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排放升级深度报告:国六实施引爆千亿市场

时间:2020-08-12 00:40

伴随着国内汽车保有量的持续快速提升,为了改善空气质量,降低汽车、非道路机械等尾气对于空 气的污染,我国的排放标准不断升级。

对于道路车辆,根据此前出台国标,轻型车国 6a、6b 标准将分别于 2020 年 7 月 1 日、2023 年 7 月 1 日起实施,重型燃气车辆、城市车辆及其余车辆将从 2019 年 7 月 1 日起陆续实施国六排放标准,此 外长三角、京津冀等重点地区实施时间有所提前。

对于非道路柴油机,2019 年 2 月 20 日国家生态环境部办公厅发出关于征求《非道路移动机械用柴油 机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)(GB 20891-2014)修改单(征求意见稿)》 意见的函,提出“自 2020 年 12 月 1 日起,凡不满足本标准第四阶段要求的非道路移动机械不得生产、 进口、销售;不满足本标准第四阶段要求的非道路移动机械用柴油机不得生产、进口、销售和投入 使用。”

轻型汽车方面,国六标准与国五相比,整体污染物排放限值大幅减少,要求更严格。其中一氧化碳 (CO)排放限值国 6a 要求减少 30%,国 6b 要求减少 50%;碳氢化合物(THC)、氮氧化物(NOx)、 颗粒物(PM)、非甲烷碳氢化合物(NMHC)排放限值国 6b 要求减少 30%-50%;并新增粒子数量(PN) 与氧化亚氮(N2O)指标。此外,国六标准下,测试循环从国五的 NEDC 循环变为 WLTC 循环;增加 了车辆质量与轮胎规格同量产车一致等措施;增加实际道路行驶排放检测与排放保质期要求;加严 蒸发排放控制与低温试验要求;还引入美国车载诊断系统(OBD)要求。

重型车方面,国六标准与国五相比,发动机测试工况从欧洲稳态循环(ESC)和欧洲瞬态循环(ETC) 改为更具代表性的世界统一稳态循环(WHSC)和世界统一瞬态循环(WHTC),并新增车载排放试 验(PEMS),加严了排放耐久性、OBD 相关要求,从根本上保证排放达标。国六整体污染物排放限 值也更加严格,颗粒物(PM)与氨气(NH3)排放限值要求减少约 50%-60%,并新增粒子数量(PN) 指标。WHSC 工况相比 ESC 工况,碳氢化合物(THC)排放限值要求减少 70%,氮氧化物(NOx)排 放限值要求减少 80%;WHTC 工况相比 ETC 工况,新增碳氢化合物(THC)排放限值指标。

此外,重型车 6b 阶段较 6a 阶段主要增加了 PEMS 方法的 PN 要求、远程排放管理车载终端数据发送 要求、高海拔排放要求、PEMS 测试载荷范围等要求。

非道路柴油机方面,从第三阶段到第四阶段,CO 限值保持不变,新增 56kW 以上 HC 及 NOx 单独限值 要求,37kW 以上 PM 要求大幅提升。

柴油机排放标准越来越严格,迫使人们通过各种手段满足目标。柴油机的尾气处理主要有机前处理、 机内净化和排气后处理等手段,包括电控燃油喷射、改善燃油品质(降低硫含量等)、采用 EGR(废 气再循环)、DOC(氧化催化转化器)、POC(颗粒氧化催化)、DPF(柴油机颗粒捕集器)、SCR (选择性催化还原)等技术。

EGR 的主要原理是通过电控 EGR 阀将废气引入到进气管,与新鲜空气混合进入燃烧室并参与燃烧, 降低气缸充量的含氧量,延缓燃烧过程,降低燃烧速度,从而使燃烧室中的压力形成过程变慢,因 此 NOx 生成的主要条件(高氧、高温高压)减弱,降低了 NOx 排放。此外,提高废气再循环率可以 使总的废气排出流量减少,因此废气排放中的总污染物输出将会相对减少。

