我国工程机械污染排放控制技术研究

崔焕星，纪 亮，季宝峰，刘 坤，崔新娟

(1. 济南汽车检测中心有限公司，山东 济南 250102；2. 中国环境科学研究院，北京 100012；3. 济南市机动车污染防治监控中心，山东 济南 250101)

引言

工程机械按其用途不同主要分为建筑机械、筑路机械、压实机械、叉车等[1]。与机动车不同，工程机械种类繁多，作业环境高温、高尘、高振动，且多处于低速、大负荷的工作状态，柴油机后处理系统布置空间有限，排气后处理技术的开发、验证周期更长， 难度更大。同时，因作业区域分布散乱，未建立起完善的注册登记及报废制度，导致我国老旧、高排放工程机械占比较高，2017年国I阶段机械占比达15.6%，国 I 前占比更是达到27.3%。

综上所述，工程机械整体污染物排放情况较差，开展工程机械排放控制技术研究对行业发展、我国下一阶段排放标准的制修订及加强工程机械污染物排放的监管都具有重要的指导意义。

工程机械行业的特点

根据2017年机动车污染排放监控中心的信息公开数据，我国主要工程机械的功率分布及占比如图1及表1所示。

由统计结果可知，除内燃叉车外，其他重要类别工程机械用柴油机的功率集中在75~560 kW，尤其是130~560 kW功率段的居多。

国内外相关标准

工程机械归属非道路移动机械，当前非道路移动机械的排放控制标准主要有欧盟和美国(EPA)两大体系，均以柴油机功率为基础制定相应污染物排放限值，我国标准体系主要参照这两大体系制定。

欧美排放法规

目前，欧盟最新的排放控制法规是Stage V，分别于2019年、2020年对额定功率56 kW以下、130 kW以上和56~130 kW的柴油机开始实施[3]。图2给出了130~560kW功率段柴油机的PM(微粒物)和NOx排放限值变化。

相比前几阶段，Stage V新增加了小于19 kW及560 kW以上功率段的排放控制要求，并对19~560 kW功率段的柴油机增加了颗粒数量(PN)的控制要求[4-5]。此外，氨(NH3) 在使用测试循环下的泄漏平均值应低于25 ppm。

表1 我国典型工程机械功率段占比 %

图1 我国典型工程机械功率分布特性

图2 欧盟排放体系中130~560 kW柴油机PM和NOx排放限值变化

美国EPA(环境保护局)是世界上最先开始对非道路移动机械污染物排放进行控制的部门，目前实施的是Tier 4 Fina排放标准[6]。图3给出了EPA排放法规中130~560 kW功率段柴油机的PM和NOx排放限值变化情况。

Tier 4 Final大幅削减了56 kW以上非道路移动机械用柴油机的NOx排放限值和19kW以下的PM排放限值，HC的排放控制也更为严格，并要求使用寿命内的柴油机污染物排放均须满足标准限值。此外，还规定了使用SCR后处理的尿素加注间隔，建议在适用测试循环下的平均NH3泄漏量低于10 ppm。

图3 EPA排放法规中130~560 kW柴油机PM和NOx排放限值变化

我国排放法规

我国现行《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)》(GB 20891—2014)预告性提出了第四阶段的排放限值和适用测试循环[7]。其中，排放限值与欧盟 Stage IIIA相同，测试循环与全球法规统一，分为稳态测试循环(NRSC， non-road steady-state cycle) 和瞬态测试循环(NRTC，nonroadtransient cycle)两种。

NRSC测试循环选取了ISO 8178[8]中的C1(8工况，适用于非恒定转速工作的柴油机)、G2(6工况，适用于19 kW以下非恒定转速工作柴油机)、D2(5工况，适用于恒定转速柴油机)。其中，工程机械主要适用C1测试循环。NRTC测试循环由1 238个逐秒变化的工况点组成，对工程机械在作业时的加载、卸载、倒拖和怠速等工况进行模拟。相比于车用柴油机的WHTC测试循环，为使排气温度尽快升高，提高后处理转化效率，NRTC测试工况的转速和负载更高，如图4所示。

2018年2月22日， 生态环境部发布《非道路移动机械及其装用的柴油机污染物排放控制技术(征求意见稿)》[9]，标志着我国非道路移动机械的污染物排放控制开始向第四阶段迈进。征求意见稿对GB20891—2014 第四阶段控制要求的主要补充和修订包括以下几点。

