2013年7月1日，北京正式實施地方標準DB11/185-2013《非道路機械用柴油機排氣污染物限值及測量方法》。該標準相當于歐洲StageⅢA，并且將于2015年1月1日起實施相當于歐洲StageⅢB的排放法規。 排放標準的升級，對發動機性能、結構要求發生較大的變化。特別是從StageⅢA到StageⅢB階段。由此對發動機制造商、整機制造商、代理商和終端用戶都將帶來巨大的影響。而且在北京地區實施非道路Ⅲ階段法規后，對全國其他省市的影響不可小窺。也許將引領全國在未來幾年內執行更高排放標準。 本文從發動機制造商、工程機械整機制造商等角度，就實現排放標準的發動機技術路線、對工程機械行業帶來什么影響、如何應對等問題邀請了多位專家進行探討，嘉賓如下：中國工程機械工業協會挖掘機械分會秘書長李宏寶、濟南汽車檢測中心工程師劉順利、中聯重科土方機械公司常務副總經理程軍輝、廣西柳工機械股份有限公司研究總院副院長謝萍及挖掘機研究院院長林明智、山河智能裝備股份有限公司挖掘機研究院院長陶海軍、三一礦機有限公司研究院院長滿軍城、菲亞特動力科技（FPT）中國區總經理余寧、廣西玉柴機器股份有限公司工程機械配套技術總師彭天權、濰柴動力運用工程部工程機械分部經理楊信剛、洋馬發動機（上海）有限公司小型陸用柴油機部技術服務經理梁海濤、伊頓液壓應用工程經理呂明福。 非道路國Ⅲ排放標準與國Ⅱ標準有何不同？ 劉順利：根據《非道路移動機械用壓燃式發動機排氣污染物排放限值及測量方法》第三階段的標準征求意見稿（下稱國Ⅲ標準意見稿），19kW以上機型污染物排放限值采用歐盟2004/26/ECIIIA階段的限值要求，19kW以下機型采用EPACFRPART89Tier2階段限值要求，見表1。
表1 各功率段污染物限值 另外，相應油品要求提高：非道路移動機械用壓燃式發動機Ⅲ階段，排放技術水平基本等同于車用機第Ⅲ階段，它們采用了很多相同的技術，例如高壓共軌、電控EGR等，這些技術要求質量更好的燃油，例如燃油中雜質、硫含量等都需要大幅降低。從歐美相應階段排放標準來看，對燃油也提出了更高的要求，考慮到壓燃式發動機排放水平的進一步提高，參考歐美標準，擬采用GB252-2011普通柴油標準的相關技術內容。該標準要求的基準燃油的主要技術參數見表 2。
表2 基準燃油主要技術參數 發動機實現國Ⅲ排放標準技術路線 從發動機制造的角度看，實現國Ⅲ標準的技術途徑有哪些？ 彭天權：歐美非道路實現Ⅲ階段排放標準時，發動機基本技術路線見表3。
表3 歐美Ⅲ階段發動機基本技術路線統計 余寧：菲亞特工業動力科技（FPT）針對IIIA的排放階段,專門開發了機械轉子泵、渦輪增壓帶廢氣門旁通、中冷及內部EGR的NEF系列發動機，可靠性高，對燃油品質要求不高，保養維護周期長。當然FPT也可提供更高功率密度的高壓共軌發動機。 從Ⅲ階段升級到Ⅳ階段，一般發動機制造商會采取EGR+DPF+SCR的技術路線，FPT策略是以用戶成本最小化和性能最優化為基礎的。為了滿足用戶的需求，FPT準備選擇一條與競爭者不同的路線-高效SCR。高效SCR是一個無須廢氣再循環和主動再生DPF，并且能滿足Ⅳ階段排放的后處理系統。由于這個系統，我們的發動機與現有Ⅲ階段產品相比，無須降低效率，無須增加用戶操作成本，而且性能可靠。 楊信剛：StageⅢA階段，目前通過缸內燃燒控制仍可實現排放達標，其核心是控制燃燒溫度。通常的措施有： （1）進氣中冷。