中國(guó)重型卡車排放技術(shù)發(fā)展路線探討

 

 國(guó)Ⅳ排放，國(guó)內(nèi)主流廠家比較認(rèn)可SCR技術(shù)路線。預(yù)計(jì)國(guó)Ⅳ時(shí)代，高速物流用牽引車會(huì)采用SCR技術(shù)路線，而對(duì)于中短途載貨車及自卸車將會(huì)采用EGR+DPF技術(shù)路線。 

 

汽車排放是指從廢氣中排出的CO、HC＋NOx、PM等有害氣體。為了抑制這些有害氣體的產(chǎn)生，促使汽車生產(chǎn)廠家改進(jìn)產(chǎn)品以降低這些有害氣體的產(chǎn)生源頭。目前世界上排放法規(guī)主要有三個(gè)體系，即歐洲、美國(guó)和日本的排放法規(guī)體系，其中歐洲標(biāo)準(zhǔn)是我國(guó)借鑒的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，所以下面重點(diǎn)介紹歐洲排放法規(guī)的要求。

 

A、歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)

 

 歐洲標(biāo)準(zhǔn)是由歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)的排放法規(guī)和歐共體(EEC，即現(xiàn)在的歐盟EU)的排放指令共同加以實(shí)現(xiàn)的。排放法規(guī)由ECE參與國(guó)自愿認(rèn)可，排放指令是EEC或EU參與國(guó)強(qiáng)制實(shí)施的。汽車排放的歐洲法規(guī)(指令)標(biāo)準(zhǔn)1992年前已實(shí)施若干階段，1992年之前為歐0階段，具體實(shí)施時(shí)間及排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

 

歐0階段：采用純機(jī)械式的供油系統(tǒng)(燃油泵或柴油泵)和自然吸氣技術(shù)。

 

歐Ⅰ階段：在歐0發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械供油系統(tǒng)(燃油泵)基礎(chǔ)上，主要輔以廢氣渦輪增壓技術(shù)。

 

歐Ⅱ階段：在歐Ⅰ發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)上適當(dāng)改進(jìn)，主要輔以廢氣渦輪增壓(水空)中冷技術(shù)或廢氣渦輪增壓(空空)中冷技術(shù)， 供油系統(tǒng)沒(méi)有本質(zhì)變化。

 

歐Ⅲ階段：對(duì)歐II發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)進(jìn)行重大升級(jí)，主要是供油系統(tǒng)發(fā)生了本質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)了供油系統(tǒng)由機(jī)械式控制向電子控制的轉(zhuǎn)化，主要技術(shù)路線包括電控泵噴嘴、電控高壓共軌、電控單體泵和電控H泵+EGR。EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)主要是針對(duì)有害氣體(NOx) 設(shè)置的排氣凈化裝置，它將一部分排氣循入進(jìn)氣管與新鮮空氣混合后進(jìn)入氣缸燃燒，以增加混合氣的熱容量，降低燃燒時(shí)的最高溫度，抑制NOx的生成。

 

歐Ⅳ階段：在該階段，PM與NOx的排放都做了進(jìn)一步限制，其技術(shù)路線是在歐Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，供油系統(tǒng)沒(méi)有本質(zhì)變化，主要是采取一系列機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)如提高供油系統(tǒng)的控制靈敏性和壓力，燃燒室和進(jìn)氣等進(jìn)一步優(yōu)化，并綜合使用機(jī)外凈化(后處理)技術(shù)。機(jī)外凈化(后處理)技術(shù)目前主要有兩條技術(shù)路線：一種是SCR(選擇性催化還原)技術(shù)，通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化PM，機(jī)外催化還原；另一種是EGR(廢氣再循環(huán))+DPF(微粒捕集器)+DOC(氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)，通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化降低NOx，機(jī)外通過(guò)微粒捕捉器過(guò)濾PM。

 

歐Ⅴ階段：在該階段，對(duì)PM的要求與歐Ⅳ相同，僅對(duì)NOx的排放做了進(jìn)一步限制。其技術(shù)路線在歐Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，根據(jù)歐Ⅳ階段采取的技術(shù)路線的不同，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。采用SCR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)容易，只需要進(jìn)行部分配件和電控參數(shù)上的局部調(diào)整，而采用EGR技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)則需要在管路上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改動(dòng)較大?？傊诿恳患?jí)的排放技術(shù)提升中，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和排氣后處理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

 

國(guó)內(nèi)排放實(shí)施時(shí)間

 

為了早日與世界接軌，我國(guó)正積極地實(shí)施更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，特別是制定了中重型柴油車的排放標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)施步驟是： 2007年初引進(jìn)歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，2010年引進(jìn)歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)

 

B、 中國(guó)國(guó)Ⅲ排放技術(shù)之爭(zhēng)

