非道路機械用柴油機排放升級技術分析及展望

季小燕，孔彥軍，王兆亮

JI Xiao-yan，KONG Yan-jun，WANG Zhao-liang

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

柴油機熱效率高，動力性好，在燃油經(jīng)濟性、動力輸出及排放等方面相對汽油機更有優(yōu)勢，柴油機在道路和非道路機械中的各種領域得到越來越廣泛的應用。非道路機械用柴油機廣泛應用于工程機械、農(nóng)業(yè)機械、火車、船舶等，尤其是我國城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)機械化建設進程的加快，使得柴油機的使用量大幅提升。隨著柴油機的尾氣排放對大氣的污染日趨嚴重，加之人們對環(huán)保越來越重視，非道路機械的污染物排放問題日益得到人們的關注[1]。世界上很多國家均制定了非道路機械的排放法規(guī)，不斷地進行技術升級和排放控制研究，以適應排放法規(guī)升級的要求。相對應的非道路機械排放控制技術在近些年得到比較快速的發(fā)展。

1 柴油機排氣污染物及其生成機理

柴油機排氣污染物的主要成分是CO、HC、NOx以及顆粒物，此外燃油中含有少量的S，使柴油機排放SO2和SO3[2]。

柴油機屬于壓燃式內燃機，其可燃混合氣在燃燒前及燃燒中極短時間內形成，可燃混合氣混合不均勻程度較為嚴重,燃料的氧化反應不可能完全。CO為燃料的氧化反應不完全所產(chǎn)生；HC包括未燃和未完全燃燒的燃油、潤滑油及其裂解和部分氧化的產(chǎn)物如烷烴、烯烴、芳香烴、醛、酮、酸等上百種成分；內燃機排放的氮氧化物多為NO，少量為NO2，用NOx表示，其主要生成機理可分為3類：溫度型、燃料型和快速溫度型。溫度型為空氣中的氮氣在高溫下經(jīng)過一系列的氧化反應生成NOx，燃料型是柴油中的含N有機物燃燒氧化成NOx，快速溫度型是氮氣分子與燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物發(fā)生反應生成HCN和CN后在氧化成氮氧化物；柴油機排放的顆粒物大多小于0.3μm，其主要成分為碳煙粒子及其吸附的有機物質，對于它的生成機制通常認為是燃油中的成分—烴類在高溫并且缺氧的條件下裂解而成。

2 國內外非道路機械用柴油機排放現(xiàn)狀

2.1 中國非道路機械用柴油機排放現(xiàn)狀

2014年我國發(fā)布了GB20891-2014《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），明確了第三階段單機NOx減排量在30%～45%左右，第四階段單機PM減排50%～94%，我國非道路機械用柴油機正式進入“國三”時代。

目前，在中國大陸地區(qū)，除北京地區(qū)執(zhí)行DB11/185-2013標準外，其余地區(qū)均執(zhí)行GB 20891-2014標準。北京于2013年率先發(fā)布相當于歐洲StageⅢA的“京三”排放標準，2015年1月起，在北京地區(qū)銷售的非道路移動機械的排放要求達到“京四”標準（指標與國四標準相同），目前我國第四階段的相關排放限值雖然已經(jīng)公布，但是具體的型式核準執(zhí)行日期還未明確。

2.2 歐美非道路機械柴油機排放介紹

2004年，歐盟公布了非道路車輛用柴油機的第Ⅲ階段（A階段和B階段）和第Ⅳ階段排放標準2004/26/EC指令。美國非道路移動機械用柴油機的排放標準是40 CFRPART 89，規(guī)定了非道路用柴油機第一、第二、第三階段排放標準。

歐洲排放標準是由歐洲經(jīng)濟委員會（ECE）的排放法規(guī)和歐盟（EU）的排放指令共同加以實現(xiàn)的，EU認證即通常所說的小e認證，在歐盟成員國強制實施統(tǒng)一的限值和實施日期，使用Directive。而ECE認證即通常所說的大E認證，成員國可以根據(jù)自己的情況決定具體實施日期，使用Regulation。

目前，歐、美高端市場已經(jīng)處于Stage IV/Tier 4 Final的升級階段。我國的“國三”階段排放大概相當于其歐美的StageⅢA/Tier3階段的排放。

3 非道路機械用柴油機排放升級技術

目前，國內銷售非道路機械用柴油機均需滿足我國第三階段排放標準，我國非道路用柴油機“國二”升“國三”技術路線大多采用電控高壓共軌+增壓中冷的技術路線，通過精確控制噴油時刻以及噴油量優(yōu)化排放，控制NOx和HC的產(chǎn)生，通過在整車上安裝空空中冷來降低柴油機最高燃燒溫度，降低NOx的產(chǎn)生，使柴油機排放達到“國三”的要求。

對于即將到來的第四階段排放標準的實施，各發(fā)動機生產(chǎn)廠家均制定了多種不同的技術路線，“國三”升“國四”需要考慮的問題有：四階段排放限值、發(fā)動機標定的難易程度、測試方法、油耗及可靠性、成本、后續(xù)升級潛力等多種因素。因此，未來即將實施的四階段排放標準對發(fā)動機生產(chǎn)廠家及整車生產(chǎn)廠提出了更高的技術要求。

3.1 柴油機排放控制技術介紹

總的來說，未來發(fā)動機排放控制技術可分為兩個方面：機內凈化技術以及機外控制技術。機內凈化技術主要有廢氣再循環(huán)技術（EGR），燃燒室優(yōu)化和改進，電控燃油噴射技術，進氣增壓中冷技術，多氣門技術等；機外控制技術主要有氧化催化技術（DOC），顆粒物捕集技術（DPF），選擇性催化還原技術（SCR）等。

