集成化趋势明显：柴油机国Ⅵ技术基本就绪
2017-11-17于占波崔柳青
本刊记者 于占波 崔柳青 文/图
集成化趋势明显：柴油机国Ⅵ技术基本就绪
本刊记者 于占波 崔柳青 文/图
A Review of Domestic Diesel Engine of National Standard Ⅵ on Right Track
根据2016年10月环保部发布的《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)(征求意见稿)》，我国计划在2020年1月1日全面实施国Ⅵ排放标准。如果按期执行的话，那么意味着在刚刚全面实施国Ⅴ之后，距离国Ⅵ升级只有不到3年时间。从技术升级难度和开发周期来看，整车制造商、发动机企业以及柴油喷射及后处理相关系统提供商都将面临着新的挑战。在近期举行的一个专业展会上，记者对多家参展企业进行了走访，相关信息表明，各方对于国Ⅵ升级的准备情况要比预期乐观。
从技术角度来看，柴油机国Ⅴ升级到国Ⅵ，对发动机与后处理系统提出了更高的要求。发动机本体需要采用更高压力的共轨和喷射系统，重型柴油机还要增加EGR(废气再循环)装置；在后处理系统方面，重型柴油机需要在SCR(选择性催化还原)基础上增加DOC(氧化催化器)和DPF(颗粒物捕捉器)来降低颗粒物，还需提高SCR的尿素喷射量；之前采用DOC+DPF的国Ⅴ轻型柴油机则必须要增加SCR系统。
增加EGR系统升级到国Ⅵ排放标准的华菱汉马柴油机
当然，增加的这些系统和装置并不是简单的机械叠加，需要对车辆整体设计及工况进行综合考虑。由于目前国内柴油机已经升级到国Ⅴ，在这一基础上发动机企业的升级难度相对较低。据华菱星马汽车发动机研究所所长助理刘世峰介绍：国Ⅴ升级国Ⅵ，除了增加后处理系统，发动机本体也有相应变化。华菱从国Ⅳ升级国Ⅴ时就已经对国Ⅵ进行技术储备，预留了很多国Ⅵ方案。采用原有国Ⅴ平台升级，缩短了国Ⅵ产品的开发周期。目前在12 L国Ⅴ发动机平台上，华菱通过增加EGR系统，提高共轨系统压力，优化涡轮增压技术，升级到国Ⅵ排放。其中，EGR系统相对复杂。需要根据EGR效率选择单通道或双通道EGR，还要对废气进行中冷。
随着排放技术不断升级，柴油喷射及后处理系统所起的作用越来越大，在这一领域，欧美企业的整体技术水平要领先于国内企业。
以国Ⅵ排放升级为契机，博世柴油将业务拓展至尾气后处理系统
成立于2004年的博世汽车柴油系统有限公司在国内商用车市场一直以柴油喷射技术见长，其生产的柴油共轨、喷射器等产品占据了极高的市场份额。据悉，博世目前已经推出了喷射压力可达200 MPa的高压共轨系统，可满足轻型和重型商用车国Ⅵ排放法规需要。据博世柴油系统开发部工程师陈泽介绍：博世每年会对国内燃油品质做调查，然后根据调查结果来进行柴油系统的设计开发，而不是把欧洲的产品直接拿到中国市场。博世针对中国燃油品质，对共轨、喷油器等部件采取加强措施或新工艺，以满足中国用户的实际使用需求。此外，博世柴油还充分考虑到国Ⅵ共轨系统在发动机接口上与上一代产品的延续性，以降低客户的升级成本。
近年来，博世发现在排放升级时，很多国内企业在采用博世柴油共轨和喷射产品后，还要单独采购SCR系统，于是，以国Ⅵ排放升级为契机，博世柴油将业务拓展至尾气后处理系统的研发、匹配和制造，从而实现了从柴油喷射到后处理封装的排放升级整体解决方案，一方面可以降低客户的采购成本，同时在技术一致性和整体性方面更有优势。
博世柴油后处理系统研发工程师董泗维告诉记者：国Ⅵ升级需要对后处理催化剂的配方和尿素喷射策略升级，同时增加了多个传感器，对后处理工作状态监控更加严格。博世SCR系统专门针对中国市场设计，在研发阶段通过流体力学计算，采用新型混合器之后可以减少结晶。博世在台架上模拟尿素用完的情况进行严格的高温测试，保证在缺少尿素时不会因高温损坏尿素泵。博世的SCR系统还具有倒吸功能，防止冬季低温存留在喷射针阀中的尿素溶液冻裂尿素泵。此外，如果客户采用博世全套系统，还可以将SCR控制系统集成在发动机ECU上，不用采用单独的DCU(尿素喷射及控制系统)。
此外，针对颗粒再生影响发动机功率的问题，博世柴油研发出了DPM装置作为选装，当车辆每行驶1 000～2 000 km时，DPF中的压差传感器会发出堵塞信号，DPM装置喷射柴油到DPF中，对里面的积碳和颗粒物进行燃烧。
据悉，目前博世柴油无锡工厂的本土化程度正在不断提高。在保证品质优势的同时，博世柴油希望通过提升本土化能力，调整自己的研发节奏，以适应中国市场的快速反应要求。
