摘要:柴油机是工程机械广泛使用的原动力,为了有效控制其尾气污染,发达国家对非公路发动机的排放控制制定了严格的标准。我国在这方面起步较晚,但在北京等重点城市已经开始关注并治理工程机械排放的污染问题。为了实现达标排放,经过近十余年来的研究与开发,大量新技术已应用于柴油发动机的排放控制,为环保型工程机械的发展奠定了可靠的技术基础;并为施工部门提供了可供选择的排放清洁、节省能源的工程机械。

关键词:柴油机;排放标准;技术措施

中图分类号: X652　文献标识码: A　文章编号: 167420300 (2009) 0120092204

收稿日期: 2008212211

作者简介:郭红琦　男　1954年出生　高级工程师　　

(中铁二十局集团有限公司,陕西西安　710016)

1　引言

　　柴油机以其热效率高、油耗低、扭矩特性好、可靠性高、使用寿命长、运行成本低等优点,在工程机械中得到广泛使用。作为非道路用发动机的主体,工程机械柴油机的排放污染不容忽视。以美国为例,非道路用柴油机每年排放的氮氧化合物(NO x ) 、一氧化碳(CO) 、碳氢化合物(HC)和颗粒物( PM)等有害物质的总量几乎相当于其道路用车的年排放总量[ 1 ] 。我国目前对此类污染还没有监测手段,无法给出统计数字,但对此问题的认识已有长足的进步。随着人类对环境的日益重视,消除柴油机的尾气污染已成为社会关注的重大问题。随着发达国家对非公路发动机的排放控制标准日趋严格,我国必将跟随世界前进的脚步,尽快承担起工程机械需要环保的责任。

2　非公路用发动机的排放标准

　　目前世界上非道路用机动设备排放标准以美国和欧盟的标准最具代表性。美国是世界上治理尾气排放最早的国家。1964年,美国加利福尼亚州在世界上率先迈出了控制车辆尾气排放的第一步, 1970年美国国会通过了“净化空气法案”,并组建了美国联邦环保署( EPA) 。同年,欧洲和日本也制定了相应的排放控制标准。此后的几十年,各国都相继制定了越来越严格的汽车排放标准。但非道路用机动设备尾气排放引起的空气污染问题,并未引起人们的重视。直到20世纪90年代,欧美国家才开始着手研究和限制非道路用机动设备的尾气排放。

2. 1　美国EPA标准

　　美国环保署( EPA)制定的非道路用发动机排放标准见表1。此标准由三级渐进式排放标准构成,每一级都有一个在数年内逐步实施的计划(以额定功率确定) 。

2. 2　欧盟标准

　　1998年2月27日,第一个欧洲非道路用机动设备排放法规以立法形式通过,即Directive97 /68 /EC。

　　针对非道路发动机,该法规分为两个阶段:第一阶段( Stage I)于1999年实施,第二阶段( Stage II)于2001～2004年执行,法规的实施因发动机功率输出大小不同而不同。在2000年12月18日, 欧洲委员会为Directive97 /68 /EC提出了修正案,将功率小于19 kW 的非道路用汽油发动机纳入其中,使欧洲与美国现行的小型发动机的排放标准在更大范围内取得一致,见表2。


2. 3　我国非道路用柴油机排气污染物排放标准
　　我国目前仅对公路用发动机排放提出了限制标准,尚未涉及到非公路发动机的排放。但一些重点城市已经开始关注并着手治理工程机械的污染问题[ 2 ] 。北京于2003年4月1日开始颁布实施“非道路用柴油机排气污染物限值及测量方法”和“非道路用柴油机排气可见污染物限值及测量方法”, 在国内率先对非道路用机动设备的排放进行标准化管理,见表3。它为国家标准的出台做好了前期尝试和准备。

