摘要:柴油機是工程機械廣泛使用的原動力,為了有效控制其尾氣污染,發(fā)達(dá)國家對非公路發(fā)動機的排放控制制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。我國在這方面起步較晚,但在北京等重點城市已經(jīng)開始關(guān)注并治理工程機械排放的污染問題。為了實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,經(jīng)過近十余年來的研究與開發(fā),大量新技術(shù)已應(yīng)用于柴油發(fā)動機的排放控制,為環(huán)保型工程機械的發(fā)展奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ);并為施工部門提供了可供選擇的排放清潔、節(jié)省能源的工程機械。

關(guān)鍵詞:柴油機;排放標(biāo)準(zhǔn);技術(shù)措施

中圖分類號: X652　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A　文章編號: 167420300 (2009) 0120092204

收稿日期: 2008212211

作者簡介:郭紅琦　男　1954年出生　高級工程師　　

(中鐵二十局集團有限公司,陜西西安　710016)

1　引言

　　柴油機以其熱效率高、油耗低、扭矩特性好、可靠性高、使用壽命長、運行成本低等優(yōu)點,在工程機械中得到廣泛使用。作為非道路用發(fā)動機的主體,工程機械柴油機的排放污染不容忽視。以美國為例,非道路用柴油機每年排放的氮氧化合物(NO x ) 、一氧化碳(CO) 、碳?xì)浠衔?HC)和顆粒物( PM)等有害物質(zhì)的總量幾乎相當(dāng)于其道路用車的年排放總量[ 1 ] 。我國目前對此類污染還沒有監(jiān)測手段,無法給出統(tǒng)計數(shù)字,但對此問題的認(rèn)識已有長足的進(jìn)步。隨著人類對環(huán)境的日益重視,消除柴油機的尾氣污染已成為社會關(guān)注的重大問題。隨著發(fā)達(dá)國家對非公路發(fā)動機的排放控制標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格,我國必將跟隨世界前進(jìn)的腳步,盡快承擔(dān)起工程機械需要環(huán)保的責(zé)任。

2　非公路用發(fā)動機的排放標(biāo)準(zhǔn)

　　目前世界上非道路用機動設(shè)備排放標(biāo)準(zhǔn)以美國和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)最具代表性。美國是世界上治理尾氣排放最早的國家。1964年,美國加利福尼亞州在世界上率先邁出了控制車輛尾氣排放的第一步, 1970年美國國會通過了“凈化空氣法案”,并組建了美國聯(lián)邦環(huán)保署( EPA) 。同年,歐洲和日本也制定了相應(yīng)的排放控制標(biāo)準(zhǔn)。此后的幾十年,各國都相繼制定了越來越嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。但非道路用機動設(shè)備尾氣排放引起的空氣污染問題,并未引起人們的重視。直到20世紀(jì)90年代,歐美國家才開始著手研究和限制非道路用機動設(shè)備的尾氣排放。

2. 1　美國EPA標(biāo)準(zhǔn)

　　美國環(huán)保署( EPA)制定的非道路用發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)見表1。此標(biāo)準(zhǔn)由三級漸進(jìn)式排放標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成,每一級都有一個在數(shù)年內(nèi)逐步實施的計劃(以額定功率確定) 。

2. 2　歐盟標(biāo)準(zhǔn)

　　1998年2月27日,第一個歐洲非道路用機動設(shè)備排放法規(guī)以立法形式通過,即Directive97 /68 /EC。

　　針對非道路發(fā)動機,該法規(guī)分為兩個階段:第一階段( Stage I)于1999年實施,第二階段( Stage II)于2001～2004年執(zhí)行,法規(guī)的實施因發(fā)動機功率輸出大小不同而不同。在2000年12月18日, 歐洲委員會為Directive97 /68 /EC提出了修正案,將功率小于19 kW 的非道路用汽油發(fā)動機納入其中,使歐洲與美國現(xiàn)行的小型發(fā)動機的排放標(biāo)準(zhǔn)在更大范圍內(nèi)取得一致,見表2。


