中国重卡排放技术的发展

时过境迁

汽车排放是指从废气中排出的CO、HC＋NOx、PM等有害气体。为了抑制这些有害气体的产生，促使汽车生产厂家改进产品以降低这些有害气体的产生源头。目前世界上排放法规主要有三个体系，即欧洲、美国和日本的排放法规体系，其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，所以下面重点介绍欧洲排放法规的要求。

一、欧洲排放标准
欧洲标准是由欧洲经济委员会（EC）的排放法规和欧共体（EEC，即现在的欧盟EU）的排放指令共同加以实现的。排放法规由EC参与国自愿认可，排放指令是EEC或EU参与国强制实施的。汽车排放的欧洲法规（指令）标准1992年前已实施若干阶段，1992年之前为欧0阶段，具体实施时间及排放标准见表1。

欧洲排放各阶段技术路线选择(见图1)：

欧0阶段：采用纯机械式的供油系统（燃油泵或柴油泵）和自然吸气技术。
欧Ⅰ阶段：在欧0发动机的机械供油系统（燃油泵）基础上，主要辅以废气涡轮增压技术。
欧Ⅱ阶段：在欧Ⅰ发动机平台上适当改进，主要辅以废气涡轮增压（水空）中冷技术或废气涡轮增压（空空）中冷技术，供油系统没有本质变化。
欧Ⅲ阶段：对欧II发动机平台进行重大升级，主要是供油系统发生了本质变化，实现了供油系统由机械式控制向电子控制的转化，主要技术路线包括电控泵喷嘴、电控高压共轨、电控单体泵和电控H泵+EGR。EGR（废气再循环）技术主要是针对有害气体（NOx）设置的排气净化装置，它将一部分排气循入进气管与新鲜空气混合后进入气缸燃烧，以增加混合气的热容量，降低燃烧时的最高温度，抑制NOx的生成。
欧Ⅳ阶段：在该阶段，PM与NOx的排放都做了进一步限制，其技术路线是在欧Ⅲ发动机基础上，供油系统没有本质变化，主要是采取一系列机内净化技术如提高供油系统的控制灵敏性和压力，燃烧室和进气等进一步优化，并综合使用机外净化（后处理）技术。机外净化（后处理）技术目前主要有两条技术路线：一种是SCR（选择性催化还原）技术，通过机内净化PM，机外催化还原；另一种是EGR（废气再循环）+DPF（微粒捕集器）+DOC（氧化催化转换器）技术，通过机内净化降低NOx，机外通过微粒捕捉器过滤PM。
欧Ⅴ阶段：在该阶段，对PM的要求与欧Ⅳ相同，仅对NOx的排放做了进一步限制。其技术路线在欧Ⅳ发动机基础上，根据欧Ⅳ阶段采取的技术路线的不同，进行相应的调整。采用SCR技术的发动机相对容易，只需要进行部分配件和电控参数上的局部调整，而采用EGR技术的发动机则需要在管路上进行重新设计，改动较大。
总之，在每一级的排放技术提升中，整个发动机都需要对进气系统、供油系统和排气后处理系统进行改进和优化。

国内排放实施时间
为了早日与世界接轨，我国正积极地实施更为严格的排放法规，特别是制定了中重型柴油车的排放标准，其实施步骤是：2007年初引进欧Ⅲ标准，2010年引进欧Ⅳ标准（见表2）。


