1、小型非道路柴油机排放技术路线综述摘要：（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、阶段） 已经实施，为满足此法规，探讨一种开发低成本柴油机的路线。关键词：小型非道路柴油机 排放控制1.引言能源与环保是当今世界发展的两大主题。随着社会经济的发展，非道路用柴油机的污染物排放问题日益得到人们的普遍关注。世界主要国家均制定了非道路用柴油机的排放法规。要满足未来更严格的排放法规，需要对原有机型进行技术升级，进行排放控制研究。随着全球工业高度发展，环保已经成为人们最为关注的问题之，各国家和地区都先后推出了本地的环保法规来保护我们的地球。然而在城市大气污染中汽车和工程机械的污染是不可忽视的一
2、分，发达的国家首先在汽车上执行了排放法规，而后在工程机械其它内燃机动力设备上执行。我国在汽车和工程机械排放法规执上相对较晚，但从这几年汽车排放标准推进的进度来看是很快。中国农业的日渐现代化，小型非道路柴油机在农业上得到了广泛的应用。由于小型非道路柴油机的应用，节省了大量的劳动力，提高了我国粮食的产量，农业机械化是我国农业的必然趋势，所以小型非道路柴油机在我国还有很广泛的发展空间 1。2.排放的法规目前世界上非道路用机动设备排放标准以美国和欧盟的标准最具代表性。美国是世界上治理尾气排放最早的国家。1964 年，美国加利福尼亚州在世界上率先迈出了控制车辆尾气排放的第一步，1970 年美国国会通过了
3、“净化空气法案” ，并组建了美国联邦环保署(EPA)。同年，欧洲和日本也制定了相应的排放控制标准。此后的几十年，各国都相继制定了越来越严格的汽车排放标准。但非道路用机动设备尾气排放引起的空气污染问题，并未引起人们的重视。直到20 世纪 90 年代，欧美国家才开始着手研究和限制非道路用机动设备的尾气排放 2。非道路用柴油机的排放法规在美国最为严格，目前仅有美国和中国对所有功率段柴油机都提出其排放限值。中国的国家标准 GB20891-2007 给出了中国非道路用柴油机排放阶段和阶段的限值。美国、欧盟、日本的37kW 的非道路用柴油机法规排放限值如表 1、表 2 和表 3 所示，中国现行的37kW
4、的非道路用柴油机法规排放限值如表 4 所示。分析表 1表 4 可以看出，美国是控制排放最严的国家，最早提出控制非道路用柴油机排放。我国单缸柴油机产量最大，按功率计算占总产量的近 40%，因此从保护环境的角度出发，对全功率段提出排放限值要求是非常必要的。但我国起步较晚，以 2009 年 10 月执行第阶段限值为例，它与美国 2000 年开始执行的第阶段限值是相同的，两者相差10 年。日本和欧盟等国小功率、单缸柴油机用量较少，欧盟对 18kW 以下的柴油机尚未提出排放法规限值 3。表 1 美国37kW 的非道路用柴油机法规排放限值柴油机功率/kw 阶段 实施年份 CO HC+NOx PMTier1
5、 2000 8.0 10.5 1.00Tier2 2005 8.0 7.5 0.80P8Tier4 2008 6.6 7.5 0.40Tier1 2000 6.6 9.5 0.80Tier2 2005 6.6 7.5 0.808P18Tier4 2008 6.6 7.5 0.40Tier1 1999 5.5 9.5 0.80Tier2 2004 5.5 7.5 0.60Tier4 interln 2008 5.9 7.5 0.3028P37Tier4 final 2013 5.0 4.7 0.03表 2 欧盟37kW 的非道路用柴油机法规排放限值柴油机功率/kw 阶段 实施年份 CO NOx
