杨再舜：国三国四国五发动机之技术区别

    随着国际《京都议定书》的正式生效，欧洲汽车产业希望借助“欧5”和随后的“欧6”，利用欧洲柴油车在节能和限污方面的成熟技术，振兴欧洲汽车工业并使其保持世界领先地位并完全垄断环保节能发动机的科学先进技术。

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    我国是《京都议定书》的签约国，无论从政治还是从政绩上考量，中国政府必须要履行对全世界的承诺，用二分之一的时间，走完欧盟（加上美日）从欧州汽车排放标准I号到V号或欧VI的二十多年实施阶段时间，以高度体现中国发展速度与政治上极端高度性。

    根据今年年初国务院常务会议的安排，今年6月底前将发布第五阶段车用柴油标准(硫含量不大于10ppm)，今年年底前将发布第五阶段车用汽油标准(硫含量不大于10ppm)，过渡期均至2017年底。第五阶段机动车排放标准，已经走完了所有的程序，很快即将对外发布。”环保部官员表示，“标准发布之后并不会即刻实施，因为新标准的实施需要一个准备实施期，通常这一准备期为三五年时间。”该官员解释，汽车排放标准的实施，必须油品先行。

    因此，对新标准实施最为重要的是，油品供应企业必须充分准备，保证能向用户提供与排放标准相配套的国五油品，同时，汽车制造厂家也要研发生产符合这一新排放标准的汽车，用户也要等政府的补贴政策才能决定是否淘汰旧车。

    今年经国务院批准，自2013年2月1日起，北京市在全国率先开始执行北京第五阶段机动车排放标准。在国务院提出的十条措施中，第七条措施为，用法律、标准倒逼产业转型升级，其中包括一项重要内容，制定、修订重点行业排放标准。

●  何为汽车排放标准？

    目前，世界汽车排放标准并立，分为欧洲、美国、日本标准三大体系。欧洲标准测试要求相对而言比较宽泛，是发展中国家大都沿用的汽车尾气排放体系，而日美最为严格。中国汽车大多数系从欧洲引进生产技术，因此大体上采用欧洲标准体系，其尾气排放标准也是延用欧标体系。

    汽车排放标准，是指从废气中排出的CO(一氧化碳)、HC＋NOx(碳氢化合物和氮氧化物)、PM(微粒，碳烟)等有害气体。汽车排放是指从废气中排出的CO（一氧化碳）、HC＋NOx（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体。它们都是发动机在燃烧作功过程中产生的有害气体。

    这些有害气体产生的原因各异，CO是燃油氧化不完全的中间产物，当氧气不充足时会产生CO，混合气浓度大及混合气不均匀都会使排气中的CO增加。 HC是燃料中未燃烧的物质，由于混合气不均匀、燃烧室壁冷等原因造成部分燃油未来得及燃烧就被排放出去。NOx是燃料（汽油）在燃烧过程中产生的一种物质。PM也是燃油燃烧时缺氧产生的一种物质，其中以柴油机最明显。因为柴油机采用压燃方式，柴油在高温高压下裂解更容易产生大量肉眼看得见的碳烟。

    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，欧洲和美国都制定了相关的汽车排放标准。其中欧洲标准是我国借鉴的汽车排放标准，目前，国产新车都会标明发动机废气排放达到的欧洲标准。

    欧洲标准是由欧洲经济委员会（ECE）的排放法规和欧共体（EEC）的排放指令共同加以实现的，欧共体（EEC）即是现在的欧盟（EU）。排放法规由ECE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年前巳实施若干阶段，欧洲从1992年起开始实施欧Ⅰ（欧Ⅰ型式认证排放限值）、1996年起开始实施欧Ⅱ（欧Ⅱ型式认证和生产一致性排放限值）、2000年起开始实施欧Ⅲ（欧Ⅲ型式认证和生产一致性排放限值）、2005年起开始实施欧Ⅳ（欧Ⅳ型式认证和生产一致性排放限值）。

●  欧IV排放技术  

    欧洲排放标准：

    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油泵等管路上进行重新设计。

    欧美主要采用了两条机外后处理技术路线：

    1、SCR (选择性催化还原) 技术路线，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。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。

    2、EGR+DPF/DOC (废气再循环+微粒捕集器/氧化催化转换器)技术路线，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。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。

    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。采用SCR方案可通过调整喷油特性而节省燃油消耗约5%，整车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。在欧洲主要以SCR技术占主流，而在北美却以EGR+DPF为主流。当前，国内主流卡车厂家国Ⅳ机型及所采用的技术路线比较认可SCR技术路线。

