非道路柴油机37-130kW排放控制的发展方向与趋势

盛伟鹏 金林梦赟 杨炎林 赵会峰 王达

摘要：非道路国四排放法规实施在即，本文简单阐述了非道路领域应用的37-130kW柴油机在非道路国四阶段的排放控制策略与手段。在非道路国四阶段，高压共轨技术是柴油机燃油系统的主流，同时必须使用后处理技术来满足法规的PN要求。合理有效控制柴油机成本，延长后处理DPF的再生周期将是该功率段柴油机在非道路领域的核心竞争力。

Abstract： The implementation of the non-road country IV emission regulations is imminent. This paper briefly expounds the emission control strategies and means of the 37-130kW diesel engine applied in the non-road country IV in the non-road country. In the fourth stage of non-road countries， high-pressure common rail technology is the mainstream of diesel fuel system， and after-treatment technology must be used to meet the PN requirements of regulations. Reasonable and effective control of the cost of diesel engines and extension of the regeneration cycle of the aftertreatment DPF will be the core competitiveness of diesel engines in this power segment in the non-road field.

关键词：柴油机;高压共轨;EGR技术;后处理技术;非道路国四

Key words： diesel engine;high pressure common rail;EGR technology;aftertreatment technology;non-road country IV

中图分类号：TK429                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0091-03

0  引言

随着大家环保意识逐渐加强，国家蓝天保卫战计划的发起，针对非道路柴油机的排放也更加引起了关注，近几年来，非道路的排放法规快速升级。2018年11月9日，生态环境部发布《非道路移动柴油机械烟度限值及测量方法》;2020年12月28日，生态环保部发布《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求（HJ 1014—2020）》，该标准是对GB 20891—2014《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）》中第四阶段内容的补充。到2022年12月1日起所有生产、进口和销售的560kW以下（含560kW）非道路移动机械及其装用的柴油机应符合该标准要求。为满足日趋严格的排放法规，柴油机制造商纷纷采用有效的排放控制手段和技术措施来降低柴油柴油机的排放。

1  非道路柴油柴油机的现状

2014年5月，国家环保部发布针对非道路移动机械柴油机的排放法规《非道路用柴油机排气污染物限值及测量方法（中国第三、第四阶段）》，2016年4月开始全面实施国三标准。根据非道路国三排放的要求，目前国内市场的非道路用柴油机主要进行了柴油机机内净化升级。在37kW以下的多缸柴油机大多数厂家选用了VE泵进行技术升级，在37kW以上的柴油柴油机多数采用了电控燃油系统，引进单体泵和高压共轨技术，基本满足了非道路国三排放要求。与国三排放相比，国四排放法规将更加严格，具体如表1所示。

基于非道路国四的排放法规要求，机内净化处理已经很难满足，特别是PN排放要求，在37-130kW的小型柴油机势必引进DPF技术，因此满足国四排放要求的柴油机基本集中在高压共轨+DOC+EGR+DPF或者高压共轨+DOC+DPF+SCR这两种技术路线。

2  排放控制技术

满足非道路柴油机国四排放法规需求的技术路线与国三相比最大的区别就是引进高压共轨系统和尾气后处理系统，非道路柴油机市场竞争激烈，成本控制显得尤为关键，EGR+DPF路线可以更好的进行成本控制，以便在市场竞争中占得先机。

2.1 机内净化处理技术

非道路柴油机使用工况复杂，工作环境恶劣，在引进后处理技术以后，DPF的再生周期将是国四柴油机开发的关键指标，影响DPF再生周期的主要因素有：①柴油机原排的颗粒排饭水平;②后处理系统的被动再生能力。因此，首先要在国三柴油机技术上进一步优化柴油机原排的颗粒排放水平以延长DPF的再生周期。

2.1.1 燃燒系统优化改进

非道路国三柴油机在37-130kW功率段多采用单体泵技术，国四阶段需选用高压共轨技术，进一步提高燃油系统喷射压力，降低喷油器喷孔尺寸，使燃油雾化条件更好;使用高压共轨技术后，与国三机相比，喷油器喷孔尺寸下降，喷油器喷油初始速度增加，喷油持续时间也相对加长，这样喷油器的喷雾贯穿度增加，为了控制NOX排放，优化柴油机燃烧，需要对柴油机燃烧室机型优化，适当加大燃烧室口径;降低柴油机压缩比，合理调整油束分配。燃烧室变化如图1所示。同时选用高压共轨系统可以更好的融合后处理技术，特别是DPF再生策略目前在高压共轨技术已经基本成熟。

