北京跨入Ⅲ阶段 工程机械如何应对?

2013/7/5/14:59来源:《建设机械技术与管理》

    2013年7月1日,北京正式实施地方标准DB11/185-2013《非道路机械用柴油机排气污染物限值及测量方法》。该标准相当于欧洲StageⅢA,并且将于2015年1月1日起实施相当于欧洲StageⅢB的排放法规。

    排放标准的升级,对发动机性能、结构要求发生较大的变化。特别是从StageⅢA到StageⅢB阶段。由此对发动机制造商、整机制造商、代理商和终端用户都将带来巨大的影响。而且在北京地区实施非道路Ⅲ阶段法规后,对全国其他省市的影响不可小窥。也许将引领全国在未来几年内执行更高排放标准。

    本文从发动机制造商、工程机械整机制造商等角度,就实现排放标准的发动机技术路线、对工程机械行业带来什么影响、如何应对等问题邀请了多位专家进行探讨,嘉宾如下:中国工程机械工业协会挖掘机械分会秘书长李宏宝、济南汽车检测中心工程师刘顺利、中联重科土方机械公司常务副总经理程军辉、广西柳工机械股份有限公司研究总院副院长谢萍及挖掘机研究院院长林明智、山河智能装备股份有限公司挖掘机研究院院长陶海军、三一矿机有限公司研究院院长满军城、菲亚特动力科技(FPT)中国区总经理余宁、广西玉柴机器股份有限公司工程机械配套技术总师彭天权、潍柴动力运用工程部工程机械分部经理杨信刚、洋马发动机(上海)有限公司小型陆用柴油机部技术服务经理梁海涛、伊顿液压应用工程经理吕明福。

    非道路国Ⅲ排放标准与国Ⅱ标准有何不同?

    刘顺利:根据《非道路移动机械用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》第三阶段的标准征求意见稿(下称国Ⅲ标准意见稿),19kW以上机型污染物排放限值采用欧盟2004/26/ECIIIA阶段的限值要求,19kW以下机型采用EPACFRPART89Tier2阶段限值要求,见表1。

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表1 各功率段污染物限值

    另外,相应油品要求提高:非道路移动机械用压燃式发动机Ⅲ阶段,排放技术水平基本等同于车用机第Ⅲ阶段,它们采用了很多相同的技术,例如高压共轨、电控EGR等,这些技术要求质量更好的燃油,例如燃油中杂质、硫含量等都需要大幅降低。从欧美相应阶段排放标准来看,对燃油也提出了更高的要求,考虑到压燃式发动机排放水平的进一步提高,参考欧美标准,拟采用GB252-2011普通柴油标准的相关技术内容。该标准要求的基准燃油的主要技术参数见表2。

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表2 基准燃油主要技术参数

    发动机实现国Ⅲ排放标准技术路线

    从发动机制造的角度看,实现国Ⅲ标准的技术途径有哪些?

    彭天权:欧美非道路实现Ⅲ阶段排放标准时,发动机基本技术路线见表3。

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表3 欧美Ⅲ阶段发动机基本技术路线统计

    余宁:菲亚特工业动力科技(FPT)针对IIIA的排放阶段,专门开发了机械转子泵、涡轮增压带废气门旁通、中冷及内部EGR的NEF系列发动机,可靠性高,对燃油品质要求不高,保养维护周期长。当然FPT也可提供更高功率密度的高压共轨发动机。

    从Ⅲ阶段升级到Ⅳ阶段,一般发动机制造商会采取EGR+DPF+SCR的技术路线,FPT策略是以用户成本最小化和性能最优化为基础的。为了满足用户的需求,FPT准备选择一条与竞争者不同的路线-高效SCR。高效SCR是一个无须废气再循环和主动再生DPF,并且能满足Ⅳ阶段排放的后处理系统。由于这个系统,我们的发动机与现有Ⅲ阶段产品相比,无须降低效率,无须增加用户操作成本,而且性能可靠。

    杨信刚:StageⅢA阶段,目前通过缸内燃烧控制仍可实现排放达标,其核心是控制燃烧温度。通常的措施有:

