小功率非道路用柴油机满足国三排放标准的技术研究

□杨正川/阆中蚕种场

小功率非道路用柴油机满足国三排放标准的技术研究

□杨正川/阆中蚕种场

本文对小功率非道路柴油机实施第三阶段排放标准中的问题进行了分析，通过与美国环保署（EPA）非道路柴油机现行第四阶段排放法规及执行情况比较，说明小功率段柴油机国三排放标准是全球最严法规之一，分析给出8 kW以下柴油机实现第三阶段排放标准的技术路线，以KJ186FA柴油机为例，通过采用改进燃烧过程和降低机油消耗的机内净化+DOC技术来降低柴油机排放，初次试验柴油机整机CO、HC+NOX、PM排放分别为0.97 g/kW·h、5.71 g/kW·h、0.46 g/kW·h，在有效寿命期内产品完全能满足中国第三阶段排放标准的要求。

我国农业机械动力多为柴油机，属非道路柴油机范畴，我国于2015年10月1日实施非道路用柴油机排放第三阶段标准，其中37 kW以下功率段柴油机的要求与美国环保署（EPA）第四阶段排放法规的限值相当。2008年开始，美国对非道路柴油机实施过渡期的第四阶段排放法规；2015年起，美国确定了第四阶段排放的最终限值并开始对所有机型严格执行。我国是一个农业大国，同时是发展中国家，基础建设任务较重，多年来小型非道路柴油机的产量和使用量巨大，单缸柴油机年产量约占全世界的80％，因此对小功率段的非道路柴油机实施排放限值对保护环境非常重要。我国排放标准多为修改采用欧盟的排放指令，第三阶段排放标准的限值对19～560 kW的柴油机采用的是欧盟2007年执行的3A阶段限值，欧盟对19 kW以下柴油机至今无要求（他们相对保有量、使用时间较少），计划到2019年才升级对此功率段实施排放要求。对19 kW以下功率的柴油机目前仅有美国、韩国、印度和中国有排放限值要求，国外的排放法规多类似美国的第四阶段，仅限值大小、实施时间不同，美国EPA第四阶段排放将37 kW以下功率段柴油机分为0～8 kW、8～19 kW和19～37 kW三个功率段，每个功率段有不同的排放限值，我国将37 kW以下列为一个功率段，且排放限值与欧盟19～37 kW相同，结果8 kW以下功率段的CO排放比美国第四阶段限值高出45％，HC+NOX排放限值相同，PM排放要求低于美国，但因为我国柴油品种与美国有一定差异，PM达标难度与美国相当，所以对8 kW以下小功率柴油机，我国的柴油机排放要求已是全球最严的标准之一。由于37 kW以下功率段柴油机在我国产量大，达标难度较大，目前我国三第阶段排放标准并未严格执行。国内企业的达标产品大多仍处于研发阶段。

本文结合凯舰动力公司对8 kW以下非道路柴油机的低排放技术研发，分析国三及更低排放要求产品的技术方案。

1 低排放小功率非道路柴油机国内外的技术分析

中国第三阶段排放标准颁布后，企业开展了大量的研发工作，小功率柴油机环保部初始技术路线是重新设计新机型，提高油泵、油嘴喷油压力，采用电控技术等，但实际实施资金投入、技术难度都较大。美国从2008年开始实施小功率非道路柴油机排放法规，对进入美国市场销售的柴油机必须通过排放认证，且通过认证的机型在美国EPA网站对外公布。美国第四阶段的实施是2013年开始逐步加严，2015年起完全实施最终的第四阶段限值。因此，我们统计了美国3个年份的认证机型，从认证机型公布的技术资料看（表1），多数机型是单缸柴油机，2009年生产企业较多，我国也有多个企业的产品出口（表1中2012年前使用后处理DOC的产品多是中国出口的186FA柴油机），但随着法规的严格执行，2015年仅有世界著名企业的13个单缸柴油机留在美国市场，分别是德国的哈兹、日本的久保田、洋马和美国的科勒公司。久保田的4个机型采用涡流室，其余都采用直喷燃烧系统，其中4个机型采用了后处理的氧化催化技术（DOC），DOC可降低CO、HC和颗粒PM，一个机型在气门罩壳上设置通道实现机型EGR来降低NOX，没有机型采用电控供油技术，降低排放的机内净化技术主要是通过燃烧过程优化和低机油耗技术。

表1 美国EPA认证机型源机技术参数的统计

目前国内满足国三排放限值要求，实现小功率柴油机低排放研究的技术路线有：采用电控喷油系统（如电控单体泵或共轨喷油系统）并优化供油性能；用传统机械喷油的机内净化；用传统机械喷油的机内净化+DOC技术。