2. 3　我國非道路用柴油機排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)
　　我國目前僅對公路用發(fā)動機排放提出了限制標(biāo)準(zhǔn),尚未涉及到非公路發(fā)動機的排放。但一些重點城市已經(jīng)開始關(guān)注并著手治理工程機械的污染問題[ 2 ] 。北京于2003年4月1日開始頒布實施“非道路用柴油機排氣污染物限值及測量方法”和“非道路用柴油機排氣可見污染物限值及測量方法”, 在國內(nèi)率先對非道路用機動設(shè)備的排放進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理,見表3。它為國家標(biāo)準(zhǔn)的出臺做好了前期嘗試和準(zhǔn)備。

　　對比表2、表3可知,北京與歐洲標(biāo)準(zhǔn)的限值基本一樣,只是在執(zhí)行時間上晚了幾年。對比表1、表2可見,美國的Tier I標(biāo)準(zhǔn)實施時間最早,排放限值較低。到第二階段,歐美標(biāo)準(zhǔn)趨于一致。自2007年開始,歐美實施第三階段控制標(biāo)準(zhǔn),而且美國Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)與歐盟的Stage Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)基本相同。
　　我國很快將對工程機械實施Tier I排放標(biāo)準(zhǔn),與歐美現(xiàn)行的第三階段控制標(biāo)準(zhǔn)顯然存有較大的距離。若要在短時間內(nèi)與國際排放水平接軌,我國只有按照北京地區(qū)的辦法,縮短實行每一排放標(biāo)準(zhǔn)階段的時間間隔。顯然這對排放技術(shù)落后的產(chǎn)品是個沉重打擊,對國內(nèi)工程機械及發(fā)動機產(chǎn)業(yè)造成很大壓力。但如果國內(nèi)企業(yè)不能從根本上認(rèn)識到工程機械需要更加清潔動力的發(fā)展趨勢,切實采取技術(shù)改進(jìn)措施,提
高排放限值標(biāo)準(zhǔn),這種差距還會越來越大。最終將被市場所淘汰。

3　國內(nèi)工程機械及發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀
　　作為工程機械的用戶,在進(jìn)行機械選型時,不僅要考察機械的動力性,還要注意工程機械是否環(huán)?？煽?。工程機械工作環(huán)境復(fù)雜多樣,需要的發(fā)動機功率級別相差很大,因此排放量值差別很大;另外各國、各地政治與經(jīng)濟發(fā)展水平不同,對工程機械的排放指標(biāo)與執(zhí)行時間要求不同。這些因素導(dǎo)致了工程機械發(fā)動機的排放技術(shù)與排放性能差別很大。
　　目前工程機械柴油機,高端產(chǎn)品市場一直為國外先進(jìn)技術(shù)所壟斷,配套的工程機械也僅限于出口。如柳工、徐工等工程機械主機廠為開拓歐美市場,選擇了康明斯新一代QSB系列全電控發(fā)動機為整機配套,滿足了當(dāng)今最為嚴(yán)格的歐美非公路用機動設(shè)備第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)( Tier3 /Stage III) 。目前已有5 t、6 t裝載機和PY200平地機等設(shè)備批量出口歐美。國內(nèi)工程機械市場,發(fā)動機的一流技術(shù)目前被國外發(fā)動機廠商的獨資及合資公司掌握?？得魉宫F(xiàn)為中國發(fā)動機行業(yè)最大的外國投資企業(yè),其14個系列的發(fā)動機產(chǎn)品有8個系列按照康明斯統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)在中國生產(chǎn)。作為合資公司的東風(fēng)康明斯和重慶康明斯,生產(chǎn)的機械式增壓中冷5. 9 L的B系列和8. 3 L的C系列工程機械用柴油機,以及14 L的NT重型機械柴油機,都是獲得市場認(rèn)可的成熟產(chǎn)品,滿足歐美非公路用機動設(shè)備第一和第二階段排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　國產(chǎn)工程機械柴油機,由于多年來沒有排放法規(guī)限制,基本不采用針對性的技術(shù)措施。太多的發(fā)動機廠都不能達(dá)到歐洲非公路用機動設(shè)備第一階段排放標(biāo)準(zhǔn),這也成為制約國標(biāo)出臺的重要因素。可喜的是北京地區(qū)非道路用發(fā)動機排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布與執(zhí)行,為我國的產(chǎn)品與國際接軌做了政策與技術(shù)的規(guī)范:
　　不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的非道路用柴油機及其設(shè)備將不能進(jìn)入北京地區(qū)銷售和使用。這對于落后的產(chǎn)品無疑是一個沉重打擊,同時也為國內(nèi)工程機械及發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步注入了發(fā)展動力。