2.1.2 增压器优化选型

对于非道路用柴油机来说，基本上还是选用传统的WGT增压器。对于大多数非道路柴油机生产厂家来说，电控柴油机起步比较晚，柴油机标定能力比较弱，与VGT增压器相比，WGT增压器标定工作相对较少，可以有效快速的完成产品研发。同时WGT和VGT相比价格更低，成本优势明显。当然，WGT增压器的选型工作更难，控制手段少，更多依赖增压器自身的性能，合适的增压器是柴油机性能开发的关键。增压器选型要结合柴油机的使用工况，对于非道路柴油机来说，应用于不同领域的柴油机的使用工况差异很大。如收割机机型在进行收割工况时，工作区域在标定转速或者调速段工作，在收割过程中遇到田间坑道或者收割密度突然增加时，柴油机负荷会瞬间加大，同时柴油机转速会下降转速，往扭矩点转速靠近，增大柴油机扭矩输出来满足工况需求，另外就是收割机的放粮作业，这种工况的负荷较低，柴油机转速也一般保持在1500r/min左右，总的来说收割机是以高转速工况为主，所以说收割机的增压器主要关注高转速工作工况，将增压器的高效区域放在扭矩点转速以上区域，降低泵气损失来优化主要作业工况的燃油经济性;同理，拖拉机的工况主要集中在低速段和扭矩点附近，特别是在拖拉机起步阶段，一般拖拉机在将柴油机转速拉至1200r/min左右，进行下犁作业，此时柴油机负荷会突然加载，转速急剧下降，增压器应当快速响应补充进气以适应这种突然加载工况，因此拖拉机机型的增压器选型应将高效区域放在扭矩点附近，需要重点关注增压器的低速响应性。在低速高效的增压器一般来说增压器起效转速低，增压压力较高，在关注增压器高效区域的同时需要关注涡前排气压力（p3）和增压压力的压差（p2），以便保证有效的EGR率，满足排放需求。

2.1.3 EGR技术优化

原非道路国三机型相当部分机型选用气动EGR阀，及EGR阀开环控制。到非道路国四阶段，NOX排放控制要求更高更精准，一般会选用直流电动EGR阀，EGR基于空气流量计的闭环控制，同时加装EGR冷却器，降低柴油机混合进气温度，更好的控制NOX排放。与气动阀相比，电动阀的响应性更好，控制更精确，控制跟随性更好，不需要外加真空源，可以适应非道路国四排放的瞬态工况测试（NRTC）需求。同时采用基于空气流量计闭环控制策略，可以有效的避免增压器、进气管路以及EGR本身的公差内误差以及外部边界条件造成的NOX排放差异，保证柴油机性能排放的一致性。非道路国四柴油机对各缸的燃烧均匀性要求更高，EGR系统的管路需要进行优化设计，在混合气进入气缸前应尽量使EGR废气与新鲜空气得到充分混合，保证进入各缸的进气均匀性，从而保证各缸燃烧一致性。EGR阀是带EGR柴油机的主要故障件，EGR卡滞是EGR的常见故障模式，选用热端EGR阀，可以有效减少EGR阀结胶，减少EGR阀卡滞故障。但是，与冷端EGR相比，EGR阀需要增加冷却系统，对EGR零部件的密封及尺寸公差要求更高，零部件成本也更高。从传统意义上理解，EGR可以有效的较低NOX排放，但会是燃烧恶化而，增加碳烟排放，同时增加柴油机燃油耗。在实际试验中发现，控制合适的EGR率在实现降低NOX排放的同时，碳烟和柴油机燃油耗可以维持同一水平或者略微上涨。特别是在非道路柴油机普遍选用WGT增压器的情况下，在低负荷状态合适的EGR率可以做到NOX和碳烟以及燃油耗双赢的效果。有研究也标明，某直喷柴油机原机的柴油机加权油耗为240g/kW·h，在增加EGR系统以后加权油耗降低至235g/kW·h，可见EGR系统在柴油机的平均油耗起积极作用[1]。EGR系统的标定是NOX排放与其他指标的一个折中标定，在保证NOX排放的同时尽可能减少EGR对柴油机碳烟排放及柴油机动力性和燃油经济性的影响。

