中信汽车&183;车闻天下(第54期)—柴油机前处理专题之二 EGR

柴油机技术研究

2012年3月30日

证券研究报告·行业研究·汽车行业

中信汽车·车闻天下（第54期）

—— 柴油机前处理专题之二 EGR

中信证券研究部 汽车行业研究组 李春波 许英博 高嵩

联系人：陈俊斌

电话：010-60838203 电话：010-60838704 电话：010-60838822 电话：010-60836703 邮件：lcb@ 邮件：xuyb@ 邮件：gs@ 邮件：chenjb@ 执业证书编号：S1010510120010执业证书编号：S1010510120041执业证书编号：S1010512020002

本期引言：

环保部《关于实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准的公告》中指出，中重型车国IV标准将分车型、分区域实施；中重型商用车国IV标准将于2013年7月1日起在全国实施；国III标准型式核准截止时间延长至2012年6月30日。

在第2期、第3期和第26期的『车闻天下』中，我们分别介绍了柴油机后处理的整体情况、后处理技术之SCR和DOC的专题；第49期的『车闻天下』中，我们开启了柴油机前处理的专题并介绍了共轨系统的工作原理和竞争格局。本期我们将继续推出柴油机的前处理技术——EGR（废气再循环）的专题介绍，以供大家参考。

如有疑问欢迎交流。如果您对我们的栏目有特别的期望或者要求，欢迎提出意见和建议。

资料来源：SwRI，中信证券研究部

柴油机技术研究

中信汽车 车闻天下（第54期）

目 录

国IV方案与EGR...............................................................................................................................................1 EGR系统的分类、结构和工作原理.................................................................................................................3

EGR系统的分类.........................................................................................................................................3 EGR系统的工作原理.................................................................................................................................4 EGR系统的组成.........................................................................................................................................4 EGR系统主要生产企业.....................................................................................................................................6

插图目录

图 1：柴油机排放控制关键技术......................................................................................................................1 图 2：国IV排放两种技术路线的原理............................................................................................................2 图 3：内置EGR发动机....................................................................................................................................3 图 4：外置EGR发动机....................................................................................................................................3 图 5：EGR系统的工作原理.............................................................................................................................4 图 6：EGR系统逻辑图.....................................................................................................................................5 图 7：EGR控制阀结构图.................................................................................................................................5

表格目录

表 1：柴油车排放标准及其（推迟）实施日期...............................................................................................1 表 2：国IV后处理方案及对比分析................................................................................................................2

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国IV方案与EGR

关于实施日期：环保部发布《关于实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准的公告》。公告指出，中重型车国IV标准将分车型、分区域实施；中重型商用车国IV标准将于2013年7月1日起在全国实施；国III标准型式核准截止时间延长至2012年6月30日。

表 1：柴油车排放标准及其（推迟）实施日期

国家标准号 

地点 级别 正式实施时间

国II 

北京 国III 

（轻型车≤3.5吨）GB18532.3-2005

国IV 国II 

全国 国III 

国IV 国III 北京 国IV 

（中重型车>3.5吨）GB17691-2005

国V 国III 国V 

2003.01.01 2005.12.30 2008.03.01 2004.07.01 2009.07.01 尚未实施 

- 2008.07.01 尚未实施 2008.07.01 尚未实施 

原定实施时间 型式核准 

新车销售 

第一次推迟实施时间 第二次推迟实施时间

新车销售 

    2009.07.01 2013.07.01(***) 

   2008.07.01 2012.01.01(***) 

待定 

新车销售 

2013.07.01(****) 

2007.07.01(**)2008.07.01(**)2010.07.01(**)2011.07.01(**)

   2007.01.01(*)2010.01.01(*)2012.01.01(*)

   2008.01.01(*)2011.01.01(*)2013.01.01(*)

全国 国IV 尚未正式实施

注：*：《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国III、IV、V阶段）》（GB17691-2005），2005.05.30

**：《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国III、IV阶段）》（GB18352.3-2005），2005.04.15 ***：环保部《关于国家机动车排放标准第四阶段限值实施日期的复函》，2010.10.21 

****：环保部《关于实施国家第四阶段车用压燃式发动机与汽车污染物排放标准的公告》，2011.12.29 

资料来源：环保部，中信证券研究部

关于技术路线：根据我国柴油机前处理和后处理的技术水平、以及国内油品含硫量的情况看，我们认为比较有可能的方案包括（DOC+）SCR、EGR+DOC+DPF（主动）、EGR+DOC+DPF（被动）、EGR+DOC+POC。其中对于重型柴油机，SCR有望成为主流方案，EGR+DOC+POC

