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叉车T4柴油动力技术升级研究

发布日期:2017-04-14 |
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摘要:非道路T4较T3的排放标准有着数量级的严苛提升,将会给叉车动力所带来的技术升级将在叉车市场形成前所未有的挑战,借鉴成熟的车机国Ⅳ、国Ⅴ升级技术虽然能大大缩短开发周期,但不能沿用车机的技术开发思路,必须根据叉车的使用工况细化并重新搭配各型叉车的T4技术路线,才能满足叉车的实际需求。

关键词:叉车动力;T4;非道路;技术升级;高压共轨;

 

前言:

2016年4月1日,叉车行业主流厂家都进行了第三阶段(以下简称T3)柴油动力切换,其中,单体泵技术、VE泵技术、共轨技术等成为产品升级的主流技术方案。在这整整一年的时间里,各种技术路线都经历了数轮次的市场验证及优化改进,完成了由推广初期的产品可靠性不高到产品逐步成熟的过程。

 

1、技术背景

由于叉车行业的特殊性,整个行业的龙头企业体型都较为庞大,管理规范,市场占有率高,社会责任感较强,在面对国家排放升级的要求时,显得认真严肃,不存在弄虚造假的现象,使得整个叉车行业远远早于其他非道路行业完成了T3排放升级的切换。

T3叉车产品的不断成熟,为非道路第四阶段(以下简称T4)产品的开发及技术升级提供了大量的成熟经验。T3阶段,大部分叉车生产企业均使用了两种或三种以上的柴油动力技术路线。虽然VE泵的技术路线当下还是T3叉车市场主力,但电控高压共轨技术叉车的市场投放,成为整个国内叉车市场走向电控化和智能化的重要开端,也将会加速缩短与发达国家之间内燃叉车品质、使用感受之间的差距。2016年3-3.5吨叉车主流T3技术销量占比如下图(估算数据,仅供参考)。

 

图1 2016年3-3.5吨叉车主流T3技术销量占比

据行业消息,2019年上半年,叉车行业将迎来T4阶段的排放升级。目前的情形来看,叉车京四排放已经实施,且监管愈发严苛;自2016年7月至今,深圳地区已累计完成非道路移动机械排气检测一万台次的检测任务;郑州地区也于2016年7月起实施了非道路移动机械冒黑烟有奖举报的措施;而杭州、上海等地也有颁布比T3排放更为严格标准的趋势。

 

2、排放标准解析

如图2所示,从T3升级到T4,37-75KW功率段的PM排放限值提高了16倍,75-130KW功率段的PM排放限值提高了12倍,更为关键的是,所有T4功率段的排放均增加了瞬态工况循环的排放限制达标要求。与车机排放标准比较而言,叉车T4的排放标准中部分指标已经超过了车机国Ⅳ的排放标准。

 

图2 GB20891非道路移动动机械用柴油机T3、T4阶段排气污染物排放限值

3、叉车T4动力的技术发展趋势

由于T4排放升级的技术难度呈数量级的提升,面对已在日程的T4排放升级,其实留给我们的技术准备时间已经不多。从升级的趋势来看,成熟车用国Ⅳ、国Ⅴ排放控制技术将会大量移植到叉车T4技术升级中来,总体呈现如下技术趋势:

1、电控高压共轨技术将会成为T4叉车柴油动力首选,电控VE泵、电控单体泵技术将会遭到淘汰。由于T4阶段排放测试中瞬态工况的要求,电控VE泵在响应速度和控制精度上完全不能满足,遭到淘汰已成为必然,而电控单体泵技术在喷射精确程度上的固有缺陷,使得采用电控单体泵技术的T4叉车后处理系统非常复杂和庞大,对比高压共轨将无任何优势的可能。反观电控高压共轨,其精确的喷射量控制、快速的跟随响应控制、丰富的功能扩展接口,将会和车机国Ⅳ、国Ⅴ一样,成为市场近乎唯一的技术路线。

2、国产电控高压共轨将会成为叉车市场的技术主角。从2011年开始的车机国Ⅳ动力切换过程来看,以BOSCH为代表的高压共轨产品也是经历1-2年的产品成熟期,才逐步稳定并大规模应用开来,直到当下在国内车机市场取得了90%以上的市场份额。而国产高压共轨虽然同步于车机国Ⅳ的推广,但受限于控制策略、可靠性水平、传感器及执行器等关键技术成熟度的限制,未能及时跟上BOSCH的步伐,普遍落后2-4年的时间。在经过近5年的快速发展后,国产电控高压共轨产品已经逐步成熟,且在T3阶段的叉车、工程机械、农业机械等领域开始了规模应用,并取得了大部分客户的认可。此外,国内叉车市场较为庞大,市场需求多种多样,对控制功能、特殊使用等应用开发性能需求较多,国内厂家在开发周期、同步开发上的灵活优势将完全凸显出来,并将成为国外品牌无法比拟的优势存在,因此,国产电控高压共轨将成为T4阶段的市场的最优选择。