●  欧标发动机技术区别   

    为满足欧VI和欧V标准，发动机制造商将必须采取发动机改进、使用含硫量极低的燃油以及排放控制系统等技术措施。欧VI和欧V标准要求柴油含硫量不超过50X10-6，而美国2007年和2010年法规则要求将柴油含硫量降低至15×10-6。而欧V和欧VVI标准主要针对颗粒物排放，这给柴油发动机降低002it}放量带来更大的挑战。

    柴油机作为最广泛应用的动力源引擎，其总体技术结构相近，主要区别在燃油系统和电控系统，即直列式机械泵、电控共轨系统。目前，代表国际先进水平的是德国BOSH公司，其共轨燃油系统的排放标准在欧III（国3）以内。它采用曲轴、连杆、十字头结构，泵压130Mpa。

    而欧IV标准要求把油泵压力提高到160Mpa，这种相对略简结构已经不适应了。首先，柱塞偶配精度高，难以加工；其次，这种设计方案采用的是弹簧回力点接触传力结构，在压力增高以后，容易出现卡死和传动不平稳的缺点。因此，欧V标准产品已经巅覆了传统发动机的设计原则，特别是对油泵设计原理，完全是一次推翻传统理论进而重新革命性的再创新过程。

    DOC技术装置可以将总微粒(TPM)中的可溶性有机组分(SOF)氧化成CO2和水。还能将排气中的CO和HC氧化成CO2和水。与控制TPM、HC和CO排放不同，NOx需要被还原成氮(N2)和水。

    其技术原理：(1)发动机排放的SO3遇水会生成硫酸，它是TPM的—部分；(2)硫极易被大多数排放控制系统采用的铂催化剂从SO2氧化为SO3；(3)硫会使稀NOx捕集器(LNT)和含钯等催化剂中毒失效。需要采用一种能氧化CO与HC、而又不会使SO2氧化的技术。一种硫酸盐抑制剂可改变铂的选择性。降低SO2的活性。

    采用一些方法克服TPM的低反应活性：(1)使TPM中的SOF组分氧化；(2)将颗粒捕集到过滤器中并在高温下使它氧化；(3)通过NO氧化成NO2，使之产生一种更具反应活性的氧化物形式。

    据查阅相关资料表明：利用过滤器捕集TPM并定期在高温下使过滤器再生的方法已在美国2007年所有重型柴油车和欧洲大多数柴油客车上投入商业化应用。在需要降低颗粒排放及使用铂的场合，几乎全部都采用NO2来氧化碳烟。在不需要完全过滤TPM的某些场合，采用一种分流式过滤器或者采用一种通过载体的标准气流就足以满足需要。一套DOC装置可以去除废气中20%-60%的颗粒。去除NOx的第一种技术是稀NOx催化(LNC)。这项技术已在要求将NOx排放降低5%-10%的场合应用于轻型柴油车。在排气中添加额外HC可使NOx的降幅扩大至10%-20%。

    但其缺点是：在150-200℃之间大多数LNC催化剂会生成大量N2O。柴油机LNT在稀气条件下使NOx吸收在LNT中直到NOx的数量达到LNT的容量为止。当NOx达到峰值时开始脱附并与CO和HC反应生成N2和水。这项技术最初应用于美国的乘用车和中型载货车。但燃油中的硫会对LNT的性能和耐久性产生很大影响。

    SCR技术使用的还原剂并非CO和HC，而是氨。汽车选用的SCR还原剂通常为32.5%(质量百分比)的液态尿素溶液。目前有几种商用SCR催化装置可供选用，包括钒氧化物、低温沸石和高温沸石。钒基SCR装置适于在200-550℃温度范围内工作，但当它暴露在600℃以上的环境时会很快失去活性。低温沸石装置起作用的温度为150-450℃，正准备用于轻型柴油乘用车。高温沸石起作用的温度为250-700℃(在SCR装置前安装DOC装置有可能使其作用的温度下限降低到200℃)。

    高温沸石装置将主要用于美国2010年发动机和欧IV发动机的NOx还原，该过滤装置需要在600℃以上进行有源再生、发动机制造商面临设计上的选择：发动机NOx排放控制与TPM排放控制系统相结合，或发动机TPM排放控制与NOx排放控制系统相结合。欧洲有发动机制造商选择了前者，但大多发动机制造商都选择了SCR，这是因为它允许发动机针对低颗粒、高NOx及最大燃油经济性进行优化。