采用电控喷油系统可实现喷油压力提高和不同工况能改变喷油提前角，使燃烧优化，但生产成本高，对8 kW以下的单缸柴油机售价要比原价翻一倍左右，并且作为农业机械配套农民难以接受，使用、维修保养的要求也较高。用传统机械喷油的机内净化能使柴油机排放降低到一定数值，但由于我国CO限值较严格，在有效寿命期（3 000 h）内达国三标准有一定难度，按我国CO限值5.5 g/kW·h，通过美国EPA认证的13个机型中有3个超标（EPA限值是8.0 g/kW·h）。批量生产控制一致性都符合标准限值也有难度；用传统机械喷油的机内净化+DOC技术方案，采用机内净化降低NOX达一定数值，并使整机的CO、HC+NOX、PM初次排放试验结果达到国三标准限值，通过采用DOC技术使CO、HC、PM排放值分别减少80％、60％和30％左右，这样能实现柴油机在有效寿命期内达标，且可以减少批量生产的生产一致性控制中CO难达标问题，但需增加成本30％左右。凯舰动力公司生产的柴油机主要配套农业机械，经综合比较与高校的产学研合作研发后，选用机内净化+后处理DOC技术方案。

2 达国三排放要求的小型柴油机研发

目前凯舰动力公司生产的柴油机有KJ170F、KJ173F、KJ178F、KJ186FA、KJ190FA、KJ192FA等机型，参考美国认证的资料及我们所做的工作，对缸径78mm以上的机型在原机基础上进行了机内净化研究，再配用DOC技术，能满足国三排放标准的要求，现以KJ186FA柴油机为例进行分析。

KJ186FA柴油机为立式直喷燃烧的风冷单缸柴油机，标定功率6.3 kW、转速3 600 r/min，该机型原样机是日本洋马公司的L系列中的机型，目前国内年产量超过100万台，广泛配套农业机械（微耕机、小型收割机）、水泵机组、发电机组等，也是凯舰动力公司的主导产品。首先对原机进行摸底试验，通过分析对柴油机进行了结构改进设计。

2.1 机内净化措施

机内净化包括燃烧过程的组织和降低机油消耗。降低机油消耗是所有机型的共性问题，通过机体等固定件刚性的加强，活塞及环组的优化设计，使用气门油封，曲轴箱通风用呼吸器的改进，以及生产装配过程的质量控制，减少柴油机的机油消耗量，可有效降低柴油机的颗粒排放。标定功率8 kW以下柴油机机油消耗率国家标准要求是小于2.82 g/kW·h，目前国内机器水平多在1.0～2.0 g/kW·h，因此，需采取上述措施降低机油消耗来实现低的颗粒排放。设定目标值是0.8 g/kW·h以下，经过试验，研发改进的多台样机的机油消耗量在0.50～0.76 g/kW·h。

柴油机燃烧系统优化从以下几个方面入手。通过改进空气滤清器、进排气道减少流动阻力，增加柴油机进气量，这样柴油机标定功率不变，能使柴油机缸内混合气浓度变稀，柴油机燃烧完全，降低柴油机燃油消耗及排放，改进后柴油机进气量提高了6.3％。缸内燃烧通过提高喷油器的雾化质量，控制喷油嘴流量和油嘴伸出高度，改善燃烧室内油气混合的均匀性，提高燃烧速度，减少燃烧持续期，同时通过推迟喷油，降低缸内燃烧温度来减少NOX，这样能保证柴油机燃油消耗率、烟度不会恶化变差，通过气缸压缩余隙控制保证压缩比、改善缸内气流运动，强化燃烧，最终使柴油机油耗在基本不变的前提下减少排放。

通过上述优化，经多次试验，柴油机的性能大幅提高，机内净化研发的新机与原机的性能对比试验结果见表2，表中的整机排放试验结果采用6工况试验循环进行。通过机内净化，柴油机NOX、颗粒PM明显下降，标定工况燃油消耗be也下降了8.6 g/kW·h，这主要是增大进气量和燃烧优化的结果，样机除CO指标外，其他指标都满足要求。

表2 不同设计研发方案的KJ186FA柴油机性能单位：g/kW·h

2.2 使用后处理的DOC技术

对KJ186FA柴油机消声器进行改造，在消声器内安装氧化催化剂载体，使用DOC技术减少CO、HC、PM排放，设计采用了江苏大学的专利技术，使柴油机噪声保持基本不变，消声器的结构使气流较均匀地通过催化剂载体，与以前的结构设计相比，气流均匀流过载体的流速相对下降、载体温度场的最高温度降低、使用寿命提高，同时CO、HC、PM的转化效率也得到了相应的提高。表2中给出了试验结果，可以看出，各项排放指标均达到了国三排放标准限值，且都留有足够的余量，能保证3 000 h有效寿命期内排放满足国三标准要求，柴油机燃油消耗也符合国家对第二代单缸柴油机的指标要求。

通过研发，KJ186FA柴油机样机已达到我国第三阶段排放标准的要求。为批量生产合格产品，企业需进行技术改造，严格执行《大气污染防治法》，从产品说明书、零部件质量和整机生产质量入手来保证产品质量，为社会提供环保型农机产品。

3 小结

我国单缸柴油机产量约占全世界的80％，实施排放控制对保护环境非常必要，我国实施的国三非道路柴油机排放标准对小功率段柴油机来说已是全球最严的排放标准一之，因此，需要对产品低排放技术开展研究、改造生产条件，控制批量生产的产品质量，以满足标准的要求。

KJ186FA柴油机采用系列的机内净化措施和DOC技术，柴油机能满足中国第三阶段排放标准的要求，为社会提供环保型农用动力。