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访湛日景博士


满足更严要求的柴油机及后处理技术--访美国西南研究院首席工程师湛日景博士
[访美国西南研究院首席工程师湛日景博士]

汽车污染物排放 ,尤其是柴油车的排放问题越来越被人们所关注 , 而政府也表示出了对于治理环境污染问题的决心 . 工信部产业政策司前不久发公告表示 ,定于 2014 年 12 月 31 日废止适用于国家第三阶段汽车排放标准柴油车产品,2

015 年 1 月 1 日起国Ⅲ柴油车产品将不得销售.

汽车污染物排放,尤其是柴油车的排放问题越来越被人们所关注,而政府也表示出了对于治理环境污染问题的决心。工信部产业 政策司前不久发公告表示,定于 2014 年 12 月 31 日废止适用于国家第三阶段汽车排放标准柴油车产品,2015 年 1 月 1 日起国Ⅲ柴油车 产品将不得销售。这需要商用车生产企业改变其柴油车装置来符合国Ⅳ标准要求。与此同时,国内外柴油机生产企业及关键零配件供应 商也应提前布局,进行相应的技术储备、人才储备和市场推广。为此,本刊记者采访了汽车排放和后处理领域的知名专家美国西南研究 院首席工程师湛日景博士。
AI:中国工信部发布公告,将从 2015 年 1 月 1 日起全面实施重型柴油机国Ⅳ排放标准,您认为这一时机是否已经成熟?我们还 有哪些方面需要尽快改进提高? 湛日景博士:实际上,国Ⅳ技术,包括发动机技术、排放后处理技术,以及燃油和车用尿素等,早已成熟。目前,国Ⅳ重型柴油 机基本上都采用了 SCR 技术,而这一技术在国Ⅳ阶段低于 50ppm 硫含量的柴油并非必要条件,因此,在全国范围内推进重型柴油机的国 Ⅳ排放标准,没有技术上的障碍。当然,由于以往对排放法规的监管不到位,某些企业有侥幸心理,尚不能达标,这些问题在法规执行 的过程中应逐步加以解决。 AI:作为知名发动机排放及后处理行业专家,您对国内外柴油机及后处理的相关技术及法规非常了解。请您与我们分享一下,美 国、欧洲及日本等国家和地区的相关法规及技术研发最新进展。有哪些值得我们借鉴学习? 湛日景博士:首先,我们需要对排放法规有比较深刻的理解。自从美国在 20 世纪 70 年代开始实施排放法规以来的近 40 年,排 放法规一直是发动机和车辆技术进步最大的推动力。当然,近几年,燃油消耗法规的引入,形成了排放和油耗法规并行推动技术进步的 基本格局。但是在本质上,排放和油耗并不矛盾。 在中国汽车市场“井喷”之前,美国、欧洲和日本不仅是全世界最大的汽车市场,而且是汽车技术的领导者。这和他们独立地制定 排放法规有内在的关联。作为目前全世界最大的汽车市场,中国一直在效仿欧洲排放法规,这在汽车工业发展的初级阶段是一个必然的

过程。但是,考虑到排放法规在汽车技术进步中的重要作用,如果一味地照搬国外的标准,所谓的“自主创新”便只能是一厢情愿。因此, 独立自主地制定符合中国空气质量要求的机动车排放法规,是未来汽车工业发展的必由之路。

图 1 SwRI 发动机排放试验台架 提到国情,在机动车排放领域,有两个突出的特点必须在法规中体现。 第一,中国正在进行轰轰烈烈的“城市化”进程,几乎所有的城市都在进行大拆大建,大量的工程机械在人口集中的城市中作业, 而这些工程机械恰恰是排放控制水平比较低的。此外,国内的柴油被非常不合理地分成 “车用柴油”和“普通柴油”,而工程机械用的是品质 比较差的普通柴油。这种大量工程机械在城市运行的情况在欧美不存在,如果照搬欧美法规,如何能满足国内城市空气质量的要求? 第二是城市车辆的行驶工况。在欧美城市,特别是美国的城市,是随着汽车工业的发展而发展,道路资源和停车场基本可以满足 汽车的需求。中国城市是按照公交和自行车而规划,近 10 年汽车销量的暴涨对道路和停车资源带来极大的挑战。在堵车成为所有城市常 态的情况下,如果在排放法规中不能体现这种行驶特征,现实的机动车减排效果必然大打折扣。 至于美国、欧洲和日本,依然在延续排放法规不断加严的传统。这里面有大气质量改善的需求,也有维持汽车技术领先的愿望。 在轻型车领域,最为显著的是美国轻型车三阶段排放法规的出台,和欧洲在欧Ⅵ第二阶段对直喷汽油车颗粒物数量的限制。这两个法规 将促使轻型车的排放技术提高到前所未有的水平。在排放要求最为严格的美国加州,目前已经开始开发下一阶段的重型发动机排放技术, 预计 NOx 的排放限值将比目前国Ⅳ水平下降 98%以上。 AI:您认为目前中国柴油机相关企业在技术储备和人才储备方面还有哪些工作要做?对于这些企业,您有何建议? 湛日景博士:国内的龙头企业在技术和人才建设方面,做得非常出色。当然国内大多数的柴油机企业,在排放控制技术方面,还 极为薄弱。如果国Ⅳ排放法规严格执行,包括 OBD 和排放耐久性,这些企业基本上无法满足国Ⅳ的要求。