(1) 参照欧盟2012/46/EU[10]， 补充瞬态测试循环(NRTC)测试规程及测试设备等具体要求。

(2)参照欧盟Stage V[3]，要求排放控制区内的单点比排放量应小于台架排放限值的2倍。

(3)装用37~560 kW柴油机的机械应加装壁流式DPF，在适用测试循环下每千瓦时的PN 排放不得超过5×1012个。

图4 C1及NRTC测试循环示意

(4)适用测试循环下的平均NH3泄漏量应小于 25 ppm。

(5)增加了柴油机排放控制策略的验证。

(6)增加了DPF 再生验证。

(7)增加了排气烟度控制。

(8)装用37~560 kW柴油机的机械应在使用寿命期内实现精准定位(精度为1 m)。

(9)装用37~560 kW柴油机的机械应使用PEMS进行生产一致性及在用符合性检查，机械在实际作业下的NOx排放不得超过台架排放试验限值的 2.5 倍。

工程机械排放控制技术及路线

根据作用原理，排放控制技术可分为降低原机排放与排气后处理装置两类。

降低原机排放

为避免污染物在后处理装置失效后不受控制，征求意见稿中提出“柴油机生产企业应最大限度降低柴油机原机(后处理装置前端)的NOx排放，并应将原机排放情况(数据) 及测试方法向生态环境主管部门报告” 。

降低原机排放的措施主要有柴油机本体优化、增压或增压中冷、优化燃油喷射、使用EGR等[11]。本体优化主要是优化燃烧室、进气道等与燃烧相关的零部件，更利于柴油与空气的混合， 降低PM和THC生成。增压或增压中冷主要提高进气密度，降低进气温度，提高燃烧效率，降低PM排放，抑制NOx生成。通过使用电控燃油系统(EFI)、提高喷油压力、改变喷油正时、预喷射等优化燃油喷射，提高燃油雾化率，改善燃烧，降低污染物排放。EGR将排气中的一部分送回到燃烧室内参与燃烧，降低燃烧室内的燃烧速度和温度。

增加排气后处理装置

当前国内外应用的柴油机排气后处理技术主要有柴油机氧化催化转化技术(DOC， diesel oxidation catalyst)、柴油机颗粒捕集技术(DPF，diesel particulate filter)、选择性催化还原技术(SCR，selective catalyst reduction)三种[14]，其主要功能、使用特点及注意事项如表2所示。

图4 C1及NRTC测试循环示意

表2 柴油机排气后处理装置

污染物排放控制标准的每一次修订必然会带来技术的升级与进步，EPA的Tier 4Interim阶段130~560 kW柴油机所用排放控制技术占比[16-17]如图5所示。

由图5可以看出，合理组合各单项技术、增加后处理装置是应对标准升级的主要措施[18]。为更好地梳理工程机械行业的减排技术，本文根据排放控制技术的特点，通过问卷调查、企业走访、行业专家研讨的方式，从环境指标、经济指标、技术指标三个方面构建工程机械污染物排放控制技术的评估体系。

由于各评估指标之间的评估等级和量纲存在差异，因此本文将对各评估指标进行了量化，在评估过程中将评估指标分为定性指标和定量指标两类，分别使归一化法和等级赋值法对其进行量化，如表3所示。

汇总国内外柴油机及机械生产企业、科研院所的打分结果，得到为满足我国第四阶段排放标准的控制要求，工程机械各功率段可选用技术路线的评估情况如表4所示。

图5 EPA Tier 4 Interim阶段130~560 kW柴油机所用排放控制技术占比

表3 指标等级与量化方法

表4 工程机械满足我国四阶段的可用技术路线

结论

当前，我国工程机械污染物排放问题备受重视，从国家到地方纷纷通过划定低排放控制区等措施加强对高排放工程机械的管控。工程机械行业应充分认识到排放控制技术升级的紧迫性。

(1)我国最新发布的工程机械污染物排放控制标准第四阶段相当于欧盟的Stage IV、美国的Tier 4过渡期，排放限值相对宽松。鉴于我国大气污染防治的严峻形势，第五阶段排放标准的制修订已被提上日程。

(2)仅凭单项排放控制技术已难以满足日益严格的排放限值要求，分功率段合理组合各项技术将是主流趋势。鉴于技术升级的成本及研发的连续性，当前对大功率工程机械适宜选用“电控燃油系统+DOC+DPF+SCR”路线，但对于小功率机械，因成本掣肘，适宜选用“ 电控燃油系统+EGR+DOC+DPF”路线过渡。

(3)除排放控制技术升级外，燃油、机油、尿素品质及用户的使用习惯等也是影响排放的重要因素。工程机械作业环境恶劣、用户维护意识相对较低、追求利润等因素加速了排放关键零部件的劣化及故障发生，故进一步加强油品及尿素质量监管、完善尿素加注基础设施、提升用户环保认知度也是工程机械减排的关键。