非道路用柴油机排放现阶段及国四排放升级

马辉林

摘 要：文章介绍非道路用柴油机排放现状，结合非道路用柴油机的特点，分析非道路国四技术路线，供业内同仁以及关注非道路排放法规的有关人员参考。

关键词：非道路用柴油机；排放限制；技术路线；国四排放

中图分类号：TK42 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0179-02

前言

随着我国道路用柴油机排放法规日益严格，道路用柴油机已实施国五排放阶段，国六排放阶段实施迫在眉睫。随着城市建设、农业发展，各类非道路移动机械在市场、生活中的应用迅速发展，非道路用柴油机的污染日益凸显，对其进行污染物排放控制的需要也越来越迫切。2014年5月正式发布了《非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）》，随着非道路国三排放标准的实施，工程机械、农业装备机械用柴油机的技术升级到整车匹配都迎来了一次升级风，其产生的环境效益也非常庞大，因此对非道路用柴油机排放技术尤其是该技术的关键技术进行深入研究和分析很有必要。

1 我国非道路用柴油机的国三排放现状

非道路移动机械指的是以内燃机为动力的各种移动式机械设备，如工程机械、农业机械、发电机组等，与道路车辆同属移动污染源范畴。我国非道路用柴油机每年新增约200万台左右，全国每年超过1亿吨的柴油消耗总量中，约有20%用于各类非道路移动机械。这些非道路移动机械是氮氧化物的重要排放源，初步估算每年约排放氮氧化物200万吨以上。面对无比严重的污染问题，2014年5月国家环保部发布了《非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）》，从国二阶段到国三阶段，主要降低氮氧化合物（NOx）和碳氮化合物（THC），根据发动机功率的不同，降低幅度约30%-45%，国三阶段与国二阶段的污染物排放检测方法相同，与国三阶段新增加了排放控制耐久性要求（详见GB20891-2007和GB20891-2014），第二阶段和第三阶段非道路机械用柴油机排气污染物排放限值见表1。

非道路国三阶段柴油机的技术路线，根据功率的不同，可采用共轨、增压中冷、废气再循环（EGR）等技术，小型发动机可采用提高油泵、油嘴喷射压力、涡流室、增压中冷等技术。目前各发动机企业采取的技术路线基本一致。

目前市场上能够达到非道路三阶段排放标准的主要技术路线有两种，一种是电控单体泵系统，另一种是电控高压共轨系统，现就两种系统的工作原理作一介绍，两种系统的工作原理基本一致，都是ECU（电子控制单元）随时收集发动机工况的各种信息，并通过对电磁阀的控制，實现对发动机工况的控制。通过传感器反馈发动机工作信息给ECU，再由ECU根据不同的工况发出控制信号，来指挥电磁阀的打开与闭合，控制着各缸喷油器的开启时间及开启时间的长短，已达到喷油时间喷油量等的精确控制。不同的是共轨系统控制的喷油器上电磁阀，而单体泵控制的是油泵上的电磁阀。

2 非道路国四阶段排放标准介绍

（1）2014年5月正式发布了《非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）》，自2014年10月1日起，凡进行排气污染物排放型式核准的非道路移动机械用柴油机都必须符合本标准第三阶段要求。非道路机械用柴油机第四阶段排气污染物排放限值见表2。

（2）2017年8月21日在中国农机零部件行业峰会上，环保部大气环境管理司处长汪涛针对一些媒体或专家提出的关于国四排放标准的实施时间进行了否定，汪涛说，目前还没有确定国四排放标准的实施时间，从发展趋势及监管角度考虑，鼓励发动机生产企业国四排放标准发动机运用DPF技术路线。

3 非道路用柴油机国四排放技术路线

从非道路第三阶段到第四阶段的排放限值可以看出，NOx（氮氧化合物）变化较小，PM（颗粒）变化很大，第四阶段PM值基本上是第三阶段的10%水平。为了能够实现各个排放物能达到标准非道路等第四阶段的限值要求，需要通过共轨系统燃油二次喷射，带有冷却器的废气再循环装置和机外颗粒捕集器等技术的应用。

目前，道路用柴油机国五排放标准从2017年7月实施，但很多企业已提前实施一年多了，非道路柴油机控制技术可以借鉴道路用柴油机，例如高压共轨、EGR技术、氧化催化（DOC）和颗粒捕集器等。但非道路用柴油机在实际的用途和排放工况还是存在一定的差异，所以还要根据非道路的实际特点来选择合适的技术路线，从目前对非道路柴油机使用的降低排放的技术手段来看，一般从燃油的品质、柴油机机内净化和机外净化两部分技术方案着手。