3.1.1 廢氣再循環(huán)技術（EGR）

EGR技術是指使少部分廢氣重新進入燃燒室并與新鮮混合器一起再次燃燒的技術，其原理如圖1所示。其作用機理是降低混合器氧濃度，吸收燃燒釋放的熱量，使燃燒速度減慢以降低燃燒溫度，從而減少NOx的生成數(shù)量最終減少對大氣污染的目的[4]。降低燃燒時汽缸中的溫度，是機內降低NOx排放最有效的手段，采用EGR技術對柴油機機體改動小，成本低，但隨之而來的是PM排放升高，燃油經(jīng)濟型變差以及發(fā)動機的可靠性等問題。

圖1 EGR技術原理

3.1.2 選擇性催化還原技術（SCR）

SCR是利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行還原處理的技術，將氮氧化物還原成氮氣，在還原過程中，起作用的主要是NH3，實際應用過程中為了存儲、運輸?shù)姆奖阈钥紤]，通常用尿素的飽和溶液作為還原劑，反應過程中，尿素水溶液被噴到排氣管，尿素分子在此過程中發(fā)生熱解反應生成氨氣和異氰酸，最后異氰酸分子發(fā)生水解反應生成氨氣和水。相關反應過程如下

柴油發(fā)動機在燃燒過程中，主要排氣污染物是NO，排氣中NO2的量很少，柴油機中一般小于15%，上個過程生成的氨氣與氮氧化物發(fā)生反應生成氮氣和水。相關反應過程如下

SCR系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 SCR系統(tǒng)工作原理

3.1.3 柴油機氧化催化器（DOC）

DOC多為以陶瓷為載體的通流式催化器，表面有效成分為貴金屬鉑或鈀，利用含有貴金屬的催化劑使柴油機中的HC、CO、NO和顆粒表面的可揮發(fā)性成分進一步氧化，從而降低HC、CO和PM的量，其在使用過程中常常與EGR同時使用，以全面提高柴油機的排放水平。同時，DOC具有有益的氧化性能，也常用在SCR系統(tǒng)中，促進尿素水解反應。另外，DOC可以把部分NO氧化為NO2，為接下來SCR或DPF再生反應做好準備。

DOC存在的主要問題是高溫老化和催化劑中毒問題，高溫老化主要是由于貴金屬在高溫下燒結導致催化器性能下降；催化劑中毒主要是由于排氣中的硫化物覆蓋催化劑載體表面導致催化性能下降，因此DOC必須與低硫柴油一起使用。催化劑高溫老化是不可逆的，而催化劑中毒后可以部分恢復活性。

3.1.4 柴油機顆粒捕集器（DPF）

DPF借助慣性碰撞、截留、擴散和重力沉降等機理將PM從氣流中分離出來。目前最常用的是壁流式蜂窩陶瓷捕集器，其原理為通過捕集器孔道前后交替封堵，使排氣從壁面穿過而達到捕集顆粒的目的。壁流式蜂窩陶瓷捕集器的過濾效果可達到60%～90%，是降低柴油機PM排放最有效的方法。

一般DPF只是一種降低排氣顆粒的物理方法，隨著過濾下來顆粒的積存，過濾孔逐漸堵塞，使排氣阻力增加，導致發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性的惡化，因此必須及時除去DPF中的顆粒，這稱為捕集器的再生。

根據(jù)再生方法的不同，可以把再生分為主動再生和被動再生兩類。主動再生是指在高溫時顆粒被氧氣直接燃燒掉的再生方式；而被動再生主要是指利用NO和碳煙在過濾載體表面的低溫燃燒反應的一種再生方式。與主動再生相比，被動再生需要的溫度較低，可以實現(xiàn)DPF的連續(xù)再生，而主動再生需要的溫度較高，故需要額外的升溫措施或利用催化劑降低碳煙的燃燒溫度[5]。

3.2 我國四階段排放技術路線展望

我國非道路機械用柴油機“國三”升“國四”，技術層面上難度不大，可借鑒車用柴油機及歐美排放升級技術經(jīng)驗。歐美排放升級技術路線主要有兩個：①優(yōu)化燃燒+SCR（歐洲路線）；②EGR+DOC+DPF（美國路線），兩條技術路線優(yōu)缺點對比如表1所示。

表1 四階段技術路線對比

4 結 語

各國在柴油機排放后處理措施的選擇上有所不同，但面對越來越嚴格的排放法規(guī)，各國技術路線有殊途同歸的趨勢。

發(fā)動機燃燒控制技術、燃油品質提高技術、排氣后處理技術是發(fā)動機3個相輔相成的技術。一方面發(fā)動機新型燃油噴射和燃燒控制技術，可以靈活方便地為排氣后處理提供合適的溫度和組分環(huán)境；另一方面，燃油品質的提高，特別是柴油硫含量的逐漸降低，在使燃燒本身產(chǎn)生較少污染的同時也提高了發(fā)動機后處理技術的耐久性和可靠性。因而柴油機排放升級問題的解決，也必須依靠以上3方面技術的發(fā)展。

[1]陸史浩.非道路第三階段柴油發(fā)動機排放技術及實驗研究[D].南寧：廣西大學，2016.

[2]周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[3]GB20891-2014，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)[S].

[4]王吉華，居鈺生，王 鵬，等.柴油機電控EGR系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代車用動力，2007，（1）：20.

[5]董紅義，帥石金，李儒龍，等.柴油機排氣后處理技術最新進展與發(fā)展趨勢[J].小型內燃機與摩托車，2007，36(3)：88-90.