　　对比表2、表3可知,北京与欧洲标准的限值基本一样,只是在执行时间上晚了几年。对比表1、表2可见,美国的Tier I标准实施时间最早,排放限值较低。到第二阶段,欧美标准趋于一致。自2007年开始,欧美实施第三阶段控制标准,而且美国Tier Ⅲ标准与欧盟的Stage Ⅲ标准基本相同。
　　我国很快将对工程机械实施Tier I排放标准,与欧美现行的第三阶段控制标准显然存有较大的距离。若要在短时间内与国际排放水平接轨,我国只有按照北京地区的办法,缩短实行每一排放标准阶段的时间间隔。显然这对排放技术落后的产品是个沉重打击,对国内工程机械及发动机产业造成很大压力。但如果国内企业不能从根本上认识到工程机械需要更加清洁动力的发展趋势,切实采取技术改进措施,提
高排放限值标准,这种差距还会越来越大。最终将被市场所淘汰。

3　国内工程机械及发动机产业的现状
　　作为工程机械的用户,在进行机械选型时,不仅要考察机械的动力性,还要注意工程机械是否环保可靠。工程机械工作环境复杂多样,需要的发动机功率级别相差很大,因此排放量值差别很大;另外各国、各地政治与经济发展水平不同,对工程机械的排放指标与执行时间要求不同。这些因素导致了工程机械发动机的排放技术与排放性能差别很大。
　　目前工程机械柴油机,高端产品市场一直为国外先进技术所垄断,配套的工程机械也仅限于出口。如柳工、徐工等工程机械主机厂为开拓欧美市场,选择了康明斯新一代QSB系列全电控发动机为整机配套,满足了当今最为严格的欧美非公路用机动设备第三阶段排放标准( Tier3 /Stage III) 。目前已有5 t、6 t装载机和PY200平地机等设备批量出口欧美。国内工程机械市场,发动机的一流技术目前被国外发动机厂商的独资及合资公司掌握。康明斯现为中国发动机行业最大的外国投资企业,其14个系列的发动机产品有8个系列按照康明斯统一的质量标准在中国生产。作为合资公司的东风康明斯和重庆康明斯,生产的机械式增压中冷5. 9 L的B系列和8. 3 L的C系列工程机械用柴油机,以及14 L的NT重型机械柴油机,都是获得市场认可的成熟产品,满足欧美非公路用机动设备第一和第二阶段排放标准。
　　国产工程机械柴油机,由于多年来没有排放法规限制,基本不采用针对性的技术措施。太多的发动机厂都不能达到欧洲非公路用机动设备第一阶段排放标准,这也成为制约国标出台的重要因素。可喜的是北京地区非道路用发动机排放标准的颁布与执行,为我国的产品与国际接轨做了政策与技术的规范:
　　不能满足排放标准的非道路用柴油机及其设备将不能进入北京地区销售和使用。这对于落后的产品无疑是一个沉重打击,同时也为国内工程机械及发动机产业的技术进步注入了发展动力。

4　对策与措施
　　(1)发动机产业是技术密集型和资金密集型产业。国外品牌发动机厂商因拥有强大技术实力和研发资源,能够面向市场需要开发出适合的技术解决方案和产品,从而占据了工程机械发动机的高端市场。
　　国内发动机产业对此要有清醒的认识,要积极迎接挑战。要通过企业之间重组、兼并、合作等活动来达到优势互补、扩大销售网络、提高自身实力的目的。要虚心学习并借鉴国内外的成功经验,这样的合作范例很多,不胜枚举:如瑞典SCAN IA重卡公司与美国康明斯公司共同协作研发发动机的燃油系统,并将研发
成果成功地运用在各自的发动机上,这一方面提高了双方的发动机技术含量,同时也降低了双方在燃油系统研发和制造上的成本,实现了企业的双赢。
　　通过强强联合可以尽快提高国内发动机行业的整体技术水平,逐步淘汰效率低、排放高的工程机械柴油机,使低油耗、低排放、高效率的柴油机成为未来市场的主流。
　　(2)车用发动机的数量远大于工程机械,车用发动机的技术代表了发动机行业的发展水平。目前不断提高的汽车排放标准推动了车用柴油机技术的高速发展,大量新技术应用到柴油机上控制排放污染[ 3 ] ,目前常用的柴油机排放技术见表4。这些措施为提高工程机械柴油机的排放标准奠定了技术基础。