可能成为低端替代方案；对于轻型柴油机，EGR+DOC+POC可能更合适。但最终的方案仍要看政府的导向。

图 1：柴油机排放控制关键技术

资料来源：清华大学

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表 2：国IV后处理方案及对比分析

国IV后处理方案

应用 斯堪尼亚 和康明斯

对油品 对颗粒物 质量要求 的转化率 对硫不太敏感，但可能

20%-30%

引起排放变差

再生过程

成本

增加成本（元）

优点

缺点

1 EGR+DOC 不需要 低1000-2000

2 EGR+DOC+POC 对硫较敏感 接近60%

相对容易，

较

4000-6000较低温即低

可实现

普通喷油压力下转化率低，提高喷油压力需要技

成本低，体积小

术含量很高，难以广泛推广

转化率一般，二氧化氮排放增加，且有出现间歇性

成本较低，体积较小，黑烟的倾向，因此要求前更适合配套轻型柴油处理系统控制更精确，大机使用 于450度的高排温无法被

动再生；高含硫量对EGR系统损害较大

成本高，燃油经济性差，易堵塞，系统标定复杂，升级国V不方便；高含硫量对EGR系统损害较大

3

EGR+DOC+DPF（主动式）

美国和日本大规模采

对硫较不敏

>85% 用，以达到

感

EPA07和JP05

相对较难，需要额外

转化率高，相对被动

装置，需要10000元以

高式DPF再生过程受硫

后喷或者上

的影响小

加热达到反应温度

EGR+DOC+DPF4

（被动式）

对硫较敏

曾用于欧美

感，

在用车改造

15-50ppm

5 SCR

欧洲采用较对硫较不敏多，日本日感，可达

350pm 产

成本较高，燃油经济性

差，对硫非常敏感，易堵

转化率高，相对主动

相对容易，塞，系统标定复杂，升级

较10000元以式DPF节约能耗，燃

>85% 较低温即国V不方便，大于450

高

上 油经济性略好，无需

可实现 度的高排温无法被动再

加油站改造

生；高含硫量对EGR系统损害较大

转化率高，燃烧效率

燃烧过程中成本高，需要添加尿素，

高，动力性更好（最

8000-10000实现，无需专需要对加油站进行大规

不需要 高高达10%），油耗低

元 门针对颗粒模升级改造，系统占据空

（3%-7%），升级国五

物后处理 间较大

方便

资料来源：《现代汽车排放控制技术》，中信证券研究部

柴油机国IV要解决的主要问题是PM（颗粒物）和NOx（氮氧化物），但这两种物质产生的条件是相对的，所以从原理上讲，主要分为两大类方案。

图 2：国IV排放两种技术路线的原理

资料来源：中信证券研究部

一类是以EGR+DPF为代表的方案，这类方案的核心原理是通过EGR从排气管引入燃烧过的废气（最高可达接近40%-50%）到进入管中，以降低氧气浓度，从而使燃烧效率变差，NOx（氮氧化物）的含量随之降低，达到机内处理NOx的目的，但燃烧不好会导致CO（一氧化碳）和HC（烃类化合物）以及PM（颗粒物）的含量提高，于是需要在机外使用DOC（氧化催化转化器）来降低CO和HC，再使用DPF（颗粒捕捉器）降低PM。这种原理对应图2中的虚线方案，就是靠增加PM排放量降低NOx，然后再处理PM。

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另一类是以SCR为代表的方案，这类方案的核心原理是通过精确控制燃油喷射以及增加雾化效果降低PM的含量，但是柴油机独特的富氧燃烧环境下NOx的含量会大幅升高，因此机外依靠SCR处理掉大部分的NOx，从而实现同样的排放要求。这种原理对应图2中的紫色实线，就是靠增加NOx降低PM，然后再处理PM。

因为NOx和PM产生的条件是相对的，所以两种方案的技术原理也是相对立的，但是通过机外净化可以达到同样的效果，而EGR主要起到的作用就是通过降低进气含氧浓度而减少NOx的生成。

EGR系统的分类、结构和工作原理

EGR的全称是Exhaust Gas Recirculation，意为废气再循环。其实，EGR是柴油机前处理中较为常见的技术，并非“非典型国三”方案首创。EGR可使缸内残留一部分废气，从而降低氧气浓度，实现降低NOx的目的。

EGR系统的分类

EGR系统分为两类，分别是内置EGR和外置EGR：

1. 内置EGR是通过改变凸轮轴的配气相位来实现的（一般使气缸排气门在进气时保持3～6%的开度）。实现内置EGR有多种方法，常用的有以下三种：

取消气门重叠角，也就是排气门在排气上止点之前关闭，进气门在排气上止点后打开，这样在压缩

终了时就有一部分废气留在了气缸内排不出去，从而实现了内置EGR。这种方法只要对凸轮轴的凸轮型线重新设计就可以了，比较容易实现，这种方法叫做废气残留法；

废气倒吸法，就是在原有的排气凸轮型线的基础上再设计出一个凸轮型线，使得在进气冲程时，排

气门再次打开，从而从排气管中吸入一部分废气。这种方法要在原有的排气凸轮型线上再设计出一个型线，结构相对第一种也复杂；

第三种方法就是在原有的进气凸轮型线上再设计出一个凸轮型线，使得在排气冲程时进气门打开，

将一部分废气排入进气道内，那么在进气冲程时废气就会进入气缸实现内部EGR。 内置EGR方式需要增加额外的零部件，只需要通过现有部件加以改进即可实现。

2. 外置EGR则是从发动机排气中引回部分废气到进气管，

与新鲜空气共同进入发动机汽缸内参与燃烧。

图 3：内置EGR发动机

图 4：外置EGR发动机

资料来源：Google

图片，中信证券研究部 资料来源：Google图片，中信证券研究部

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外置EGR需要增加EGR的管道和阀，以及排气的冷却装置。下面我们重点介绍。

