4V5R柴油机满足非道路国三排放的技术浅析

张怡军　陈　鹏　杨　森　李　铁　薛强强

（一拖（洛阳）柴油机有限公司洛阳471003）

4V5R柴油机满足非道路国三排放的技术浅析

张怡军陈鹏杨森李铁薛强强

（一拖（洛阳）柴油机有限公司洛阳471003）

本文介绍了国内非道路柴油机排放控制标准，非道路柴油机排放标准发展趋势。并以4V5R柴油机为例介绍几种技术路线及其各自优缺点。通过比较分析，并结合国四阶段的排放要求，提出中国非道路移动机械用柴油机第三阶段技术路线尽量采用电控共轨技术方案。

柴油机 排放标准 技术方案

一、引言

随着国家对非道路机械用柴油机排气污染物排放强制性标准不断与发达国家靠拢，升级非道路机械用柴油机尾气排放已成为刻不容缓的紧迫任务。2015年是GB 20891—2014非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国三、四阶段）从二阶段向三阶段升级转化的初始年，在排放升级和市场配套中，非道路国三排放柴油机的生产成本和使用成本（经济性）出现了突出的矛盾，如何开发适合中国国情的非道路柴油机将是柴油机生产厂家未来发展的主要方向。本文以4V5R为例介绍柴油机满足非道路国三排放升级的技术方案。

二、国内排放法规及现状

1、国内排放法规

我国实施的《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》（Ⅰ、Ⅱ阶段）主要参考了欧盟标准，是在欧盟（指令97/68/EC）标准的基础上，增加了农业和渔业机械方面的要求，此标准将于2016年4月1日起废止。自2015年10月1日起，新生产的非道路移动机械用柴油机开始执行《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》标准，此标准规定了第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值和测量方法，并提出了第四阶段的预告性要求。本阶段标准修改采用欧盟（EU）指令97/68/EC（截止到修订版2004/26/EC）《关于协调各成员国采取措施防治非道路移动机械用发动机气态污染物和颗粒物排放的法律》中有关非道路移动机械用柴油机的技术内容。

表1表2分别为二、三阶段排气污染物限值。从2015年10月1日起开始执行第三阶段，与第二阶段限值相比，CO、颗粒物排放量变化不大，HC+NOx排放量降低了28～43％。

2、国内现状

我国目前的技术装备和相关工艺水平与国外同期水平相比存在很大差距，内燃机企业的开发创新和技术储备严重不足，特别是农业领域使用的柴油机差距更加明显。表3为目前国内外非道路移动机械用柴油机主要性能指标对比。

表1　非道路移动机械装用柴油机排气污染物限值（第二阶段）

表2　非道路移动机械装用柴油机排气污染物限值（第三阶段）

表3　国内外非道路移动机械用柴油机主要性能指标对比

与国外同期的柴油机相比，国内柴油机存在高排放、低比功率、高油耗、可靠性差等不足，因此专门为国内非道路市场开发一款高质量、低污染的专用发动机已经到了刻不容缓的地步。

三、4V5R技术路线的选定

4V5R的技术路线选定即需要适合中国目前国情，同时也要兼顾下一阶段的排放升级。目前国内为满足非道路国三排放标准，主要技术路线有“机械泵+电控EGR”、“电控单体泵+电控EGR”和“电控共轨”，各技术路线及优缺点具体如下：

1、“机械泵+电控EGR”路线

优点：在国二机械泵基础上，加EGR废气再循环系统，减少废气排放，结构变动小，达标成本增加少，估计在2000元左右。

缺点：受机械泵的结构限制，其提升喷射压力，改善燃烧的空间很小，难以保证排放一致性，尤其在农机使用工况比较恶劣和多变的情况下。即使该路线可以顺利达标国三，但也不具备升级国四和国五的潜力。

另外，在2015年3月2日的国家环保部召开的非道路国三申报工作会议上，对“机械泵+电控EGR+涡轮增压”路线暂不接受认证，因此此技术路线还存在国家政策风险，需要谨慎对待。

