淺談我國大功率內(nèi)燃機排放現(xiàn)狀及排放后處理發(fā)展規(guī)劃

呂明朗

摘要：本文通過對重載車、船舶和鐵路行業(yè)國內(nèi)排放標準及實施情況的介紹，闡述了大功率內(nèi)燃機滿足新排放法規(guī)所應采取的技術措施，并著重對SCR（選擇性催化還原）排放后處理技術現(xiàn)狀和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃進行了論述。

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.

關鍵詞：內(nèi)燃機;排放;后處理;SCR

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

中圖分類號：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0189-02

1? 不同行業(yè)排放標準制定及實施情況

面對全球化環(huán)境污染的加劇，世界各國已達成共識并著手采取各種有效措施，實施節(jié)能減排政策，不斷提高排放法規(guī)標準;同時各柴油機公司采用高壓共軌、米勒循環(huán)、高效增壓系統(tǒng)、后處理等關鍵核心技術以滿足排放法規(guī)要求。

1.1 重型柴油車排放標準制定及實施情況

我國制定的重型柴油車排放標準如表1所示。

從2007年實施國家第Ⅲ階段排放標準，到2010年施行國家第Ⅳ階段排放標準，再到2013年北京執(zhí)行京V排放標準，再到2015年全國范圍內(nèi)開始全面執(zhí)行國Ⅳ排放標準，逐漸遞進式實施。2020年國VI排放法規(guī)將全國實施。

我國重型卡車排放標準與歐洲基本同步，由于車用柴油機用量較大，污染源占比大，同時技術先進，所以排放要求比其他任何行業(yè)都要高出很多。

1.2 船舶柴油機排放標準制定及實施情況

GB15097-2016《船舶發(fā)動機排氣污染物排放限值及測量方法》于2018年7月1日實施第一階段，2022年7月1日將實施第二階段。但該標準不適用于應急船機和安裝在救生艇或應急設備上的船機。

1.3 國內(nèi)鐵路機車柴油機排放標準制定及實施情況

1997年原鐵道部發(fā)布了第一個針對機車柴油機排放的標準：TB/T2783-1997《鐵路牽引用柴油機排放污染物限值及測試規(guī)則》，但并沒有廣泛實施。

2006 年發(fā)布的TB/T2783—2006《鐵路牽引用柴油機排放試驗》，其排放限值等同于UICII/2003規(guī)定值，但由于其制定的基礎與我國機車實際狀況不符合，至今未能強制執(zhí)行。

2017年發(fā)布的TB/T2783—2017《牽引動力裝置用柴油機排放試驗》，其排放限值等同于UIC 624-O-2006中規(guī)定的UIC IIIA，鐵路柴油機適用所謂的F循環(huán)。

2? 適合我國高速大功率柴油機排放控制策略

隨著廢氣排放標準的不斷提高，排放控制技術的研究在不斷地發(fā)展，各大主機廠針對不同階段標準提出技術方案和控制方法，措施見表2、表3和表4。

第三階段排放（EPA Tier3/EUIIIA）應采取高壓共軌燃油系統(tǒng)+米勒循環(huán)+高壓比增壓系統(tǒng)。而關于第四階段排放的控制方法，除了第三階段采取的措施以外，必須增加后處理系統(tǒng)。

EGR+DPF技術優(yōu)點是占用空間小，缺點是要求燃油的品質高（含硫量低），且EGR系統(tǒng)相對復雜，控制程序的軟件開發(fā)成本高。而SCR技術優(yōu)點是成本低，其降低的燃油成本可抵消增加的尿素成本，缺點是占用空間較大，但考慮SCR是柴油機外部增加的系統(tǒng)，可以在第三階段排放技術的基礎上進行較少的優(yōu)化實現(xiàn)第四階段的排放要求。綜上所述，適合我國高速大功率機車柴油機的排放控制方法如下：