6、HC PMP18 / / / / /Stage1 / / / / /Stage2 2001 5.5 8.0 1.5 0.818P37Stage3A 2008 5.5 7.5 0.6表 3 日本37kW 的非道路用柴油机法规排放限值柴油机功率/kw 阶段 实施年份 CO NOx HC PMP18 / / / / /8P18 Tier2 2003 5.0 9.0 1.5 0.8Tier2 2003 5.0 8.0 1.5 0.60Tier3 2007 5.0 6.0 1.0 0.3018P37Tier4 2012 5.0 4.0 0.7 0.02表 4 中国37kW 的非道路用柴油机强制标准的排放
7、限值柴油机功率 /kw 阶段 实施年份 CO NOx HC PMTier1 2007.10 12.3 18.4 /P18Tier2 2009.10 8.0 10.5 1.0Tier1 2007.10 8.4 12.9 /8P18Tier2 2009.10 6.6 9.5 0.8Tier1 2007.10 8.4 10.8 2.1 1.018P37Tier2 2009.10 5.5 8.0 1.5 0.8另外，从国外排放法规看，由于小功率柴油机多为单缸或两缸柴油机，对 18kW 以下的柴油机排放法规限值加严量相对较大，功率段要少，如美国从现在到 2013 年，法规有 Tier3，Tier4 初和
8、 Tier4 终共 3 个阶段，但18kW 以下的柴油机排放限值仅都为一个阶段限值。欧盟第阶段有A，B，C 对 37kW 以下的柴油机排放限值也仅为一个限值，但限值要求明显提高。这说明，小功率柴油机受结构、成本及用途等因素限值，降低排放的一些先进技术(如增压、EGR、电控等)难以应用。特别是单缸柴油机对较低要求的排放限值仅能通过机内净化解决，而高要求的排放限值也只能以机内净化为主，通过排气后处理(如氧化型催化器)解决。随着柴油机的广泛使用，柴油机的环境污染，噪声污染、冷起动性能及振动，已经成为衡量柴油机的技术水平的重要指标。应该借鉴国外先进管理经验，在加强立法和严格执法的同时，还应进一步依靠技
9、术进步和先进的测试设备支撑。要满足现行及未来的排放法规，就必须降低有害物质 CO、HC、NOx 和微粒的排放，采取各种技术措施，实现动力性，经济性和低排放目标。3.技术路线3.1 喷雾油束油线在燃烧室的周向分布设计通过油束油线在活塞顶燃烧室周边落点的几何分布可以讨论燃油与空气的周向混合的均匀性。对于传统的两气门发动机，考虑到进气、喷油和燃烧室的匹配要求，气缸中心、燃烧室中心、喷油嘴中心三者不能重合。由于油嘴中心与燃烧室中心不重合， 按在活塞顶投影布置油线落点的原则， 已有的设计有等圆弧、 等角度、等面积 3 种。所谓等圆弧是指落点之间的燃烧室的周壁等弧长，等面积是指两油线夹角在活塞顶上的扇形投
10、影面积相等，等角度是指相邻两油束在活塞顶平面的投影夹角相等。试验结果表明：油线等角度布置时，柴油机的低速性能较好；油线等面积布置时，柴油机的高速性能较好；油线等圆弧布置时，可在高低速之间取得折中的性能指标。此外，无论采用哪种方案布置油线，其喷孔的油束油线均应以燃烧室中心与油嘴中心形成的连线为中心对称布置，此时各油线的长度差值最小。因喷油器相对气缸中心倾斜安置， 各喷油孔与喷油嘴轴线之间有不同的倾斜角，造成喷油嘴各喷孔的喷油量不均等，由于存在各喷孔的喷油量差异，采用上述等面积布置油线显然不能实现周向等空燃比的油气分布。合理的周向油线布置原则应该是喷孔的喷油量偏差与活塞顶燃烧室油线夹角的投影面积大
11、小成对应关系 4。3.2 重新设计燃烧室结构燃烧室形状对室内的气体流动、油气混合和燃烧的进行影响很大，从提高性能、降低排放的全面要求出发，在设计时我们主要考虑以下几点:(1)增大燃烧室容积比，这对于提高柴油机的冒烟界限、降低碳烟和颗粒的排放都起到了很好的作用；(2)两种结构的共同之处是都由直口式结构改为缩口结构,径深比适当减小以增强燃烧室内涡流强度，从而加速了混合气的生成、避免局部混合气过浓。缩口结构形式的燃烧室虽然使燃烧室的燃烧温度略有上升，不利于控制 NOx 的排放；但它能够满足推迟供油的要求，这又很大程度上抑制了 NOx 的生成，最终推迟供油对 NOx 的抑制作用成为了主要影响因素，使得