二、中国国Ⅲ排放技术之争
1. 国Ⅲ排放实施路线
从欧洲的发展看，欧Ⅱ到欧Ⅲ和欧Ⅲ到欧Ⅳ，不是一个量的进步方式，而是质的飞跃。发动机内从机械式喷油变为更加经济和高效率的电子喷油。在尾气处理上增加一些微粒捕集器、催化剂之类，进一步提高排放和燃烧效率。
目前，国内车用柴油机针对国Ⅲ排放标准实施的燃油系统技术路线主要有四种：电控泵喷嘴（EUI）、高压共轨（Common Rail）、电控单体泵（EUP）和电控直列泵（EIL）+EGR。在这四种技术路线中，德尔福在中国市场针对中轻型车推广共轨技术，针对重型车提供泵喷嘴和单体泵技术；博世在中国市场主推高压共轨系统；电装目前正在研发第3代、第4代共轨系统和为中国市场的共轨系统作适应性二次开发；而中国重汽则推出电控直列泵（EIL）+EGR，由于价格便宜（比共轨便宜1.5万元左右），一经推出就受到市场的追捧。但刚开始实行国Ⅲ的时候，市场上几乎一边倒都主推共轨技术，而重汽的电控直列泵（EIL）+EGR则被竞争对手戏称为“假国Ⅲ”。国内外柴油机燃油系统的技术路线之争都已经到了白日化阶段，现对各种路线做一个剖析。
（1） 电控泵喷嘴技术（EUI）
在泵喷嘴系统中，电控油泵和喷油嘴之间没有管路连接，做成一体直接安装在气缸盖上，这样不占用更多的空间。每一个油泵都由顶置凸轮轴同时驱动气门和泵喷嘴，顶置凸轮轴必须具有极高的硬度和刚度以承受喷油器产生的高压。同时，凸轮轴的驱动系统也需要专门设计。电控泵喷嘴系统的优势在于系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小，所以燃油喷射压力非常高，形成优良的混合气，确保燃油雾化良好，燃烧效率很高，同时还可以精确控制喷油始点和喷油量，从而提高柴油机的动力性、燃油经济性，降低排放和改善NVH特性。目前，采用该项技术的车用柴油机可满足欧Ⅳ排放标准，峰值压力可达到2000bar。
该技术被沃尔沃、曼、依维柯、东风、陕汽等企业采用，另外，美国康明斯的全电控发动机应用的也是电控泵喷嘴技术，目前采用该技术的发动机全球保有量已经超过40万台，行驶里程达3000亿km，是久经考验的成熟产品。
（2） 高压共轨技术（Common Rail）
“CRDI”是英文Common Rail Direct Injection的缩写，意为高压共轨柴油直喷系统。该系统主要由高压油泵、喷油管、高压蓄压器（共轨）、喷油器、电控单元、传感器及执行器组成。在高压油泵、压力传感器和ECU组成的闭环系统中，喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开，由高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过控制高压油泵电磁阀开启持续时间从而对公共供油管内的燃油压力实现精确控制；通过控制喷油器电磁阀开启时刻、持续时间从而控制喷射提前角、燃油喷射量。高压油管压力大小与发动机的转速无关，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，从而改善发动机的燃烧工作过程，在有效降低发动机排放水平的同时，还能够改善发动机的燃油经济性和降低燃烧噪声。采用该技术的国外公司有沃尔沃、奔驰、曼，国内公司有陕汽、解放、欧曼、红岩等企业，国内发动机厂家有潍柴、玉柴、锡柴。高压共轨技术成为目前能够实现国Ⅲ排放标准的技术应用最广泛。
（3） 电控单体泵技术（EUP）
单体泵指一个气缸一个油泵，这里的油泵指的是高压油泵，或称为喷油泵。电控单体泵技术的主要技术特征是其油泵与配气机构共用一根凸轮轴，使结构得到最大程度的简化，并缩短了油泵出油口到喷油器的管路距离。由于油泵提升压力原理与直列泵类似，所以其喷油规律为“三角形”的前缓后急的特征，一定程度上有利于燃烧过程的优化，最高压力可达到1800~2000bar。该技术用在奔驰、珀金斯、依维柯、道依茨，国内有道依茨一汽大柴、玉柴等。
电控单体泵系统已在欧美成功使用了十多年，被公认为性能优越、稳定可靠、使用寿命长的电控燃油喷射系统之一。在近几年内，欧洲和北美的重型车生产商仍将会采用电控单体泵系统。对于中国市场来说，单体泵对发动机的改动非常少，只在油路系统做些变化。而且，单体泵对油品质量的忍耐程度比共轨系统好很多。由于一直以来沿袭前苏联的炼油模式，中国柴油除了杂质高之外，硫含量也非常大。目前，欧洲可以达到每百万单位10~15个单位含量的硫（10~15PPM），在中国平均水平只有300PPM，北京的最好水平也就是50PPM。
（4） 电控直列泵（EIL）+EGR技术
电控直列泵+EGR技术全称为机械式电控直列泵燃油喷射系统和冷却的电控EGR（废气再循环）技术。该技术是由发动机ECU（电控单元）进行控制，通过进气温度传感器、进气压力传感器、水温传感器、发动机转速传感器、油门传感器以及车辆制动信号来感知发动机的各种状态，从而控制EGR控制阀的开度和废气再循环比率，引回部分废气与新鲜空气共同进入发动机气缸内参与燃烧，既降低气缸内的燃烧温度，又有效控制高温富氧条件下NOx的生成，从而降低发动机废气中的NOx含量。
目前，国内中国重汽宣称拥有国家工信部与环保部认可的电控直列泵+EGR技术的国Ⅲ发动机。进入2009年，一汽锡柴、玉柴、上柴、潍柴、康明斯等也都提供电控直列泵+EGR发动机，但都没有得到环保部的认可。
大量国内外实践经验和理论研究都表明：电控泵喷嘴系统、电控高压共轨系统、电控单体泵系统、电控直列泵系统等都有满足目前国Ⅲ和将来国Ⅳ排放要求的能力。这四种系统因各自的结构特点在技术上各有各的特点。就国内发动机市场发展来说，是因地制宜，要从成本、性能、匹配、售后服务等各方面综合来分析，选择适合自己、适合国情的发动机排放路线。

