淺談我國大功率內燃機排放現狀及排放后處理發展規劃

呂明朗

摘要：本文通過對重載車、船舶和鐵路行業國內排放標準及實施情況的介紹，闡述了大功率內燃機滿足新排放法規所應采取的技術措施，并著重對SCR（選擇性催化還原）排放后處理技術現狀和未來產業發展規劃進行了論述。

Abstract： This paper introduces the domestic emission standards and their implementation in heavy-duty vehicles， ships and railways， expounds the technical measures to deal with the new emission regulations for high-power internal combustion engines， and focuses on the status and future development prospects of SCR（selective catalytic reduction） technology.

關鍵詞：內燃機;排放;后處理;SCR

Key words： internal combustion engine;emission;aftertreatment;SCR

中圖分類號：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0189-02

1? 不同行業排放標準制定及實施情況

面對全球化環境污染的加劇，世界各國已達成共識并著手采取各種有效措施，實施節能減排政策，不斷提高排放法規標準;同時各柴油機公司采用高壓共軌、米勒循環、高效增壓系統、后處理等關鍵核心技術以滿足排放法規要求。

1.1 重型柴油車排放標準制定及實施情況

我國制定的重型柴油車排放標準如表1所示。

從2007年實施國家第Ⅲ階段排放標準，到2010年施行國家第Ⅳ階段排放標準，再到2013年北京執行京V排放標準，再到2015年全國范圍內開始全面執行國Ⅳ排放標準，逐漸遞進式實施。2020年國VI排放法規將全國實施。

我國重型卡車排放標準與歐洲基本同步，由于車用柴油機用量較大，污染源占比大，同時技術先進，所以排放要求比其他任何行業都要高出很多。

1.2 船舶柴油機排放標準制定及實施情況

GB15097-2016《船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法》于2018年7月1日實施第一階段，2022年7月1日將實施第二階段。但該標準不適用于應急船機和安裝在救生艇或應急設備上的船機。

1.3 國內鐵路機車柴油機排放標準制定及實施情況

1997年原鐵道部發布了第一個針對機車柴油機排放的標準：TB/T2783-1997《鐵路牽引用柴油機排放污染物限值及測試規則》，但并沒有廣泛實施。

2006 年發布的TB/T2783—2006《鐵路牽引用柴油機排放試驗》，其排放限值等同于UICII/2003規定值，但由于其制定的基礎與我國機車實際狀況不符合，至今未能強制執行。

2017年發布的TB/T2783—2017《牽引動力裝置用柴油機排放試驗》，其排放限值等同于UIC 624-O-2006中規定的UIC IIIA，鐵路柴油機適用所謂的F循環。

2? 適合我國高速大功率柴油機排放控制策略

隨著廢氣排放標準的不斷提高，排放控制技術的研究在不斷地發展，各大主機廠針對不同階段標準提出技術方案和控制方法，措施見表2、表3和表4。

第三階段排放（EPA Tier3/EUIIIA）應采取高壓共軌燃油系統+米勒循環+高壓比增壓系統。而關于第四階段排放的控制方法，除了第三階段采取的措施以外，必須增加后處理系統。

EGR+DPF技術優點是占用空間小，缺點是要求燃油的品質高（含硫量低），且EGR系統相對復雜，控制程序的軟件開發成本高。而SCR技術優點是成本低，其降低的燃油成本可抵消增加的尿素成本，缺點是占用空間較大，但考慮SCR是柴油機外部增加的系統，可以在第三階段排放技術的基礎上進行較少的優化實現第四階段的排放要求。綜上所述，適合我國高速大功率機車柴油機的排放控制方法如下：

第三階段排放（EPA Tier3 /EUIIIA）的控制方法：高壓共軌燃油系統+米勒循環+高壓比增壓系統。

第四階段排放（EPA Tier4 /EUIIIB）的控制方法：第四階段高壓共軌燃油系統+米勒循環+高壓比增壓系統+SCR。

3? 我國排放后處理應用現狀和前景

3.1 重卡汽車領域

2014年1月1日停止對國三重型車的核準申報。以中國汽車保有量來推算，實施國四標準限值后，排放的后處理產業將產生上千億元的市場份額。SCR技術是今后柴油機應對嚴苛排放法規的主要手段。

3.2 船舶領域

我國2016年才有自主設計生產的SCR系統，主要有青島雙瑞船用低速機SCR系統和中船重工711所的SCR系統。雖然很多企業已經擁有船用SCR技術，但該排放法規與IMO Tier2相比只是略微嚴格，對于新的非遠洋船舶船機，船廠可能更傾向于選擇性能良好的柴油機，而不需加裝SCR。

3.3 鐵路機車柴油機領域

目前，我國鐵路最新投入運用的國產HXN3型和HXN5型大功率交流傳動內燃機車均符合美國EPA Tier2級標準。我國鐵路行業關于內燃機車或機車柴油機有害排放物限值標準的制定與國外工業發達國家或地區相比滯后，國產內燃機車在節能環保方面的水平尚待提高，特別是針對出口產品的環保性能更須引起特別重視。國內機車目前沒有使用后處理。

鐵路內燃機車后處理裝置應考慮將消音器、DOC、DPF和SCR集成設計為一個裝置，在滿足空間要求下達到匹配柴油機性能最佳。同時，將增壓器與后處理集成一體，即為增壓后處理系統，可對發動機氣體進行精準控制。

4? 排放后處理發展規劃建議

4.1 對外合作與引進專業人才并舉

重卡汽車領域后處理技術應用廣泛，已經趨于成熟;對于鐵路內燃機車和船舶領域，需要進行大型化和集成化研制。國內多家科研院所已開展多年的研究，正處于起步階段，需要對外合作，快速開展集成設計，并逐步引進專業人才，搭建排放后處理技術人才隊伍。

4.2 搭建后處理設計平臺

與其他機械產品一樣，后處理產品在研制過程中同樣需要經過CAE設計、零部件平臺試驗、與發動機進行聯合臺架試驗、線路運用考核試驗四個階段。

4.3 搭建排放后處理測試平臺

①通過煙氣分析系統驗證凈化效率;②建立柴油機測試平臺，用以測試實際工況下凈化系統效率;③建立風量測試試驗臺，用以模擬可變的風量、污染物、污染物濃度等污染源情況;④通過采用一系列測試儀器作為科學研究保障，獲得精確的測量數據;⑤對于后處理裝置，進行的可靠性試驗包括：熱振動試驗、冷振動試驗、外部熱沖擊、內部熱沖擊、與發動機一起進行用于模擬實際工況和驅動制動盤系統試驗、道路載荷采集試驗、與發動機一起做振動耐久試驗。

參考文獻：

[1]GB17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法[S].2018.

[2]中國船級社.船舶發動機排氣污染物限制及測量方法（中國第一、二階段）實施指南[S].2018.

[3]DELPHI.重型車及非道路車排放報告[R].2008.

[4]Peckham， Jack.Europe Finilizes Euro-6 Heavy-Duty Diesel Standards[J]. Diesel Fuel News， 2009.

[5]安春生.機車柴油機的排放研究[J].內燃機車，2012.