4　對策與措施
　　(1)發(fā)動機產(chǎn)業(yè)是技術(shù)密集型和資金密集型產(chǎn)業(yè)。國外品牌發(fā)動機廠商因擁有強大技術(shù)實力和研發(fā)資源,能夠面向市場需要開發(fā)出適合的技術(shù)解決方案和產(chǎn)品,從而占據(jù)了工程機械發(fā)動機的高端市場。
　　國內(nèi)發(fā)動機產(chǎn)業(yè)對此要有清醒的認(rèn)識,要積極迎接挑戰(zhàn)。要通過企業(yè)之間重組、兼并、合作等活動來達(dá)到優(yōu)勢互補、擴大銷售網(wǎng)絡(luò)、提高自身實力的目的。要虛心學(xué)習(xí)并借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗,這樣的合作范例很多,不勝枚舉:如瑞典SCAN IA重卡公司與美國康明斯公司共同協(xié)作研發(fā)發(fā)動機的燃油系統(tǒng),并將研發(fā)
成果成功地運用在各自的發(fā)動機上,這一方面提高了雙方的發(fā)動機技術(shù)含量,同時也降低了雙方在燃油系統(tǒng)研發(fā)和制造上的成本,實現(xiàn)了企業(yè)的雙贏。
　　通過強強聯(lián)合可以盡快提高國內(nèi)發(fā)動機行業(yè)的整體技術(shù)水平,逐步淘汰效率低、排放高的工程機械柴油機,使低油耗、低排放、高效率的柴油機成為未來市場的主流。
　　(2)車用發(fā)動機的數(shù)量遠(yuǎn)大于工程機械,車用發(fā)動機的技術(shù)代表了發(fā)動機行業(yè)的發(fā)展水平。目前不斷提高的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)推動了車用柴油機技術(shù)的高速發(fā)展,大量新技術(shù)應(yīng)用到柴油機上控制排放污染[ 3 ] ,目前常用的柴油機排放技術(shù)見表4。這些措施為提高工程機械柴油機的排放標(biāo)準(zhǔn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　但是不能認(rèn)為將車用柴油機的排放控制技術(shù)移植于工程機械柴油機上,僅僅是改變設(shè)計工況點而已,實際沒有這樣簡單。因為對于已發(fā)展多年、系列化的工程機械產(chǎn)品而言,解決排放問題不僅僅是發(fā)動機的問題,還關(guān)系到零部件設(shè)計、整車設(shè)計匹配等一系列問題。任何一個問題解決不好,都會給設(shè)備帶來麻煩。比較典型的問題如增加空空中冷器后就需要重新改變整車的布置,因為它破壞了原有散熱系統(tǒng)的
平衡,使原來的風(fēng)阻增加,風(fēng)扇的風(fēng)量降低,水箱的冷卻能力下降,從而出現(xiàn)水溫高的問題。因此需要對風(fēng)扇、水箱、空空中冷器這個新的散熱系統(tǒng)重新進(jìn)行平衡計算。有的發(fā)動機雖然開發(fā)出來,滿足了排放標(biāo)準(zhǔn),但受工程機械的空間限制,困難更大。這些問題處理不當(dāng),必然要付出代價,導(dǎo)致排放技術(shù)成本的大幅度提高,降低設(shè)備的市場競爭力。
　　對工程機械發(fā)動機排放技術(shù)升級時,要因地制宜地改造產(chǎn)品,制定最為經(jīng)濟、可行的技術(shù)措施,盡量避免在外型尺寸和各輸出端口進(jìn)行重大改動,使整機無需因發(fā)動機升級而在結(jié)構(gòu)設(shè)計上進(jìn)行調(diào)整,為整機的技術(shù)開發(fā)提供持續(xù)的后備動力。從而提高研發(fā)效率,降低改進(jìn)成本。在選擇控制排放的技術(shù)措施時,切忌不分主次,面面俱到。要牢牢把握主攻方向,有的放矢。電噴技術(shù)通過改進(jìn)柴油機的燃燒和工作過程,從源頭對排放污染物進(jìn)行控制,一直是控制排放的關(guān)鍵。所有滿足歐Ⅲ以上的車用發(fā)動機無一例外的采用了電噴系統(tǒng)。對工程機械發(fā)動機排放的控制,電噴技術(shù)將發(fā)揮更重要的作用。對此,業(yè)內(nèi)已有成功的范例。電噴技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)歷了三個階段:第一代為位置控制型(電子調(diào)速器) ;第二代時間控制型;第三代為時間控制+壓力控制型(高壓共軌電控噴射) 。重慶康明斯生產(chǎn)的NT重型機械柴油機采用了廢氣渦輪增壓、空空中冷以及第二代電噴技術(shù),達(dá)到了北京非道路用發(fā)動機第二階段的排放標(biāo)準(zhǔn),是目前我國工程機械的環(huán)保動力。美國康明斯新款QSB系列全電控發(fā)動機采用了第三代高壓共軌電控噴射技術(shù),滿足了當(dāng)今最為嚴(yán)格的歐美非公路用發(fā)動機第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)[ 4 ] 。這兩款發(fā)動機的突出特征都是主要采用缸內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù),無需使用廢氣再循環(huán)或后處理系統(tǒng)就能滿足特定的排放標(biāo)準(zhǔn)。由于無需加裝后處理系統(tǒng)或其他硬件設(shè)備,發(fā)動機尺寸沒有多大變化,不用調(diào)整主機設(shè)備的結(jié)構(gòu),節(jié)約了針對排放法規(guī)的開發(fā)成本。是兩款性價比高的優(yōu)化排放控制方案。