3.1 柴油机排放机内净化技术

柴油机的机内净化技术主要从有害污染物的生成机理及影响因素出发，通过对柴油机进行优化和改进，进而达到降低柴油机污染物生产量。机内净化主要是对燃烧过程进行改造，即改进柴油机的燃烧喷射系统、进气系统及燃烧系统等，以减少有害成分的产生。目前柴油机常使用的机内净化手段有：增压中冷、高压共轨、废气再循环、多气门技术、新型燃烧室和降低油耗等技术。

3.2 柴油机排放机外净化技术

目前，针对柴油机的排气后处理技术的主要装置有：降低NOx排放的还原催化转化器，降低颗粒排放的颗粒捕集器以及用来降低颗粒中有机可溶成分SOF（主要是高分子的HC）以及气态HC和CO排放的氧化催化转化器三类，其中NOx还原催化器和颗粒捕集器是主流。

（1）氧化催化转化器（DOC）

氧化催化转化器（DOC）是以陶瓷或金属材料制作为载体，负载稀土、贵金属或金属氧化物等活性组份的柴油机排气净化用氧化催化单元，经封装加工而成的排气后处理装置。

（2）颗粒氧化催化转化器（POC）

颗粒氧化催化转化器（POC）是一种安装在柴油机排气系统中部分分流式氧化催化颗粒捕集器，POC主要由载体、涂层和贵金属三部分组成，POC的工作原理：排气气流在颗粒氧化器形状复杂的通道内不断的改变流线，跟不上流线的颗粒PM就脱离气流被吸附在壁面上，C和排气中活性大的NO2分子进行氧化生成NO和CO2。一些小颗粒沿着温度梯度从高温气流中涌向低温载体表面而被捕捉，还有一些大颗粒无法通过而被载体表层这节捕捉。endprint

（3）颗粒捕集器（DPF）

颗粒捕集器（DPF）是柴油机颗粒排放后处理最有效的方法，一般由收集柴油机排气中颗粒的滤芯和不同类别周期性把滤芯中收集的颗粒烧掉或氧化掉的再生系统组成。

（4）选择性催化还原转化器（SCR）

选择性催化还原转化器（SCR）技术是一种能够有效降低柴油机NOx排放的机外控制措施，SCR的工作原理：工作时添蓝罐中的尿素泵会提前泵入计量器中，并具有一定的压力。当计量器收到ECU发出的指令后，会从计量器中将所需的尿素液喷出通过与压缩空气混合，进行雾化后通过喷嘴喷入排气管中，未使用到的尿素液将回流到添蓝罐中。在尿素雾化分解为H2O和NH3后，在发动机的排气管混合区域中与废气进行混合，混合后将进入到SCR反应装置。

4 结束语

（1）满足非道路用柴油机国四排放法规下经济性和实用性最优的技术路线：具体为高压共轨燃油系统、增压中冷、废气再循环和合适的后处理技术路线。

（2）通过对比不同的后处理排放技术路线，目前合适非道路用柴油机的后处理排放技术路线为：EGR+DOC+POC，EGR+DOC+DPF可作为备选方案。

参考文献：

[1]丁洪春，李忠照，罗马吉.非道路移动机械用柴油机排放法规与控制策略[J].中国水运：学术版，2008.

[2]叶文韬，葛蕴珊，付明亮，等.非道路机械排放及控制现状[C].中国内燃机学会燃烧节能净化分会学术年会2012年度学术论文集，2010.

[3]刘屹，方明翡，许全瑞，等.非道路用柴油机国四排放升级技术分析[J].内燃机，2016.

[4]GB20891-2007.非道路机械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国一、二阶段[Z].2007.

[5]GB20891-2014.非道路機械用柴油机排气污染物排放限值与测量方法（中国三、四阶段）[Z].2014.

[6]李玉刚，向梁山，罗马吉，等.非道路移动用柴油机排放控制现状与发展趋势研究策略[J].中国水运（下半月），2010.

[7]杨极，程钊.柴油机尾气排放后处理技术的研究进展[J].内燃机，2007.

[8]卢晶，刘玉峰，胡俊巍，等.柴油机的颗粒物排放及其控制策略[J].柴油机，2002.endprint