2、“电控单体泵+电控EGR”路线

优点：对柴油机改动小，制造工艺简单，技术实现难度低，制造成本较低，对燃油的品质要求并不高，国三达标容易，价格适中，升级成本大约在3000元左右。

缺点：不能实现多次喷射，各缸喷射的压力不均匀，国内生产可靠性性差，国四实现有困难，升级潜力小。

3、“电控共轨”路线

优点：在共轨式储压器喷射系统中，ECU通过接收各传感器的信号，借助于喷油器上的电磁阀，让柴油机以正确的喷油压力在正确的喷油点喷射出正确的喷油量，保证柴油机最佳的燃烧比，雾化和最佳的点火时间，以及良好的经济性和最少的污染排放。电控共轨系统具有供油压力高，供油稳定，控制灵活，能够实现多次喷射，在国四之后进一步发展的潜力较大，各缸喷射的压力非常一致等优点。

缺点：柴油机变动大，匹配时间及供货易受供应商制约，要求燃油的品质非常严格，成本变动大，升级成本大约在4000元左右。

通过以上三种技术路线的比较，电控共轨路线具有供油压力高，供油稳定，控制灵活，能够实现多次喷射，兼顾国四及之后进一步的排放升级需要，同时升级成本增加不明显。因此4V5R的技术路线优先选用电控共轨路线。

四、4V5R技术参数

4V5R型柴油机是一拖（洛阳）柴油机有限公司与英国里卡多公司联合设计的最新产品，运用CAD/UG等三维技术和CAE分析技术对重要部件全面优化。采用裙部多曲面加强结构的缸体，运用干式缸套和活塞强制喷油冷却技术，低涡流进气道的整体缸盖，全面提升了柴油机的使用可靠性。运用了国际最新的内燃机燃烧技术，优化匹配的燃油喷射系统。使该机型的排放指标全面达到《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》（三、四阶段）中的三阶段规定，主要设计技术指标见表4。

委托相关法定检验部门对4V5R样机进行排气污染物检测试验，检测结果表明柴油机排气污染物限值完全达到《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》（三、四阶段）中的三阶段规定。样机排气污染物的实测值与标准值比较见表5。

表4　4V5R主要设计技术指标

表5　排气污染物的实测值与标准值比较

五、结束语

4V5R通过采用新结构活塞、高压轨、高压泵、电控喷油器等零件，使排放指标全面达到《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法》（三、四阶段）中的三阶段规定。柴油机具有供油压力高，供油稳定，控制灵活，能够实现多次喷射，兼顾国四及之后进一步的排放升级需要，同时升级成本增加不明显。另外4V5R为自然吸气机型，主机厂及用户安装使用及维护成本比增压及增压中冷机型大幅降低，是国内非道路机械的首选动力。

［1］GB20891-2007.非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅰ、Ⅱ阶段）［S］.中国标准出版社，2007.

［2］GB20891-2014.非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国三、四阶段）［S］.中国标准出版社，2014.

［3］张怡军，黄幼林，皮道平，徐信峰.东方红LR4M3-24柴油机满足非道路国II排放技术［J］.柴油机，2011，33（6）：10～12.

［4］喻世学，马志豪，张怡军.农用柴油机满足非道路国Ⅱ排放的技术浅析［J］.农业机械，2011（19）：110～112.

张怡军（1980～），男，汉族，江苏连云港，工程师，硕士研究生，主要研究方向：发动机开发配套。

陈鹏（1985～），男，汉族，湖北应城，助理工程师，本科，主要研究方向：发动机开发。

杨森（1987～），男，汉族，河南南阳，助理工程师，本科，主要研究方向：机械设计与制造及其自动化。

李铁（1986～），男，回族，河南洛阳，助理工程师，硕士研究生，主要研究方向：发动机配套开发。

薛强强（1986～），男，汉族，河南宜阳，助理工程师，本科，主要研究方向：发动机性能及ECU标定。

Technological Brief Analysis on 4V5R Type Diesel Engine Satisfying the Non-road KingdomⅢEmissions

Zhang YijunChen PengYang SenLi TieXue Qiangqiang
（YTO（LuoYang）Diesel Engine Co.，Ltd.Luoyang471003）

This paper introduces non-road diesel engine emission control standards and development trend.Through 4V5R diesel enginentroduce several kinds of technical route and their respective advantages and disadvantages Through the comparative analysis，and combining the four stages of emissions，put forward China than the third stage road mobile diesel engine with mechanical technical route as far as possible the electronically controlled common rail technology solutions.

Diesel engineEmissions standardsTechnical solutions

TK421+.5

B

160725-7349