12、 NOx 的排放大大降低 5。3.3 柴油机机体的改进设计在小型非道路柴油机机体进行有限元分析的基础上，对机体进行了强化改进，改进的指导思想是采用刚性化设计，在结构的刚度和强度上满足今后进一步提升平均有效压力的要求，在性能上满足排放要求，机体的气缸盖螺栓孔采用深沉孔结构，将气缸盖螺栓孔搭与主轴承盖螺栓孔搭通过较粗的加强肋联为一起，使机体在承受气缸爆发压力时变形降至最小。同时将机体裙部改为双曲面结构并布置合适的加强肋。通过以上改进措施大大强化了机体的刚性，减小了机体缸套孔在工作过程中的变形量 6。3.4 机体铸件质量水平的提高缸孔壁厚的均匀性除对柴油机的散热效果有影响外，更主要的是由于其壁厚不均
13、而产生较大的变形，这无疑会导致排放的进一步恶化。因此，重新设计制造铸模，采用新的缸体工艺生产铸件，使生产的铸件不但缸套孔壁厚均匀，其冷却水套形状以及铸件的强度、刚性、外观质量等都有明显的改善提高 7。3.5 配气相位的调整合适的配气相位对柴油机的性能和排放的有非常大影响。进气采用较小的早开晚关角，有利于最大扭矩点的充气效率。排气采用较小的晚关角，使气缸内留有适量的残余废气，以改善 NOX的排放。3.6 油泵油嘴的重新匹配为了降低排放，在供油系统上首先考虑提高喷油泵的泵端压力、提高供油速率。(1)泵端压力提高了以后，燃油雾化变好、油雾颗粒的平均直径减小，这使得燃油与空气的混合更加充分、燃烧更加充
14、分，柴油机经济性、动力性提升的同时，排放结果也得了改善。(2)当最大供油量一定并保持喷油终点不变时，供油速率增大时相应喷油正时减小，在各工况下 NOx 的浓度均减小。因喷油终点不变，放热规律受影响不大避免了烟度的上升和功率的下降，这比单独减小喷油正时的方法要好。为了提高泵端压力和供油速率，采用最直接有效的措施：加大凸轮轴升程和柱塞直径。喷油器的改进，主要从孔径、油束空间分布、压力室容积、开启压力等方面入手。适当增加开启压力并采用小孔多点喷射，使喷油颗粒更加细化、燃油与空气的混合更加充分均匀；根据燃烧室的形状和位置的不同对喷油器的油束空间分布进行重新设计，设计时充分考虑了喷油落点、油线夹角、进气
15、门位置等因素；在燃烧过程的后期喷油器的针阀虽然已经给关闭，但压力室内储存的燃油受高温影响膨胀，其中一部分以滴漏的形式进入燃烧室参加燃烧，生成了大量的 HC，为此减少压力室容积，这样对控制 HC 生成非常有效 8。3.7 微粒捕集器柴油机微粒捕集器，可将排气中微粒捕捉不使其排出机外，再利用催化剂，氧化器，燃烧器等进行分解、燃烧。这利装置可将柴油机排气中有害物微粒减少 70%90%。用来捕集微粒的过滤器的材料和结构有许多种，常用的有整体式陶瓷，金属丝网，纺织纤维圈，陶瓷纤维，泡沫陶瓷等。3.8 催化净化装置催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置，装在发动机的排气管中。催化剂能使发动机排气中的有害成
16、分加速转变成无害成分。催化净化方法有两种，一种是催化氧化法（如氧化催化反应装置） ，它以铂，钯，黄金，钴，镍等金属及其氧化作为催化剂，使有害成分一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）氧化成无害成分二氧化碳（CO 2）和水蒸气（H 2O） 。另一种是催化还原法（如氨选择性催化还原 NOX(NH3-SCR)） ，它以碱金属，钴铬合金作为催化剂，使有害成分氮氧化合物（NO X）还原为氮气（N 2）和氧气（O 2） 。氧化催化反应装置在车用发动机中已广泛应用，氨选择性催化还原 NOX(NH3-SCR)是当今 NOx 催化净化的研究热点之一 9。4.总结通过前期多方查阅资料，发现以下规律和改进途径：（1）
