中重型柴油机国Ⅳ排放 中重型柴油机国Ⅳ 路线再思索
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背
景
国Ⅳ排放标准全面实施之时越来越近。 各柴油机厂均推出了国Ⅳ柴油机，且已经在北京、上海、深圳 等中心城市批量运用。 国内国Ⅳ柴油机一般采用SCR、EGR+POC两种技术路线，另需高 压共轨或者电控单体泵燃油系统相匹配。 高硫柴油曾经导致国Ⅳ排放推迟实施，今后很长一段时间，参 差不齐的柴油质量也将是后处理系统的梦魇。 商品化尿素水溶液供应路线不畅，影响SCR柴油机的推广。 国Ⅲ时期，EGR柴油机给政府部门、用户留下的不良印象，影响 了国Ⅳ EGR柴油机的应用。
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国Ⅳ与国Ⅲ排放法规的主要区别 与国Ⅲ
ESC及ELR的污染物限值
国Ⅲ NOx g/(kW•h) g/(kW h) PT CO HC g/ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱkW•h) g/(kW h) g/(kW•h) g/(kW•h) 5.0 0.1 2.1 0.66 0.8 国Ⅳ 3.5 0.02 1.5 0.46 0.5 国Ⅳ相比国Ⅲ下降 幅度 30% 80% 29% 30% 38% PT CO HC g/(kW•h) g/(kW h) g/(kW•h) g/(kW•h) 0.16 5.45 0.78 0.03 4 0.55 81% 27% 29% g/(kW•h) NOx g/(kW h)
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研发部 产品室 EGR柴油机
EGR管路
后处理器、消音 器集成，安装方 式同消音器
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研发部 产品室 POC后处理器的耐硫性
POC 耐硫试验 0.04 g/kWh PT 0.03 0.02 0.01 0 裸机 POC后 30h硫化试验后 脱硫后
上述数据来源于某EGR柴油机的POC老化试验。硫化试验是采用350ppm的国 Ⅲ柴油。试验证明，高硫柴油对POC的过滤效率影响很大，连续使用30小时，即可 使POC失效；但是再使用低硫柴油机进行脱硫后，POC的作用可部分恢复。
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NOx
研发部 产品室 市场柴油硫含量调查
柴油机硫含量分布 8%
17%
33% 21%
21%
≤350 350-500 500-700 700-1000 1000以上
2010年5月，在湖北、辽宁、河北、福建等5省的加油站，随 机抽取0号柴油样品，共72份，进行柴油性能检验。 检测结果表 明硫含量低于350ppm的柴油机仅占17%。硫含量最低值207ppm， 最高值1375ppm。
SCR技术路线探讨 SCR技术路线探讨
一、优点
1、如果以电控高压共轨国Ⅲ柴油机为基础，则升级到国Ⅳ排放难度相对较低， 开发周期也较短； 2、柴油机本体改动较少，生产技术改造投入少； 3、可以适应较高硫含量的柴油。试验证明，即使采用350ppm硫含量的柴油，SCR 后处理器仍然能有较好的耐久性； 4、柴油机的燃油消耗低； 5、目前，SCR技术路线在国内是运用最广泛的国Ⅳ路线。
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二、缺点
1、不能承受高硫柴油，350ppm的柴油会很快使后处理器失效； 2、柴油机本体开发难度大，周期长，开发成本高； 3、EGR冷却器的加入，使柴油机、整车需要重新考虑热平衡问题； 4、 如果后处理器匹配不好的话，NO2排放将会较高； 5、柴油机燃油耗高，通过油耗法规的难度大（油耗法规不考核尿素的消 耗）； 6、在相同排量、采用同种类型的增压系统时，柴油机可以做到的功率与 扭矩要比SCR柴油机要小。
ETC的污染物限值
国Ⅲ 5.0 国Ⅳ 3.5 国Ⅳ相比国Ⅲ下降 幅度 30%
ELR（m-1）
除各污染物限值不同外，国Ⅳ柴油机还必须具有OBD功能。无排气 后处理装置的国Ⅲ柴油机不进行ETC试验。 NOx与颗粒，尤其是颗粒的降低，是排放升级重点，也是难点。
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达到国Ⅳ 达到国Ⅳ排放的常规路径
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谢 谢 各
位！
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10 8 6 4 2 0 0 3 6 BMEP bar
1500r/min下的NOx排放
6 5 4 3 2 1 0 0 3 6 9 BMEP bar 12 15 18
SCR EGR
9
12
15
NOx g/kWh
SCR EGR
1800r/min下的NOx排放 8 NOx g/kWh 6 4 2 0 0 3 6 9 BMEP bar 12 15 18 SCR EGR
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研发部 产品室 市场尿素质量调查
