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国四柴油车技术路线分析
信息来源:湖北江南专用特种汽车有限公司  发布时间:2014/5/19 11:37:01  浏览次数:7265

首先说一下SCR(Selective Catalytic Reduction),选择性催化还原系统,是一种把尿素作为添加剂的技术,但是缺点在于实现这种技术需要高的排放温度,进而就需要发动机的排量越大越好,最终导致的就是燃料的消耗。在降低氮氧化物排放量上,SCR的有效性已经广为人知。SCR则是通过将一种尿素水溶剂注入已加进SCR催化剂的废气中,来减少氮氧化物的排放。虽然这种尿素溶剂必须储存在随车的容罐中,但对比其他技术,使用SCR有可能实现更高的燃油经济性以及较低的运行成本。经证实,在不同的发动机工作环境下,SCR能降低氮氧化物排放65%~99%。SCR技术已经在发电机组上运用达15年之久。然而,作为车用的SCR技术必须实现更小的体积,更为持久耐用,并能满足不同卡车发动机的功能需求。此外,设计系统时需要考虑防止未反应的氨气从排气管中排出,发生氨气泄漏。
EGR,废气再循环,发动机控制电脑即ECU根据发动机的转速、负荷(节气门开度)、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开,进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室,膜片拉杆将EGR阀门打开,排气中的少部分废气经EGR阀进入进气系统,与混合气混合后进入气缸参与燃烧。少部分废气进入气缸参与混合气的燃烧,降低了燃烧时气缸中的温度,因NOX是在高温富氧的条件下生成的,故抑制了NOX的生成,从而降低了废气中的NOX的含量。但是,过度的废气参与再循环,将会影响混合气的着火、性能,从而影响发动机的动力性,特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机时,再循环的废气会明显地影响发动机性能。所以,当发动机在怠速、低速、小负荷 及冷机时,ECU控制废气不参与再循环,避免发动机性能受到影响;当发动机超过一定的转速、负荷及达到一定的温度时,ECU控制少部分废气参与再循环,而且,参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而不同,以达到废气中的NOX最低。 特别是在发动机怠速、低速、小负荷及冷机工况时,这种影响尤为明显。根据该车EGR系统结构特点分析,产生故障的可能性有2个:电磁阀关闭不严,从而使得进气管的真空度不受电磁阀控制而进入EGR阀真空膜室将EGR阀打开,导致废气进入气缸参与燃烧。EGR阀关闭不严,导致废气不受EGR阀的控制直接进入气缸参与燃烧
SCREGR路线成本PKSCR路线的成本分析
SCR系统的优势在于无需对机体进行改动,即国Ⅲ电控裸机加上SCR即可实现国Ⅳ;发动机耐久性好;燃油经济性好;对燃油和机油品质要求低;无催化器堵塞风险;国Ⅳ之后技术升级连续性较好;维护费用低。劣势在于初始成本高;质量较大,单车损失有效载荷在400kg左右;对封装要求较高;低温失效问题,尿素在-11℃会凝固,在黄河以北地区使用,需加装解冻装置,进一步增加了成本和损失了有效载荷;最主要的问题是随车携带的尿素一般一次仅能使用5000~10000km(重型车),需及时补充,面临尿素的供应和配给问题。
据2010年初统计,北京环保局自2008年以来公布的所有符合国Ⅳ排放标准的重型柴油车及重型柴油发动机型号目录,其中SCR系统占据了绝对领先的市场份额。值得注意的是所有带OBD(车载自动诊断系统)的重型车和重型柴油机均选用了SCR系统,而在SCR系统供应商中仅有威孚力达一家国产供应商。

从北京奥运会期间国Ⅳ实施的实际情况来看,北京成功运行了约4500辆采用SCR技术的公交柴油车,由公交公司负责尿素供给。沈阳、杭州、广州等其他城市也在试验这种车辆。玉柴对配置YC6L(177kW)发动机的公交车运行在城区和城郊工况下的节能、减排效果进行了测试。初步测试结果显示:使用国Ⅳ发动机相对国Ⅲ同型号发动机,油耗下降3060吨/(年千台),NOx排放下降720(城区)~840(城郊)吨/(年千台),PM排放下降3.6吨/(年千台);
使用国Ⅴ发动机相对国Ⅲ同型号发动机,油耗下降3060吨/(年千台),NOx排放下降780(城区)~964(城郊)吨/(年千台),PM排放下降3.6吨/(年千台);
春秋季节尿素溶液消耗量在2.1~2.8L/100km,夏季消耗量在2.5~3L/100km。按每辆公交车年行驶3万km计算,单车年消耗尿素溶液约720L;根据技术路线的比较以及国内外的实践情况,业内普遍认为在国Ⅳ阶段,SCR将会成为重型柴油机后处理系统的主流技术,主要原因是:发动机不用再次技改。这将大大降低整车厂的升级成本和周期,若采用EGR+DOC+DPF技术则需要重新设计主机,再次的复杂标定过程工作量庞大,在国内国Ⅲ/国Ⅳ主机技术仍不能算成熟的背景下,该项优势十分明显;
SCR技术对燃油和机油要求低。《石化产业调整和振兴规划》显示2010年我国柴油供给才能全部达到国Ⅲ标准,预计短期内很难达到EGR+DOC+DPF所需的50ppm含硫量标准。而国Ⅳ标准即使再次推迟,也很难晚于2013年年初。由于不存在EGR所面临的硫化物堵塞问题,SCR维护费用低;