    (1)进气中冷。降低进气温度,从而提高进气量,降低燃烧温度,降低PM和NOX生成;(2)供油压力与时刻控制。控制燃烧最高压力和温度,降低NOX生成;(3)EGR(ExhaustGasRecirculation),废气再循环,控制燃烧温度,降低降低NOX生成。采用EGR,可以有效抑制NOX生成,同时实现更好的经济性。

    燃油系统可以选择机械供油或电控供油。前者的优点是成本低,对燃油要求不高,易于维护保养,后者优点是排放性、经济性好,特别是对于共轨系统,由于可对供油时刻、喷射次数、轨压等多种变量根据不同工况进行调整,效果更为明显。

    通过与燃油系统的配合,国内外目前对于非道路StageⅢA阶段的排放路线主要有三种:机械泵+EGR路线、电控共轨和电控共轨+EGR路线。不同的技术路线优劣对比见表4。

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表4 满足Stage ⅢA排放法规不同的技术路线优劣对比

    国内目前的燃油、杂质、水含量、含硫量都比较高,这对共轨系统精密的燃油零部件带来非常大的损害,解决这个问题,技术应用首先要考虑过滤的问题,对于含硫量高,还要考虑发动机摩擦副的腐蚀、机油的老化、后处理中毒等问题。

    梁海涛:对于洋马发动机来说,额定功率在37kW以下的机型,只进行了内部燃烧的优化,包括喷油压力、角度和燃烧室的形状等,也就是说,在硬件装置方面没有增加。我们致力于这些精细化和优化研究的原因,也是希望不会因排放升级而给客户带来成本上的压力。对于37kW以上的机型,也仅仅增加了用以降低燃烧温度抑制NOx生成的EGR阀,用以实现更为精准控制和个性化控制设定的电控调速器。

    国III,增加了多少成本?

    排放标准的升级,势必增加发动机的制造成本以及运营和维护的成本。这也是初始推行阶段,行业比较关注的话题。

    刘顺利:在济南汽车检测中心台架试验,选择一批能够满足国Ⅲ标准要求的机型和具备满足国Ⅲ标准潜力的机型进行了试验,排放控制技术是可行的,成本增加见表5。其中:对于130≤Pmax≤560kW的发动机,要满足该标准的排放限值要求,需要采用共轨、单体泵等车用机Ⅲ阶段的技术,传统的增压或增压中冷技术,已经不能满足本标准要求。这类机型主要由车用发动机的企业提供,企业已经具有相对成熟的排放控制技术,技术不存在问题,对达到该标准的要求没有技术难度。压燃式发动机成本增加2000〜5000元/台,约占总成本的10%〜15%左右。

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表5 各功率段机型达标技术及成本增加

    对于75≤Pmax<130kW和37≤Pmax<75kW功率段的发动机,主要为大、中型农机、叉车、挖掘机等配套,大部分机型采用自吸,个别机型采用增压或增压中冷,部分出口机型采用涡流室、增压或增压中冷。成本增长如下:

    (1)对自然吸气机型进行改进,采用增压或增压中冷技术。增压器成本增加约1000元/台;(2)部分增压机型排放情况接近标准限值要求的,可以通过调整提前角来达到要求,所带来的问题是油耗增加10%左右;(3)对部分增压机型排放情况离限值差距较大的,可以通过采用中冷技术来解决,由于非道路工程机械发动机工作状况的特殊性,在工作的时候没有迎面风,所以一般情况下采用水-空中冷器,但水-空中冷器对改变NOX的排放程度很有限,在有些情况下,非但不能降低排放,反而会稍微增加NOX的排放量,这时采用强制风冷情况会好一些,但会消耗一部分发动机功率。水-空中冷器成本约增加1000〜2000元/台。

    另外,采用EGR技术,EGR机内净化措施成本约为600〜800元/台。

    彭天权:发动机由国Ⅱ到国Ⅲ排放标准,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发动机,高压油泵由I号泵提升为PM泵,发动机本体强度也需要加强,这些都会导致成本增加。而电控共轨发动机采用的是工程机械专用共轨系统,比车用发动机系统的成本还要更高。经统计,各系列发动机成本增加大约5〜25%。

    谢萍:成本上升带来的影响包含上下游行业,对于上游的配套件企业来讲,产品升级成本会增加,对于下游的用户来讲,采购成本会上升,维护保养成本也会上升。另外,由于用户使用习惯和油品问题,可能出现新购设备也很早就会出问题的情况,可能产生纠纷。

    如何消化上升的成本?如何过渡?

