非道路机械用柴油机排放升级技术分析及展望

季小燕，孔彦军，王兆亮

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

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

柴油机热效率高，动力性好，在燃油经济性、动力输出及排放等方面相对汽油机更有优势，柴油机在道路和非道路机械中的各种领域得到越来越广泛的应用。非道路机械用柴油机广泛应用于工程机械、农业机械、火车、船舶等，尤其是我国城镇化和农业机械化建设进程的加快，使得柴油机的使用量大幅提升。随着柴油机的尾气排放对大气的污染日趋严重，加之人们对环保越来越重视，非道路机械的污染物排放问题日益得到人们的关注[1]。世界上很多国家均制定了非道路机械的排放法规，不断地进行技术升级和排放控制研究，以适应排放法规升级的要求。相对应的非道路机械排放控制技术在近些年得到比较快速的发展。

1 柴油机排气污染物及其生成机理

柴油机排气污染物的主要成分是CO、HC、NOx以及颗粒物，此外燃油中含有少量的S，使柴油机排放SO2和SO3[2]。

柴油机属于压燃式内燃机，其可燃混合气在燃烧前及燃烧中极短时间内形成，可燃混合气混合不均匀程度较为严重,燃料的氧化反应不可能完全。CO为燃料的氧化反应不完全所产生；HC包括未燃和未完全燃烧的燃油、润滑油及其裂解和部分氧化的产物如烷烃、烯烃、芳香烃、醛、酮、酸等上百种成分；内燃机排放的氮氧化物多为NO，少量为NO2，用NOx表示，其主要生成机理可分为3类：温度型、燃料型和快速温度型。温度型为空气中的氮气在高温下经过一系列的氧化反应生成NOx，燃料型是柴油中的含N有机物燃烧氧化成NOx，快速温度型是氮气分子与燃料在燃烧过程中产生的中间产物发生反应生成HCN和CN后在氧化成氮氧化物；柴油机排放的颗粒物大多小于0.3μm，其主要成分为碳烟粒子及其吸附的有机物质，对于它的生成机制通常认为是燃油中的成分—烃类在高温并且缺氧的条件下裂解而成。

2 国内外非道路机械用柴油机排放现状

2.1 中国非道路机械用柴油机排放现状

2014年我国发布了GB20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》（中国第三、四阶段），明确了第三阶段单机NOx减排量在30%～45%左右，第四阶段单机PM减排50%～94%，我国非道路机械用柴油机正式进入“国三”时代。

目前，在中国大陆地区，除北京地区执行DB11/185-2013标准外，其余地区均执行GB 20891-2014标准。北京于2013年率先发布相当于欧洲StageⅢA的“京三”排放标准，2015年1月起，在北京地区销售的非道路移动机械的排放要求达到“京四”标准（指标与国四标准相同），目前我国第四阶段的相关排放限值虽然已经公布，但是具体的型式核准执行日期还未明确。

2.2 欧美非道路机械柴油机排放介绍

2004年，欧盟公布了非道路车辆用柴油机的第Ⅲ阶段（A阶段和B阶段）和第Ⅳ阶段排放标准2004/26/EC指令。美国非道路移动机械用柴油机的排放标准是40 CFRPART 89，规定了非道路用柴油机第一、第二、第三阶段排放标准。

欧洲排放标准是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧盟（EU）的排放指令共同加以实现的，EU认证即通常所说的小e认证，在欧盟成员国强制实施统一的限值和实施日期，使用Directive。而ECE认证即通常所说的大E认证，成员国可以根据自己的情况决定具体实施日期，使用Regulation。

目前，欧、美高端市场已经处于Stage IV/Tier 4 Final的升级阶段。我国的“国三”阶段排放大概相当于其欧美的StageⅢA/Tier3阶段的排放。

3 非道路机械用柴油机排放升级技术

目前，国内销售非道路机械用柴油机均需满足我国第三阶段排放标准，我国非道路用柴油机“国二”升“国三”技术路线大多采用电控高压共轨+增压中冷的技术路线，通过精确控制喷油时刻以及喷油量优化排放，控制NOx和HC的产生，通过在整车上安装空空中冷来降低柴油机最高燃烧温度，降低NOx的产生，使柴油机排放达到“国三”的要求。

对于即将到来的第四阶段排放标准的实施，各发动机生产厂家均制定了多种不同的技术路线，“国三”升“国四”需要考虑的问题有：四阶段排放限值、发动机标定的难易程度、测试方法、油耗及可靠性、成本、后续升级潜力等多种因素。因此，未来即将实施的四阶段排放标准对发动机生产厂家及整车生产厂提出了更高的技术要求。

3.1 柴油机排放控制技术介绍

总的来说，未来发动机排放控制技术可分为两个方面：机内净化技术以及机外控制技术。机内净化技术主要有废气再循环技术（EGR），燃烧室优化和改进，电控燃油喷射技术，进气增压中冷技术，多气门技术等；机外控制技术主要有氧化催化技术（DOC），颗粒物捕集技术（DPF），选择性催化还原技术（SCR）等。