第三階段排放（EPA Tier3 /EUIIIA）的控制方法：高壓共軌燃油系統(tǒng)+米勒循環(huán)+高壓比增壓系統(tǒng)。

第四階段排放（EPA Tier4 /EUIIIB）的控制方法：第四階段高壓共軌燃油系統(tǒng)+米勒循環(huán)+高壓比增壓系統(tǒng)+SCR。

3? 我國排放后處理應用現(xiàn)狀和前景

3.1 重卡汽車領域

2014年1月1日停止對國三重型車的核準申報。以中國汽車保有量來推算，實施國四標準限值后，排放的后處理產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生上千億元的市場份額。SCR技術是今后柴油機應對嚴苛排放法規(guī)的主要手段。

3.2 船舶領域

我國2016年才有自主設計生產(chǎn)的SCR系統(tǒng)，主要有青島雙瑞船用低速機SCR系統(tǒng)和中船重工711所的SCR系統(tǒng)。雖然很多企業(yè)已經(jīng)擁有船用SCR技術，但該排放法規(guī)與IMO Tier2相比只是略微嚴格，對于新的非遠洋船舶船機，船廠可能更傾向于選擇性能良好的柴油機，而不需加裝SCR。

3.3 鐵路機車柴油機領域

目前，我國鐵路最新投入運用的國產(chǎn)HXN3型和HXN5型大功率交流傳動內(nèi)燃機車均符合美國EPA Tier2級標準。我國鐵路行業(yè)關于內(nèi)燃機車或機車柴油機有害排放物限值標準的制定與國外工業(yè)發(fā)達國家或地區(qū)相比滯后，國產(chǎn)內(nèi)燃機車在節(jié)能環(huán)保方面的水平尚待提高，特別是針對出口產(chǎn)品的環(huán)保性能更須引起特別重視。國內(nèi)機車目前沒有使用后處理。

鐵路內(nèi)燃機車后處理裝置應考慮將消音器、DOC、DPF和SCR集成設計為一個裝置，在滿足空間要求下達到匹配柴油機性能最佳。同時，將增壓器與后處理集成一體，即為增壓后處理系統(tǒng)，可對發(fā)動機氣體進行精準控制。

4? 排放后處理發(fā)展規(guī)劃建議

4.1 對外合作與引進專業(yè)人才并舉

重卡汽車領域后處理技術應用廣泛，已經(jīng)趨于成熟;對于鐵路內(nèi)燃機車和船舶領域，需要進行大型化和集成化研制。國內(nèi)多家科研院所已開展多年的研究，正處于起步階段，需要對外合作，快速開展集成設計，并逐步引進專業(yè)人才，搭建排放后處理技術人才隊伍。

4.2 搭建后處理設計平臺

與其他機械產(chǎn)品一樣，后處理產(chǎn)品在研制過程中同樣需要經(jīng)過CAE設計、零部件平臺試驗、與發(fā)動機進行聯(lián)合臺架試驗、線路運用考核試驗四個階段。

4.3 搭建排放后處理測試平臺

①通過煙氣分析系統(tǒng)驗證凈化效率;②建立柴油機測試平臺，用以測試實際工況下凈化系統(tǒng)效率;③建立風量測試試驗臺，用以模擬可變的風量、污染物、污染物濃度等污染源情況;④通過采用一系列測試儀器作為科學研究保障，獲得精確的測量數(shù)據(jù);⑤對于后處理裝置，進行的可靠性試驗包括：熱振動試驗、冷振動試驗、外部熱沖擊、內(nèi)部熱沖擊、與發(fā)動機一起進行用于模擬實際工況和驅動制動盤系統(tǒng)試驗、道路載荷采集試驗、與發(fā)動機一起做振動耐久試驗。

參考文獻：

[1]GB17691-2018，重型柴油車污染物排放限值及測量方法[S].2018.

[2]中國船級社.船舶發(fā)動機排氣污染物限制及測量方法（中國第一、二階段）實施指南[S].2018.

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

[5]安春生.機車柴油機的排放研究[J].內(nèi)燃機車，2012.