SCR技术的燃油经济性较好。SCR油耗性领先EGR+约8%的优势,使得能够弥补其初始成本略高的劣势。关于尿素供应的问题:若以100万辆年运行30万km的中重型商用车计算,预计需尿素溶液80亿升,折算尿素约280万吨(尿素溶液密度及尿素含量标准参考自2009年6月深圳颁布的《车用尿素溶液深圳经济特区技术规范编制说明》)。以我国目前尿素2000万吨的产能和1500~1600万吨的需求而言,在实施国Ⅳ的前3年内,我们预计尚不会对尿素供求局面造成冲击,但可能推高尿素价格。
尿素配送制度可参考国外经验:在欧洲是由尿素生产商、车辆制造商、石油公司甚至一些物流公司共同来负责。目前,在整个欧洲已有上万个尿素供应点。比如,在服务区、车辆维修站、加油站以及汽车专卖店等地点供应尿素还原剂。可利用便携式的尿素罐来供给尿素(常见如5L、10L和18L);也可以设置和加注燃料一样的尿素泵,供给尿素。对于卡车车队或者公交公司等,可以在本单位内部设置中小型的散装容器,储存尿素以备使用。可供选择的有中型散装容器以及小型散装容器。在美国,尿素供应制度主要责任在供应商,前面已有阐述。
综上分析,我们可以得出一个基本判断,国IV实施头几年,绝大多数企业将采用SCR技术路线,因此,对国内应用SCR系统进行成本分析十分必要。
整个SCR系统主要分为两个部分:SCR催化剂,SCR尿素还原剂的供给装置和喷射计量系统(计量泵)。根据北京环保局公布的目录来看,目前国内SCR系统排气处理器主要采用进口产品和合资公司产品。进口产品主要有博世、康明斯、Purem、Iveco、Renault等;合资公司主要是上海华克排气系统有限公司的产品;无锡威孚力达催化净化器有限公司(简称威孚力达)则是唯一一家国产系统供应商。SCR计量泵则基本采用博世、康明斯等公司的进口产品,目前玉柴等国内厂商也开发了自主产品,但采用的较少。
目前整套SCR系统进口价格3万~4万元/套,估计其中计量泵价格在1万元左右,而排气处理器价格在2万~3万元左右。在“十一五”期间,威孚力达和潍柴合作,昆贵研和玉柴合作在做国Ⅳ柴油机排放控制技术项目,进行SCR或DPF催化剂方面的开发研究。其他的还包括张家口百通环保科技公司(2009年7月开始动工新建15万套产能的柴油机后处理系统生产线,以SCR技术为主线)等。国产的SCR系统预计2012年初左右就会大批量生产,国IV实施初期,国产SCR整套系统价格预计为进口价格的30~50%左右,国产化率提高及大批量生产以后价格会进一步下降。威孚力达未来产品价格预计在1万~1.5万元/套。
SCR产品的售价目前还无定论,从共轨产品的售价经验看,国产化后的产品售价约是最初进口样品价格的20%-25%,因此我们预计配套重卡的国产化后的SCR产品的售价将不超过1万元,配套轻卡的SCR产品不超过4000元。
在未来SCR催化剂市场上,威孚力达最大的国内竞争对手仍然是昆贵研,如果昆贵研采用国产计量泵及将控制系统集成到发动机的ECU中,其SCR产品价格还会降低,我们可以估计重型柴油机用SCR系统合资品牌7000元左右,国产品牌可达5000元左右。
通过威孚高科同各柴油厂家之间的长期合作关系,以及同博世共轨系统的协作(ECU和尿素控制系统集成以降低成本,这是BOSCH最新共轨系统EDC17采取的技术路线,2010年进入市场,我们预计未来博世的控制系统在出厂即可匹配力达的SCR,而其他产品可能需要重新匹配),威孚力达在国Ⅳ阶段SCR排气处理器市场的竞争中将全面领先。
无锡威孚汽车柴油系统有限公司(简称威孚汽柴)2010年已经引进博世的SCR生产线,预计2011年下半年完成该类产品的国产化。
还有一个重要因素对SCR产品盈利的影响很大,这个因素就是SCR产品线投资的折旧。之前博世汽柴对共轨系统的投资前前后后超过50亿元,其中超过10亿元投向了技术中心的建设,而真正生产设备的投资预计也就10亿元左右。预计SCR生产线的设备投资仅需要2亿~3亿元,因为其产品标定和工艺参数都会得到博世汽柴技术中心的支持,这将使得SCR整套系统的投资大大降低。
EGR+路线的成本分析
EGR+DOC+DPF系统的优势在于初始成本低,对封装要求低。劣势在于升国Ⅳ或更高需要对国Ⅲ主机技改,标定更为复杂,增加了开发成本以及标定难度;对超低硫含量的燃油及高品质润滑油的依赖;燃油经济性差;国Ⅳ之后技术升级连续性相对较差;由于易堵塞,维护费用高。目前,对于我国来说,最主要的问题仍是全国范围内低硫柴油的供应及如何处理更复杂的系统标定问题。
近年,通过比较,有些业内专家认为,有一种技术路线比较符合中国国情,就是EGR+POC(颗粒氧化催化器,又称分流式过滤器)。这种后处理比DPF便宜很多,是国内很多企业转向研究EGR的一个原因。由于SCR系统价格较高,影响了推广使用。从成本角度考虑,EGR发展空间很大,一套POC的成本只有3000~6000元,升级成本诱惑力较大,而且POC没有再生问题。
斯堪尼亚采用的EGR+DOC路线的升级成本更低,因为一个DOC的价格可能不超过1000元。DPF的价格相对较高,但也不会高过SCR升级成本。但是,有两个因素对EGR+路线产生不利影响。
一方面,对于一台普通国Ⅲ发动机,如果此前没有采用外部EGR,那么新增的EGR部件,包括EGR阀门、管路、冷却器和控制系统,其成本也不会比SCR系统低多少。另一方面,EGR系统对润滑油要求更高,需要使用更高级润滑油,并且换油周期更短,这也会增加升级成本。