 

1. 國(guó)Ⅲ排放實(shí)施路線

 

從歐洲的發(fā)展看，歐Ⅱ到歐Ⅲ和歐Ⅲ到歐Ⅳ，不是一個(gè)量的進(jìn)步方式，而是質(zhì)的飛躍。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)從機(jī)械式噴油變?yōu)楦咏?jīng)濟(jì)和高效率的電子噴油。在尾氣處理上增加一些微粒捕集器、催化劑之類，進(jìn)一步提高排放和燃燒效率。

 

目前，國(guó)內(nèi)車用柴油機(jī)針對(duì)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的燃油系統(tǒng)技術(shù)路線主要有四種：電控泵噴嘴(EUI)、高壓共軌(Common Rail)、電控單體泵(EUP)和電控直列泵(EIL)+EGR。在這四種技術(shù)路線中，德爾福在中國(guó)市場(chǎng)針對(duì)中輕型車推廣共軌技術(shù)，針對(duì)重型車提供泵噴嘴和單體泵技術(shù)；博世在中國(guó)市場(chǎng)主推高壓共軌系統(tǒng)；電裝目前正在研發(fā)第3代、第4代共軌系統(tǒng)和為中國(guó)市場(chǎng)的共軌系統(tǒng)作適應(yīng)性二次開發(fā)；而中國(guó)重汽則推出電控直列泵(EIL)+EGR，由于價(jià)格便宜(比共軌便宜1.5萬(wàn)元左右)，一經(jīng)推出就受到市場(chǎng)的追捧。但剛開始實(shí)行國(guó)Ⅲ的時(shí)候，市場(chǎng)上幾乎一邊倒都主推共軌技術(shù)，而重汽的電控直列泵(EIL)+EGR則被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手戲稱為“假國(guó)Ⅲ”。國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的技術(shù)路線之爭(zhēng)都已經(jīng)到了白日化階段，現(xiàn)對(duì)各種路線做一個(gè)剖析。

 

(1) 電控泵噴嘴技術(shù)(EUI)

 

在泵噴嘴系統(tǒng)中，電控油泵和噴油嘴之間沒(méi)有管路連接，做成一體直接安裝在氣缸蓋上，這樣不占用更多的空間。每一個(gè)油泵都由頂置凸輪軸同時(shí)驅(qū)動(dòng)氣門和泵噴嘴，頂置凸輪軸必須具有極高的硬度和剛度以承受噴油器產(chǎn)生的高壓。同時(shí)，凸輪軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也需要專門設(shè)計(jì)。電控泵噴嘴系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，噴油嘴孔徑非常小，所以燃油噴射壓力非常高，形成優(yōu)良的混合氣，確保燃油霧化良好，燃燒效率很高，同時(shí)還可以精確控制噴油始點(diǎn)和噴油量，從而提高柴油機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用該項(xiàng)技術(shù)的車用柴油機(jī)可滿足歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，峰值壓力可達(dá)到2000bar。

 

該技術(shù)被沃爾沃、曼、依維柯、東風(fēng)、陜汽等企業(yè)采用，另外，美國(guó)康明斯的全電控發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的也是電控泵噴嘴技術(shù)，目前采用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)全球保有量已經(jīng)超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)，行駛里程達(dá)3000億km，是久經(jīng)考驗(yàn)的成熟產(chǎn)品。

 

(2) 高壓共軌技術(shù)(Common Rail)

 

“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的縮寫，意為高壓共軌柴油直噴系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高壓油泵、噴油管、高壓蓄壓器(共軌)、噴油器、電控單元、傳感器及執(zhí)行器組成。在高壓油泵、壓力傳感器和ECU組成的閉環(huán)系統(tǒng)中，噴射壓力的產(chǎn)生和噴射過(guò)程彼此完全分開，由高壓油泵把高壓燃油輸送到公共供油管，通過(guò)控制高壓油泵電磁閥開啟持續(xù)時(shí)間從而對(duì)公共供油管內(nèi)的燃油壓力實(shí)現(xiàn)精確控制；通過(guò)控制噴油器電磁閥開啟時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間從而控制噴射提前角、燃油噴射量。高壓油管壓力大小與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，可以大幅度減小柴油機(jī)供油壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工作過(guò)程，在有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平的同時(shí)，還能夠改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低燃燒噪聲。采用該技術(shù)的國(guó)外公司有沃爾沃、奔馳、曼，國(guó)內(nèi)公司有陜汽、解放、歐曼、紅巖等企業(yè)，國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家有濰柴、玉柴、錫柴。高壓共軌技術(shù)成為目前能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)應(yīng)用最廣泛。

 

(3) 電控單體泵技術(shù)(EUP)

 

