呂明朗

摘要：本文通過(guò)對(duì)重載車(chē)、船舶和鐵路行業(yè)國(guó)內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施情況的介紹，闡述了大功率內(nèi)燃機(jī)滿(mǎn)足新排放法規(guī)所應(yīng)采取的技術(shù)措施，并著重對(duì)SCR（選擇性催化還原）排放后處理技術(shù)現(xiàn)狀和未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)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(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);排放;后處理;SCR

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0189-02

1? 不同行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)制定及實(shí)施情況

面對(duì)全球化環(huán)境污染的加劇，世界各國(guó)已達(dá)成共識(shí)并著手采取各種有效措施，實(shí)施節(jié)能減排政策，不斷提高排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)各柴油機(jī)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(guān)鍵核心技術(shù)以滿(mǎn)足排放法規(guī)要求。

1.1 重型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)制定及實(shí)施情況

我國(guó)制定的重型柴油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

從2007年實(shí)施國(guó)家第Ⅲ階段排放標(biāo)準(zhǔn)，到2010年施行國(guó)家第Ⅳ階段排放標(biāo)準(zhǔn)，再到2013年北京執(zhí)行京V排放標(biāo)準(zhǔn)，再到2015年全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)始全面執(zhí)行國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，逐漸遞進(jìn)式實(shí)施。2020年國(guó)VI排放法規(guī)將全國(guó)實(shí)施。

我國(guó)重型卡車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)與歐洲基本同步，由于車(chē)用柴油機(jī)用量較大，污染源占比大，同時(shí)技術(shù)先進(jìn)，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(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)制定及實(shí)施情況

GB15097-2016《船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法》于2018年7月1日實(shí)施第一階段，2022年7月1日將實(shí)施第二階段。但該標(biāo)準(zhǔn)不適用于應(yīng)急船機(jī)和安裝在救生艇或應(yīng)急設(shè)備上的船機(jī)。

1.3 國(guó)內(nèi)鐵路機(jī)車(chē)柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)制定及實(shí)施情況

1997年原鐵道部發(fā)布了第一個(gè)針對(duì)機(jī)車(chē)柴油機(jī)排放的標(biāo)準(zhǔn)：TB/T2783-1997《鐵路牽引用柴油機(jī)排放污染物限值及測(cè)試規(guī)則》，但并沒(méi)有廣泛實(shí)施。

2006 年發(fā)布的TB/T2783—2006《鐵路牽引用柴油機(jī)排放試驗(yàn)》，其排放限值等同于UICII/2003規(guī)定值，但由于其制定的基礎(chǔ)與我國(guó)機(jī)車(chē)實(shí)際狀況不符合，至今未能強(qiáng)制執(zhí)行。

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

2? 適合我國(guó)高速大功率柴油機(jī)排放控制策略

隨著廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，排放控制技術(shù)的研究在不斷地發(fā)展，各大主機(jī)廠(chǎng)針對(duì)不同階段標(biāo)準(zhǔn)提出技術(shù)方案和控制方法，措施見(jiàn)表2、表3和表4。

第三階段排放（EPA Tier3/EUIIIA）應(yīng)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(guān)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(shù)優(yōu)點(diǎn)是占用空間小，缺點(diǎn)是要求燃油的品質(zhì)高（含硫量低），且EGR系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，控制程序的軟件開(kāi)發(fā)成本高。而SCR技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是成本低，其降低的燃油成本可抵消增加的尿素成本，缺點(diǎn)是占用空間較大，但考慮SCR是柴油機(jī)外部增加的系統(tǒng)，可以在第三階段排放技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行較少的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)第四階段的排放要求。綜上所述，適合我國(guó)高速大功率機(jī)車(chē)柴油機(jī)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(guó)排放后處理應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

3.1 重卡汽車(chē)領(lǐng)域

2014年1月1日停止對(duì)國(guó)三重型車(chē)的核準(zhǔn)申報(bào)。以中國(guó)汽車(chē)保有量來(lái)推算，實(shí)施國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)限值后，排放的后處理產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生上千億元的市場(chǎng)份額。SCR技術(shù)是今后柴油機(jī)應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛排放法規(guī)的主要手段。