EGR系统的工作原理

发动机在工作时产生NOx的条件有两个，一是高温，二是富氧，而EGR（废气再循环技术）系统的工作原理就是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应（当发动机在负荷下运转时，EGR阀开启，使少量的废气进入进气歧管，与可燃混合气一起进入燃烧室；怠速时EGR阀关闭，几乎没有废气再循环至发动机），一方面废气中含有的大量CO2和水蒸气等，导入气缸后稀释缸内混合气，氧浓度相应降低；另一方面，废气中的CO2等均为不可燃气体，在燃烧室内不参与燃烧，但其可以通过吸收燃烧产生的部分热量来降低燃烧温度和压力——EGR通过减低氧气浓度和燃烧温度，二者结合有效抑制NOx

的生成。

图 5：EGR系统的工作原理

资料来源：百度图片，中信证券研究部

EGR系统的组成

参与整个EGR过程的主要部件有ECU、各种传感器、线束、气缸和EGR阀（电磁阀）。各种传感器采集发动机的转速、负荷、进气温度、压力、冷却水温度等信号，ECU根据这些信号控制EGR阀适时地打开，当EGR阀门打开，排气中的少部分废气经过EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。 但是，过度的废气参与再循环，将会影响混合气的燃烧、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，NOx排放浓度低，为了保证稳定燃烧ECU控制废气不参与再循环（即EGR阀门关闭），避免发动机性能受到影响。

当发动机在高速、大负荷时，为了保证发动机有较好的动力性，此时混合气较浓，NOx排放生成物较少，EGR系统不工作或减少EGR率。当EGR率小于10%时，燃油消耗量基本上不增加，当EGR率大于20%时，发动机工作不稳定，碳氢化合物的排放量会增加10%以上。因此通常将EGR率控制在10%～20%范围内较合适。

其中，EGR率＝EGR气体流量/（吸入空气量＋EGR气体流量）×100%

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图 6：EGR系统逻辑图

资料来源：百度图片，中信证券研究部

EGR控制系统中，EGR阀是关键部件。不同的EGR率是通过EGR阀的调节来实现的。电控发动机中广泛采用电子控制EGR，阀直线型EGR是由ECU控制针阀位置，调节从排气进入进气歧管也孔口的大小，从而精确地控制EGR率。EGR工作期间通过监测针阀位置反馈信号，并根据转速、冷却液温度、节气门位置和进气流量控制EGR

针阀的位置。

图 7：EGR控制阀结构图

资料来源：百度图片，中信证券研究部

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EGR系统主要生产企业

对于外置EGR系统，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（主要是中等功率柴油机）为代表，通过在发动机壳外安装电控EGR阀和电控单元，根据顺时工况和废气控制电磁阀开度，以达到国3排放标准。

而对于内置EGR系统，是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3。代表性企业包括一汽锡柴（主要是大功率柴油机）、玉柴和东风康明斯。 此外，还有像潍柴之类的企业，既开发外置EGR发动机，也有内置EGR发动机产品；也有如银轮股份等制造EGR系统产品的企业，且由于专门制造EGR系统产品的企业甚少，产品毛利率极高，以银轮股份的EGR产品为例，毛利率达到52%。

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评级说明

1.

投资建议的比较标准

投资评级分为股票评级和行业评级。

以报告发布后的6个月内的市场表现为比较标准，报告发布日后的6个月内的公司股价（或行业指数）的涨跌幅相对同期的中信标普300指数的涨跌幅为基准； 2.

投资建议的评级标准

报告发布日后的6个月内的公司股价（或行业指数）的涨跌幅相对同期的中信标普300指数的涨跌幅：

行业投资评级 股票投资评级

评级 买入 增持 持有 卖出 强于大市 中性 弱于大市

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深圳

深圳市福田区中心三路8号中信证券大厦（518048）

说明

相对中标300指数涨幅20%以上；

相对中标300指数涨幅介于5%～20%之间；相对中标300指数涨幅介于-10%～5%之间；相对中标300指数跌幅10%以上； 相对中标300指数涨幅10%以上； 相对中标300指数涨幅介于-10%～10%之间； 相对中标300指数跌幅10%以上

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/umf1.html