国Ⅳ、国Ⅴ柴油叉车排放控制技术探究

合肥宝发动力技术有限公司 / 蒋旭东 丁光金 莫志远

国Ⅳ、国Ⅴ柴油叉车排放控制技术探究

合肥宝发动力技术有限公司 / 蒋旭东 丁光金 莫志远

本文对国Ⅳ、国Ⅴ柴油叉车未来的排放标准做了比对，对柴油叉车排放的控制技术做了介绍，探讨了新法规的推行对中国柴油叉车技术路线选择的影响及相应实施难点。

国Ⅳ、国Ⅴ、柴油叉车、排放标准、控制技术

我国内燃叉车国Ⅲ排放标准实施以来，取得了一定的效果。排放标准虽然提高了，但终端用户对内燃叉车的反馈意见不尽如人意。目前，北京市已实施“京四”的排放标准，一些对排放要求比较严的城市普遍使用更高排放水平的内燃叉车以净化环境质量，但由于相关柴油非道路的国Ⅳ、国Ⅴ法规还没有落地，导致这些城市不约而同地采用了油改电技术路线的变更。譬如：深圳市决定在2016年10月份起禁止5吨以下柴油叉车的销售，而北京市也开始对在用柴油叉车进行大规模摸底登记排查。

根据深圳市人居委网站公布的柴油叉车与汽油轿车的试验数据对比以及排放标准，一辆3吨柴油车碳颗粒物的排放量相当于296辆国Ⅳ小轿车。目前我国每年新增20多万辆柴油叉车，由此造成的污染相当突出。从燃料来看，柴油车氮氧化物和颗粒物污染问题比较突出，排放的氮氧化物接近机动车排污总量的七成，颗粒物占到九成以上。

全世界机动车排放标准技术体系，主要以欧洲体系、美国体系、日本体系为主。应该讲，中国从国Ⅰ到国Ⅴ，机动车排放标准基本是按照欧洲技术体系设置的，到第六阶段，中国才会同时融合美国排放标准，而国Ⅵ阶段的排放标准会更加严格。因此，提前按照国家非道路排放标准制定好相关的柴油动力排放控制技术非常必要。

一、国Ⅳ与国Ⅴ排放标准对比

道路柴油车国Ⅴ与国Ⅳ排放标准对比，如表1：对于柴油车，氮氧化物（NOX）排放限制国Ⅴ比国Ⅳ严格了28%，碳氢化合物和氮氧化物（HC+NOX）总和指标严格了23%，而对于柴油车的颗粒物浓度（PM）限制提升了82%。还有新增的颗粒物粒子数量（PN）也是对柴油车提出的要求，PN标准只对柴油车检测。相比于汽油车，国Ⅴ排放标准显然对柴油车要求更高。

只依靠发动机自身机内技术提升很难达到国Ⅳ、Ⅴ的排放标准，必须要连带柴油品质和后处理技术的提升与应用方可以达标。对于油品，国Ⅴ的油品标准也比国Ⅳ高，主要体现在硫含量上。国Ⅴ这次提升的目标更多是柴油车，体现出国家对空气治理的决心。

二、柴油叉车的排放控制技术

柴油叉车顺利过渡到国Ⅴ、国Ⅳ时代，需要迈过几道坎，其中最重要的是技术升级问题。无论是我国还是欧美，为了既满足日趋严格的排放法规，又要降低柴油机的油耗，通常在以下三个方面实施改进：机前处理技术，主要是提供燃油品质；机内处理技术：燃油系统、增压系统、燃烧系统、降低机油消耗等；机后处理技术，主要指后处理系统。

表1 道路柴油车国Ⅳ与国Ⅴ排放标准对比

1.提升燃油品质

包括降低柴油中的硫含量、胶质含量，控制多环芳烃含量、十六烷值，提高润滑性能、添加剂的使用等，来降低颗粒等的排放。

我国国Ⅴ标准柴油已经执行，“三桶油”的加油站，已经基本全部置换完毕；但柴油叉车使用的柴油来源非常复杂，许多甚至达不到普通柴油。部分送货上门的柴油多以地方炼厂的产品为主，有些用户甚至使用非常规柴油，譬如生物柴油等。

2.柴油机机内净化

机内净化技术包括电控高压燃油喷射技术、增压中冷技术、废气再循环（EGR）技术、多气门技术、可变涡流进气道技术、可变压缩比技术、均质混合压燃技术（HCCI）以及优化燃烧室结构和参数的相关技术等，可以减少NOx和PM等的产生。现在我国道路车辆已经从国IV发动机就开始采用了电喷技术，相信叉车行业也一定会沿袭此技术路线。

（1）燃烧系统设计。发动机燃烧系统改善工作主要集中在几个方面：高喷射压力以及控制柔性；提高EGR冷却效率、各缸分布；优化增压器，尤其是与EGR的耦合；优化燃烧室与油嘴匹配；降低压缩比。