2. 国外主流厂家电喷技术路线
表3是欧美主流厂家发动机国Ⅲ所采用的技术路线，从中可以看出，电控高压共轨为主流技术，其次为泵喷嘴。多种技术并行的有PACCAR公司采用电控高压共轨与单体泵，康明斯采用电控高压共轨与泵喷嘴，梅塞德斯奔驰采用泵喷嘴与单体泵。

3. 2009年国Ⅲ排放之争
自中国重汽2008年7月1日推出EGR国Ⅲ车型后，便遭到同行的怀疑，戏称为“假国Ⅲ”。但由于重汽的EGR国Ⅲ车型由于价格便宜，市场表现良好。中国汽车工业协会的数据表明，重汽在去年至今连续十几个月都蝉联重卡市场销量冠军，并且在2009年7月市场份额上升到32%。
但又听说为了应对重汽的挑战，早在今年初潍柴、玉柴、锡柴、东风康明斯等纷纷推出EGR发动机。今年一季度装配东风康明斯EGR发动机的东风商用车、装配玉柴EGR发动机的东风柳汽、装配锡柴EGR机型的一汽解放J5等各家重卡产品已经在终端市场上批量投放和运营，其技术路线主要为内置式废气再循环路线，而内置式EGR则被重汽称为“假EGR”。自去年7月1日开始的真假国Ⅲ之争，演变到今年的真假EGR之争，市场出现戏剧性的变化。
目前国内EGR主要有两种：外置式EGR与内置式EGR。各主流发动机厂EGR发动机及其技术路线见表4。

（1）外置EGR路线。以电子机械泵和冷却式废气再循环技术为典型特征，以重汽、大柴道依茨为代表，通过在发动机壳外安装电控EGR阀和电控单元，根据瞬时工况和废气控制电磁阀开度，以达到国Ⅲ排放标准。
（2）内置EGR路线。该技术经过精确测算，通过控制发动机凸轮轴的机械运行，使气缸排气门在进气时保持3％~6%的开度，从而达到溢出废气与进气按不同比例混合的效果，使发动机排放实现国Ⅲ。代表性企业包括一汽锡柴、玉柴和东风康明斯。
目前，一汽集团中等功率柴油机采用外置EGR技术，主要由旗下的大柴道依茨合资公司生产；大功率柴油机则走内置EGR路线，由无锡柴油机厂负责。潍柴既开发出外置式EGR发动机，也有内置EGR发动机产品。
现在市场上，用户对国Ⅲ排放路线的认识更加理性。经过近一年的熟悉，他们也渐渐地理解共轨国Ⅲ的优势：油耗低、故障率低。所以在公路用车如牵引车开始接受共轨发动机，而在工程用车如自卸车等选择价格更便宜的EGR发动机。

三、国Ⅳ排放技术发展
1. 国Ⅳ排放技术介绍
国Ⅳ排放标准是国家第四阶段机动车污染物排放标准，是控制和减少汽车排放污染物到规定数值以下的标准。
国Ⅳ标准之前，柴油机排放可以通过机内净化技术来解决污染物的排放控制，达到相应的标准，而从国Ⅳ开始，除了改进燃油喷射系统、优化燃烧过程等机内净化措施外，还必须增加装置才能使排放达标。
欧美主要采用了两条机外后处理技术路线：
其一是SCR（选择性催化还原）技术路线（见图2），它是通过优化喷油和燃烧过程，尽量在机内控制微粒的产生，在机外后处理过程，采用尿素溶液对NOx进行选择性催化还原。这一技术路线在欧洲占主流，欧洲长途载货车通常采用SCR技术，而短途运输或者城市公交车则选择EGR+DPF技术。采用该技术路线的主要有康明斯、马克、底特律柴油发动机、戴姆勒克莱斯勒、沃尔沃、达夫、依维柯。
其二是EGR+DPF/DOC（废气再循环+微粒捕集器/氧化催化转换器）技术路线（见图3），它以废气再循环为基础，在机内抑制NOx的产生，在机外后处理过程中采用微粒捕集器对微粒进行捕捉。这一技术路线在北美市场占主流，目前采用该技术路线的主要有康明斯、卡特彼勒、万国、斯堪尼亚、曼等。


