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中国柴油发动机如何转向国Ⅳ 

我国目前柴油发动机满足国排放标准的技术,主要是引进国外的技术方案。目前主流的技术路线有两条,一是选择性催化还原(SCR),二是废气再循环(EGR)柴油颗粒捕捉器/氧化催化转换器(DPF/DOC)。这两种技术路线是否适应中国国情?能否在中国得到较好的应用?在技术路线的选取上应注意哪些问题?特别是对于现在业内关注度更高的SCR技术路线,在大规模应用之前应该注意哪些问题?

围绕国升级技术路线的选择有必要进行充分研究,并引起行业组织、企业界和管理部门的重视早在2004年杭州举办的国重型柴油机技术路线研讨会上,针对国技术路线选择问题,政府有关部门、行业协会、工程学会和相关研发机构的有关专家和主要柴油机生产企业代表展开了讨论,并达成共识,认为SCR是现阶段最适合中国实际情况的重型柴油机国技术路线。

从节能减排和技术先进性角度看,应用SCR降低油耗和降低氮氧化物的措施是几乎相互独立。实验结果表明:国柴油机采用SCR技术比采用EGR加颗粒捕捉器技术油耗要低5%左右。选择SCR技术路线实现国时,具有可靠性高、稳定性好、燃油消耗量低、功率密度高、换油周期长、散热要求低等优点,而且升级国时,SCR比EGR更容易。

有专家认为,柴油机从国升级到国时,重型商用车比较适合采用SCR,而轻型车和乘用车因为布置SCR空间不足,大多采用EGR颗粒捕捉器的方案。其实,这两种技术不是互相矛盾的,甚至可以结合使用。

SCR技术路线是通过缸内降低颗粒物含量后处理来降低氮氧化物的方式实现的。SCR的优点是燃油经济性好,对发动机改动较小,但是尿素作为添加燃料,需要建立站点。而EGR 颗粒捕捉器的方法是先在机内降低氮氧化物含量,然后通过加装后处理装置降低碳颗粒物含量,这种方法可靠性很难保障,控制与标定相对复杂,颗粒捕捉器再生困难,工作量较大。因此,一般能装配SCR的车就不会采用颗粒捕捉器。从成本和布置空间考虑,轿车不适合装配SCR,轿车发动机转速范围宽,工况相对复杂,变化比较剧烈,适宜采用加颗粒捕捉器净化处理。

生物柴油因为含碳量低,可轻松达到国排放要求,但关键是通过什么方式生产柴油,产量、质量如何保证,这些都决定这种方式不能成为从国升级到国的主要方法。目前,业内公认的做法是轿车用微粒捕捉器,而商用车采用SCR,但是SCR尿素添加比较困难,有些运输业个体户不及时添加尿素也能工作,但排放肯定很难达到要求。

据了解,国内很多柴油机企业都在研发达到国要求的技术和产品,希望国家出台新的政策和标准后,能推出满足要求的产品。一般情况下,重型商用车柴油机主流技术路线有两条:一是SCR方案;另一个是EGR/DPF,国内目前已大体确定为SCR方案。轻型车主流技术路线尚未完全确定,考虑后处理装置的成本,国内厂家较多采用电控EGR/DOC方案。

从国外情况看,SCR在欧洲长途载货车应用较多,而美国的主流技术路线是EGR/DPF。采用SCR的欧柴油机可以节油3%6%,非常适合石油相对匮乏的欧洲国家,相对低的燃油成本会促使长途货车的使用者愿意克服尿素添加带来的不便;而美国的燃油价格长期相对较低,同时尿素价格相对较高,所以柴油车的使用者没有表现出对SCR的青睐。不同的技术方案是由市场决定的,例如康明斯公司在北美市场采用的是冷却EGR,而在欧洲则采用SCR技术。

这两条路线都能解决柴油机国升级问题,但严格讲现阶段国内的基础设施和配套监管都有一定差距。因为若采用SCR技术路线,需要建立尿素生产供应和加注体系。另外,SCR系统需要布置尿素罐,对车辆空间有要求。从用量角度,尿素的消耗量约等于3%—5%的燃油消耗量,需要驾驶员及时添加尿素,否则国排放只是实验室的数据。EGR/DPF技术路线则对燃油品质要求较高,含硫量至少控制在50ppm以下,国内目前供应给国车使用的柴油含硫量指标是低于350ppm,若采用第二条路线必须在全国范围实现含硫量低于50ppm柴油的供应。另外EGR/DPF技术会使燃油消耗量增加,而且DPF也需要定期清洁再生。

从长远看,重型车采用SCR更适合节能减排的大趋势,而且任何单一的措施将不能达到未来更高的排放要求。目前,美国重型柴油车2010年以后氮氧化物的排放指标进一步降低,单纯EGR等机内降低氮氧化物的措施很难达到,中长期必然会采用SCR技术;欧洲在欧以后将进一步对颗粒排放物的数量和粒径大小进行控制,DPF也必不可少。国家促进技术升级和逐步降低排放的方向是正确的,但在实际应用中,还有很多问题需要解决,时间比较紧迫。