17、 改进机体的结构，提高刚性减少变形是有效改善柴油机排放的基础。（2） 合理优化燃烧室、镶块、高压油管的设计参数可以在低成本的基础上开发出满足严格排放法规的非道路用柴油机。（3） 采用微粒捕集器、催化净化装置也能有效地改善小型非道路柴油机的排放。从中可以看出唯有技术进步和先进的测试设备支撑才能最快达到排放限制。在以后的调研中，将继续深入研究实现小型非道路柴油机低排放的各种办法，对各种方法的技术路线、花费、排放优化程度进行详细总结，并找出最优的技术路线。5.参考文献1谭丕强，胡志远.非道路用直喷式柴油机排放性能改进.农业机械学报，2008:52郭红琦.工程机械柴油机的排放标准与控制技术.石家庄铁道
18、学院学报，2007:13张庚乾，吴洁红.非道路柴油机实现欧排放的技术路线研究.拖拉机与农用运输车，2006:44丁雨林.满足未来排放法规的非道路用柴油机技术.现代零部件，2008:45林晓磊.我国非道路柴油机排放标准现状及挑战.工程机械，2004:47张维海，李艳红.非道路多缸小缸径柴油机排放控制措施.内燃机与动力装置，2009:38王世龙.国内外非道路柴油机排气污染物标准及管理制度.建设机械技术与管理，2010:89丁洪春，李忠照.非道路移动机械用柴油机排放法规与控制策略.中国水运，2008:1随着非道路机械保有量的不断增加，非道路用发动机的污染物排放量也越来越受到关注。第阶段限值要求的实施
19、已经将近三年，车用发动机于 2013 年将执行国排放标准，非道路国排放标准的发布和实施时间已是相当紧迫，做好该类发动机国排放技术路线分析和应对策略是各发动机生产企业的当务之急。1 欧美排放法规分析和借鉴1.1 欧美非道路法规发展历程第一部欧洲非道路车辆排放法规发布于 1998 年 2 月 27 日（97/68/EC 指令），该法规的细则对非道路车辆用柴油机按输出功率范围规定了第阶段和第阶段的排放限值和实施时间。2002 年，欧盟委员会发布了对非道路车辆用发动机第/阶段排放标准的建议，并且在 2003 年 10 月为欧洲理事会所修改，第阶段排放标准从 2006 年2012 年，第阶段排放标准从
20、2014 年开始执行。第/阶段排放法规仅用于新的车辆和设备，已经在用的机械仍按第阶段和第阶段法规，一直到发动机被代替为止（见表 1）。美国在 1994 年采纳了联邦第一个对新的 37 kW 以上非道路车辆用柴油机排放标准（Tier 1），在19962000 年分步实施。1998 年，调整了 Tier 1 的细则，也用于 37 kW 以下非道路车辆用柴油机，并发布了 20002008 年分步采用更加严格的用于所有非道路车辆的排放标准 Tier 2 和 Tier 3 的时间表。Tier 13 排放标准是需要通过先进的发动机设计来达到的，而不用或仅限制使用排气后处理器（氧化催化剂）。Tier 3 排
21、放标准对于 NOx+HC 限值的严格程度与 2004 年道路车辆发动机的排放标准相似，但是，Tier 3排放标准没有采用 2004 年道路车辆发动机微粒（PM）的排放限值。 1.2 欧美典型发动机的统计分析欧美非道路用发动机广泛应用各类工程和建筑机械，如装载机、挖掘机、推土机、平地机、压路机、自卸车等，各种农业机械如联合收割机、拖拉机等。通过对 37-560kW 功率范围的共约 70 种发动机（包括同型发动机不同配置）统计，功率与排量关系如图 1，技术路线统计如表 2。2 国内非道路法规发展和国标准预案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、阶段）修改采用欧盟(EU)指令97
22、/68/EC（截止到修订版 2002/88/EC）关于协调各成员国采取措施防治非道路移动机械用压燃式发动机气态污染物和颗粒物排放的法律的有关技术内容。2006 年 9 月 8 日获得国家环保局批准，2007 年 10月 1 日实施第阶段限值要求，2009 年 10 月 1 日实施第阶段限值要求。第阶段限值要求已经将近实施三年，随着车机排放标准的不断升级，为适应环保要求非道路排放标准无论从时间上还是技术上都具备了升级的基础。2011 年，由国家环境保护部组织，济南检测中心起草了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（中国第三阶段）标准的征求意见稿，该意见稿修改采用欧盟(EU)指令97
