重型柴油机国Ⅳ国Ⅴ技术路线解析.doc

重型柴油机国/国技术路线解析巴斯夫（中国）有限公司图1 SCR系统原理图当国III排放标准的争议喧嚣还在进行之际，国IV、国V标准也渐渐进入了人们的视野，对企业而言，只有选择了正确合理的技术路线，才有机会把握未来的市场主动权。为了保护环境，世界各国相继出台了控制机动车尾气排放的法规。对于重型柴油机，为了应对日趋严格的排放法规，单纯的机内净化已很难满足要求；更多地是将其与机外净化（后处理）措施相结合。在中国，随着国法规的实施，国甚至国也渐行渐近，对企业而言，在省油时代，选择合适的后处理技术路线已迫在眉睫。国内外排放法规及应对方案无论是欧洲还是美国，对于未来即将实施的新标准，都主要针对NOx和PM排放采取了更为严格的限制。在中国，重型柴油车国/国/国排放标准已于2006年发布，技术内容等效于欧洲相应技术法规。预计在中国实施时间分别是2008年、2010年和2012年，北京市在2008年已经开始执行国标准。为了既满足日趋严格的排放法规，又降低柴油机的油耗，通常需要考虑以下三个方面：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。 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。图2 EGR+DOC+DPF系统原理图3柴油机机外净化在几近苛刻的欧/国排放法规面前，仅依靠以上的技术还是不够的，必须综合使用排气后处理技术来控制排放。国际上，绝大部分发动机制造商都是在改进欧发动机的基础上，再加上SCR或EGR+DOC+DPF等后处理系统来实现的。后处理技术路线1.选择性催化还原SCRSCR系统是通过机内净化降低PM排放，然后利用SCR系统降低NOx排放，从而满足国乃至国排放法规对于PM和NOx的限制。基本工作原理可参见图1。2.废气再循环EGR对于EGR系统，通过EGR将NOx排放降低到标准要求以下，通过DOC（氧化催化剂）或者DOC+DPF（颗粒物过滤器）将TPM（总颗粒物）排放降低到满足标准的要求。基本工作原理可参见图2。EGR系统有以下几种形式：（1）EGR+DOC：通过EGR降低NOx排放，同时大幅提高喷油压力并增加DOC以降低TPM排放。斯堪尼亚在EGR基础上，将喷油压力增加到220MPa以上，再加上DOC，实现了欧排放。图3 主动再生DPF和被动再生DPF工作原理示意图（2）EGR+DOC+DPF：根据过滤器再生方式不同，又分为主动再生型和被动再生型，参见图3。主动再生型：通过发动机缸内后喷燃油或者在排气管中喷入燃油，燃油在DOC内燃烧提供DPF再生所需要的高温，从而达到减少DPF内颗粒物的目的。目前，欧美都以主动再生技术为主。被动再生型：废气中的NO在DOC内反应生成NO2，NOs与碳粒反应达到被动再生的目的。该技术曾被广泛使用于欧美在用车改造；但是，由于被动再生需要低硫燃油，同时还受到发动机工况、负载以及排温的影响，所以在安装被动再生系统之前一定要保证能够提供再生所需要的条件。目前，欧美国家单纯地采用被动再生技术已经越来越少。另外，也有制造商使用EGR+DOC+POC（流通式颗粒捕集器）系统作为一种过渡技术达到欧排放。该系统需要与被动再生DPF相同的工作条件。不同技术路线之比较分析表对可实现国/国排放性能的两大主流技术SCR和EGR+DOC+DPF技术，从发动机本身、后处理系统、对燃油和机油的要求以及经济性能等四个主要性能进行了比较。通过比较，我们不难得到如下结论：1. SCR系统对发动机本体改动小，发动机耐久性好，燃油经济性好，对燃油油品和机油品质要求较低，没有催化器堵塞的风险，技术升级连续性较好，不需要喷油再生控制装置（相对主动再生DPF），对发动机的使用和维修保养费用较低。但是，SCR系统需要增加尿素喷射系统，对封装的要求也比较高。SCR系统需要解决的是尿素供应的问题。2. EGR+DOC+DPF系统对于被动再生系统而言，油耗偏高，需要增加EGR及其冷却系统，需要超低硫含量的燃油以及高品质润滑油，对发动机本身及后处理的维护保养要求较高，否则会影响发动机寿命并可能造成催化器堵塞风险，技术连续升级性较差。不过，被动再生系统不需要增加尿素喷射系统，对封装的要求也较低。对于主动再生系统而言，除了要满足上述被动再生系统的要求之外，还需要增加喷油再生装置并做更复杂的标定，增加了开发成本以及标定难度。 