單體泵指一個(gè)氣缸一個(gè)油泵，這里的油泵指的是高壓油泵，或稱為噴油泵。電控單體泵技術(shù)的主要技術(shù)特征是其油泵與配氣機(jī)構(gòu)共用一根凸輪軸，使結(jié)構(gòu)得到最大程度的簡(jiǎn)化，并縮短了油泵出油口到噴油器的管路距離。由于油泵提升壓力原理與直列泵類似，所以其噴油規(guī)律為“三角形”的前緩后急的特征，一定程度上有利于燃燒過(guò)程的優(yōu)化，最高壓力可達(dá)到1800~2000bar。該技術(shù)用在奔馳、珀金斯、依維柯、道依茨，國(guó)內(nèi)有道依茨一汽大柴、玉柴等。

 

電控單體泵系統(tǒng)已在歐美成功使用了十多年，被公認(rèn)為性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)的電控燃油噴射系統(tǒng)之一。在近幾年內(nèi)，歐洲和北美的重型車生產(chǎn)商仍將會(huì)采用電控單體泵系統(tǒng)。對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，單體泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)非常少，只在油路系統(tǒng)做些變化。而且，單體泵對(duì)油品質(zhì)量的忍耐程度比共軌系統(tǒng)好很多。由于一直以來(lái)沿襲前蘇聯(lián)的煉油模式，中國(guó)柴油除了雜質(zhì)高之外，硫含量也非常大。目前，歐洲可以達(dá)到每百萬(wàn)單位10~15個(gè)單位含量的硫(10~15PPM)，在中國(guó)平均水平只有300PPM，北京的最好水平也就是50PPM。

 

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 (4) 電控直列泵(EIL) +EGR技術(shù)

 

電控直列泵+EGR技術(shù)全稱為機(jī)械式電控直列泵燃油噴射系統(tǒng)和冷卻的電控EGR(廢氣再循環(huán))技術(shù)。該技術(shù)是由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(電控單元)進(jìn)行控制，通過(guò)進(jìn)氣溫度傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、水溫傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、油門傳感器以及車輛制動(dòng)信號(hào)來(lái)感知發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài)，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環(huán)比率，引回部分廢氣與新鮮空氣共同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)參與燃燒，既降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的NOx含量。

 

目前，國(guó)內(nèi)中國(guó)重汽宣稱擁有國(guó)家工信部與環(huán)保部認(rèn)可的電控直列泵+EGR技術(shù)的國(guó)Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)入2009年，一汽錫柴、玉柴、上柴、濰柴、康明斯等也都提供電控直列泵+EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，但都沒(méi)有得到環(huán)保部的認(rèn)可。

 

大量國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究都表明：電控泵噴嘴系統(tǒng)、電控高壓共軌系統(tǒng)、電控單體泵系統(tǒng)、電控直列泵系統(tǒng)等都有滿足目前國(guó)Ⅲ和將來(lái)國(guó)Ⅳ排放要求的能力。這四種系統(tǒng)因各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在技術(shù)上各有各的特點(diǎn)。就國(guó)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)發(fā)展來(lái)說(shuō)，是因地制宜，要從成本、性能、匹配、售后服務(wù)等各方面綜合來(lái)分析，選擇適合自己、適合國(guó)情的發(fā)動(dòng)機(jī)排放路線。

 

 2. 國(guó)外主流廠家電噴技術(shù)路線

 

表3是歐美主流廠家發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)Ⅲ所采用的技術(shù)路線，從中可以看出，電控高壓共軌為主流技術(shù)，其次為泵噴嘴。多種技術(shù)并行的有PACCAR公司，采用電控高壓共軌與單體泵，康明斯采用電控高壓共軌與泵噴嘴，梅塞德斯奔馳采用泵噴嘴與單體泵。

 

3. 2009年國(guó)Ⅲ排放之爭(zhēng)

 

自重汽2008年7月1日推出EGR國(guó)Ⅲ車型后，便遭到同行的懷疑，戲稱為“假國(guó)Ⅲ”。但由于重汽的EGR國(guó)Ⅲ車型由于價(jià)格便宜，市場(chǎng)表現(xiàn)良好。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)表明，重汽在去年至今連續(xù)十幾個(gè)月都蟬聯(lián)重卡市場(chǎng)銷量冠軍，并且在2009年17月市場(chǎng)份額上升到32%。

 