23、/68/EC（截止到修订版 2004/26/EC）关于协调各成员国采取措施防治非道路移动机械用压燃式发动机气态污染物和颗粒物排放的法律的有关技术内容。所以，参考欧美标杆发动机技术路线对国内发动机排放升级发展具有重要意义（见表 2）。3 非道路第阶段排放基本技术对策3.1 玉柴发动机的基本技术路线通过统计分析，全球非道路第阶段排放发动机采用技术路线基本为：燃烧方式：直喷化，优化燃烧；进气系：4 气门、涡轮增压、增压中冷、高流量气道；燃料喷射系：电控单体泵、电控高压共轨、电控泵喷嘴，主要用于 75kW 以上发动机EGR：主要用于 4 缸机。欧美发动机排放标准体系完善，技术成熟，充分借鉴成熟的技术路
24、线可以起到事半功倍的效果，在技术研发和整机成本控本上都可以不走或少走弯路。 根据对欧美发动机的统计和分析，并参考其排量和功率的分布和技术路线，以及玉柴在车用发动机上对达标排放研究的经验，我们确定了公司各系列产品的国基本技术路线，如图 2。3.2 玉柴发动机达标国主要技术特点按以上排量和功率分布确定的技术路线，玉柴对应的发动机平台分别有 4F（2.66L）、4D（4.2L）、6J（6.5L）、6A（7.25L）、6L（8.4L）和 6MK（10.338L）。各平台发动机都已开发完成达标国要求，可以充分满足一致性生产的需要；部分机型完成 MTBF 超过 1000 小时的试验通过达标考核。以 4F
25、发动机为例，简要介绍发动机达标技术方案。该发动机基本技术参数见表 4。该发动机在开发过程中，在喷油系统方面，加大油泵柱塞直径和行程，提高泵端压力；选用小孔径喷油器，提高开启压力，增大夹角。发动机结构方面，优化凸轮轴型线、配气相位和气门升程以及缸盖涡流比 Rs和流量系数 Cf 参数，以增加发动机充气效率；还对燃烧室喉口直径、燃烧室坑深等进行优化改进，改善燃烧过程；增压机选用小蜗壳增压器。3.3 国发动机成本变化及应对策略发动机由国达标国排放，由于配置都有不同程度的提高，材料成本各有不同程度的提升。如 YC4F 发动机，高压油泵由 I 号泵提升为 PM 泵，发动机本体强度也需要加强，这些都会导致成
26、本的增加。而电控共轨发动机采用的是工程机专用共轨系统，比车用发动机系统的成本还要更高。经统计，各系列发动机成本增加大约 525%，如果将这些增加的成本全部转嫁给到终端将会给广大消费者带来沉重的经济负担，对市场的繁荣和稳定也会起到负面影响。借鉴国外和国内车用发动机的发展过程，通过每次排放升级都伴随着发动机排量优化的过程，强制执行国排放标准正是促进发动机排量小型化最佳时机。目前，国内工程机械、农用机械等非道路用发动机升功率都比较小，多采用自然吸气和增压的进气方式。对于 4L 以上排量发动机，国排放基本上都需要采用增压中冷技术，以提高升功率。那么，对于挖掘机、压路机、空压机等对瞬态响应能力不是特别高
27、的整机采用增压中冷技术，发动机排量小型化将会对整车成本、油耗水平以及 NVH 方面有更大贡献，特别是可以降低由于排放升级带来的成本增加。而对于装载机来说，由于用户对瞬态响应的盲目追求，发动机排量小型化可能需要更长的过程；而从另一方面来说，过小的升功率反而对排放指标控制不利，例如 50 型装载机动力只有 220 马力，10L 排量的发动机按这个功率指标显然是难以控制的；所以只要国家严格执行排放标准，严控一致性，装载机动力排量小型化进程定会加快。中国是一个负责任的大国，必须履行对国际上的排放承诺。非道路国排放标准的发布和实施将推动发动机技术发展,非道路用发动机必将成为排放清洁、节省能源的新型动力，各发动机生产企业也对此进行了充分的准备。