DOC 是一种氧化催化后处理装置,以多孔载体作废气通道,以贵金属涂层作为氧化催化剂,可降低 尾气中不完全燃烧物发生化学反应的温度。通过 DOC 后,废气中 90%的 HC 以及 CO 便可转化为 H2O 和 CO2,同时部分碳颗粒也可在贵金属催化下与尾气中的氧反应生成 CO2,这样就可大幅度地减少 发动机尾气中的不完全燃烧物。此外在 DOC 作用下还可将部分 NO 氧化成 NO2,为后续 POC 或 DPF 中颗粒的再生提供了有利条件。

POC 是一种全新的柴油机后处理设计理念,工作原理是使废气通过一个特殊结构的通道,将颗粒物 中的碳颗粒吸附在表面,并利用前级 DOC 氧化生成的 NO2,去催化 POC 表面捕集的碳颗粒,以此恢 复 POC 的捕集功能,废气通过 POC 后,主要是吸附碳颗粒大幅降低 PM 排放,过滤效率达 30%-80%。

DPF 的工作原理是排气通过时微粒经过扩散、截流、惯性碰撞和重力沉降等原理被过滤器捕集,从 而降低尾气排放中颗粒物含量。随着工作时间的增加,过滤器内堆积的微粒增多,发动机的背压上 升,会影响柴油机的正常工作,需用燃烧等方法将这些微粒除去,即过滤器的再生。

SCR 的工作原理是将还原剂喷入排气管,排气中的氮氧化合物在催化器的作用下与还原剂反应被还 原成氮气和水,SCR 系统目前采用的还原剂是尿素。尿素 NH2CONH2 加 H2O 后在高温下分解成 NH3 和 CO2;NH3 和排气中的 NO 和 NO2反应产生氮气和水。

ASC(氨气氧化催化器 Ammonia Slip Catalyst)的主要作用是将过量的 NH3 氧化为 N2、N2O 、NOx,同 时再催化 NOx、NH3 反应为氮气 N2。由于车辆可能存在尿素泄露、反应效率低等情况,尿素分解产 生的氨气可能会未参与反应而直接排出大气,这就需要安装 ASC 装置以防止氨逃逸。ASC 一般安装 在 SCR 后端,它在载体内壁使用贵金属等催化剂涂层,通过催化氧化作用降低 SCR 后端排气中的氨 (NH3)。国五之前对尿素系统喷射的尿素是没有要求的,国六标准则对其有了限值,所以 ASC 属 于国六标准下催生的新型装置。

目前国内发动机生产商的主流国六技术路线为 EGR+DOC+DPF+SCR(ASC),也有部分采用无 EGR 国 六技术路线,即不使用外部冷却 EGR,仅采用后处理系统中的高效 SCR 来使 NOx 排放达标。总体来 看,自主品牌厂商主要采用 EGR+DOC+DPF+SCR(ASC)技术路线。

非 EGR 路线技术难度相对更大,对标定精度要求更高,对后处理要求较高,需要和高效集成式(如 Hi - eSCR 系统,DOC 和 DPF 一体封装技术)后处理系统配合,不带 EGR 由于减少 EGR 相关组件,整 体可靠性更高,燃油经济性更好。

EGR 路线通过 EGR 降低原机的 NOx 排放,再通过 DOC +DPF + SCR 降低 NOx 和颗粒物排放,该路线对 SCR 转化率要求不高(90%-92 %),尿素消耗也较低,对发动机原机排放一致性要求也不高,因此 与不同发动机的匹配具有广泛性。

国内主要柴油机厂商中,潍柴 9H 及以上排量发动机不带 EGR 系统,9H 以下排量发动机带 EGR 系统。 而康明斯的国六技术路线主要采取无 EGR 的 DOC+DPF+HiSCR+ASC。

升级国六对于柴油机需使用尿素质量传感器,温度传感器较国五系统从 1 个增加到 5 个,氮氧传感 器从 1 个增加到 2 个,DPF 两端都加装压差传感器,部分厂家(主要是轻卡和乘用车)在排气管上加 上氧传感器来检测尾气中的氧含量,进而控制燃烧的空燃比和 EGR 率。