5　結(jié)束語
　　我國作為一個發(fā)展中的大國,在未來幾年中,將投入數(shù)萬億資金,進(jìn)行規(guī)模宏大的基本建設(shè)工程,動力強大的工程機械是工程建設(shè)的首選。伴隨著世界各國環(huán)保意識的提高,作為一個負(fù)責(zé)任的發(fā)展中國家,無論是針對公路或非公路用機動設(shè)備,都必將引進(jìn)更為嚴(yán)格符合國際通行的排放標(biāo)準(zhǔn)。強制性排放法規(guī)的實施,將推動發(fā)動機技術(shù)發(fā)展,工程機械柴油發(fā)動機必將成為排放清潔、節(jié)省能源的新型動力。

參　考　文　獻(xiàn)
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Em ission Standard and Control Technology of
D iesel Eng ine in Construction Machinery and Equ ipment
Guo Hongqi
(China Railway 20 th Bureau Group Co. L td , Xipan 710016, China)
Abstract:Diesel engine iswidely used in the construction machinery and equipment. To control the pollu2
tion, developed countries have defined rigid standard of the non2road used engine exhaust control technology.
Major cities in China such asBeijing have started to recognize and govern the pollution of emission from construc2
tion machinery and equipment. Through more than ten years of research and development, many new technolo2
gies have been app lied to control the exhaust gas and standardize the emission. Those great inventions have es2
tablished the foundation of eco2friendly development and have supp lied cleaner and more efficientmachinery and
equipment for construction organizations.
Key words: diesel engine; exhaust gas emission standard; technology