3.2 船舶領(lǐng)域

我國(guó)2016年才有自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的SCR系統(tǒng)，主要有青島雙瑞船用低速機(jī)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(shù)，但該排放法規(guī)與IMO Tier2相比只是略微嚴(yán)格，對(duì)于新的非遠(yuǎn)洋船舶船機(jī)，船廠(chǎng)可能更傾向于選擇性能良好的柴油機(jī)，而不需加裝SCR。

3.3 鐵路機(jī)車(chē)柴油機(jī)領(lǐng)域

目前，我國(guó)鐵路最新投入運(yùn)用的國(guó)產(chǎn)HXN3型和HXN5型大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)均符合美國(guó)EPA Tier2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)鐵路行業(yè)關(guān)于內(nèi)燃機(jī)車(chē)或機(jī)車(chē)柴油機(jī)有害排放物限值標(biāo)準(zhǔn)的制定與國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)相比滯后，國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車(chē)在節(jié)能環(huán)保方面的水平尚待提高，特別是針對(duì)出口產(chǎn)品的環(huán)保性能更須引起特別重視。國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)目前沒(méi)有使用后處理。

鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)后處理裝置應(yīng)考慮將消音器、DOC、DPF和SCR集成設(shè)計(jì)為一個(gè)裝置，在滿(mǎn)足空間要求下達(dá)到匹配柴油機(jī)性能最佳。同時(shí)，將增壓器與后處理集成一體，即為增壓后處理系統(tǒng)，可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

4? 排放后處理發(fā)展規(guī)劃建議

4.1 對(duì)外合作與引進(jìn)專(zhuān)業(yè)人才并舉

重卡汽車(chē)領(lǐng)域后處理技術(shù)應(yīng)用廣泛，已經(jīng)趨于成熟;對(duì)于鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)和船舶領(lǐng)域，需要進(jìn)行大型化和集成化研制。國(guó)內(nèi)多家科研院所已開(kāi)展多年的研究，正處于起步階段，需要對(duì)外合作，快速開(kāi)展集成設(shè)計(jì)，并逐步引進(jìn)專(zhuān)業(yè)人才，搭建排放后處理技術(shù)人才隊(duì)伍。

4.2 搭建后處理設(shè)計(jì)平臺(tái)

與其他機(jī)械產(chǎn)品一樣，后處理產(chǎn)品在研制過(guò)程中同樣需要經(jīng)過(guò)CAE設(shè)計(jì)、零部件平臺(tái)試驗(yàn)、與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)合臺(tái)架試驗(yàn)、線(xiàn)路運(yùn)用考核試驗(yàn)四個(gè)階段。

4.3 搭建排放后處理測(cè)試平臺(tái)

①通過(guò)煙氣分析系統(tǒng)驗(yàn)證凈化效率;②建立柴油機(jī)測(cè)試平臺(tái)，用以測(cè)試實(shí)際工況下凈化系統(tǒng)效率;③建立風(fēng)量測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，用以模擬可變的風(fēng)量、污染物、污染物濃度等污染源情況;④通過(guò)采用一系列測(cè)試儀器作為科學(xué)研究保障，獲得精確的測(cè)量數(shù)據(jù);⑤對(duì)于后處理裝置，進(jìn)行的可靠性試驗(yàn)包括：熱振動(dòng)試驗(yàn)、冷振動(dòng)試驗(yàn)、外部熱沖擊、內(nèi)部熱沖擊、與發(fā)動(dòng)機(jī)一起進(jìn)行用于模擬實(shí)際工況和驅(qū)動(dòng)制動(dòng)盤(pán)系統(tǒng)試驗(yàn)、道路載荷采集試驗(yàn)、與發(fā)動(dòng)機(jī)一起做振動(dòng)耐久試驗(yàn)。

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