    成本的上升是现实,如何消化?欧美等发达国家之前的排放标准升级是如何过渡的?国内的公路车辆标准升级是如何逐步实现的?对非公路国Ⅲ标准有何借鉴意义?

    程军辉:实施前期发动机成本会增加,从长远来讲,发动机大批量面市后成本不会增加太多。在过渡期,Ⅲ阶段产品的推广会有一定的困难,长远来讲对工程机械行业影响不大。

    实现从Ⅱ阶段到Ⅲ阶段的转变,过渡期发动机的成本要增加20~30%,目前发动机增加的成本主要靠生产企业和用户来消化,难度很大。希望国家能在前期推行的时候,拿出一部分资金对用户实行补贴,一定时间以后就能达到全行业全面推行的目的。

    从Ⅱ阶段到Ⅲ阶段最大的挑战是成本增加和油品问题。现在油品还不能全面保证Ⅲ阶段发动机使用要求。所以市场推广有一定的困难,需要不断进行产品技术改进及升级,提高服务质量,逐步消化增加的成本。主机厂需提前做好匹配方面的技术储备,加大研发力度,才能在以后企业发展过程中立于不败之地。

    当然挑战与机遇并存,排放的升级也是行业技术的升级,可以缩小与国际工程机械先进水平的技术差距,为国内工程机械进军欧美国际市场做好准备。

    彭天权:借鉴国外和国内车用发动机的发展过程,每次排放升级都伴随着发动机排量优化的过程,强制执行国Ⅲ排放标准正是促进发动机排量小型化最佳时机。目前,国内工程机械、农用机械等非道路用发动机升功率都比较小,多采用自然吸气和增压的进气方式。对于4L以上排量发动机,国Ⅲ排放基本上都需要采用增压中冷技术,以提高升功率。那么,对于挖掘机、压路机、空压机等对瞬态响应能力不是特别高的整机采用增压中冷技术,发动机排量小型化将会对整车成本、油耗水平以及NVH方面有更大贡献,特别是可以降低由于排放升级带来的成本增加。而对于装载机来说,由于用户对瞬态响应的盲目追求,发动机排量小型化可能需要更长的过程;而从另一方面来说,过小的升功率反而对排放指标控制不利,例如50型装载机动力只有220马力,10L排量的发动机按这个功率指标显然是难以控制的;所以只要国家严格执行排放标准,严控一致性,装载机动力排量小型化进程定会加快。

    谢萍:对于主机厂来讲,肯定是不会倒贴钱卖设备,成本会由主机厂、零部件厂家、用户、国家(补贴)共同承担。具体消化成本的方式,各企业会根据自身的情况来定。国家此次出台的标准,30多马力的发动机也覆盖了,意味着小渔船都得受影响,对于渔民、农民来讲,增加的成本不是小数,我们应该考虑如何解决这个问题。

    在欧美,新标准出台后,会给制造厂家一个缓冲期,在这个时期厂家可以卖旧标准的设备,但卖一台必须额外交一台的排放税,这个税比较高,所以后来厂家几乎都全部进行了切换。我们国家在从国I排放到国Ⅱ升级的时候,也给了一个时间期限。

    满军城:非道路排放国Ⅱ阶段到国Ⅲ的升级,矿车行业成本同样会增加,必将要求整个行业提升产品的品质和性能,以适应排放法规的要求。

    从Ⅱ阶段升级到Ⅲ阶段,发动机的成本会增加10〜20%,同时由于目前Ⅲ阶段发动机大都采用电控发动机,也就要求主机企业势必需增加相应的电子控制等硬件和软件来配套,也势必带来产品的改进和提升,因此大部分企业将借机推出新产品,也可适当提价以消化成本的压力。欧美当初也是如此。