EGR+DOC+DPF系统的主要问题是如何解决全国范围内低硫柴油的供应和更复杂的系统标定问题。国外技术选择及执行经验从国外的实际情况来看：在欧洲，大部分国家选择SCR作为主流的技术路线；在美国，则主要选择EGR+DOC+DPF技术路线。欧洲的大部分厂商之所以选择SCR技术来满足欧/欧排放标准，主要是出于成本因素，欧洲的燃油价格很高，SCR技术较好的燃油经济使该技术成为首选。当然，在有些地方仍然需要采用EGR+DOC+DPF技术，因为某些地方仍然规定未加装颗粒过滤器的车辆不得进入市区。而目前美国主要采用主动再生EGR+DOC+DPF技术来满足US2007排放法规。原因在于，美国的燃油价格比较低，尿素供应系统及其相关基础设施建设尚未健全；同时，US2007HDD标准提出了新车240 000 km无维修的要求，这也在一定程度上阻止了SCR技术在美国的应用，因为使用SCR技术约每5 000km，就要添加一次尿素。因此如要采用SCR技术，需要申请特别许可。不过，最近美国EPA发布了认证SCR技术的轻型和重型柴油车申请排放证书程序（EPA-HQ-OAR-2006-0886-0002），表明美国市场也开始使用SCR技术。对于要求更高的欧以及美国EPA2010排放标准，单纯的靠SCR或者EGR+DOC+DPF技术都很难达到要求，必须把两者相结合才能满足要求。最近，戴姆勒宣布其Blue Tec系统将采用SCR技术以满足美国EPA2010标准；而康明斯近日也宣布在其中型柴油机上使用SCR技术以满足EPA2010。尚待解决的几个问题对于低硫柴油的供应，政府须起到督促和促进的作用。欧洲计划将从2009年起在欧洲全面使用无硫柴油（硫含量低于10ppm），实施时间比原计划提早了两年。美国环境保护署规定从2007年开始，硫含量必须低于15ppm。而我国欧的柴油标准还待尽快出台。尿素供应可以参考国外的相关经验，比如在欧洲是由尿素生产商、车辆制造商、石油公司甚至一些物流公司共同来负责。目前，在整个欧洲已有6 000多个尿素供应点。比如，在服务区、车辆维修站、加油站以及汽车专卖店等地点供应尿素还原剂。可利用便携式的尿素罐来供给尿素（常见如5L、10L和18L）；也可以设置和加注燃料一样的尿素泵，供给尿素。对于卡车车队或者公交公司等，可以在本单位内部设置中小型的散装容器，储存尿素以备使用。可供选择的有中型散装容器以及小型散装容器。对于要求更高的欧以及美国EPA2010排放标准，单纯的靠SCR或者EGR+DOC+DPF技术都很难达到要求，必须把两者相结合才能满足要求。最近，戴姆勒宣布其Blue Tec系统将采用SCR技术以满足美国EPA2010标准；而康明斯近日也宣布在其中型柴油机上使用SCR技术以满足EPA2010。尚待解决的几个问题对于低硫柴油的供应，政府须起到督促和促进的作用。欧洲计划将从2009年起在欧洲全面使用无硫柴油（硫含量低于10ppm），实施时间比原计划提早了两年。美国环境保护署规定从2007年开始，硫含量必须低于15ppm。而我国欧的柴油标准还待尽快出台。尿素供应可以参考国外的相关经验，比如在欧洲是由尿素生产商、车辆制造商、石油公司甚至一些物流公司共同来负责。目前，在整个欧洲已有6 000多个尿素供应点。比如，在服务区、车辆维修站、加油站以及汽车专卖店等地点供应尿素还原剂。可利用便携式的尿素罐来供给尿素（常见如5L、10L和18L）；也可以设置和加注燃料一样的尿素泵，供给尿素。对于卡车车队或者公交公司等，可以在本单位内部设置中小型的散装容器，储存尿素以备使用。可供选择的有中型散装容器以及小型散装容器。在美国，尿素供应制度主要责任在供应商，有以下几种方式：1.汽车分销商供应尿素还原剂可由汽车制造商负责向其分销商提供足够用的尿素还原剂，当其汽车客户需要添加尿素时，可在其汽车分销商处购得。2.卡车服务站供应尿素还原剂卡车制造商应负责在卡车服务站或其他公用加油站有足够的尿素供应，以满足卡车尿素添加的需要。3.应急计划汽车制造商应负责建立尿素供应应急计划，比如开通全天24h服务热线，当用户需要添加尿素而无法在汽车分销商或其他可及地点得到时，可以拨打该电话。国/国技术路线的选择在中国，为了满足国/国V排放法规，需要找到一条既经济又可行的适合中国国情的后处理技术路线。我国在技术路线选择时需要考虑以下几方面问题：一、国发动机及其国、国升级，我们还有很长的路要走。二、国及国发动机，不仅要配备电控高压共轨系统，还要配备排气后处理系统以及OBD系统。目前，相应技术和产品在中国还处于起步阶段，成本较高。