降低進氣溫度，從而提高進氣量，降低燃燒溫度，降低PM和NOX生成；（2）供油壓力與時刻控制。控制燃燒最高壓力和溫度，降低NOX生成；（3）EGR（ExhaustGasRecirculation），廢氣再循環，控制燃燒溫度，降低降低NOX生成。采用EGR，可以有效抑制NOX生成，同時實現更好的經濟性。 燃油系統可以選擇機械供油或電控供油。前者的優點是成本低，對燃油要求不高，易于維護保養，后者優點是排放性、經濟性好，特別是對于共軌系統，由于可對供油時刻、噴射次數、軌壓等多種變量根據不同工況進行調整，效果更為明顯。 通過與燃油系統的配合，國內外目前對于非道路StageⅢA階段的排放路線主要有三種：機械泵+EGR路線、電控共軌和電控共軌+EGR路線。不同的技術路線優劣對比見表4。
表4 滿足Stage ⅢA排放法規不同的技術路線優劣對比 國內目前的燃油、雜質、水含量、含硫量都比較高，這對共軌系統精密的燃油零部件帶來非常大的損害，解決這個問題，技術應用首先要考慮過濾的問題，對于含硫量高，還要考慮發動機摩擦副的腐蝕、機油的老化、后處理中毒等問題。 梁海濤：對于洋馬發動機來說，額定功率在37kW以下的機型，只進行了內部燃燒的優化，包括噴油壓力、角度和燃燒室的形狀等，也就是說，在硬件裝置方面沒有增加。我們致力于這些精細化和優化研究的原因，也是希望不會因排放升級而給客戶帶來成本上的壓力。對于37kW以上的機型，也僅僅增加了用以降低燃燒溫度抑制NOx生成的EGR閥，用以實現更為精準控制和個性化控制設定的電控調速器。 國III，增加了多少成本？ 排放標準的升級，勢必增加發動機的制造成本以及運營和維護的成本。這也是初始推行階段，行業比較關注的話題。 劉順利：在濟南汽車檢測中心臺架試驗，選擇一批能夠滿足國Ⅲ標準要求的機型和具備滿足國Ⅲ標準潛力的機型進行了試驗，排放控制技術是可行的，成本增加見表5。其中：對于130≤Pmax≤560kW的發動機，要滿足該標準的排放限值要求，需要采用共軌、單體泵等車用機Ⅲ階段的技術，傳統的增壓或增壓中冷技術，已經不能滿足本標準要求。這類機型主要由車用發動機的企業提供，企業已經具有相對成熟的排放控制技術，技術不存在問題，對達到該標準的要求沒有技術難度。壓燃式發動機成本增加2000～5000元/臺，約占總成本的10%～15%左右。
表5 各功率段機型達標技術及成本增加 對于75≤Pmax＜130kW和37≤Pmax＜75kW功率段的發動機，主要為大、中型農機、叉車、挖掘機等配套，大部分機型采用自吸，個別機型采用增壓或增壓中冷，部分出口機型采用渦流室、增壓或增壓中冷。成本增長如下： （1）對自然吸氣機型進行改進，采用增壓或增壓中冷技術。增壓器成本增加約1000元/臺；（2）部分增壓機型排放情況接近標準限值要求的，可以通過調整提前角來達到要求，所帶來的問題是油耗增加10%左右；（3）對部分增壓機型排放情況離限值差距較大的，可以通過采用中冷技術來解決，由于非道路工程機械發動機工作狀況的特殊性，在工作的時候沒有迎面風，所以一般情況下采用水-空中冷器，但水-空中冷器對改變NOX的排放程度很有限，在有些情況下，非但不能降低排放，反而會稍微增加NOX的排放量，這時采用強制風冷情況會好一些，但會消耗一部分發動機功率。水-空中冷器成本約增加 1000～2000元/臺。 另外，采用EGR技術，EGR機內凈化措施成本約為600～800元/臺。 彭天權：發動機由國Ⅱ到國Ⅲ排放標準，由于配置都有不同程度的提高，材料成本各有不同程度的提升。