但又聽說(shuō)為了應(yīng)對(duì)重汽的挑戰(zhàn)，早在今年初濰柴、玉柴、錫柴、東風(fēng)康明斯等紛紛推出EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。今年一季度裝配東風(fēng)康明斯EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的東風(fēng)商用車、裝配玉柴EGR發(fā)動(dòng)機(jī)的東風(fēng)柳汽、裝配錫柴EGR機(jī)型的一汽解放J5等各家重卡產(chǎn)品已經(jīng)在終端市場(chǎng)上批量投放和運(yùn)營(yíng)，其技術(shù)路線主要為內(nèi)置式廢氣再循環(huán)路線，而內(nèi)置式EGR則被重汽稱為“假EGR”。自去年7月1日開始的真假國(guó)Ⅲ之爭(zhēng)，演變到今年的真假EGR之爭(zhēng)，市場(chǎng)出現(xiàn)戲劇性的變化。

 

目前國(guó)內(nèi)EGR主要有兩種：外置式EGR與內(nèi)置式EGR。各主流發(fā)動(dòng)機(jī)廠EGR發(fā)動(dòng)機(jī)及其技術(shù)路線見(jiàn)表4。

 

(1)外置EGR路線。以電子機(jī)械泵和冷卻式廢氣再循環(huán)技術(shù)為典型特征，以重汽、大柴道依茨為代表，通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)殼外安裝電控EGR閥和電控單元，根據(jù)瞬時(shí)工況和廢氣控制電磁閥開度，以達(dá)到國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)。

 

(2)內(nèi)置EGR路線。該技術(shù)經(jīng)過(guò)精確測(cè)算，通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸的機(jī)械運(yùn)行，使氣缸排氣門在進(jìn)氣時(shí)保持3％6%的開度，從而達(dá)到溢出廢氣與進(jìn)氣按不同比例混合的效果，使發(fā)動(dòng)機(jī)排放實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅲ。代表性企業(yè)包括一汽錫柴、玉柴和東風(fēng)康明斯。

 

目前，一汽集團(tuán)中等功率柴油機(jī)采用外置EGR技術(shù)，主要由旗下的大柴道依茨合資公司生產(chǎn)；大功率柴油機(jī)則走內(nèi)置EGR路線，由無(wú)錫柴油機(jī)廠負(fù)責(zé)。濰柴既開發(fā)出外置式EGR發(fā)動(dòng)機(jī)，也有內(nèi)置EGR發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。

 

現(xiàn)在市場(chǎng)上用戶對(duì)國(guó)Ⅲ排放路線的認(rèn)識(shí)更加理性。 經(jīng)過(guò)近一年的熟悉，他們也漸漸的理解共軌國(guó)Ⅲ的優(yōu)勢(shì)：油耗低、故障率低。所以在公路用車如牽引車開始接受共軌發(fā)動(dòng)機(jī)，而在工程用車如自卸車等選擇價(jià)格更便宜的EGR發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

C、國(guó)Ⅳ排放技術(shù)發(fā)展

 

1. 國(guó)Ⅳ排放技術(shù)情況

 

國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家第四階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，是控制和減少汽車排放污染物到規(guī)定數(shù)值以下的標(biāo)準(zhǔn)。

 

國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)之前，柴油機(jī)排放可以通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)來(lái)解決污染物的排放控制，達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，而從國(guó)Ⅳ開始，除了改進(jìn)燃油噴射系統(tǒng)、優(yōu)化燃燒過(guò)程等機(jī)內(nèi)凈化措施外，還必須增加裝置才能使排放達(dá)標(biāo)。

 

歐美主要采用了兩條機(jī)外后處理技術(shù)路線：

 

其一是SCR(選擇性催化還原)技術(shù)路線(見(jiàn)圖2)，它是通過(guò)優(yōu)化噴油和燃燒過(guò)程，盡量在機(jī)內(nèi)控制微粒的產(chǎn)生，在機(jī)外后處理過(guò)程，采用尿素溶液對(duì)NOx進(jìn)行選擇性催化還原。這一技術(shù)路線在歐洲占主流，歐洲長(zhǎng)途載貨車通常采用SCR技術(shù)，而短途運(yùn)輸或者城市公交車則選擇EGR+DPF技術(shù)。采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、馬克、底特律柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、戴姆勒克萊斯勒、沃爾沃、達(dá)夫、依維柯。

 

其二是EGR+DPF/DOC(廢氣再循環(huán)+微粒捕集器/氧化催化轉(zhuǎn)換器)技術(shù)路線(見(jiàn)圖3)，它以廢氣再循環(huán)為基礎(chǔ)，在機(jī)內(nèi)抑制NOx的產(chǎn)生，在機(jī)外后處理過(guò)程中采用微粒捕集器對(duì)微粒進(jìn)行捕捉。這一技術(shù)路線在北美市場(chǎng)占主流，目前采用該技術(shù)路線的主要有康明斯、卡特彼勒、萬(wàn)國(guó)、斯堪尼亞、曼等。

 