2.2 后处理技术

虽然通过机内进化技术可以有效地减少柴油机NOX和碳烟颗粒排放物，但要满足非道路国四排放需求，必须加装柴油机尾气后处理装置，特别是非道路国四排放PN排放小于5×1012#/kW·h要求，DPF成为了后处理系统的必选项，本文针对37-130kWX小型柴油机，考虑整个后处理的成本压力，以及开发标定工作量，多推荐使用EGR+DOC+DPF技术。

2.2.1 DOC技术

DOC是柴油机氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst）的缩写，是安装在柴油车排气系统中，能通过各种物理化学作用来降低排气中污染物排放量的装置。DOC的主要作用是降低颗粒物中的可溶性有机物（Soluble Organic Fraction，SOF）以及HC、CO、氧化醛类和芳香烃类有害污染物的排放[2，3]。DOC的载体有陶瓷和金属之分，通常陶瓷是堇青石的，金属的种类较多，铁、铜、黄铜等。DOC的主要作用是通过载体涂覆的贵金属氧化排放尾气中还原性气体，或者将NO氧化为NO2配合DPF与CDPF起作用，有效的控制DPF内颗粒物的累积速度。在适当温度下DOC也可以将燃油的硫氧化为SO2，最终生成硫酸盐，从而增加颗粒PM及颗粒数PN的排放，且硫容易造成后处理系统的催化剂中毒失效，所以在装有DOC后处理的柴油机的燃油油品应进行严格控制。

2.2.2 DPF技术

DPF是柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filte）的缩写，DPF的主体部分是过滤载体，按材料主要分为陶瓷基和金属基两大类。陶瓷基DPF载体材料有堇青石、碳化硅、莫来石、氧化锆等;金属基DPF载体材料有烧结金属式、泡沫金属、金属丝网等。目前，最常用的过滤体材料为堇青石和碳化硅。DPF的设计结构有壁流式、流体式等，最常见的是壁流式。该类型DPF通常采用圆柱形陶瓷结构，在轴向上形成许多的细小、平行通道。不同于一般流通式结构的捕集器，壁流式滤芯结构在过滤层相邻的通道中，选择两端中的任意一端堵塞，从而强迫废气通过多孔壁面，实现对颗粒物的捕集，与其他结构的DPF相比，壁流式颗粒捕集器的碳烟捕集效率更高。DPF随着捕集的颗粒增加，排氣背压会快速上升，因此DPF需要定期的进行再生，即将捕集的颗粒二次燃烧清除或者物理清除等。因此为了减缓DPF颗粒沉积的速度目前多应用CDPF，即带有催化涂层的DPF，主要工作原理是通过DPF上涂覆贵金属铂和钯，在催化作用下使排气中的NO2氧化碳粒，这就是连续再生（CRT技术），也通常称为被动再生[4-6]。在理想状态下CRT就可以满足DPF的内部碳平衡，但这对柴油机的源排和燃油油品有较高的要求，目前我们国内厂家生产的柴油机大多不能满足。而且对于非道路柴油机来说使用环境恶劣苛刻，使用工况差异大，与道路机相比急加速急加载工况多，排烟排放量难以控制，这些都使得CRT技术不能完全满足DPF的再生。

因此，我们在DPF内的碳烟达到满载或者接近满载时，需要对DPF进行主动再生。主动再生就是通过外部手段将DPF温度加热到600℃以上，由O2对捕集的碳烟进行氧化清除。目前常用而且已经应用的手段主要是通过燃油缸内后喷或者尾管喷射两种方式。缸内后喷技术即用进排气节流、提升DOC进口温度，同时缸内后喷柴油，在的DOC的作用下柴油迅速氧化放热，DOC出口温度提升至600℃以上，此温度下大部分PM都将被氧化，再生效果好，然而这种方法会导致油耗上升和二次污染[7-10]。尾管喷射就是，在颗粒捕集器入口前增加一套喷油器，喷入少量燃油，利用排气的氧或另外供给空气，用火花塞或电热塞点燃，高温燃气再点燃微粒，一般经过1～2min后，即可完成再生过程。这种方法可以在绝大部分情况下再生，再生效果好，但需要额外增加一套燃油供给装置，成本较高，并且喷油助燃再生时不能急加速，否则气流容易吹熄火焰。对于37-130kW的柴油机来说，柴油机排量一般集中在4.5L以下，多为中速柴油机，柴油机的尾气排气温度相对可观，且柴油机的价格不高，缸内后喷技术相对来说成本更低，整个系统由柴油机ECU统一控制，通过标定优化基本可以满足DPF的再生需求，同时可以有效控制尾气的HC泄露，所以目前在这个功率段的柴油机多选用缸内后喷技术。

