易損件，更換成本為1 270 元。總體來看兩種技術(shù)路線的維修成本差距不大。

3.3 全生命周期成本對(duì)比

本次試驗(yàn)機(jī)型SCR 技術(shù)路線的首次購買成本高出EGR 技術(shù)路線2 565 元，兩種技術(shù)路線的維修保養(yǎng)成本兩者相差不大忽略不計(jì)。但在能耗成本中，因NRTC 循環(huán)、拖拉機(jī)路譜、叉車高負(fù)載路譜中SCR 技術(shù)路線能耗較優(yōu)，使用成本增長較慢。經(jīng)計(jì)算，如圖5所示，NRTC 循環(huán)工況運(yùn)行1 973 h 時(shí)SCR 技術(shù)路線與EGR 技術(shù)路線總成本持平，拖拉機(jī)路譜在2 332 h時(shí)總成本持平，叉車高負(fù)載路譜在1 710 h 時(shí)總成本持平，此后SCR 技術(shù)路線成本少于EGR 技術(shù)路線且差距逐步增加。而在叉車隨機(jī)負(fù)荷路譜中EGR 技術(shù)路線能耗本身較低，成本一直少于SCR 技術(shù)路線且差距逐步增加。

圖5 兩種技術(shù)路線成本差增長曲線

從成本角度考慮，當(dāng)應(yīng)用車型的實(shí)際運(yùn)行工況主要在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷情況下EGR 技術(shù)路線硬件成本低且能耗略低，推薦選擇EGR 技術(shù)路線；當(dāng)應(yīng)用車型的實(shí)際運(yùn)行工況在中高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)，SCR 技術(shù)路線硬件成本高但能耗較低，推薦選擇SCR 技術(shù)路線。

4 兩種技術(shù)路線的空間布置對(duì)比

EGR 部件體積較小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)體積影響不大，兩種技術(shù)路線的空間布置不同主要體現(xiàn)在后處理部件及相關(guān)附件上。后處理實(shí)物布置如圖6 所示。

圖6 后處理布置實(shí)物圖

由圖6 可以看出，EGR 技術(shù)路線后處理體積較小，適合空間布置緊湊的車型配套應(yīng)用。其安裝要求主要包括：

1）催化器盡量水平安裝，如果采用垂直安裝的方式則必須裝有防雨帽以避免雨水進(jìn)入；

2）通過使用柔性管或軟支撐連接到大梁并得到免于振動(dòng)的保護(hù)；

3）催化器進(jìn)口與增壓器排氣出口間距為1～4 m，并采取保溫措施。

SCR 技術(shù)路線的后處理體積大且需要安裝尿素箱、尿素泵及相關(guān)線路等，空間占用較大。除了需要滿足上述EGR 技術(shù)路線后處理安裝要求外還需特別注意以下幾項(xiàng)：

1）尿素箱安裝應(yīng)遠(yuǎn)離熱源，盡量避免尿素箱受到來自發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、SCR 催化轉(zhuǎn)化器、排氣管等熱源輻射的影響而導(dǎo)致尿素溶液變質(zhì)；

2）尿素管安裝時(shí)不能彎折，若管路彎折嚴(yán)重將導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作；

3）在安裝SCR 箱總成時(shí)，為了防止搬運(yùn)過程中磕碰等造成尿素噴嘴和氮氧傳感器失效，需設(shè)計(jì)尿素噴嘴保護(hù)架和氮氧傳感器保護(hù)架等[8]。

5 結(jié)論

1）非道路額定功率100 kW 到130 kW 之間的柴油機(jī)排放控制技術(shù)路線應(yīng)結(jié)合配套應(yīng)用選擇，EGR技術(shù)路線在硬件成本和空間布置占優(yōu)，SCR 技術(shù)路線在能耗成本上普遍占優(yōu)。

2）整車布置空間有限，安裝SCR 技術(shù)路線的后處理及相關(guān)部件較困難，EGR 技術(shù)路線是更優(yōu)的選擇。在整車布置空間滿足的情況下，從成本角度考慮，當(dāng)應(yīng)用車型的實(shí)際運(yùn)行工況主要在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷情況下EGR 技術(shù)路線硬件成本低且能耗略低，推薦選擇EGR 技術(shù)路線；當(dāng)應(yīng)用車型的實(shí)際運(yùn)行工況在中高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷時(shí)，SCR 技術(shù)路線硬件成本高但能耗較低，SCR 技術(shù)路線更加合適。