兩種技術(shù)路線各有優(yōu)缺點(diǎn)(見(jiàn)表5)，采用SCR方案，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不須做進(jìn)一步的強(qiáng)化處理。燃油中的硫含量對(duì)于系統(tǒng)的影響較小，可回避燃油含硫量高的難題，而硫含量高是國(guó)產(chǎn)柴油近幾年難以克服的技術(shù)問(wèn)題。采用SCR方案可通過(guò)調(diào)整噴油特性而節(jié)省燃油消耗約5％，但需在加油站設(shè)立相關(guān)的尿素溶液補(bǔ)充設(shè)備，整車也需增加一套尿素貯存和轉(zhuǎn)化裝置而使成本增加。采用EGR+ DPF/DOC方案需對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化，提高噴油壓力和增壓中冷能力。其次，需提高微粒捕集器的再生能力，還有對(duì)燃油含硫量要求較嚴(yán)，且燃油消耗較高，但不增加額外的裝置，用戶只要定期更換微粒捕集器。

 

在歐洲主要以SCR技術(shù)占主流，而在北美卻以EGR+DPF為主流，這主要因?yàn)槊绹?guó)燃油價(jià)格較歐洲低，車主對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性不敏感，卻需要考慮施用尿素帶來(lái)的成本增加。其次，US2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)新車提出15萬(wàn)km無(wú)維修要求，而SCR技術(shù)則需要大約5000km就要添加一次尿素。第三，采用SCR技術(shù)還需要向美國(guó)EPA申請(qǐng)?zhí)貏e許可。

 

目前對(duì)于國(guó)內(nèi)到底該用那種方案，雖然還很難確定，但取得的共識(shí)和歐洲市場(chǎng)基本相同，對(duì)于用于中長(zhǎng)途的牽引車，SCR技術(shù)更加適合，對(duì)于中短途的車輛及排量較小的輕、微卡EGR+DPF技術(shù)較為合適。這主要是因?yàn)椋?/FONT>

 

第一、采用SCR系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論大小，都需要安裝一套尿素定量控制和噴射系統(tǒng)，成本隨排量變化不大。而EGR技術(shù)所使用的微粒捕捉器，會(huì)因排量不同而產(chǎn)生巨大成本差異。所以小型柴油機(jī)使用EGR技術(shù)，制造成本要遠(yuǎn)低于大型柴油機(jī)。

 

第二、由于SCR技術(shù)僅在一定的工作溫度范圍內(nèi)才能有效果，所以更適合長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷工作的重型柴油機(jī)。EGR+DPF成本增加較小，所以對(duì)于工況復(fù)雜、價(jià)格敏感的自卸車、中短途載貨車比較適合。

 

第三、成本因素。對(duì)于長(zhǎng)途物流來(lái)說(shuō)，燃油經(jīng)濟(jì)性是最關(guān)鍵的因素，較低的油耗會(huì)使用戶愿意克服尿素添加所帶來(lái)的不利因素，從而選擇SCR技術(shù)。DPF要求定期進(jìn)行清洗，長(zhǎng)途物流難以保證。

 

2. 國(guó)Ⅳ排放實(shí)施時(shí)間分析

 

根據(jù)之前國(guó)家有關(guān)規(guī)定，重卡柴油機(jī)國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)將在2010年1月1日實(shí)行，根據(jù)國(guó)Ⅲ的實(shí)行情況，以及國(guó)外國(guó)Ⅲ到國(guó)Ⅳ需要5年的切換時(shí)間，因此除北京、上海、深圳等地區(qū)外，全國(guó)大部分地區(qū)的國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行可能會(huì)延期2年左右，即型式核準(zhǔn)會(huì)在2012年1月1日實(shí)行，新車銷售、上牌將會(huì)在2013年1月1日?qǐng)?zhí)行。表6是針對(duì)國(guó)內(nèi)國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行原時(shí)間及預(yù)測(cè)時(shí)間表。

 

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3. 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)國(guó)Ⅳ技術(shù)路線選擇

 

雖然國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行會(huì)有延期，但是北京、上海、深圳等地區(qū)將會(huì)率先實(shí)行國(guó)Ⅳ排放，為了未雨綢繆，國(guó)內(nèi)主流重卡發(fā)動(dòng)機(jī)廠家也早就開始了國(guó)Ⅳ發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)以及技術(shù)路線的選擇，表7是國(guó)內(nèi)主流廠家國(guó)Ⅳ機(jī)型及所采用的技術(shù)路線。從表7可以看出，國(guó)Ⅳ排放，國(guó)內(nèi)主流廠家比較認(rèn)可SCR技術(shù)路線，一汽兩種路線并舉，重汽仍然青睞EGR+DPF。

 

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D、我國(guó)重型車滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線選擇

 

