國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油叉車排放控制技術(shù)探究

合肥寶發(fā)動(dòng)力技術(shù)有限公司 / 蔣旭東 丁光金 莫志遠(yuǎn)

國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油叉車排放控制技術(shù)探究

合肥寶發(fā)動(dòng)力技術(shù)有限公司 / 蔣旭東 丁光金 莫志遠(yuǎn)

本文對(duì)國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油叉車未來(lái)的排放標(biāo)準(zhǔn)做了比對(duì)，對(duì)柴油叉車排放的控制技術(shù)做了介紹，探討了新法規(guī)的推行對(duì)中國(guó)柴油叉車技術(shù)路線選擇的影響及相應(yīng)實(shí)施難點(diǎn)。

國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ、柴油叉車、排放標(biāo)準(zhǔn)、控制技術(shù)

我國(guó)內(nèi)燃叉車國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來(lái)，取得了一定的效果。排放標(biāo)準(zhǔn)雖然提高了，但終端用戶對(duì)內(nèi)燃叉車的反饋意見(jiàn)不盡如人意。目前，北京市已實(shí)施“京四”的排放標(biāo)準(zhǔn)，一些對(duì)排放要求比較嚴(yán)的城市普遍使用更高排放水平的內(nèi)燃叉車以凈化環(huán)境質(zhì)量，但由于相關(guān)柴油非道路的國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ法規(guī)還沒(méi)有落地，導(dǎo)致這些城市不約而同地采用了油改電技術(shù)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(kāi)始對(duì)在用柴油叉車進(jìn)行大規(guī)模摸底登記排查。

根據(jù)深圳市人居委網(wǎng)站公布的柴油叉車與汽油轎車的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比以及排放標(biāo)準(zhǔn)，一輛3噸柴油車碳顆粒物的排放量相當(dāng)于296輛國(guó)Ⅳ小轎車。目前我國(guó)每年新增20多萬(wàn)輛柴油叉車，由此造成的污染相當(dāng)突出。從燃料來(lái)看，柴油車氮氧化物和顆粒物污染問(wèn)題比較突出，排放的氮氧化物接近機(jī)動(dòng)車排污總量的七成，顆粒物占到九成以上。

全世界機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系，主要以歐洲體系、美國(guó)體系、日本體系為主。應(yīng)該講，中國(guó)從國(guó)Ⅰ到國(guó)Ⅴ，機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)基本是按照歐洲技術(shù)體系設(shè)置的，到第六階段，中國(guó)才會(huì)同時(shí)融合美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)Ⅵ階段的排放標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更加嚴(yán)格。因此，提前按照國(guó)家非道路排放標(biāo)準(zhǔn)制定好相關(guān)的柴油動(dòng)力排放控制技術(shù)非常必要。

一、國(guó)Ⅳ與國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

道路柴油車國(guó)Ⅴ與國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，如表1：對(duì)于柴油車，氮氧化物（NOX）排放限制國(guó)Ⅴ比國(guó)Ⅳ嚴(yán)格了28%，碳?xì)浠衔锖偷趸铮℉C+NOX）總和指標(biāo)嚴(yán)格了23%，而對(duì)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(shù)量（PN）也是對(duì)柴油車提出的要求，PN標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)柴油車檢測(cè)。相比于汽油車，國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)顯然對(duì)柴油車要求更高。

只依靠發(fā)動(dòng)機(jī)自身機(jī)內(nèi)技術(shù)提升很難達(dá)到國(guó)Ⅳ、Ⅴ的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須要連帶柴油品質(zhì)和后處理技術(shù)的提升與應(yīng)用方可以達(dá)標(biāo)。對(duì)于油品，國(guó)Ⅴ的油品標(biāo)準(zhǔn)也比國(guó)Ⅳ高，主要體現(xiàn)在硫含量上。國(guó)Ⅴ這次提升的目標(biāo)更多是柴油車，體現(xiàn)出國(guó)家對(duì)空氣治理的決心。

二、柴油叉車的排放控制技術(shù)

柴油叉車順利過(guò)渡到國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅳ時(shí)代，需要邁過(guò)幾道坎，其中最重要的是技術(shù)升級(jí)問(wèn)題。無(wú)論是我國(guó)還是歐美，為了既滿足日趨嚴(yán)格的排放法規(guī)，又要降低柴油機(jī)的油耗，通常在以下三個(gè)方面實(shí)施改進(jìn)：機(jī)前處理技術(shù)，主要是提供燃油品質(zhì)；機(jī)內(nèi)處理技術(shù)：燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、降低機(jī)油消耗等；機(jī)后處理技術(shù)，主要指后處理系統(tǒng)。

