挖掘机排放升级技术路线浅析

苏跃强/SU Yue-qiang

（厦工机械股份有限公司，福建 厦门 361023）

随着国家对环境保护的不断重视，对挖掘机排放气体的环保要求愈发严格，应发动机排放不断升级的法律法规要求，挖掘机厂家也在不断地探索研究如何降低挖掘机工作过程排放的污染气体。

挖掘机目前普遍采用柴油机作为工作的动力源，根据燃烧反应CxHySz+O2+N2→CO2+H2O+N2+O2+NOx+HC+CO+Sox+C，除了前四种主要排气成分外，柴油机工作过程排放的有害排气成分主要为NOx 化物和PM 颗粒物（也称碳颗粒物）。自1990 年开始，随着柴油机技术发展诞生并愈发成熟的技术路线有中冷（Aftercooling）、电控燃油系统（Electronic Fuel Systems）、冷却EGR（Cooled Exhaust Gas Recirculation）、NOx吸收器（NOx Adsorber ）、柴油颗粒过滤器DPF（Diesel Particulate Filter）以及选择性催化还原器SCR（Selective Catalytic Reduction）等等。

1 如何降低氮氧化物

柴油机燃烧过程中排放出来的NOx 约90%是NO，5%～10%是NO2，l%是N2O。而降低氮氧化物全部的过程即降低热力型氮氧化物排放反应O+N2→NO+N重点就是控制燃烧时的温度。随之产生为降低进气温度的技术路线中冷器和控制燃烧温度的技术路线。

1）推迟喷油提前角，降低燃油与空气混合时间，降低压燃前混合气体，从而降低燃烧温度。

2）电控高压共轨，通过多次喷射均匀每次气缸行程中的混合气体，避免发动机动作粗暴的同时降低燃烧温度。

3）废气再循环（冷却EGR），即将排放气体部分回流引入燃烧室再次燃烧，降低燃烧时的氧气含量，从而降低燃烧温度。

4）除了控制燃烧时温度，还有另外一独立技术路线降低氮氧化物，即通过在柴油机排放气体至环境中前通过后处理器降低排放氮氧化物（SCR），也就是人们耳熟能详的尿素水。尿素水成分是32.5%高清洁尿素和67.5%的去离子水，通过将尿素水高温下与水反应生产NH3和CO2（即NH4COONH2+H2O →2NH3+CO2），我们称之为尿素水解，并在后处理器内采集NH3选择性氧化还原排放气体。

2 如何降低碳颗粒物

降低碳颗粒物的方法与降低氮氧化物方法恰恰相反，都是考虑如何充分使柴油燃烧，进而降低排放碳颗粒物大小（即PM）和数量（即PN）。其技术路线主要有：①优化进气管道及燃烧室设计，提高进气量；②优化涡轮增压器设计，增大进气量；③提高电控高压燃烧系统的喷射压力，充分混合燃油与空气；④优化电控燃油系统程序，提高燃油控制精度等。

与降低氮氧化物技术路线相似的是，在发动机机体外也有独立的技术降低氮氧化物，即在后处理器中采用DOC（柴油氧化催化器）和DPF（颗粒过滤器）。DOC有二个主要作用，第一是把柴油机尾气中的有害排放物碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）和颗粒物（PM）中的溶解性有机物转化成无害的排放物如水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2），第二是氧化颗粒物中的可溶性有机物SOF。而DPF 除了捕捉DOC 过滤后的碳颗粒物外，在累积的碳颗粒物达到一定量，影响排气进而产生排气压力后会反馈信号给发动机控制器，控制器输出指令控制发动机燃油系统提取一定量燃油将堵塞的碳颗粒物氧化燃烧掉。

3 排放升级技术路线分析

通过前文对降低柴油机排放的有害气体的技术路线介绍可以了解到，目前已存在众多技术路线，各个技术路线都有其技术特点，甚至存在互相冲突的作用效果，因为不同燃烧温度下对发动机工作过程中碳颗粒物与NOx 化物排放量存在巨大影响（如图1）。

图1 排放物与燃烧温度关系图

因此，在众多的技术路线中选择满足排放法规和市场需求的发动机排放技术显得尤为重要，针对发动机排放后处理器技术路线及各自优缺点汇总见表1，应根据不同排放要求选择不同技术路线。

国Ⅲ排放要求发动机主要采用涡轮增加、中冷器、高压共轨技术便可满足排放要求，并不需要增设后处理器，国Ⅳ排放主要技术路线是在国Ⅲ基础上增加废气再循环EGR、燃油氧化催化器DOC 和颗粒捕捉器DPF，国Ⅴ排放则是在国Ⅳ排放基础上增加选择性催化还原SCR。

表1 发动机排放后处理技术路线对比

4 结论

本文主要介绍挖掘机发动机排放升级对排放有害气体的限制和排放升级技术路线，并比较了几种主要技术路线的优缺点，应根据不同排放要求选择不同技术路线。