汽油机的排放控制可以分为机前净化技术、机内净化技术以及机外处理技术。机前净化技术是指在 混合气体进入汽油机缸内之前,对燃油进行处理,包括燃油处理技术、使用替代燃料等。机内净化 技术主要是在发动机内部进行优化,包括电控燃油喷射系统的优化、稀薄燃烧技术以及废气再循环 控制技术等。机外处理技术主要包括三元催化转换器、二次空气喷射系统以及闭式曲轴箱强制通风 系统等。

目前主流国五汽油机使用电控燃油喷射加三元催化转化器(TWC)等进行排放控制。三元催化器一 般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层 4 部分组成。发动机通过排气管排气时,CO、HC 和 NOx 三种 气体通过三元催化反应器中的净化剂时,增强了三种气体的活性,进行氧化还原化学反应。三种有 害气体变成无害气体,使排气得以净化。

对于国六排放标准,除了优化发动机标定控制,为了满足 PN 标准,一般需要增加汽油机颗粒物捕捉 器(GPF)。GPF 过滤机理与柴油机的 DPF 基本相同,排气以一定的流速通过多孔性的壁面,这个过 程称为“壁流”(Wall-Flow)。壁流式颗粒捕集器由具有一定孔密度的蜂窝状陶瓷组成。通过交替封堵 蜂窝状多孔陶瓷过滤体,排气流被迫从孔道壁面通过,颗粒物分别经过扩散、拦截、重力和惯性 4 种方式被捕集过滤。

升级国六对于汽油机需使用 GPF(颗粒捕捉器),需要增加压差传感器(测量颗粒捕捉器进出两端的 压差)、高温传感器(测量颗粒捕捉器进出两端的压差)、油箱压力传感器(监测燃油蒸发系统中的 压力变化并诊断泄露等),并需要改进燃料喷射方式、改进 ECU 电控单元、升级 OBD 系统等。

排放处理市场空间取决于内燃机总量(轻型柴油机、重型柴油机、非道路柴油机、汽油机)和单台 价值量(DPF、SCR、GPF、EGR 等),我们分别加以阐述。

受疫情影响,2020 年 1-5 月轻卡市场销售 76.3 辆,同比下滑 7.7%;皮卡市场销售 15.5 万辆,同比下 滑 21.0%。随着国六排放升级和国三车淘汰,以及按轴收费导致单车运力下降促进轻卡需求,预计 2020 年轻卡市场整体将小幅下滑。此外多地陆续取消皮卡进城限制,以及总理提倡地摊经济等,皮 卡作为乘商结合的产品,有望好于乘用车表现。

2020 年 1-5 月重卡市场累计销售 64.4 万辆,累计同比增长 16.5%。受疫情影响,2-3 月被压抑的旺季购 车需求在 4 、5 月份快速释放,终端需求环比迅速复苏;随着各地基建工程投资的陆续启动,工程车 市场需求回升明显;各家重卡企业 加班加点满足经销商和用户的订单需求,供给端持续发力,重卡 产销量 均大幅增长,预计 6 月同比仍有希望较快增长。

宏观政策加大逆周期调 节力度,多省市出台了规模庞大的投资计划,基建有望加码推动工程重 卡销 量提升;环保升级、多地鼓励淘汰国三及以下排放标准柴油货车将 推动国三车加速淘汰促进更新需 求;严查超限超载重卡需求中枢也有望上移,推动重卡销量位于高位。在基建投资、国三淘汰、治 超等因素的推动下,我们预计 2020 年重卡市场仍有望维持高景气度,销量有望超过 110 万辆。

工程重卡领域普遍存在自重超重的情况,也受到蓝牌轻卡治理的影响,由于自卸车与搅拌车的限载 标注比牵引车低的多,超载严重,部分国道、省道等物流重卡超载也较为严重,无锡事件后各地严 查超载,单车运力将显著下降。从 2020 年 1 月 1 日起,货车统一按车(轴)型收取车辆通行费,并将全 面实行入口不停车称重检测,全面禁止违法超限超载车辆驶入高速公路。综上所述,我们预计严查 超限超载带动重卡销量中枢提升 15%-25%,有望提升至 100-110 万辆左右。