图 2 SwRI 试验场所 如果说建议,最主要的是政府部门对国Ⅳ排放标准的执行必须严格到位,对违规者严惩不贷。过去几年,国Ⅳ排放标准的执行一 拖再拖。即使在目前,环保部和工信部明显存在不一致,这样让踏踏实实开发了国Ⅳ技术和做了生产储备的柴油机及后处理企业反倒吃 了亏。惟有尽快建立一个公平的市场环境,所有的企业才会在排放技术和人才储备方面下功夫。这些工作,市场规律自然会调节。 AI:达到国Ⅳ排放标准,柴油机技术是一方面,同时也离不开尾气后处理技术。您如何看待“优化燃烧+SCR”和“EGR+DPF”等不 同技术路线的应用特点? 湛日景博士:所谓的技术路线,取决于两个主要因素:排放法规和满足排放法规的成本。比如,美国 2007 年的重型发动机颗粒 物限值为 0.01g/bhp-hr,意味着高效 DPF 是必需的。但是,考虑到未来美国 2010 法规的要求,用 EGR 技术满足美国 2007 法规比 SCR 的成本低,因此,EGR+DPF 便成了美国 2007 重型发动机的后处理技术路线。对于欧Ⅳ和欧Ⅴ排放法规而言,由于颗粒物 PM 的限值为 0.03g/kW-hr(ETC 工况),这个限值不需要高效 DPF,因此,考虑到发动机技术的延续性,用 SCR 技术成本最低,因此 SCR 便成了主 流技术路线。 对于中国未来的法规,比如国Ⅵ,可以预见,颗粒物的限值会强制高效 DPF 成为柴油机的标配,这样,最大限度地优化燃烧,同 时尽可能提高 SCR 催化剂的转化效率,是提高燃油经济性的惟一途径。因此,未来的后处理技术路线会包含 DOC、DPF 和 SCR。 我们注意到,欧洲有些主机厂在满足欧Ⅵ法规时,后处理技术包括 DOC、DPF 和 SCR,但没有用 EGR。在中国城市堵车严重的情 况下,用 EGR 降低 NOx 很可能比通过热管理提高低温时 SCR 的转化效率更为划算,因此我们在探讨后处理的技术路线时,切忌照搬, 一定要按照特定的驾驶工况,满足实际运行中排放控制的目标,而该目标需要在排放法规中加以明确。

AI:美国西南研究院在柴油机技术及排放方面有着丰富的经验和一流的解决方案。请您介绍一下,贵机构在满足欧Ⅳ和欧Ⅴ排放 标准的后处理解决方案? 湛日景博士:欧Ⅳ和欧Ⅴ的技术早已非常成熟,欧Ⅵ技术,甚至是总体更加严格的美国 2010 重型发动机技术也已经成熟。目前, 美国西南研究院在为美国加州下一阶段重型发动机排放法规的建立开发超低 NOx 排放技术——0.02g/bhp-hr。该限值对现有的发动机技 术、后处理技术,以及系统集成,都是一个极大的挑战。

具体到国内应用,京Ⅴ比欧Ⅴ难度略大,涉及到新的瞬态工况 WHTC,而且有冷起动要求。在欧Ⅴ基础上,需要增加标定量,而 且增加排气热管理。在目前车用尿素和柴油价格基本相当的前提下,用 SCR 后处理技术对重型发动机来说,在经济上更划算。因此,在 国Ⅳ和国Ⅴ阶段,SCR 技术会多一些。由于京Ⅴ对颗粒物数量有限制,对某些发动机而言,颗粒物后处理装置是必需的。因此,在京Ⅴ 阶段,可以看到 DOC、POC 或 DPF,再加上 SCR 的后处理系统。 对于京Ⅴ和国Ⅴ,后处理技术解决方案是根据发动机本身的技术水平决定的。一般情况,我们会选择 SCR 技术作为主要的后处理 技术,同时,根据发动机本身的技术,可能在选择 PM 控制技术和排气热管理之间,做出经济上的权衡。


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