如YC4F發動機，高壓油泵由I號泵提升為 PM泵，發動機本體強度也需要加強，這些都會導致成本增加。而電控共軌發動機采用的是工程機械專用共軌系統，比車用發動機系統的成本還要更高。經統計，各系列發動機成本增加大約5～25%。 謝萍：成本上升帶來的影響包含上下游行業，對于上游的配套件企業來講，產品升級成本會增加，對于下游的用戶來講，采購成本會上升，維護保養成本也會上升。另外，由于用戶使用習慣和油品問題，可能出現新購設備也很早就會出問題的情況，可能產生糾紛。 如何消化上升的成本？如何過渡？ 成本的上升是現實，如何消化？歐美等發達國家之前的排放標準升級是如何過渡的？國內的公路車輛標準升級是如何逐步實現的？對非公路國Ⅲ標準有何借鑒意義？ 程軍輝：實施前期發動機成本會增加，從長遠來講，發動機大批量面市后成本不會增加太多。在過渡期，Ⅲ階段產品的推廣會有一定的困難，長遠來講對工程機械行業影響不大。 實現從Ⅱ階段到Ⅲ階段的轉變，過渡期發動機的成本要增加20~30%，目前發動機增加的成本主要靠生產企業和用戶來消化，難度很大。希望國家能在前期推行的時候，拿出一部分資金對用戶實行補貼，一定時間以后就能達到全行業全面推行的目的。 從Ⅱ階段到Ⅲ階段最大的挑戰是成本增加和油品問題。現在油品還不能全面保證Ⅲ階段發動機使用要求。所以市場推廣有一定的困難，需要不斷進行產品技術改進及升級，提高服務質量，逐步消化增加的成本。主機廠需提前做好匹配方面的技術儲備，加大研發力度，才能在以后企業發展過程中立于不敗之地。 當然挑戰與機遇并存，排放的升級也是行業技術的升級，可以縮小與國際工程機械先進水平的技術差距，為國內工程機械進軍歐美國際市場做好準備。 彭天權：借鑒國外和國內車用發動機的發展過程，每次排放升級都伴隨著發動機排量優化的過程，強制執行國Ⅲ排放標準正是促進發動機排量小型化最佳時機。目前，國內工程機械、農用機械等非道路用發動機升功率都比較小，多采用自然吸氣和增壓的進氣方式。對于4L以上排量發動機，國Ⅲ排放基本上都需要采用增壓中冷技術，以提高升功率。那么，對于挖掘機、壓路機、空壓機等對瞬態響應能力不是特別高的整機采用增壓中冷技術，發動機排量小型化將會對整車成本、油耗水平以及NVH方面有更大貢獻，特別是可以降低由于排放升級帶來的成本增加。而對于裝載機來說，由于用戶對瞬態響應的盲目追求，發動機排量小型化可能需要更長的過程；而從另一方面來說，過小的升功率反而對排放指標控制不利，例如50型裝載機動力只有220馬力，10L排量的發動機按這個功率指標顯然是難以控制的；所以只要國家嚴格執行排放標準，嚴控一致性，裝載機動力排量小型化進程定會加快。 謝萍：對于主機廠來講，肯定是不會倒貼錢賣設備，成本會由主機廠、零部件廠家、用戶、國家（補貼）共同承擔。具體消化成本的方式，各企業會根據自身的情況來定。國家此次****的標準，30多馬力的發動機也覆蓋了，意味著小漁船都得受影響，對于漁民、農民來講，增加的成本不是小數，我們應該考慮如何解決這個問題。 在歐美，新標準****后，會給制造廠家一個緩沖期，在這個時期廠家可以賣舊標準的設備，但賣一臺必須額外交一臺的排放稅，這個稅比較高，所以后來廠家幾乎都全部進行了切換。我們國家在從國I排放到國Ⅱ升級的時候，也給了一個時間期限。 滿軍城：非道路排放國Ⅱ階段到國Ⅲ的升級，礦車行業成本同樣會增加，必將要求整個行業提升產品的品質和性能，以適應排放法規的要求。 