3、1800Bar电控高压共轨技术将会在37KW以上的T4叉车上规模应用,并会逐步成为高压共轨技术主力。目前,国产品电控高压共轨技术比较成熟的厂家包括:辽宁新风、重汽重油、北油等数家,这几家的产品均已在T3阶段的叉车市场得到了不同程度的应用,T3阶段普遍采用的是1600Bar的共轨技术,T4阶段的1800Bar共轨技术将在燃油雾化、喷射精度等方面较前者提升一个台阶,同时对提高机内净化效果、降低污染物排放、提升燃烧质量有着较为显著的积极影响,并将成为T4叉车动力的主力。

4、后处理技术将在T4阶段的大于37Kw功率段叉车上规模应用。高压共轨动力在应对叉车较为平缓转速的普通使用工况时,排放较好,仅需要简单的后处理装置加上良好的机内净化控制策略即可满足,但在面对叉车常用的急加速急减速等瞬态工况时,仅靠简单的后处理已无法满足污染物的排放控制,需要使用效率更高的后处理装置。在各型叉车的具体应用布置方面,7吨及以上的叉车机舱空间较大,后处理的选择余地也较大,但对于3.8-5吨叉车,其功率集中在45-70KW,普遍使用495、498、4102动力配置,无法留给后处理装置足够的布置空间。从技术角度来看,提升进气效率、提高机内净化效率、使用EGR系统及DOC+POC的后处理系统可以满足该功率段叉车的需求。

5、DPF的后处理系统并不适合叉车使用。国内的主流叉车生产企业普遍有过高压共轨+DOC+DPF的欧Ⅳ或Tire4F排放应对经验,对高压共轨及DPF技术并不陌生,但普遍的评价并不高。主要原因有如下四点:一是DPF对于布置方式和排气管路的长度、保温措施要求严格,体积较大,难于布置;二是应用DPF系统的整车标定较为复杂、周期较长,一款叉车的整车标定达到甚至超过三个月的时间,且任何管路尺寸或温度(保温)的变化都将导致重新标定;三是叉车主要使用中低转工况,对DPF的再生工况非常不利;四是DPF系统对油品质量较为敏感,在往常的欧Ⅳ的整车试验中,使用国内油品,DPF的堵塞是常见的问题,往往是整车试验还未做完,后处理已经堵塞,只能换用进口的油品重新完成试验。虽然目前国内大部分的油品已经升级到国Ⅳ、国Ⅴ阶段,但中部、西部地区的油品仍然堪忧,特别是湖南、河南、河北、山东等地区3.8元/升为例的柴油(如图3所示)将会是T4叉车后处理系统的致命威胁。初步估算,即使只有5%应用DPF后处理系统的叉车使用劣质柴油,都将会导致整个叉车售后服务系统的瘫痪。

 

图3 某地区T3叉车用户使用的劣质柴油

6、在满足了柴油的使用要求之后,更低的机油消耗率成为T4阶段叉车动力的又一关键技术。众所周知,机油中的硫等元素对后处理的效率有较大的负面影响,想要维持后处理的较高效率,必须对机油消耗率做出严格限制。从车机的经验来看,更高效率的摩擦副将成为必然的选择,而使用特殊材质的活塞环、特殊工艺的缸内涂层以及特殊结构的活塞将成为T4技术升级的必要条件。

7、更高过滤等级的柴油过滤系统也将成为必然的选择。共轨系统喷射压力的提高,使得整个燃油系统对杂质及水分含量的敏感度陡增,燃油中颗粒的存在会对高压元件造成侵蚀、拉丝腐蚀等不利影响,而燃油中水分的存在会形成气穴、气蚀、电化学腐蚀等,也会危害高压元件,从而会大大降低可靠性和使用寿命,同时会对轨压形成一定的波动影响。从使用经验来看,>98%@5μm的过滤效率和>92%的水分离效率的燃油过滤系统将成为T4叉车的常规配置。

 

4、结语

综上所述,T4阶段叉车动力所带来的技术升级将在叉车市场形成前所未有的挑战,借鉴成熟的车机国Ⅳ、国Ⅴ升级技术可以大大缩短产品开发周期,但汽车与叉车的使用工况差别巨大,因此不能沿用车机的开发思路,必须根据叉车的使用工况细化并重新搭配各型叉车的T4技术路线,才能满足频繁作业叉车的实际需求。(作者:昆明云内动力股份有限公司 张思泽  陈帅)

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