两种技术路线各有优缺点（见表5），采用SCR方案，对发动机不须做进一步的强化处理。燃油中的硫含量对于系统的影响较小，可回避燃油含硫量高的难题，而硫含量高是国产柴油近几年难以克服的技术问题。采用SCR方案可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5％，但需在加油站设立相关的尿素溶液补充设备，整车也需增加一套尿素贮存和转化装置而使成本增加。采用EGR+DPF/DOC方案需对原发动机进行强化，提高喷油压力和增压中冷能力。其次，需提高微粒捕集器的再生能力，还有对燃油含硫量要求较严，且燃油消耗较高，但不增加额外的装置，用户只要定期更换微粒捕集器。

在欧洲主要以SCR技术占主流，而在北美却以EGR+DPF为主流，这主要因为美国燃油价格较欧洲低，车主对燃油经济性不敏感，却需要考虑施用尿素带来的成本增加。其次，US2007标准对新车提出15万km无维修要求，而SCR技术则需要大约5000km就要添加一次尿素。第三，采用SCR技术还需要向美国EPA申请特别许可。
目前对于国内到底该用那种方案，虽然还很难确定，但取得的共识和欧洲市场基本相同，对于用于中长途的牵引车，SCR技术更加适合，对于中短途的车辆及排量较小的轻、微卡EGR+DPF技术较为合适。
这主要是因为：
第一、采用SCR系统的发动机无论大小，都需要安装一套尿素定量控制和喷射系统，成本随排量变化不大。而EGR技术所使用的微粒捕捉器，会因排量不同而产生巨大成本差异。所以小型柴油机使用EGR技术，制造成本要远低于大型柴油机。
第二、由于SCR技术仅在一定的工作温度范围内才能有效果，所以更适合长时间大负荷工作的重型柴油机。EGR+DPF成本增加较小，所以对于工况复杂、价格敏感的自卸车、中短途载货车比较适合。
第三、成本因素。对于长途物流来说，燃油经济性是最关键的因素，较低的油耗会使用户愿意克服尿素添加所带来的不利因素，从而选择SCR技术。DPF要求定期进行清洗，长途物流难以保证。

2. 国Ⅳ排放实施时间分析
根据之前国家有关规定，重卡柴油机国Ⅳ标准将在2010年1月1日实行，根据国Ⅲ的实行情况，以及国外国Ⅲ到国Ⅳ需要5年的切换时间，因此除北京、上海、深圳等地区外，全国大部分地区的国Ⅳ标准的实行可能会延期2年左右，即型式核准会在2012年1月1日实行，新车销售、上牌将会在2013年1月1日执行。表6是针对国内国Ⅳ排放标准实行原时间及预测时间表。


3. 国内市场国Ⅳ技术路线选择
虽然国Ⅳ标准的执行肯定会有延期，但是北京、上海、深圳等地区将会率先实行国Ⅳ排放，为了未雨绸缪，国内主流重卡发动机厂家也早就开始了国Ⅳ发动机的研发以及技术路线的选择，表7是国内主流厂家国Ⅳ机型及所采用的技术路线。从表7可以看出，国Ⅳ排放，国内主流厂家比较认可SCR技术路线，一汽两种路线并举，重汽仍然青睐EGR+DPF。预计国Ⅳ时代，高速物流用牵引车会采用SCR技术路线，而对于中短途载货车及自卸车将会采用EGR+DPF技术路线。

针对“中国重卡排放技术的发展”这一主题，回复如下：

中国重卡排放技术历经多年发展，已逐步迈向成熟阶段。目前，国内重卡行业已广泛采用先进的排放控制技术和装置，如选择性催化还原技术（SCR）、柴油氧化催化器（DOC）等，以实现更低的排放目标。同时，随着政策法规的不断升级和新能源技术的推广，未来重卡行业将更加注重绿色环保和智能化发展，排放技术将持续升级，以满足更高的环保要求。