從Ⅱ階段升級到Ⅲ階段，發動機的成本會增加10～20%，同時由于目前Ⅲ階段發動機大都采用電控發動機，也就要求主機企業勢必需增加相應的電子控制等硬件和軟件來配套，也勢必帶來產品的改進和提升，因此大部分企業將借機推出新產品，也可適當提價以消化成本的壓力。歐美當初也是如此。 主機企業關注的幾個問題 挖掘機是非道路機械的重要機種之一。行業企業十分關注排放升級帶來的影響。 李宏寶：從挖掘機企業反饋情況來看，主要關注如下幾點： （1）標準的實施發布應考慮挖掘機油品使用現狀。 挖掘機械主要用于野外作業，用戶大部分是個體使用者，不同于道路行駛車輛，燃油添加基本是野外工地加油車運送，油品存在較大的不穩定性，用戶難以把握其質量，特別是中西部地區和邊遠地區，此現象尤為突出，希望在修訂標準時結合我國國情的實際情況考慮挖掘機油品使用現狀。 （2）標準的實施應給企業充分的過渡周期。 標準的實施時間是各家企業最為關注的焦點，它關系到產業的技術更新設計、企業的工藝工裝調整和生產線的改造，用戶的操作使用保養手冊編制、用戶培訓、零部件的更新等諸多方面，建議標準的實施時間要給予企業充分的準備周期。 （3）標準的實施應綜合考慮油品標準的實施。 非道路移動機械用壓燃式發動機Ⅲ階段排放標準，130kW以上的機型所采用的技術措施基本等同于車用機Ⅲ階段標準所采用的技術，例如高壓共軌、單體泵、電控EGR等，這些技術要求質量更高的燃油。2011年7月1日開始實施車用機Ⅲ階段用燃油標準GB19147-2009，但是否全國都能供應，還需要進一步調查。所以，標準的實施應綜合考慮市場燃油的供應情況。 （4）標準的實施應充分考慮我國的工業狀況。 國產品牌挖掘機械剛剛渡過最艱難起步階段，技術處于學習期，產業鏈尚不完整，基礎薄弱，抗沖擊能力差。過早實施非道路國Ⅲ排放，會給企業增加負擔，會因技術儲備不足造成對民族品牌挖掘機械產業的沖擊。 另外，考慮目前我國基礎工業的狀況，采用國Ⅲ標準后，發動機將采用共軌技術、電控噴油器等技術。如果在短期內實施國Ⅲ排放標準，會導致成本增加過快，對我國的挖掘機和發動機企業將產生沖擊。 （5）關于有效壽命的問題。 非道路Ⅲ階段標準與Ⅰ、Ⅱ階段標準相比增加了耐久性試驗的要求，對此項試驗，應在“編制說明”中說明試驗要求。 （6）標準的實施是否應考慮把二手挖掘機也納入標準的要求范圍。 排放升級，除了發動機還將帶來哪些技術升級？ 排放標準升級，除了發動機改變外，其他零部件比如車橋、變速箱、控制系統等會帶來哪些相應改變？ 謝萍：要保持優勢，整個系統都要變革，這是一個全系統集成的概念。一般來說，從舊標準升級到新標準后，油耗會增加，所以如何解決油耗增加問題，也是零部件廠家和主機廠家必須考慮的問題。 程軍輝：從整體講，主要是電控系統的改變，其它部件變化不是太大。國Ⅱ到國Ⅲ大多是通過高壓共軌電控技術實現，這種技術升級實現了發動機缸內凈化，除電氣系統外，其他部件沒太大變化；國Ⅲ到國Ⅳ加裝排放后處理技術，在排氣系統上需要做相應改變，以滿足排放要求。 陶海軍：從Ⅱ階段到Ⅲ階段，排放減少了，油耗可能要增加。比如20噸的挖掘機，Ⅱ階段時110kW左右的功率就可以，而排放升到Ⅲ階段以后發動機功率就得提升到130kW左右。如果主機廠技術水平高的話，可能油耗增加得少一點。 油品是一個問題，目前國內還沒有解決。像日立、沃爾沃等目前很多已使用Ⅲ階段標準，這樣就導致發動機的故障率增長，服務成本增加很多。比如沃爾沃換個噴油嘴就要花好幾萬。甚至有些外資企業由于故障率高，而把原來已裝備的Ⅲ階段發動機，改裝成Ⅱ階段的發動機。 