表1 道路柴油車國(guó)Ⅳ與國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

1.提升燃油品質(zhì)

包括降低柴油中的硫含量、膠質(zhì)含量，控制多環(huán)芳烴含量、十六烷值，提高潤(rùn)滑性能、添加劑的使用等，來(lái)降低顆粒等的排放。

我國(guó)國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)柴油已經(jīng)執(zhí)行，“三桶油”的加油站，已經(jīng)基本全部置換完畢；但柴油叉車使用的柴油來(lái)源非常復(fù)雜，許多甚至達(dá)不到普通柴油。部分送貨上門的柴油多以地方煉廠的產(chǎn)品為主，有些用戶甚至使用非常規(guī)柴油，譬如生物柴油等。

2.柴油機(jī)機(jī)內(nèi)凈化

機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)包括電控高壓燃油噴射技術(shù)、增壓中冷技術(shù)、廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)、多氣門技術(shù)、可變渦流進(jìn)氣道技術(shù)、可變壓縮比技術(shù)、均質(zhì)混合壓燃技術(shù)（HCCI）以及優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)和參數(shù)的相關(guān)技術(shù)等，可以減少NOx和PM等的產(chǎn)生。現(xiàn)在我國(guó)道路車輛已經(jīng)從國(guó)IV發(fā)動(dòng)機(jī)就開(kāi)始采用了電噴技術(shù)，相信叉車行業(yè)也一定會(huì)沿襲此技術(shù)路線。

（1）燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)改善工作主要集中在幾個(gè)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(yōu)化增壓器，尤其是與EGR的耦合；優(yōu)化燃燒室與油嘴匹配；降低壓縮比。

（2）通過(guò)FIE系統(tǒng)提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴射技術(shù)，選擇最高噴射壓力，有利于最大功率的提高以及燃油經(jīng)濟(jì)性的改善。

（3）通過(guò)EGR系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)輕型柴油車排放控制。EGR系統(tǒng)是機(jī)內(nèi)凈化的關(guān)鍵，E GR與推遲噴射相結(jié)合降低Nox排放，折中考慮排放、燃油經(jīng)濟(jì)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(duì)于國(guó)IV排放控制很重要；國(guó)V階段EGR冷卻器旁通閥需要考慮，降低冷機(jī)階段的HC。EGR冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需注意EGR冷卻器可靠性問(wèn)題以及EGR冷卻對(duì)于整個(gè)冷卻系統(tǒng)的影響。

（4）增壓系統(tǒng)。輕型柴油機(jī)增壓系統(tǒng)匹配的主要特點(diǎn)包括：適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化，BMEP大幅提高；寬廣的轉(zhuǎn)速范圍；中低轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)大EGR率；用戶對(duì)加速響應(yīng)要求提高。

（5）機(jī)油消耗的控制。機(jī)油消耗主要途徑包括缸內(nèi)燃燒和排氣道燃燒。機(jī)油消耗控制的目標(biāo)是機(jī)油燃燒導(dǎo)致顆粒和冷機(jī)狀態(tài)下HC升高明顯，機(jī)油中的不可燃燒灰分在DPF中積累造成堵塞。機(jī)油消耗需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，國(guó)IV階段機(jī)油消耗小于0.1%，國(guó)V階段機(jī)油消耗小于0.05%。

3.排氣后處理

在幾近苛刻的國(guó)Ⅴ排放法規(guī)面前，僅依靠以上發(fā)動(dòng)機(jī)本體的控制技術(shù)還是不夠的，必須綜合使用排氣后處理技術(shù)來(lái)控制排放。目前使用的技術(shù)有：EGR（廢氣再循環(huán)）、DPF（顆粒捕集器）、DOC（微粒催化轉(zhuǎn)換器）與SCR（選擇性催化還原）等技術(shù)，如表2。

目前，市場(chǎng)上絕大部分柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商都是在改進(jìn)國(guó)Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，再加上SCR（一般視為歐洲體系）或EGR+DOC+POC/DPF（一般視為美國(guó)體系）等后處理系統(tǒng)來(lái)控制排放的。目前從開(kāi)發(fā)成本來(lái)看，還是較為側(cè)重SCR系統(tǒng)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，將來(lái)隨著油品質(zhì)量的提高和DPF技術(shù)的完善，后處理技術(shù)將會(huì)向EGR+DOC+DPF傾斜。EGR+DOC+DPF技術(shù)路線需要改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，而且DPF目前單次購(gòu)買價(jià)格偏高，在長(zhǎng)時(shí)間使用之后還會(huì)產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，需要主動(dòng)再生定期清洗，所以現(xiàn)階段不適合大規(guī)模推廣。