随着国排放的普及，相应的产品批量供货之后，预计成本方面的压力会有所减轻。三、国法规的实际执行存在管理难度，此外还有国车辆的生产一致性以及在用车符合性监管，尿素的使用以及低硫柴油的供应等问题。SCR系统和EGR+DOC+DPF系统比较从北京奥运会期间国实施的实际情况来看，北京成功运行了约4 500辆采用SCR技术的公交柴油车，由公交公司负责尿素供给。沈阳、杭州、广州等其他城市也在试验这种车辆。 玉柴对配置YC6L (177kW) 发动机的公交车运行在城区和城郊工况下的节能、减排效果进行了测试。初步测试结果显示：一、使用国发动机相对国同型号发动机，油耗下降3 060t/（年千台），NOx排放下降720（城区）840（城郊）t/（年千台），PM排放下降3.6t/（年千台）；二、使用国发动机相对国同型号发动机，油耗下降3060t/（年千台），NOx排放下降780（城区）964（城郊）t/（年千台），PM排放下降3.6t/（年千台）；三、春秋季节尿素消耗量在2.12.8 L/100km，夏季消耗量在2.53 L/100km。按每辆公交年行驶30 000km计算，单车年消耗尿素720L。从国外的实际情况看，无论是选取SCR还是EGR+DOC+DPF的路线，都是成熟技术，都是可行的方案。但是考虑到中国的国情，对于我国的国/国排放的技术路线，笔者有以下建议：1.首先考虑SCR技术路线综合考虑各种因素，采用SCR技术应该是符合中国国情的首要之选。主要是因为：（1）采用SCR技术的国/国发动机燃油经济性好。（2）SCR技术对发动机改动小。（3）SCR国/国发动机对燃油和机油要求较低。（4）SCR在技术升级连续性上具有优势。（5）SCR催化器耐久性好，且不存在催化器堵塞的风险。（6）我国具备在全国范围内建设尿素基础设施的条件。2.其次考虑EGR技术路线因为主动再生EGR+DOC+DPF技术TPM转化效率远远高于国IV法规限值的要求，而主动再生标定技术非常复杂，发动机开发周期较长，成本也较大，所以国IV阶段可暂不考虑。而作为过渡阶段的被动再生EGR+DOC+POC技术，因为被动再生受到许多发动机使用工况的限制，往往需要低硫柴油相配合（不大于50ppm），可在油品质量得到保证，车辆使用工况能够满足再生要求的情况下使用。但需要有效的监控管理策略，以防止在实际使用中，因过滤器没有及时再生而失效，导致尾气TPM排放远远超出国IV标准，不妨将此当作一种备选方案。考虑目前中国的油品质量状况，如果发动机厂能够提升发动机本身的技术，通过更先进的机内净化技术得到更好的发动机原始排放，再通过EGR+DOC技术辅助减少较小比例的TPM，则该技术无疑也是一个适应中国地域宽广，使用环境多样化的不错技术。从北京奥运会期间国实施的实际情况来看，北京成功运行了约4 500辆采用SCR技术的公交柴油车，由公交公司负责尿素供给。沈阳、杭州、广州等其他城市也在试验这种车辆。 玉柴对配置YC6L (177kW) 发动机的公交车运行在城区和城郊工况下的节能、减排效果进行了测试。初步测试结果显示：一、使用国发动机相对国同型号发动机，油耗下降3 060t/（年千台），NOx排放下降720（城区）840（城郊）t/（年千台），PM排放下降3.6t/（年千台）；二、使用国发动机相对国同型号发动机，油耗下降3060t/（年千台），NOx排放下降780（城区）964（城郊）t/（年千台），PM排放下降3.6t/（年千台）；三、春秋季节尿素消耗量在2.12.8 L/100km，夏季消耗量在2.53 L/100km。按每辆公交年行驶30 000km计算，单车年消耗尿素720L。从国外的实际情况看，无论是选取SCR还是EGR+DOC+DPF的路线，都是成熟技术，都是可行的方案。但是考虑到中国的国情，对于我国的国/国排放的技术路线，笔者有以下建议：1.首先考虑SCR技术路线综合考虑各种因素，采用SCR技术应该是符合中国国情的首要之选。主要是因为：（1）采用SCR技术的国/国发动机燃油经济性好。（2）SCR技术对发动机改动小。（3）SCR国/国发动机对燃油和机油要求较低。（4）SCR在技术升级连续性上具有优势。（5）SCR催化器耐久性好，且不存在催化器堵塞的风险。（6）我国具备在全国范围内建设尿素基础设施的条件。2.其次考虑EGR技术路线因为主动再生EGR+DOC+DPF技术TPM转化效率远远高于国IV法规限值的要求，而主动再生标定技术非常复杂，发动机开发周期较长，成本也较大