（2）通过FIE系统提高柴油发动机燃油喷射技术，选择最高喷射压力，有利于最大功率的提高以及燃油经济性的改善。

（3）通过EGR系统开发实现轻型柴油车排放控制。EGR系统是机内净化的关键，E GR与推迟喷射相结合降低Nox排放，折中考虑排放、燃油经济性及成本，具体措施包括：使用管束式冷却器；改善EGR各缸的分配，对于国IV排放控制很重要；国V阶段EGR冷却器旁通阀需要考虑，降低冷机阶段的HC。EGR冷却系统设计需注意EGR冷却器可靠性问题以及EGR冷却对于整个冷却系统的影响。

（4）增压系统。轻型柴油机增压系统匹配的主要特点包括：适应发动机小型化，BMEP大幅提高；宽广的转速范围；中低转速部分负荷区域实现大EGR率；用户对加速响应要求提高。

（5）机油消耗的控制。机油消耗主要途径包括缸内燃烧和排气道燃烧。机油消耗控制的目标是机油燃烧导致颗粒和冷机状态下HC升高明显，机油中的不可燃烧灰分在DPF中积累造成堵塞。机油消耗需要进行严格控制，国IV阶段机油消耗小于0.1%，国V阶段机油消耗小于0.05%。

3.排气后处理

在几近苛刻的国Ⅴ排放法规面前，仅依靠以上发动机本体的控制技术还是不够的，必须综合使用排气后处理技术来控制排放。目前使用的技术有：EGR（废气再循环）、DPF（颗粒捕集器）、DOC（微粒催化转换器）与SCR（选择性催化还原）等技术，如表2。

目前，市场上绝大部分柴油发动机制造商都是在改进国Ⅲ发动机的基础上，再加上SCR（一般视为欧洲体系）或EGR+DOC+POC/DPF（一般视为美国体系）等后处理系统来控制排放的。目前从开发成本来看，还是较为侧重SCR系统，但从长远来看，将来随着油品质量的提高和DPF技术的完善，后处理技术将会向EGR+DOC+DPF倾斜。EGR+DOC+DPF技术路线需要改变发动机结构，而且DPF目前单次购买价格偏高，在长时间使用之后还会产生堵塞现象，需要主动再生定期清洗，所以现阶段不适合大规模推广。

三、柴油叉车技术路线选择及实施难点

实际上，在非道路国IV、国V标准未正式出台之前，各发动机企业已“兵马未动粮草先行”，积极着手国IV、国V技术储备与产品研发。相比国Ⅲ阶段，国IV、国V阶段的技术有一定继承性，也更加成熟。

表2

针对国IV发动机，各企业的技术路线会比较一致，采用SCR技术（选择性催化还原技术，利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行处理）的企业比较多。而国V阶段，5吨以上柴油叉车基本将延续国IV的技术路线，采用SCR技术；而3.5吨以下的柴油叉车会出现欧洲体系SCR与美国体系DPF并存的情况，也就是采用的是EGR（废气再循环）、DPF（颗粒捕集器）、DOC（微粒催化转换器）技术与SCR（选择性催化还原）技术并行的路线，但多数柴油叉车发动机企业将以后者为主，这是因为SCR允许发动机针对低颗粒、高NOx及最大燃油经济性进行优化。同时，还得考虑到DPF标定应用技术准备需要充分、标定周期长、技术难度较大的因素。与柴油叉车排放相关的技术特征如表3。

此外，欧洲现有的SCR排放控制系统有能力在改动最小的情况下（提供更高的尿素喷射率等方法）达到欧V排放标准。欧洲重型柴油车都选择钒基SCR系统，是因为它具有最佳的成本和效益比。在不采用DOC装置的情况下达到欧IV标准要求的、实现60%-70%的NOx转换率也是有可能的。这一方法有利于在无法供应低硫燃油的地区使用，特别适合类似叉车这种燃油品质无法保障的内燃车辆。

另外一个原因在于POC的技术路线已经不被工信部认可，它的PM实际捕捉率较低，而DPF主动再生技术对产品的一致性要求非常高。在柴油尾气净化上，尾气温度低造成NOx处理难、PM净化难以及DPF和DOC催化剂硫酸盐堵塞问题。DPF主动再生技术中的碳载量控制要求也有挑战：碳载量太大，DPF容易烧融；碳载量太小，DPF再生不彻底，有效长度缩短。正是因为此，主机企业一般不愿意承担如此之大的技术风险。

而针对国V柴油叉车，采用两种路线的综合油耗基本一样，各有利弊。使用SCR技术的欧洲路线，发动机结构不需要改变，对燃油品质不那么敏感，可以回避国内燃油含硫量高的问题。但SCR系统体积庞大，且需要加尿素储存装置，对于国内轻型叉车造成了布置困难，使车辆损失有效载荷200-300kg，且SCR系统的日常使用成本昂贵，约为每年增加一定金额的车用尿素费用。同时，在温度较低（-11℃）的情况下，尿素水溶液会结冰，也使其在中国北方地区的推广受到限制；最后，尿素加注站的布局，必须保障工作区域内对尿素需求的日常供应，相对于道路车辆来说是一个挑战，需要提早考虑。

中国面临的环境压力越来越大，虽然国IV、国V标准至今尚无定论，但非道路柴油机排放的研究和实践不能停止；根据不同发动机类型、排量和原排，有不同的技术路线满足排放准；D PF和SCR的应用能分别有效降低PM及排放，国IV阶段可选用以上两种路线之一以满足排放要求。

表3 与柴油叉车排放相关的技术特征