世界各國(guó)越來(lái)越關(guān)注汽車尾氣的排放了，從日益嚴(yán)格的法規(guī)可以證實(shí)這一點(diǎn)：歐洲法規(guī)規(guī)定，自2006年1月起，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)載貨車排放需達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，2009年1月達(dá)到歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)；美國(guó)即將實(shí)施的法規(guī)比歐Ⅳ和歐Ⅴ還要嚴(yán)格；日本也緊隨其后。為了早日與世界接軌，我國(guó)正積極地實(shí)施更為嚴(yán)格的排放法規(guī)，特別是制定了中重型柴油車的排放標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)施步驟是：2007年初引進(jìn)歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)，2010年引進(jìn)歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，至于歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)何時(shí)引進(jìn)還未確定。

 

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一、更加嚴(yán)格的歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)

 

從歐Ⅱ到歐Ⅲ，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，比如加強(qiáng)中冷對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，將機(jī)械噴射系統(tǒng)換為電控高壓噴射系統(tǒng)等。這樣不但降低了燃油消耗量，而且氮氧化物和顆粒物都有所下降，氮氧化物從7g/kWh降低到5g/kWh，顆粒物從0.15g/kWh降低到0.1g/kWh。歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮氧化物和顆粒物提出了更高的要求，下圖是歐0到歐Ⅴ氮氧化物和顆粒物的排放限值，它們是逐級(jí)減少的，從歐Ⅲ到歐Ⅳ，顆粒物排放限值從0.1g/kWh降低到0.02g/kWh，NOx排放限值從5g/kWh降低到3.5g/kWh。歐Ⅳ和歐Ⅴ的顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，但是NOx從3.5g/kWh降低到2.0g/kWh。在歐Ⅲ的基礎(chǔ)上僅僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化雖然可以繼續(xù)降低排放，但是不足以滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，還需要增加其他的技術(shù)。

 

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二、滿足歐Ⅳ/Ⅴ排放法規(guī)的技術(shù)方案

 

要使得NOx和顆粒物的排放達(dá)到法規(guī)的要求，現(xiàn)有兩種方案可以選擇：一是EGR（廢氣再循環(huán)）＋DPF（柴油微粒過(guò)濾器）系統(tǒng)，通過(guò)EGR降低NOx，用DPF捕集顆粒物并通過(guò)再生技術(shù)除去顆粒；或者采用EGR＋POC（顆粒物氧化催化劑），其工作原理和EGR＋DPF相似，只是顆粒物轉(zhuǎn)化效率較低。二是改變發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，使顆粒物排放達(dá)到法規(guī)要求，但是同時(shí)會(huì)增加NOx的排放，所以在排氣管中安裝SCR（選擇性還原催化器）系統(tǒng)來(lái)降低NOx的排放。

 

1、EGR＋DPF系統(tǒng)

 

對(duì)于廢氣再循環(huán)來(lái)說(shuō)，一部分廢氣取自排氣歧管，在EGR冷卻器中冷卻后再混入進(jìn)氣中。EGR總的廢氣流量由EGR閥門控制。將廢氣與進(jìn)氣混合可以降低缸內(nèi)氧氣濃度，從而在燃燒過(guò)程中降低氣體的最高溫度同時(shí)降低氮氧化物的排放。但是同時(shí)由于燃燒以及改良的缸內(nèi)氣體交換和顆粒物后處理裝置的造成背壓等因素使得油耗將會(huì)增加。

 

但是，氣缸內(nèi)的氧氣濃度的降低會(huì)增加顆粒物的排放，所以需要加裝一個(gè)吸收顆粒物的裝置。柴油微粒過(guò)濾器（DieselParticulateFilter，DPF）就是這樣一種裝置，它通過(guò)過(guò)濾或/和化學(xué)反應(yīng)來(lái)降低排氣中顆粒物。圖3就是一種高效率、壁面流動(dòng)式過(guò)濾器，它可以減少90%的柴油微粒排放。DPF的基質(zhì)由多孔材料組成，有的是陶瓷，有的是金屬。它由很多管道組成，這些管道的入口和出口之一是封閉的，如圖所示，廢氣從左邊進(jìn)入，因?yàn)槌隹谑欠忾]的，所以廢氣只能通過(guò)蜂窩狀的管壁進(jìn)入相鄰的只有出口開放的管道。當(dāng)穿過(guò)管壁的時(shí)候顆粒物會(huì)從排氣氣流中分離出來(lái)并在管壁上堆積，過(guò)濾效率在80%～90%之間，根據(jù)過(guò)濾器的材料和系統(tǒng)布局不同而不同。這些沉積在過(guò)濾器壁上的顆粒物要定期的清除掉，不然過(guò)濾器就會(huì)被堵塞，這就是過(guò)濾器的再生。

 

