商用車柴油機排放標準3大衍生問題解疑及技術路線匯總

李 安 楊立慧 萬 濤 |文

商用車柴油機排放標準3大衍生問題解疑及技術路線匯總

李 安 楊立慧 萬 濤 |文

國Ⅳ和國Ⅴ標準油品的主要差異是提升燃燒性能——抗爆性和排放優化——腐蝕性這2項指標。

Solutions to Three Major Issues by Commercial Vehicles Diesel Engine Emission Standard

This issue will open a discussion on three major issues by commercial vehicles diesel engine emission standard, and summarize various solutions to technology development.

本期我們將對上期衍生出來的3個問題進行討論，并將對柴油機排放升級的技術路線進行簡單匯總。

解疑3大問題

1.為什么我國排放標準沒有規定國Ⅵ排放限值？

從表1不難發現，北京的實際道路工況與歐洲的ETC和全球的WHTC相比還是有一定差異的，而且我國其他地區的道路更為復雜多變，所以為了客觀、有效地減少發動機排放物對環境的污染，我國沒有再按照歐洲標準制定出臺國Ⅵ標準。目前國內一些有責任心的發動機廠家已經著手研究、儲備符合我國道路工況的減排技術，相信在不久的將來，大家能看到一部與我國環境相關的國Ⅵ排放標準。

2.工況試驗排放情況和車輛實際運行排放情況是否有差異？

毫無疑問，回答是肯定的——有差異。于是PEMS(Portable Emission Measurement System，便攜式排放測試系統)檢測方法應運而生。這是一種安裝在實車上的測試系統，又稱“車載法”，可以進行臺架試驗，也可以進行實車運行試驗，所以這是最貼近實際運行的檢測方法。我國京Ⅴ排放標準《DB11_965-2013_重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法》明確規定使用PEMS系統檢測，又稱為“車載法”。

3.相應的排放限值是否需要不同品質的柴油？

不同的排放限值對燃油品質的要求也不相同。表2示出了國Ⅳ和國Ⅴ柴油的各項性能指標，從中可以看出2者之間的差異。

燃油品質的性能指標可以歸納為抗爆性、蒸發性、流動性、腐蝕性和安定性。

⑴抗爆性。柴油的抗爆性指標是十六烷值。十六烷值低，則燃料發火困難，滯燃期長，發動機工作狀態粗暴；十六烷值高，發火性能好，滯燃期短，燃燒均勻，發動機工作平穩；十六烷值過高，局部燃燒不完全，冒黑煙。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，十六烷值分別從49、46、45提升至51、49、47。

表1 不同國家道路行駛特征數據比較 %

表2 國Ⅳ和國Ⅴ柴油性能指標比較 %

⑵蒸發性。評定柴油蒸發性的指標包括餾程和閃點。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標沒有變化。

⑶流動性。評定柴油流動性的指標包括黏度、凝點和冷濾點。高精度的油泵及噴嘴柱塞主要靠柴油潤滑，對流體性能要求較高從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標沒有變化。

⑷腐蝕性。評定柴油腐蝕性的指標包括含硫化合物和含硫量。柴油中含硫化合物對發動機的工作壽命影響很大。從國Ⅳ到國Ⅴ的柴油硫含量從50 ppm降至10 ppm。從燃油品質解決了硫化物的污染，不僅能減少柴油燃燒產物對金屬的腐蝕，而且能切實減弱柴油車硫化物對大氣污染的程度。

⑸安定性。評定柴油安定性的指標包括總不溶物和10%蒸余物殘炭，也就是柴油是否容易變質。從國Ⅳ到國Ⅴ階段，這一指標沒有變化。

表3 歐Ⅰ到歐Ⅵ排放標準柴油機升級技術路線一覽 %

表4 滿足歐Ⅲ排放標準的2種技術路線對比 %

綜上所述，國Ⅳ和國Ⅴ標準油品的主要差異是提升燃燒性能——抗爆性和排放優化——腐蝕性這2項指標。

技術路線匯總

油品品質的升級是從燃燒源頭對排放進行控制的一種措施。下面，我們結合不同排放階段的污染物限值情況進行車輛技術升級的討論。由于通過優化燃燒過程可以減少CO和HC，所以我們重點討論PM和NOx這對矛盾的排放物。

針對不同階段的排放要求，柴油機需要進行相應技術路線的升級。渦輪增壓器和中冷技術使柴油機告別了負氧時代，進入富氧時代，從而實現了歐Ⅰ和歐Ⅱ排放標準。渦輪增壓器使柴油機功率質量比大幅提升，整機的動力經濟性顯著提高，隨著增壓效率的提升，燃燒效率也不斷提升，燃燒溫度升高使得NOx含量升高。由于機械式噴油系統的噴油控制相對粗放，在車輛冷啟動和急加速工況時還會有大量PM產生，所以歐Ⅲ排放標準需要進一步控制PM和NOx。

進入歐Ⅲ排放階段后，技術路線出現變化：一種是機械式噴油系統升級成電控噴油系統，該噴油系統又分為2種技術路線——高壓共軌和單體泵；另一種是在機械式噴油系統基礎上增加廢氣再循環系統。2種技術路線的優劣勢如表4所示。

歐Ⅳ在歐Ⅲ的基礎上進一步減少排放污染物，歐美出現了2種技術路線：電控噴油系統+SCR和電控噴油系統+EGR。

電控噴油系統+SCR技術路線是通過電控系統提高燃燒效率，減少PM，降低油耗。它不通過燃燒過程處理NOx，而是將該污染物交給排氣系統中的處理系統進行化學反應實現NOx的減少。由于是通過尿素加熱分解為NH3和NOx反應成N2和H2O，所以該技術路線需要社會資源的投入——尿素生產到購買的體系建設。此外該技術路線有一個明顯缺陷：在排溫低于200 ℃時，由于尿素水溶液無法分解，所以SCR不會工作，此時排放控制略差。

電控噴油系統+EGR技術路線彌補了我國國Ⅲ EGR技術路線燃燒粗獷的缺陷，但是PM控制需要排氣系統增加顆粒捕捉器PDF，該技術路線最大的優勢是僅發動機本身就解決了排放問題，不需要社會資源的投入，但是車輛的動力性和使用經濟性(PDF保養維護)相對SCR技術路線要弱一些。

滿足歐Ⅴ排放標準主要是降低NOx，PM相對歐Ⅳ標準沒有變化，所以我國針對國Ⅴ排放主要采用優化燃燒的方式實現。

嚴苛的歐Ⅵ排放使得發動機廠家必須使用渾身解數對排氣污染物進行控制，所以綜合了幾種排放技術路線的優勢：在SCR和EGR基礎上增加進氣控制、排氣控制、PM回收再處理等措施。此外，還有一種稱為DPF柴油機顆粒捕捉器的后處理技術。

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