3.1.1 废气再循环技术（EGR）

EGR技术是指使少部分废气重新进入燃烧室并与新鲜混合器一起再次燃烧的技术，其原理如图1所示。其作用机理是降低混合器氧浓度，吸收燃烧释放的热量，使燃烧速度减慢以降低燃烧温度，从而减少NOx的生成数量最终减少对大气污染的目的[4]。降低燃烧时汽缸中的温度，是机内降低NOx排放最有效的手段，采用EGR技术对柴油机机体改动小，成本低，但随之而来的是PM排放升高，燃油经济型变差以及发动机的可靠性等问题。

图1 EGR技术原理

3.1.2 选择性催化还原技术（SCR）

SCR是利用尿素溶液对尾气中的氮氧化物进行还原处理的技术，将氮氧化物还原成氮气，在还原过程中，起作用的主要是NH3，实际应用过程中为了存储、运输的方便性考虑，通常用尿素的饱和溶液作为还原剂，反应过程中，尿素水溶液被喷到排气管，尿素分子在此过程中发生热解反应生成氨气和异氰酸，最后异氰酸分子发生水解反应生成氨气和水。相关反应过程如下

柴油发动机在燃烧过程中，主要排气污染物是NO，排气中NO2的量很少，柴油机中一般小于15%，上个过程生成的氨气与氮氧化物发生反应生成氮气和水。相关反应过程如下

SCR系统工作原理如图2所示。

图2 SCR系统工作原理

3.1.3 柴油机氧化催化器（DOC）

DOC多为以陶瓷为载体的通流式催化器，表面有效成分为贵金属铂或钯，利用含有贵金属的催化剂使柴油机中的HC、CO、NO和颗粒表面的可挥发性成分进一步氧化，从而降低HC、CO和PM的量，其在使用过程中常常与EGR同时使用，以全面提高柴油机的排放水平。同时，DOC具有有益的氧化性能，也常用在SCR系统中，促进尿素水解反应。另外，DOC可以把部分NO氧化为NO2，为接下来SCR或DPF再生反应做好准备。

DOC存在的主要问题是高温老化和催化剂中毒问题，高温老化主要是由于贵金属在高温下烧结导致催化器性能下降；催化剂中毒主要是由于排气中的硫化物覆盖催化剂载体表面导致催化性能下降，因此DOC必须与低硫柴油一起使用。催化剂高温老化是不可逆的，而催化剂中毒后可以部分恢复活性。

3.1.4 柴油机颗粒捕集器（DPF）

DPF借助惯性碰撞、截留、扩散和重力沉降等机理将PM从气流中分离出来。目前最常用的是壁流式蜂窝陶瓷捕集器，其原理为通过捕集器孔道前后交替封堵，使排气从壁面穿过而达到捕集颗粒的目的。壁流式蜂窝陶瓷捕集器的过滤效果可达到60%～90%，是降低柴油机PM排放最有效的方法。

一般DPF只是一种降低排气颗粒的物理方法，随着过滤下来颗粒的积存，过滤孔逐渐堵塞，使排气阻力增加，导致发动机动力性和经济性的恶化，因此必须及时除去DPF中的颗粒，这称为捕集器的再生。

根据再生方法的不同，可以把再生分为主动再生和被动再生两类。主动再生是指在高温时颗粒被氧气直接燃烧掉的再生方式；而被动再生主要是指利用NO和碳烟在过滤载体表面的低温燃烧反应的一种再生方式。与主动再生相比，被动再生需要的温度较低，可以实现DPF的连续再生，而主动再生需要的温度较高，故需要额外的升温措施或利用催化剂降低碳烟的燃烧温度[5]。

3.2 我国四阶段排放技术路线展望

我国非道路机械用柴油机“国三”升“国四”，技术层面上难度不大，可借鉴车用柴油机及欧美排放升级技术经验。欧美排放升级技术路线主要有两个：①优化燃烧+SCR（欧洲路线）；②EGR+DOC+DPF（美国路线），两条技术路线优缺点对比如表1所示。

表1 四阶段技术路线对比

4 结 语

各国在柴油机排放后处理措施的选择上有所不同，但面对越来越严格的排放法规，各国技术路线有殊途同归的趋势。

发动机燃烧控制技术、燃油品质提高技术、排气后处理技术是发动机3个相辅相成的技术。一方面发动机新型燃油喷射和燃烧控制技术，可以灵活方便地为排气后处理提供合适的温度和组分环境；另一方面，燃油品质的提高，特别是柴油硫含量的逐渐降低，在使燃烧本身产生较少污染的同时也提高了发动机后处理技术的耐久性和可靠性。因而柴油机排放升级问题的解决，也必须依靠以上3方面技术的发展。

[1]陆史浩.非道路第三阶段柴油发动机排放技术及实验研究[D].南宁：广西大学，2016.

[2]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3]GB20891-2014，非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段)[S].

[4]王吉华，居钰生，王 鹏，等.柴油机电控EGR系统的研究[J].现代车用动力，2007，（1）：20.

[5]董红义，帅石金，李儒龙，等.柴油机排气后处理技术最新进展与发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2007，36(3)：88-90.