    主机企业关注的几个问题

    挖掘机是非道路机械的重要机种之一。行业企业十分关注排放升级带来的影响。

    李宏宝:从挖掘机企业反馈情况来看,主要关注如下几点:

    (1)标准的实施发布应考虑挖掘机油品使用现状。

    挖掘机械主要用于野外作业,用户大部分是个体使用者,不同于道路行驶车辆,燃油添加基本是野外工地加油车运送,油品存在较大的不稳定性,用户难以把握其质量,特别是中西部地区和边远地区,此现象尤为突出,希望在修订标准时结合我国国情的实际情况考虑挖掘机油品使用现状。

    (2)标准的实施应给企业充分的过渡周期。

    标准的实施时间是各家企业最为关注的焦点,它关系到产业的技术更新设计、企业的工艺工装调整和生产线的改造,用户的操作使用保养手册编制、用户培训、零部件的更新等诸多方面,建议标准的实施时间要给予企业充分的准备周期。

    (3)标准的实施应综合考虑油品标准的实施。

    非道路移动机械用压燃式发动机Ⅲ阶段排放标准,130kW以上的机型所采用的技术措施基本等同于车用机Ⅲ阶段标准所采用的技术,例如高压共轨、单体泵、电控EGR等,这些技术要求质量更高的燃油。2011年7月1日开始实施车用机Ⅲ阶段用燃油标准GB19147-2009,但是否全国都能供应,还需要进一步调查。所以,标准的实施应综合考虑市场燃油的供应情况。

    (4)标准的实施应充分考虑我国的工业状况。

    国产品牌挖掘机械刚刚渡过最艰难起步阶段,技术处于学习期,产业链尚不完整,基础薄弱,抗冲击能力差。过早实施非道路国Ⅲ排放,会给企业增加负担,会因技术储备不足造成对民族品牌挖掘机械产业的冲击。

    另外,考虑目前我国基础工业的状况,采用国Ⅲ标准后,发动机将采用共轨技术、电控喷油器等技术。如果在短期内实施国Ⅲ排放标准,会导致成本增加过快,对我国的挖掘机和发动机企业将产生冲击。

    (5)关于有效寿命的问题。

    非道路Ⅲ阶段标准与Ⅰ、Ⅱ阶段标准相比增加了耐久性试验的要求,对此项试验,应在“编制说明”中说明试验要求。

    (6)标准的实施是否应考虑把二手挖掘机也纳入标准的要求范围。

    排放升级,除了发动机还将带来哪些技术升级?

    排放标准升级,除了发动机改变外,其他零部件比如车桥、变速箱、控制系统等会带来哪些相应改变?

    谢萍:要保持优势,整个系统都要变革,这是一个全系统集成的概念。一般来说,从旧标准升级到新标准后,油耗会增加,所以如何解决油耗增加问题,也是零部件厂家和主机厂家必须考虑的问题。

    程军辉:从整体讲,主要是电控系统的改变,其它部件变化不是太大。国Ⅱ到国Ⅲ大多是通过高压共轨电控技术实现,这种技术升级实现了发动机缸内净化,除电气系统外,其他部件没太大变化;国Ⅲ到国Ⅳ加装排放后处理技术,在排气系统上需要做相应改变,以满足排放要求。

    陶海军:从Ⅱ阶段到Ⅲ阶段,排放减少了,油耗可能要增加。比如20吨的挖掘机,Ⅱ阶段时110kW左右的功率就可以,而排放升到Ⅲ阶段以后发动机功率就得提升到130kW左右。如果主机厂技术水平高的话,可能油耗增加得少一点。

    油品是一个问题,目前国内还没有解决。像日立、沃尔沃等目前很多已使用Ⅲ阶段标准,这样就导致发动机的故障率增长,服务成本增加很多。比如沃尔沃换个喷油嘴就要花好几万。甚至有些外资企业由于故障率高,而把原来已装备的Ⅲ阶段发动机,改装成Ⅱ阶段的发动机。