　　但是不能认为将车用柴油机的排放控制技术移植于工程机械柴油机上,仅仅是改变设计工况点而已,实际没有这样简单。因为对于已发展多年、系列化的工程机械产品而言,解决排放问题不仅仅是发动机的问题,还关系到零部件设计、整车设计匹配等一系列问题。任何一个问题解决不好,都会给设备带来麻烦。比较典型的问题如增加空空中冷器后就需要重新改变整车的布置,因为它破坏了原有散热系统的
平衡,使原来的风阻增加,风扇的风量降低,水箱的冷却能力下降,从而出现水温高的问题。因此需要对风扇、水箱、空空中冷器这个新的散热系统重新进行平衡计算。有的发动机虽然开发出来,满足了排放标准,但受工程机械的空间限制,困难更大。这些问题处理不当,必然要付出代价,导致排放技术成本的大幅度提高,降低设备的市场竞争力。
　　对工程机械发动机排放技术升级时,要因地制宜地改造产品,制定最为经济、可行的技术措施,尽量避免在外型尺寸和各输出端口进行重大改动,使整机无需因发动机升级而在结构设计上进行调整,为整机的技术开发提供持续的后备动力。从而提高研发效率,降低改进成本。在选择控制排放的技术措施时,切忌不分主次,面面俱到。要牢牢把握主攻方向,有的放矢。电喷技术通过改进柴油机的燃烧和工作过程,从源头对排放污染物进行控制,一直是控制排放的关键。所有满足欧Ⅲ以上的车用发动机无一例外的采用了电喷系统。对工程机械发动机排放的控制,电喷技术将发挥更重要的作用。对此,业内已有成功的范例。电喷技术的发展目前已经历了三个阶段:第一代为位置控制型(电子调速器) ;第二代时间控制型;第三代为时间控制+压力控制型(高压共轨电控喷射) 。重庆康明斯生产的NT重型机械柴油机采用了废气涡轮增压、空空中冷以及第二代电喷技术,达到了北京非道路用发动机第二阶段的排放标准,是目前我国工程机械的环保动力。美国康明斯新款QSB系列全电控发动机采用了第三代高压共轨电控喷射技术,满足了当今最为严格的欧美非公路用发动机第三阶段排放标准[ 4 ] 。这两款发动机的突出特征都是主要采用缸内燃烧优化技术,无需使用废气再循环或后处理系统就能满足特定的排放标准。由于无需加装后处理系统或其他硬件设备,发动机尺寸没有多大变化,不用调整主机设备的结构,节约了针对排放法规的开发成本。是两款性价比高的优化排放控制方案。

5　结束语
　　我国作为一个发展中的大国,在未来几年中,将投入数万亿资金,进行规模宏大的基本建设工程,动力强大的工程机械是工程建设的首选。伴随着世界各国环保意识的提高,作为一个负责任的发展中国家,无论是针对公路或非公路用机动设备,都必将引进更为严格符合国际通行的排放标准。强制性排放法规的实施,将推动发动机技术发展,工程机械柴油发动机必将成为排放清洁、节省能源的新型动力。

参　考　文　献
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[ 2 ]刘帅宇,王凌纹. 用战略眼光选择工程机械用发动机[ J ]. 建设机械技术与管理, 2006, 19 (4) : 57259.
[ 3 ]田村好美,沈鸣雷. 降低发动机废气排放的技术[ J ]. 工程机械与维修, 2008 (4) : 1062108.
[ 4 ]杨浦. 工程机械柴油机尾气控制技术问题分析[ J ]. 黑龙江科技信息, 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