三份尿素样品中，均有不同成分 的金属超标。随着在汽车上的运 用，这些金属都将排放在大气中， 随着数量的增加，对人体的危害 将相当的大。
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当前EGR+POC技术路线探讨 当前EGR+POC技术路线探讨 EGR+POC
一、优点
1、仅消耗柴油，不需要添加尿素，使用方便； 2、在低负荷区域，依然可以实现低排放，使国Ⅳ名副其实； 3、POC后处理器结构简单，安装方便，便于整车的布置，将其替代消音 器即可； 4、即使后处理器中毒，柴油机的NOx排放仍然优于国Ⅲ水平； 5、POC后处理器的价格相对来说比较便宜。
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当前国Ⅳ柴油机总结
1、对国内主要柴油机厂商来说，SCR、EGR+POC路线的国Ⅳ柴油机在 技术上已经不存在问题，全面实施的难点在于尿素、低硫柴油供应等 配套环境上，这些工作也不是能够一蹴而就的。 2、立足于现有条件，柴油机制造商要尽可能开发出不使用尿素、能 够适应较高含硫量柴油的国Ⅳ柴油机。
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研发部 产品室 SCR柴油机 尿素喷 嘴 SCR反应 器
尿素箱
尿素泵
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研发部 产品室 SCR后处理器的耐硫情况
SCR耐久试验 4.5 g/kWh 4 3.5 3 0 540 耐久时间 1080 h 1120 脱硫前 脱硫后
上述数据来源于某SCR柴油机的排放耐久试验。在1080小时内的耐久试验中， 采用350ppm硫含量的国Ⅲ油，分别在脱硫前后进行了排放测试，试验证明350ppm 硫含量的柴油，对SCR后处理器的劣化作用有限；1080小时的耐久试验结束后，采 用1000ppm硫含量的柴油进行了40小时的高硫耐久试验，试验证明1000ppm硫含量 的柴油，使SCR后处理器NOx转化效率迅速下降。
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二、缺点
1、在很多地方买不到硫含量350ppm以下的柴油，1000ppm以上硫含量的柴油加剧 了SCR后处理器的老化，柴油机排放水平将大打折扣； 2、尽管柴油机的燃油耗较低，但其还要使用车用尿素水溶液，尿素水溶液的消耗 一般是燃油耗的5%左右； 3、在排温低于200℃的区域，柴油机将不喷射尿素（如果喷射，会产生大量的氨 气，污染环境），NOx排放将急剧升高，对于长期处于低负荷运行的公交车来 说，NOx排放量较高，没有体现出国Ⅳ车低排放的特性； 4、基础建设没有跟上，普通用户很难添加到尿素水溶液。如果不使用尿素，柴油 机的NOx排放水平仅有欧Ⅰ，甚至欧0水平，OBD将报警，同时限制柴油机的输 出扭矩，影响汽车的正常使用； 5、国内的车用尿素水溶液，质量良莠不齐，有些尿素中重金属含量超标。劣质尿 素将在柴油机减少NOx排放时，释放了了重金属，形成了严重的重金属污染； 6、后处理系统（包括尿素喷射系统和后处理反应系统）结构和功能复杂，整车布 置难度大，而且目前被几家跨国公司垄断，价格高昂，其价格甚至能占到柴油 机成本的1/3。
国Ⅲ柴油机 采用EGR，机内净化
排放法规限值及实现方法 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
POC后处理，达 到国Ⅳ目标
g/kW·h
国Ⅲ
机内净化
PT
国Ⅳ
1
2
3
4 NOx
5 6 g/kW·h
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SCR后处理达 到国Ⅳ目标
SCR路线 EGR+POC路线
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研发部 产品室 不同负荷下的NOx排放对比
1000r/min下的NOx排放
NOx g/kWh
如右图所示，在不同转速 的高负荷区域，无论SCR 还是EGR，NOx排放水平都 比较低；但在低负荷区域， SCR的NOx排放水平急剧升 高，EGR的NOx排放可以做 到和高负荷水平接近，甚 至略有下降。
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SCR与EGR柴油机的经济性比较
相同排量的某款SCR和EGR柴油机的加权油耗、尿素耗如下
形式 SCR EGR
加权油耗(g/kWh) 205 214
加权尿素耗(g/kWh) 12 -
从上表可以看出，如果尿素价格（以“元/升”为单位）比柴油低 10%以上，那么SCR柴油机的使用经济性较好；否则，EGR的使用经济性 较好。
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无后处理器，实现国Ⅳ排放的方法
不同轨压下，NOx与PT的对应关系。试验时，进气中的EGR率为22%。
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新型燃烧室、新型进气系统、高效的EGR冷却系统、高EGR率、高喷 射压力、特殊的标定策略和方法，有望使柴油机不带后处理器，不
用尿素，实现国Ⅳ排放。
这对柴油机适应目前的使用环境有重要意义！