柴油发动机从国升级到国时,重型商用车较多采用SCR方案以达到排放要求。从技术上讲,这条路线是可行的,但实际应用上,仍需要解决一些问题。目前,国内很多柴油机厂都在研究SCR系统,但尚未形成一套成熟的产品供市场批量使用。另一方面,国外进口SCR系统一方面价格较高。SCR使用中必须添加尿素,但国内这方面设施还不完善,难以顺利实施,而且如何监督驾驶员按期添加尿素也没有强制措施。内燃机排放后处理专业委员会相关人士介绍,美国环保总局要求选择SCR技术路线的车辆,必须装OBD报警系统,以监督驾驶员及时添加尿素,保证排放达到要求。

轻型柴油卡车采用EGR/DPF路线,在使用过程中,DPF再生是个难题。目前,国内还没有成熟产品可以解决这一问题,只有城市公交车可以利用晚上给颗粒捕捉器用电加热的方法使其再生。此外此种技术路线对柴油的要求高,一定要低硫柴油才行,短期内推行国会有一定困难。

有专家认为,中重型商用车适合SCR中轻型车与乘用车适合EGR

柴油机从国升级到国主要采用排放后处理方法,成熟技术路线有SCR和DPF两种。SCR技术是首先使机内降低颗粒物含量,通过排放后处理催化还原降低氮氧化物含量;DPF技术过程相反,废气再循环后在机内降低氮氧化物含量,然后通过颗粒捕捉器降低颗粒物。这两条技术路线侧重点不同,该如何选择要看应用的具体车型。中重型商用车比较适合SCR,原因是DPF的机内净化氮氧化物必须与EGR结合,而EGR需要通过冷却循环废气,排量大的发动机,循环废气量大,需要冷却水多,相应损耗发动机功率就多,这对整机经济性影响很大。在乘用车方面,由于SCR需添加尿素,在人口密集市区泄漏,会非常危险。

针对SCR钒基(主要物质为五氧化二钒)有毒,专家介绍,之所以采用钒基,是因为其耐硫性好。尽管在高温条件下,它会产生一些有害物质,但因为柴油机排放温度很少达到550以上,实际产生的有毒物很少。而其他催化剂耐硫性不好,很容易失效,难以使尿素起到还原氮氧化合物的作用。

据了解,国内已经有几万台达到国标准的发动机采用了SCR,目前,国际上柴油机排放后处理发展最成熟的是欧洲,美国和日本一般在中重型商用车上才会采用柴油机,他们使用的SCR较多,欧洲大量柴油轿车上选择的是DPF。同时,单一依靠生物柴油来升级国是不现实的,因为制造生物柴油的原料很少,不能供应批量使用。目前,发动机排放升级的实验室方法很多,但能够大量推广、产业化的只有这两种。

实际上,这两条技术路线都比较成熟,不能说哪条路线好或者不好。目前,国内很多企业采用SCR方案是因为在国时采用了高压共轨技术,排放升级仅需要加装SCR后处理装置就可以,对发动机改动不大,简单省事。这两种方法在使用过程中都存在一些问题。比如,SCR需要装尿素罐,且我国尿素站建立不完善,投入较大。而颗粒捕捉器需要通电后,将碳颗粒烧掉才能正常工作。这两条技术路线不存在优劣之分,只要达到国要求,用什么方法都可以。随着科学技术发展,也许不久将会涌现更好的技术方案。

有企业专家认为,微粒氧化催化技术路线满足低成本要求执行国时,这两种方法将结合在一起使用。要从中国实际情况出发选择技术路线。首先,中国是农业大国,尿素产量充足,走SCR这条技术路线是可行的,发动机也不需要大改动就能达到要求,对发动机油耗的影响较小,从这些条件看,SCR符合中国国情。但从另外角度看,SCR也有很多不利的方面,尿素站建设投资较大,如何监控车辆及时添加尿素,采用进口产品的价格很高。目前,很多厂家都在研发国标准的产品,但直到现在还没有哪家能批量生产。因此,SCR只适合城市公交等局域性的运输工具,而不适合卡车这样要求低成本的车辆。有一种技术路线比较符合中国国情,就是EGR/DOC(微粒氧化催化)。这种方法比DPF便宜很多,是国内很多企业转向研究EGR的一个原因。由于SCR系统价格较高,影响了推广使用。从成本角度考虑,EGR发展空间很大,一套DOC的成本只有3000~6000元,升级成本诱惑力较大,而且DOC没有再生问题。

柴油机从国升级到国的时间跨度有些短,国内很多大厂还没有成熟的后处理系统,依靠进口价格又较贵。另外,国油品供应、尿素站建立、售后维修等一系列问题都没有解决,这是一项系统工程。中国汽车工业协会的意见,要考虑中国国情,在北京、上海等有条件的城市逐步推行

采用哪种技术路线,最终还是由市场决定。

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