    另外,还将增加散热。Ⅱ阶段到Ⅲ阶段,散热要增长20%至30%,从Ⅲ阶段到Ⅳ阶段还要在此基础上增加20%至30%。

    林明智:排放升级对产品研发影响不大,各主要厂家在这方面都有所准备。对能耗影响较大,Ⅲ阶段能耗较高,Ⅱ、Ⅳ阶段会好一些。

    技术问题不是瓶颈,成本与燃油质量是瓶颈。成本问题解决起来难度较大,燃油问题可以通过国家立法来解决。

    满军城:排放的升级对矿车的影响主要是控制系统会产生变化,由于电控技术的应用会带来整车通讯技术的变革,人机界面工程和软件技术的应用会变得更容易,同时会更多地使用自动变速箱来达到动力性能更好地匹配。

    杨信刚:对于工程机械产品而言,解决排放问题不仅仅是发动机的问题,还关系到整车设计匹配等一系列问题。发动机排放效果要通过主机实现。例如比较典型的问题就是在原有的基础上增加空空中冷系统,同时考虑EGR冷却对散热量的影响,升级到StageⅢA阶段后必须对整机散热系统重新进行匹配。结构方面,对于增加外置EGR,发动机要增加EGR冷却器和一些其它管路,这势必会影响在整车的布置,考虑到是否会出现整车的干涉现象,电器系统要考虑EGR控制器等元器件的安装。到StageⅢB阶段,后处理系统一般要与消音器结合,加上各种新增加的传感器,发动机与整机联系更加紧密。因此在更高排放产品实现过程中,主机厂、发动机制造商要立足于整机平台。主机厂要对发动机采取的技术措施,结构变动从整机布置角度进行考虑,发动机厂当然更要考虑主机结构、参数变动的难易程度及产品继承性等,双方共同找到最佳方案。国外工程机械产品从整机到发动机乃至零部件布局就非常合理,对我们有很好的借鉴意义。

    梁海涛:国Ⅱ到国Ⅲ的升级,在技术上并没有什么大的变化。对于成熟的小型发动机厂商来说,基本是精细化和优化的过程,并不存在太多技术壁垒。对小型的整机设备来说,将不会有太多的影响,部分还能实现更个性化的控制方式。

    吕明福:随着排放法规要求的提高,对主机的动力系统,控制系统和执行机构等都提出了前所未有的要求和挑战,对元器件的效率要求更高,系统集成技术更先进,控制智能化,从而达到主机的节能、高效、智能,达到同样的排放标准而成本在同行业中占据优势。

    伊顿数控液压技术的应用,如Ultronic数字阀产品Axis-Pro系列比例阀,使系统和元件在整个工况下高效运行,减少系统功率需求,降低排放的控制成本。如风扇控制系统,效率提高38%~48%。先进材料及纳米技术与伊顿先进的元件及系统相结合,提供了一系列应对苛刻排放要求的系统解决方案。如伊顿50系列盖板阀、S10系列转向器及使用纳米材料进行表面处理的液压管等。

    为应对严格的排放法规,先进的系统解决方案也已得到验证。传动的Z系列产品,机械液压混合传动技术,提高系统的传动效率,减少最高功率配置等;HLA液压混合动力驱动技术,可使系统节能25%以上,同时在改善发动机排放,减少设备使用及维护成本等方面都有很明显的效果;挖掘机的混合动力系统,通过动力源应用液压飞轮技术的同时优化发动机的动力控制特性,回转、动臂下降等的能量回收技术的运用,使挖掘机的系统节能20%以上,同时发动机功率配置降低,在实现同等排放标准的情况下,成本更低。还有转向的EH系统,可实现GPS遥控精细控制,提高作业效率,减少排放控制成本。

    伊顿正在开发的先进的排放技术,是一种不需要尿素添加剂系统的后处理技术,能减少氮氧化物达90%,在满足排放法规要求的同时,减少装机重量和使用维护成本。