三、柴油叉車技術(shù)路線選擇及實(shí)施難點(diǎn)

實(shí)際上，在非道路國(guó)IV、國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)未正式出臺(tái)之前，各發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)已“兵馬未動(dòng)糧草先行”，積極著手國(guó)IV、國(guó)V技術(shù)儲(chǔ)備與產(chǎn)品研發(fā)。相比國(guó)Ⅲ階段，國(guó)IV、國(guó)V階段的技術(shù)有一定繼承性，也更加成熟。

表2

針對(duì)國(guó)IV發(fā)動(dòng)機(jī)，各企業(yè)的技術(shù)路線會(huì)比較一致，采用SCR技術(shù)（選擇性催化還原技術(shù)，利用尿素溶液對(duì)尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理）的企業(yè)比較多。而國(guó)V階段，5噸以上柴油叉車基本將延續(xù)國(guó)IV的技術(shù)路線，采用SCR技術(shù)；而3.5噸以下的柴油叉車會(huì)出現(xiàn)歐洲體系SCR與美國(guó)體系DPF并存的情況，也就是采用的是EGR（廢氣再循環(huán)）、DPF（顆粒捕集器）、DOC（微粒催化轉(zhuǎn)換器）技術(shù)與SCR（選擇性催化還原）技術(shù)并行的路線，但多數(shù)柴油叉車發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)將以后者為主，這是因?yàn)镾CR允許發(fā)動(dòng)機(jī)針對(duì)低顆粒、高NOx及最大燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，還得考慮到DPF標(biāo)定應(yīng)用技術(shù)準(zhǔn)備需要充分、標(biāo)定周期長(zhǎng)、技術(shù)難度較大的因素。與柴油叉車排放相關(guān)的技術(shù)特征如表3。

此外，歐洲現(xiàn)有的SCR排放控制系統(tǒng)有能力在改動(dòng)最小的情況下（提供更高的尿素噴射率等方法）達(dá)到歐V排放標(biāo)準(zhǔn)。歐洲重型柴油車都選擇釩基SCR系統(tǒng)，是因?yàn)樗哂凶罴训某杀竞托б姹取Ｔ诓徊捎肈OC裝置的情況下達(dá)到歐IV標(biāo)準(zhǔn)要求的、實(shí)現(xiàn)60%-70%的NOx轉(zhuǎn)換率也是有可能的。這一方法有利于在無(wú)法供應(yīng)低硫燃油的地區(qū)使用，特別適合類似叉車這種燃油品質(zhì)無(wú)法保障的內(nèi)燃車輛。

另外一個(gè)原因在于POC的技術(shù)路線已經(jīng)不被工信部認(rèn)可，它的PM實(shí)際捕捉率較低，而DPF主動(dòng)再生技術(shù)對(duì)產(chǎn)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(wèn)題。DPF主動(dòng)再生技術(shù)中的碳載量控制要求也有挑戰(zhàn)：碳載量太大，DPF容易燒融；碳載量太小，DPF再生不徹底，有效長(zhǎng)度縮短。正是因?yàn)榇?，主機(jī)企業(yè)一般不愿意承擔(dān)如此之大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

而針對(duì)國(guó)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(shù)的歐洲路線，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不需要改變，對(duì)燃油品質(zhì)不那么敏感，可以回避國(guó)內(nèi)燃油含硫量高的問(wèn)題。但SCR系統(tǒng)體積龐大，且需要加尿素儲(chǔ)存裝置，對(duì)于國(guó)內(nèi)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(tǒng)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(fèi)用。同時(shí)，在溫度較低（-11℃）的情況下，尿素水溶液會(huì)結(jié)冰，也使其在中國(guó)北方地區(qū)的推廣受到限制；最后，尿素加注站的布局，必須保障工作區(qū)域內(nèi)對(duì)尿素需求的日常供應(yīng)，相對(duì)于道路車輛來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，需要提早考慮。

中國(guó)面臨的環(huán)境壓力越來(lái)越大，雖然國(guó)IV、國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)至今尚無(wú)定論，但非道路柴油機(jī)排放的研究和實(shí)踐不能停止；根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)類型、排量和原排，有不同的技術(shù)路線滿足排放準(zhǔn)；D PF和SCR的應(yīng)用能分別有效降低PM及排放，國(guó)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(guān)的技術(shù)特征