如果發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，那么廢氣的溫度足以燃燒掉這些顆粒物，在DPF的上游安裝一個(gè)氧化催化劑，它可以氧化柴油排氣中的大部分HC、CO和顆粒中的可溶有機(jī)成分SOF，但是發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，廢氣的溫度是不足以啟動(dòng)再生過(guò)程的，所以需要其他的輔助裝置使得過(guò)濾器再生，主要的方法有：燃燒器再生、電熱再生、催化劑再生等等。最近美國(guó)和歐洲正在應(yīng)用的連續(xù)再生過(guò)濾器（CRT，Continuous Regenetatig Trap）可以很好的解決再生問(wèn)題。

 

但是這些有貴金屬涂層的顆粒物后處理系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：如果廢氣中有硫的話會(huì)將硫轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。只有燃油中的硫含量低于20ppm時(shí)（假設(shè)不包括燃油中所含的硫的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)排放的微粒物不超過(guò)0.01g/kWh）才可能達(dá)到歐Ⅳ/Ⅴ要求的顆粒物排放，所以如果采用此方案，不能使用歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)（燃油中硫含量最高為350ppm）或者油品更差的燃油，因?yàn)檫@樣不僅達(dá)不到顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)，而且可能使系統(tǒng)受到損害。例如：發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)受EGR系統(tǒng)產(chǎn)生的硫酸的腐蝕；DPF再生會(huì)被硫酸鹽鈍化，并且過(guò)濾器會(huì)被堵塞并不可恢復(fù)。因此車輛使用的燃油最低也要達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。
使用EGR系統(tǒng)的另一個(gè)問(wèn)題是：從EGR冷卻系傳出的熱量會(huì)轉(zhuǎn)移到發(fā)動(dòng)機(jī)的水循環(huán)系統(tǒng)，如果車輛的水冷器要符合歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，其水冷能力就要增加30%，要符合歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)就要增加50%。但是對(duì)于中國(guó)的卡車來(lái)說(shuō)，車輛上的空間是有限的，要安裝一個(gè)增大了冷卻器確實(shí)存在困難。

 

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2、SCR系統(tǒng)

 

為了降低排氣中的顆粒物可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，比如高壓噴射、噴射正時(shí)提前以及加大渦輪增壓器的增壓壓力比等，這樣可以使顆粒物符合歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，但是會(huì)增加氮氧化物的排放，應(yīng)用SCR（Se lective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)就可以解決此問(wèn)題。

 

選擇性還原催化器是指安裝在柴油汽車排氣系統(tǒng)中，將柴油機(jī)排氣中的NOx催化還原成N2和O2的催化轉(zhuǎn)化裝置。SCR系統(tǒng)通過(guò)還原劑把氮氧化物轉(zhuǎn)化為N2和O2，一般是選擇尿素水溶液作為還原劑。尿素水溶液噴射到催化劑逆流方向的排氣管中，在廢氣溫度和氣流作用下氣化分解為CO2和氨水，氨水作為還原劑將NOx還原為無(wú)污染的氮?dú)夂退?/FONT>

 

尿素溶液必須根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況定量噴射，所以定量噴射單元的邏輯電路是與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元相連接的。SCR的工作效率取決于氣體的溫度，如果在200℃和500℃的溫度范圍內(nèi)工作，其效率是85%，實(shí)際車輛的操作條件都可以達(dá)到這個(gè)要求。歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)要求轉(zhuǎn)化率是50%，歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)是70%，所以SCR系統(tǒng)完全滿足要求。

 

SCR系統(tǒng)需要的尿素水溶液是32.5%的高純尿素溶液，它必須儲(chǔ)藏在車上的獨(dú)立的儲(chǔ)藏罐中，且要滿足嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以保證SCR系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。AdBlue品牌就能保證其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，它是一種人工合成的無(wú)毒、無(wú)味的液體，并且對(duì)水的污染是最低級(jí)別，使用它是簡(jiǎn)單且安全的。目前在歐洲已經(jīng)有1500家左右的加注站了，并且仍然在增加，它的價(jià)格僅是柴油的一半左右。其消耗量也是很低的，滿足歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的消耗量大約是燃油消耗的3.5%，滿足歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)大約是燃油消耗的5%。

 

SCR系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)是對(duì)燃油中硫含量的要求不高，即使使用歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)的燃油也可以滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)。也就是說(shuō)即使不能及時(shí)的在全國(guó)提供歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的燃油，裝載了SCR系統(tǒng)的車輛也可以在全國(guó)范圍內(nèi)行駛。并且此系統(tǒng)可以很合適的裝在一輛卡車上，而不像EGR系統(tǒng)那樣需要更大的冷卻裝置。

 

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3、EGR＋DPF系統(tǒng)和SCR系統(tǒng)的比較

 