与博世柴油不同，天纳克(苏州)排放系统有限公司是一家专注于商用车后处理系统的企业，高度的集成化能力是天纳克的最大特点。据该公司技术工程师赵孟冬介绍，天纳克现阶段开发的全部为国Ⅵ产品，覆盖轻型和重型商用车。根据轻客、中客等车型布置空间有限的需求，特别推出把SCR与DPF集成在一起的SDPF系统，在DPF上面涂上SCR涂层，在DOC之后喷射尿素，体积更加紧凑，便于车辆布置。
天纳克研发出全新集成式尿素喷射系统
根据在国Ⅳ和国Ⅴ方面积累的经验，天纳克研发出全新集成式尿素喷射系统应用于国Ⅵ后处理，该系统集成了尿素泵、电机、喷嘴、控制器、传感器，省略了加热装置等部件，安装方便，维护简单，便于布置，其可靠性经过大量测试验证，可满足国Ⅵ重卡100万km的使用要求，成本可降低50%。该系统根据不同车型喷射量不同，通过改变喷嘴孔直径就可以覆盖所有车型，其他零件全部通用。据天纳克(苏州)先进工程及控制工程系统集成经理杨振球介绍，该技术是天纳克结合全球研发资源，在中国主导开发的产品，实际开发近3年时间，主要面向国Ⅵ升级，目前已有五六辆车在做耐久试验。一旦量产会首先推向欧洲、北美市场。
因为尿素喷射量增加，而且发动机的排放温度降低，国Ⅵ升级面临的最大问题之一就是后处理尿素结晶，结晶会导致系统报废，发动机出现故障。只有提高尿素雾化效果，才能使得粒径小的尿素变成氨气蒸发而防止结晶。据杨振球介绍，天纳克的尿素雾化和混合技术独步全球。其他企业通常靠增加喷射压力来提升雾化效果，天纳克在保持0.55 MPa压力的前提下，靠独有的特殊结构的喷嘴雾化技术实现更好的雾化，平均粒径在45～65 um，而行业数值平均约在75 um左右。
根据中国用户的使用习惯不同，经常会出现不加尿素的情况。天纳克SCR系统采用发动机冷却液冷却，即使不喷射尿素也可以保证冷却效果，避免损坏尿素泵。此外，天纳克后处理封装结构形式很多，客户可以从产品库中找到各种相应的产品。在成本控制方面，设计部门从图纸设计的第一笔就开始考虑成本问题，采购部门从源头控制零部件成本。天纳克正在将技术领先优势转化为成本优势。
虽然在后处理系统的技术研发方面博世和天纳克具有明显优势，但是在国内市场占有率方面，以威孚、凯龙为代表的国内企业却占据了一半以上的份额，这些企业除了价格优势，还具有更快更灵活的市场反应能力。
作为国内最早研发催化剂涂层的厂家，无锡威孚高科技集团股份有限公司在后处理技术方面布局更早，且技术成熟。据该公司的刘晋南介绍，无锡威孚的优势就在于产品线全，除了催化剂载体和尿素箱，其他产品都自己生产。无锡威孚拥有正向开发能力，具有完善的试验开发设备，可以为客户提供个性化产品。目前，在后处理系统方面无锡威孚主要走平台化集成化路线，产品更可靠更成熟。国Ⅵ产品的封装项目已经处于开发末尾阶段，即将量产。据悉，威孚曾与国外厂家的后处理产品一同竞标，双方技术水平基本相近，主要差距还是在控制系统部分。
与威孚同位于无锡的凯龙高科技有限公司也是一家专注于后处理系统的企业，该公司的产品线非常全，包括了尿素罐、计量泵、喷射系统、后处理封装以及DOC、DPF等各种载体。这也形成了无锡凯龙的一大特点。
据无锡凯龙应用工程师谢佩介绍，国Ⅵ后处理系统开发难度主要是增加了载体，外形更大，整车厂很多都是在原有国Ⅴ平台产品上升级，布置空间没有变化，要求在设计时要相当紧凑。所以，无锡凯龙在国Ⅵ阶段采用产品集成化设计方案，后处理的DCU控制系统与计量泵和尿素罐集成设计，将很多管路集成到尿素罐内部，省掉了很多需要单独安装的支架和连接管路，此外，泵罐总成中的零件为可拆卸，便于单独更换检修。
博世柴油后处理系统组件示意图
从走访总体情况来看，相关企业对于国Ⅵ技术储备已经到位，而且体现出鲜明的集成化趋势。就主要技术难点来看，由于国Ⅵ排放限值更高，对催化剂转化效率要求提高，SCR系统需要加大尿素喷射量，既要混合均匀充分反应，又不能让尿素过量喷射，如果温度和流量偏低就容易出现结晶，因此尿素混合流道的设计是开发中的难点之一。虽然上述各企业展出的后处理产品封装外形大同小异，但里面的结构、流道设计以及载体和催化剂都具有各自不同的技术特点。
无锡凯龙研发的国Ⅵ尿素泵罐总成
无锡威孚生产的各种催化剂载体
通常来说，在每一次法规升级中都是技术领先型公司最好的市场机会，因为客户初期开发更加依赖技术领先公司，并提供一定的订单作为回报。随着技术的普及以及后进入者的增加，会有更多竞争对手加入进来。由于国Ⅵ后处理系统的技术壁垒更高，对整个行业都是一个挑战，整个行业或许会因此而完成一次洗牌。
At a professional exhibition held recently, reporter of