另外，還將增加散熱。Ⅱ階段到Ⅲ階段，散熱要增長20%至30%，從Ⅲ階段到Ⅳ階段還要在此基礎上增加20%至30%。 林明智：排放升級對產品研發影響不大，各主要廠家在這方面都有所準備。對能耗影響較大，Ⅲ階段能耗較高，Ⅱ、Ⅳ階段會好一些。 技術問題不是瓶頸，成本與燃油質量是瓶頸。成本問題解決起來難度較大，燃油問題可以通過國家立法來解決。 滿軍城：排放的升級對礦車的影響主要是控制系統會產生變化，由于電控技術的應用會帶來整車通訊技術的變革，人機界面工程和軟件技術的應用會變得更容易，同時會更多地使用自動變速箱來達到動力性能更好地匹配。 楊信剛：對于工程機械產品而言，解決排放問題不僅僅是發動機的問題，還關系到整車設計匹配等一系列問題。發動機排放效果要通過主機實現。例如比較典型的問題就是在原有的基礎上增加空空中冷系統，同時考慮EGR冷卻對散熱量的影響，升級到StageⅢA階段后必須對整機散熱系統重新進行匹配。結構方面，對于增加外置EGR，發動機要增加EGR冷卻器和一些其它管路，這勢必會影響在整車的布置，考慮到是否會出現整車的干涉現象，電器系統要考慮EGR 控制器等元器件的安裝。到StageⅢB階段，后處理系統一般要與消音器結合，加上各種新增加的傳感器，發動機與整機聯系更加緊密。因此在更高排放產品實現過程中，主機廠、發動機制造商要立足于整機平臺。主機廠要對發動機采取的技術措施，結構變動從整機布置角度進行考慮，發動機廠當然更要考慮主機結構、參數變動的難易程度及產品繼承性等,雙方共同找到最佳方案。國外工程機械產品從整機到發動機乃至零部件布局就非常合理，對我們有很好的借鑒意義。 梁海濤：國Ⅱ到國Ⅲ的升級，在技術上并沒有什么大的變化。對于成熟的小型發動機廠商來說，基本是精細化和優化的過程，并不存在太多技術壁壘。對小型的整機設備來說，將不會有太多的影響，部分還能實現更個性化的控制方式。 呂明福：隨著排放法規要求的提高，對主機的動力系統，控制系統和執行機構等都提出了前所未有的要求和挑戰，對元器件的效率要求更高，系統集成技術更先進，控制智能化，從而達到主機的節能、高效、智能，達到同樣的排放標準而成本在同行業中占據優勢。 伊頓數控液壓技術的應用，如Ultronic數字閥產品Axis-Pro系列比例閥，使系統和元件在整個工況下高效運行，減少系統功率需求，降低排放的控制成本。如風扇控制系統，效率提高38%~48%。先進材料及納米技術與伊頓先進的元件及系統相結合，提供了一系列應對苛刻排放要求的系統解決方案。如伊頓50系列蓋板閥、S10系列轉向器及使用納米材料進行表面處理的液壓管等。 為應對嚴格的排放法規，先進的系統解決方案也已得到驗證。傳動的Z系列產品，機械液壓混合傳動技術，提高系統的傳動效率，減少最高功率配置等；HLA液壓混合動力驅動技術，可使系統節能25%以上，同時在改善發動機排放，減少設備使用及維護成本等方面都有很明顯的效果；挖掘機的混合動力系統，通過動力源應用液壓飛輪技術的同時優化發動機的動力控制特性，回轉、動臂下降等的能量回收技術的運用，使挖掘機的系統節能20%以上，同時發動機功率配置降低，在實現同等排放標準的情況下，成本更低。還有轉向的EH系統，可實現GPS遙控精細控制，提高作業效率，減少排放控制成本。 伊頓正在開發的先進的排放技術，是一種不需要尿素添加劑系統的后處理技術，能減少氮氧化物達90%，在滿足排放法規要求的同時，減少裝機重量和使用維護成本。 |
