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,發達國家對非公路發動機的排放控制制定了嚴格的標準。我國在這方面起步較晚,但在北京等重點城市已經開始關注并治理工程機械排放的污染問題。為了實現達標排放,經過近十余年來的研究與開發,大量新技術已應用于柴油發動機的排放控制,為環保型工程機械的發展奠定了可靠的技術基礎;并為施工部門提供了可供選擇的排放清潔、節省能源的工程機械。

關鍵詞:柴油機;排放標準;技術措施

中圖分類號: X652　文獻標識碼: 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、運行成本低等優點,在工程機械中得到廣泛使用。作為非道路用發動機的主體,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) 、碳氫化合物(HC)和顆粒物( PM)等有害物質的總量幾乎相當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測手段,無法給出統計數字,但對此問題的認識已有長足的進步。隨著人類對環境的日益重視,消除柴油機的尾氣污染已成為社會關注的重大問題。隨著發達國家對非公路發動機的排放控制標準日趨嚴格,我國必將跟隨世界前進的腳步,盡快承擔起工程機械需要環保的責任。

2　非公路用發動機的排放標準

　　目前世界上非道路用機動設備排放標準以美國和歐盟的標準最具代表性。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”,并組建了美國聯邦環保署( EPA) 。同年,歐洲和日本也制定了相應的排放控制標準。此后的幾十年,各國都相繼制定了越來越嚴格的汽車排放標準。但非道路用機動設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90年代,歐美國家才開始著手研究和限制非道路用機動設備的尾氣排放。

2. 1　美國EPA標準

　　美國環保署( EPA)制定的非道路用發動機排放標準見表1。此標準由三級漸進式排放標準構成,每一級都有一個在數年內逐步實施的計劃(以額定功率確定) 。

2. 2　歐盟標準

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

　　針對非道路發動機,該法規分為兩個階段:第一階段( Stage I)于1999年實施,第二階段( Stage II)于2001～2004年執行,法規的實施因發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 的非道路用汽油發動機納入其中,使歐洲與美國現行的小型發動機的排放標準在更大范圍內取得一致,見表2。


2. 3　我國非道路用柴油機排氣污染物排放標準
　　我國目前僅對公路用發動機排放提出了限制標準,尚未涉及到非公路發動機的排放。但一些重點城市已經開始關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”, 在國內率先對非道路用機動設備的排放進行標準化管理,見表3。它為國家標準的出臺做好了前期嘗試和準備。

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

3　國內工程機械及發動機產業的現狀
　　作為工程機械的用戶,在進行機械選型時,不僅要考察機械的動力性,還要注意工程機械是否環?？煽俊９こ虣C械工作環境復雜多樣,需要的發動機功率級別相差很大,因此排放量值差別很大;另外各國、各地政治與經濟發展水平不同,對工程機械的排放指標與執行時間要求不同。這些因素導致了工程機械發動機的排放技術與排放性能差別很大。
　　目前工程機械柴油機,高端產品市場一直為國外先進技術所壟斷,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系列全電控發動機為整機配套,滿足了當今最為嚴格的歐美非公路用機動設備第三階段排放標準( Tier3 /Stage III) 。目前已有5 t、6 t裝載機和PY200平地機等設備批量出口歐美。國內工程機械市場,發動機的一流技術目前被國外發動機廠商的獨資及合資公司掌握?？得魉宫F為中國發動機行業最大的外國投資企業,其14個系列的發動機產品有8個系列按照康明斯統一的質量標準在中國生產。作為合資公司的東風康明斯和重慶康明斯,生產的機械式增壓中冷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,都是獲得市場認可的成熟產品,滿足歐美非公路用機動設備第一和第二階段排放標準。
　　國產工程機械柴油機,由于多年來沒有排放法規限制,基本不采用針對性的技術措施。太多的發動機廠都不能達到歐洲非公路用機動設備第一階段排放標準,這也成為制約國標出臺的重要因素?？上驳氖潜本┑貐^非道路用發動機排放標準的頒布與執行,為我國的產品與國際接軌做了政策與技術的規范:
　　不能滿足排放標準的非道路用柴油機及其設備將不能進入北京地區銷售和使用。這對于落后的產品無疑是一個沉重打擊,同時也為國內工程機械及發動機產業的技術進步注入了發展動力。