EGR＋DPF系統(tǒng)需要高質(zhì)量超低硫燃油，其含硫量要小于20ppm，而且在新的排放標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)前1年燃油供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施就要準(zhǔn)備就緒，石油行業(yè)也需要更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整，在歐洲，石油行業(yè)的改造過(guò)程大約用了10年?？梢?jiàn)要實(shí)施此方案的成本很高，且時(shí)間較長(zhǎng)。相比之下，SCR系統(tǒng)對(duì)燃油質(zhì)量的要求就相對(duì)較低，硫含量在200ppm左右就可以了，也就是說(shuō)在只能提供歐Ⅲ燃油的情況下就可以提前引進(jìn)歐Ⅳ車輛了。它需要的是像AdBlue這樣的附加觸媒。AdBlue是一種尿素水溶液，它無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)危險(xiǎn)，操作方便、安全。并且在歐洲已經(jīng)得到了應(yīng)用，根據(jù)歐洲市場(chǎng)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，我國(guó)在2010年前在全國(guó)推廣AdBlue技術(shù)是可行的，這就需要汽車行業(yè)和政府的大力支持。

 

另外，燃油消耗率也是要考慮的一個(gè)因素。在歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)上看，SCR系統(tǒng)較EGR＋DPF系統(tǒng)節(jié)省3%～5%的燃油，在歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)上看，SCR系統(tǒng)較EGR＋DPF系統(tǒng)節(jié)省10%的燃油。雖然SCR系統(tǒng)需要消耗AdBlue，但是其消耗量?jī)H為柴油消耗量的3.5%（從成本來(lái)講是柴油消耗的1.7%），而EGR＋DPF系統(tǒng)會(huì)多消耗7%的柴油，可見(jiàn)SCR系統(tǒng)在燃油消耗上的優(yōu)勢(shì)高于EGR＋DPF系統(tǒng)。

 

三、我國(guó)重型車滿足歐Ⅳ/Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)路線選擇

 

我國(guó)最終會(huì)選擇哪種方案這就要看到2010年中國(guó)市場(chǎng)能夠提供超低燃油還是AdBlue。我國(guó)更適合采用SCR技術(shù)方案，因?yàn)槟蛩厮芤旱奶峁┻€是較容易的，而超低燃油對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)確實(shí)存在很大的困難，目前我國(guó)的燃油標(biāo)準(zhǔn)還未達(dá)到歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)（硫含量為350ppm），到2010年達(dá)到30ppm是不大可能的。如果我國(guó)采用了SCR技術(shù)，那么達(dá)到超低燃油的柴油脫硫工作就可以延遲到引進(jìn)歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再進(jìn)行，這就為石油行業(yè)提供了更多的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

 

SCR系統(tǒng)更適合中國(guó)市場(chǎng)還有以下幾個(gè)原因：

 

（1）能夠節(jié)省燃油消耗。如前所述，SCR系統(tǒng)的燃油消耗相對(duì)于EGR＋DPF系統(tǒng)稍低一些，它的AdBlue的消耗量也可在燃油消耗上得到補(bǔ)償。

 

（2）現(xiàn)在采用了此技術(shù)，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都可以滿足排放法規(guī)定的要求，一直到歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)。

 

（3）此系統(tǒng)不同于EGR＋DPF系統(tǒng)，要增加冷卻器的體積，它只需一個(gè)附加的貯藏罐，這對(duì)于車輛駕駛室的設(shè)計(jì)影響不大。

 

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜性低。此系統(tǒng)可以同時(shí)滿足歐Ⅳ和歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，可以在部分地區(qū)提前引進(jìn)，只需設(shè)立尿素加注站。

 

四、結(jié)束語(yǔ)

 

綜上所述，SCR系統(tǒng)更適合中國(guó)。但是要使此技術(shù)在我國(guó)得到應(yīng)用，還存在很多問(wèn)題：首先是技術(shù)問(wèn)題，需要對(duì)歐Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，再加上后處理裝置，技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)零部件多。為了符合新標(biāo)準(zhǔn)要求，可能要借鑒國(guó)外的成熟技術(shù)。再者就是成本問(wèn)題，SCR技術(shù)其實(shí)比DPF技術(shù)更復(fù)雜，成本也相對(duì)較高；發(fā)動(dòng)機(jī)基本上都是采用高壓共軌技術(shù)，此技術(shù)的成本約為發(fā)動(dòng)機(jī)成本的一半，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)來(lái)講，壓力很大；雖然SCR系統(tǒng)相對(duì)于EGR系統(tǒng)來(lái)說(shuō)硫含量低至200ppm，但是中國(guó)的油品還未達(dá)到這個(gè)要求。還有尿素加注站的問(wèn)題，需要國(guó)家的規(guī)劃和大力支持。