2.2.3 后处理标定技术

在引进柴油机后处理系统以后，后处理系统的标定工作是一个复杂工程，针对不同应用领域和使用工况的柴油机需要应用不同的标定。与道路机不同，非道路机作业环境特殊，使用客户大多知识结构层次较低。后处理系统的操作需要尽量简单明了，保证用户对机械的使用安全，在特定的环境需要关闭DPF的再生功能，所以目前非道路国四柴油机DPF再生多选用驻车再生模式，即在柴油机DPF需要再生时要在特定区域进行再生操作。

由于我们非道路国四排放要求与国三阶段相比，各个排放指标都进行了大幅度的提升。各生产厂家的发动机大多是在老机型的国三机型进行技术升级。笔者在国四柴油机开发试验中发现，颗粒物中SOF成分高达70%，对于这种柴油机来说，在后处理标定中需要使用DESOF功能（使用博世高压共轨燃油系统），就是在DPF累碳达到一定状态时（建议累碳量达到DPF满载的70%左右），通过进排气节流，但同时保证NOX正常排放，将DOC的出口温度提升至400℃以上，将DPF颗粒物的SOF部分排出，在进行DESOF以后，DPF内会只留下干碳烟（soot），碳载量明显下降，DPF压差明显下降，延长整个DPF的再生周期。但在DESOF模式下，柴油机排气温度上升的同时，颗粒物的排放会急剧恶化，所以DESOF模式持续时间不能过长，一般控制在20-40min为宜。

3  结束语

非道路国四法规的即将实施加速了非道路柴油机的技术改革，高压共轨技术将是非道路市场的主流。后处理技术也将在非道路领域得到广泛应用，对我们柴油机生产厂家来说，不断优化柴油机本体，提高柴油机原排水平，减小后处理系统的压力，同时通过标定优化，合理均衡排放与燃油经济性的杠杆，有效控制柴油机成本，是在非道路小柴领域取得领先和绝对竞争力的关键。

参考文献：

[1]杨帅，李秀元.EGR率对对柴油机排放特性影响的试验[J].农业机械学报，2006，37（5）：30-33.

[2]马志豪，李磊，等.用HRTEM研究DOC和DPF对柴油机克里排放的影响[J].内燃机工程，2014，35（2）：54-58.

[3]孟中伟，张川，等.DOC对柴油机颗粒物排放影响的试验研究[J].内燃机工程，2017，38（2）：67-72.

[4]樓狄明，张静，等.DOC催化剂配方对轻型柴油机气态物排放性能的影响[J].农业工程学报，2018，34（6）：74-79.

[5]朱泽洪，汤东，等.CDPF耦合 DOC对柴油机颗粒物排放特性的影响研究[J].广西大学学报（自然科学版），2016，41（3）：726-728.

[6]张靖，孟忠伟，等.柴油机DOC+CDPF系统的过滤和再生性能试验研究[J].车用柴油机，2016，4（225）：62-65.

[7]张鹏超，宋崇林，等.DPF主动再生过程中缸内远后喷策略对柴油机排放及 DOC升温特性的影响[J].内燃机工程，2018，39（3）：45-52.

[8]程晓章，徐瑞根，等.缸内后喷对CDPF温度特性及再生效率的影响[J]合肥工业大学学报（自然科学版），2018，41（10）：1297-1301.

[9]王光耀，范晨阳，吕刚，宋崇林.后喷策略下喷油压力对柴油机缸内颗粒物粒径分布和形貌特征的影响[J].燃烧科学与技术，2018，24（3）：262-269.

[10]杨征睿，宋崇林，等.后喷间隔角对柴油机燃烧过程中颗粒物数密度、 粒径分布及质量的影响[J].燃烧科学与技术，2016，22（6）：563-568.