4　對策與措施
　　(1)發動機產業是技術密集型和資金密集型產業。國外品牌發動機廠商因擁有強大技術實力和研發資源,能夠面向市場需要開發出適合的技術解決方案和產品,從而占據了工程機械發動機的高端市場。
　　國內發動機產業對此要有清醒的認識,要積極迎接挑戰。要通過企業之間重組、兼并、合作等活動來達到優勢互補、擴大銷售網絡、提高自身實力的目的。要虛心學習并借鑒國內外的成功經驗,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作研發發動機的燃油系統,并將研發
成果成功地運用在各自的發動機上,這一方面提高了雙方的發動機技術含量,同時也降低了雙方在燃油系統研發和制造上的成本,實現了企業的雙贏。
　　通過強強聯合可以盡快提高國內發動機行業的整體技術水平,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)車用發動機的數量遠大于工程機械,車用發動機的技術代表了發動機行業的發展水平。目前不斷提高的汽車排放標準推動了車用柴油機技術的高速發展,大量新技術應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見表4。這些措施為提高工程機械柴油機的排放標準奠定了技術基礎。

　　但是不能認為將車用柴油機的排放控制技術移植于工程機械柴油機上,僅僅是改變設計工況點而已,實際沒有這樣簡單。因為對于已發展多年、系列化的工程機械產品而言,解決排放問題不僅僅是發動機的問題,還關系到零部件設計、整車設計匹配等一系列問題。任何一個問題解決不好,都會給設備帶來麻煩。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的
平衡,使原來的風阻增加,風扇的風量降低,水箱的冷卻能力下降,從而出現水溫高的問題。因此需要對風扇、水箱、空空中冷器這個新的散熱系統重新進行平衡計算。有的發動機雖然開發出來,滿足了排放標準,但受工程機械的空間限制,困難更大。這些問題處理不當,必然要付出代價,導致排放技術成本的大幅度提高,降低設備的市場競爭力。
　　對工程機械發動機排放技術升級時,要因地制宜地改造產品,制定最為經濟、可行的技術措施,盡量避免在外型尺寸和各輸出端口進行重大改動,使整機無需因發動機升級而在結構設計上進行調整,為整機的技術開發提供持續的后備動力。從而提高研發效率,降低改進成本。在選擇控制排放的技術措施時,切忌不分主次,面面俱到。要牢牢把握主攻方向,有的放矢。電噴技術通過改進柴油機的燃燒和工作過程,從源頭對排放污染物進行控制,一直是控制排放的關鍵。所有滿足歐Ⅲ以上的車用發動機無一例外的采用了電噴系統。對工程機械發動機排放的控制,電噴技術將發揮更重要的作用。對此,業內已有成功的范例。電噴技術的發展目前已經歷了三個階段:第一代為位置控制型(電子調速器) ;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,達到了北京非道路用發動機第二階段的排放標準,是目前我國工程機械的環保動力。美國康明斯新款QSB系列全電控發動機采用了第三代高壓共軌電控噴射技術,滿足了當今最為嚴格的歐美非公路用發動機第三階段排放標準[ 4 ] 。這兩款發動機的突出特征都是主要采用缸內燃燒優化技術,無需使用廢氣再循環或后處理系統就能滿足特定的排放標準。由于無需加裝后處理系統或其他硬件設備,發動機尺寸沒有多大變化,不用調整主機設備的結構,節約了針對排放法規的開發成本。是兩款性價比高的優化排放控制方案。

5　結束語
　　我國作為一個發展中的大國,在未來幾年中,將投入數萬億資金,進行規模宏大的基本建設工程,動力強大的工程機械是工程建設的首選。伴隨著世界各國環保意識的提高,作為一個負責任的發展中國家,無論是針對公路或非公路用機動設備,都必將引進更為嚴格符合國際通行的排放標準。強制性排放法規的實施,將推動發動機技術發展,工程機械柴油發動機必將成為排放清潔、節省能源的新型動力。

參　考　文　獻
[ 1 ]林曉磊,陸紅兵. 我國非道路柴油機排放標準現狀及挑戰[ J ]. 工程機械, 2004, 35 (7) : 40241.
[ 2 ]劉帥宇,王凌紋. 用戰略眼光選擇工程機械用發動機[ J ]. 建設機械技術與管理, 2006, 19 (4) : 57259.
[ 3 ]田村好美,沈鳴雷. 降低發動機廢氣排放的技術[ J ]. 工程機械與維修, 2008 (4) : 1062108.
[ 4 ]楊浦. 工程機械柴油機尾氣控制技術問題分析[ J ]. 黑龍江科技信息, 2008 (23) : 57.
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