    此外，欧洲现有的SCR排放控制系统有能力在改动最小的情况下(提供更高的尿素喷射率等方法)达到欧V排放标准。欧洲重型柴油车都选择钒基SCR系统是因为它具有最佳的成本—效益比。在不采用DOC装置的情况下达到欧IV标准要求的、60%-70%的NOx转换率也是有可能的。这一方法有利于在无法供应低硫燃油的地区使用。

●  国四排放技术

    目前，在我国常用的欧Ⅰ和欧V标准等术语，是指当年EEC颁发的排放指令。例如适用于重型柴油车（质量大于3.5吨）的指令“EEC88/77”分为两个阶段实施，阶段A（即欧Ⅰ）适用于1993年10月以后注册的车辆；阶段B（即欧Ⅱ）适用于1995年10月以后注册的车辆。汽车排放的欧洲法规（指令）标准的内容包括新开发车的型式认证试验和现生产车的生产一致性检查试验，从欧Ⅲ开始又增加了在用车的生产一致性检查等等。

图为锡柴国四发动机

    查阅有关资料表明，汽车排放的欧洲法规（指令）标准的计量是以汽车发动机单位行驶距离的排污量（g/km）计算，因为这对研究汽车对环境的污染程度比较合理。同时，欧洲排放标准将汽车分为总质量不超过3500公斤（轻型车）和总质量超过3500公斤（重型车）两类。轻型车不管是汽油机或柴油机车，整车均在底盘测功机上进行试验。重型机由于车重，则用所装发动机在发动机台架上进行试验。

    当前， 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。

    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。

    国内商用车柴油机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。

    电控泵喷嘴技术(EUI)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。

    高压共轨技术(Common Rail)主要有沃尔沃、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。

    电控单体泵技术 (EUP) 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。

    电控直列泵(EIL) +EGR技术  中国重汽，一汽锡柴、玉柴、上柴、潍柴、东、西康明斯等也都提供电控直列泵+EGR发动机。

●  国五排放技术指标要求 

    国五排放标准基于欧五排放标准，其中PM值限制，国五排放标准是每公里4.5毫克，而欧五排放标准是每公里5毫克，但京五和国五排放标准要比欧五排放标准要更加严格。

图为锡柴国五发动机

    根据京五排放标准征求意见稿，三种污染物当中，CO的排放标准依然是1g/km，HC化合物的排放标准依然为0.1g/Km，而NOx化合物的标准，则由国四的0.08g/km进一步加严到0.06g/Km。京五排放标准中HC化合物的限值标准虽然还是0.1g/Km，但是在HC化合物中，将非甲烷基碳氢化合物（NMHC）单独列了出来，并且限值规定为0.068g/km。NMHC是指除甲烷以外的所有碳氢化合物，大气中的NMHC超过一定浓度，除直接对人体健康有害外，在一定条件下经日光照射还能产生光化学烟雾，对环境和人类造成危害。

    据奇瑞汽车发动机专家予默先生研究，他指出：京五排放标准中对PM值进行了规定，但仅限于缸内直喷式发动机。汽油发动机的PM值一般不高，缸内直喷汽油发动机和柴油发动机的PM值相对较高。

    京五排放标准中规定，缸内直喷汽油发动机PM值限值为4.5毫克每公里，而欧五排放标准中是5毫克每公里。京五排放标准中的排放合格里程数提升到16万公里，相比较国四排放标准的10万公里，提升了60%。

    相对于污染物的限制降低，在欧五标准中，这一里程的升级当时引起了更多的关注。因为美标中长期以来是以10万英里作为期限，所以在欧五中也开始施行更长的排放有效里程。这一公里里程限值的含义是，合格的汽车产品，必须在16万公里以内符合京五三大污染物排放限值的规定。

    京五排放标准中，原则上对在用车厂家自查进行了更加详细的规定：第一年内抽检1.5-3万公里、第二年抽检3-5万公里、第三年抽检5-8万公里、第四年抽检8-10万公里、第五年抽检10-16万公里的在用车。排放里程的限定变化以及增加的在用车抽检项目，是国五、京五相对于国四排放标准提升最为严格之处。如果油品达不到要求，车辆的排放稳定性就很难达到要求，因为汽油中的硫、锰等会对三元催化器产生毒化作用（与贵金属发生化学反应，降低贵金属的催化能力），直接降低三元催化器的工作效率。

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