浅谈我国大功率内燃机排放现状及排放后处理发展规划

吕明朗

摘要：本文通过对重载车、船舶和铁路行业国内排放标准及实施情况的介绍，阐述了大功率内燃机满足新排放法规所应采取的技术措施，并着重对SCR（选择性催化还原）排放后处理技术现状和未来产业发展规划进行了论述。

Abstract： This paper introduces the domestic emission standards and their implementation in heavy-duty vehicles， ships and railways， expounds the technical measures to deal with the new emission regulations for high-power internal combustion engines， and focuses on the status and future development prospects of SCR（selective catalytic reduction） technology.

关键词：内燃机;排放;后处理;SCR

Key words： internal combustion engine;emission;aftertreatment;SCR

中图分类号：TK427                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0189-02

1  不同行业排放标准制定及实施情况

面对全球化环境污染的加剧，世界各国已达成共识并着手采取各种有效措施，实施节能减排政策，不断提高排放法规标准;同时各柴油机公司采用高压共轨、米勒循环、高效增压系统、后处理等关键核心技术以满足排放法规要求。

1.1 重型柴油车排放标准制定及实施情况

我国制定的重型柴油车排放标准如表1所示。

从2007年实施国家第Ⅲ阶段排放标准，到2010年施行国家第Ⅳ阶段排放标准，再到2013年北京执行京V排放标准，再到2015年全国范围内开始全面执行国Ⅳ排放标准，逐渐递进式实施。2020年国VI排放法规将全国实施。

我国重型卡车排放标准与欧洲基本同步，由于车用柴油机用量较大，污染源占比大，同时技术先进，所以排放要求比其他任何行业都要高出很多。

1.2 船舶柴油机排放标准制定及实施情况

GB15097-2016《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法》于2018年7月1日实施第一阶段，2022年7月1日将实施第二阶段。但该标准不适用于应急船机和安装在救生艇或应急设备上的船机。

1.3 国内铁路机车柴油机排放标准制定及实施情况

1997年原铁道部发布了第一个针对机车柴油机排放的标准：TB/T2783-1997《铁路牵引用柴油机排放污染物限值及测试规则》，但并没有广泛实施。

2006 年发布的TB/T2783—2006《铁路牵引用柴油机排放试验》，其排放限值等同于UICII/2003规定值，但由于其制定的基础与我国机车实际状况不符合，至今未能强制执行。

2017年发布的TB/T2783—2017《牵引动力装置用柴油机排放试验》，其排放限值等同于UIC 624-O-2006中规定的UIC IIIA，铁路柴油机适用所谓的F循环。

2  适合我国高速大功率柴油机排放控制策略

随着废气排放标准的不断提高，排放控制技术的研究在不断地发展，各大主机厂针对不同阶段标准提出技术方案和控制方法，措施见表2、表3和表4。

第三阶段排放（EPA Tier3/EUIIIA）应采取高压共轨燃油系统+米勒循环+高压比增压系统。而关于第四阶段排放的控制方法，除了第三阶段采取的措施以外，必须增加后处理系统。

EGR+DPF技术优点是占用空间小，缺点是要求燃油的品质高（含硫量低），且EGR系统相对复杂，控制程序的软件开发成本高。而SCR技术优点是成本低，其降低的燃油成本可抵消增加的尿素成本，缺点是占用空间较大，但考虑SCR是柴油机外部增加的系统，可以在第三阶段排放技术的基础上进行较少的优化实现第四阶段的排放要求。综上所述，适合我国高速大功率机车柴油机的排放控制方法如下：

第三阶段排放（EPA Tier3 /EUIIIA）的控制方法：高压共轨燃油系统+米勒循环+高压比增压系统。

第四阶段排放（EPA Tier4 /EUIIIB）的控制方法：第四阶段高压共轨燃油系统+米勒循环+高压比增压系统+SCR。

3  我国排放后处理应用现状和前景

3.1 重卡汽车领域

2014年1月1日停止对国三重型车的核准申报。以中国汽车保有量来推算，实施国四标准限值后，排放的后处理产业将产生上千亿元的市场份额。SCR技术是今后柴油机应对严苛排放法规的主要手段。

3.2 船舶领域

我国2016年才有自主设计生产的SCR系统，主要有青岛双瑞船用低速机SCR系统和中船重工711所的SCR系统。虽然很多企业已经拥有船用SCR技术，但该排放法规与IMO Tier2相比只是略微严格，对于新的非远洋船舶船机，船厂可能更倾向于选择性能良好的柴油机，而不需加装SCR。

3.3 铁路机车柴油机领域

目前，我国铁路最新投入运用的国产HXN3型和HXN5型大功率交流传动内燃机车均符合美国EPA Tier2级标准。我国铁路行业关于内燃机车或机车柴油机有害排放物限值标准的制定与国外工业发达国家或地区相比滞后，国产内燃机车在节能环保方面的水平尚待提高，特别是针对出口产品的环保性能更须引起特别重视。国内机车目前没有使用后处理。

铁路内燃机车后处理装置应考虑将消音器、DOC、DPF和SCR集成设计为一个装置，在满足空间要求下达到匹配柴油机性能最佳。同时，将增压器与后处理集成一体，即为增压后处理系统，可对发动机气体进行精准控制。

4  排放后處理发展规划建议

4.1 对外合作与引进专业人才并举

重卡汽车领域后处理技术应用广泛，已经趋于成熟;对于铁路内燃机车和船舶领域，需要进行大型化和集成化研制。国内多家科研院所已开展多年的研究，正处于起步阶段，需要对外合作，快速开展集成设计，并逐步引进专业人才，搭建排放后处理技术人才队伍。

4.2 搭建后处理设计平台

与其他机械产品一样，后处理产品在研制过程中同样需要经过CAE设计、零部件平台试验、与发动机进行联合台架试验、线路运用考核试验四个阶段。

4.3 搭建排放后处理测试平台

①通过烟气分析系统验证净化效率;②建立柴油机测试平台，用以测试实际工况下净化系统效率;③建立风量测试试验台，用以模拟可变的风量、污染物、污染物浓度等污染源情况;④通过采用一系列测试仪器作为科学研究保障，获得精确的测量数据;⑤对于后处理装置，进行的可靠性试验包括：热振动试验、冷振动试验、外部热冲击、内部热冲击、与发动机一起进行用于模拟实际工况和驱动制动盘系统试验、道路载荷采集试验、与发动机一起做振动耐久试验。

参考文献：

[1]GB17691-2018，重型柴油车污染物排放限值及测量方法[S].2018.

[2]中国船级社.船舶发动机排气污染物限制及测量方法（中国第一、二阶段）实施指南[S].2018.

[3]DELPHI.重型车及非道路车排放报告[R].2008.

[4]Peckham， Jack.Europe Finilizes Euro-6 Heavy-Duty Diesel Standards[J]. Diesel Fuel News， 2009.

[5]安春生.机车柴油机的排放研究[J].内燃机车，2012.