2018 年 6 月 27 日国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》,要求在 2020 年底前淘汰京津冀及周 边地区、汾渭平原淘汰国三及以下中重卡 100 万辆。北京、深圳等多地陆续发布国三车禁令或补贴 淘汰老旧车辆政策,北京最高补贴为 6 万元/车,上海市最高补贴为 6.8 万元/车,济南市、南京市、 杭州市等最高补贴标准为 4 万元/车,国三阶段重卡售价约在 20-30 万元,对于国三车辆淘汰具有较强 的促进作用。

根据北斗数据,到 2018 年底全国省区内国三重卡保有量为 155.6 万辆,其中 5-10 年车龄重卡 131.2 万 辆,占比 84.3%。2020 年是《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的收官之年,2021 年 7 月 1 日重卡将全 面实施国六排放法规,部分重点地区将提前实行,预计淘汰国三重卡也将加速,重卡高景气度有望 延续。

预计受环保加严、淘汰国三车、加之 2010/2011 年重卡销量高峰更新影响,2019、2020 年更新需求将 位于高位,治超提升销量中枢,预计 2020 年销量有望超过 110 万辆。

3) 非道路柴油机,主要用于工程机械、农用机械、船舶动力等领域,近年来销量较为稳 定。

根据中汽协柴油机销量及车用柴油机销量数据,可以大致测算非道路柴油机销量情况(预计和非车 用柴油机数据接近)。2016 年受环保政策、市场需求等因素影响,非道路用柴油发动机销量大幅下 降。2017-2019 年小幅提升,后续销量有望稳定发展。

从库存周期来看,乘用车有望进入新一轮复苏周期。汽车是周期性消费品,存在明显的库存周期性。从汽车制造产成品存货来看,从 05 年开始已经经历了四轮周期(2005.02-2008.11、2008.12-2011.12、 2012.01-2015.07、2015.08-2019.06),时间在 37-46 个月左右。本轮汽车制造库存周期从 2019 年 7 月左右 行业开始复苏,进入被动去库存阶段,但受疫情影响产销量骤降,复苏之路艰难。根据汽车流通协 会数据,5 月汽车经销商库存系数为 1.55,同比下降 6.1%,环比下降 11.9%。5 月经销商基本恢复正 常营业消化库存,消费者购车需求逐步释放,经销商库存压力虽比上月有所缓解,但仍高于警戒线。 随着疫情逐渐好转,国家与地方多项刺激政策落地,加之汽车产销量后续基数较低,预计汽车产销 有望逐步恢复增长,重新开启新一轮车市复苏周期。

国家到地方政策频出,有望刺激销量回暖。受疫情影响,国内宏观经济短期承压,而海外疫情形势 严峻,严重影响外需,因此刺激内需是较为可能的政策选择。根据国家统计局数据,2019 年社会消 费品零售总额为 41.2 万亿元,其中汽车类为 3.9 万亿元,占比高达 9.6%,汽车零售额占 GDP 比重为 4.0%。汽车是国内经济支柱产业之一,对经济、就业有着巨大的拉动作用,也是较为可能的刺激对 象。

疫情对汽车产销量与盈利能力影响大,根据统计局数据,2020 年 1-4 月汽车制造业利润总额下降 52.1%, 中央和地方的表态与出台政策明显较 2019 年更为积极,自 2 月以来,全国已有广东省(佛山、广州、 珠海、深圳)、湖南省(湘潭、长沙)、浙江省(杭州、宁波)、江西省(南昌)、吉林省(长春) 等 15 个省市公布了相应的汽车消费刺激政策,未来或有更多城市跟进,全国性的消费刺激政策也有 望出台。

根据我们测算,从限购城市来看,2019 年广州、深圳、海南、贵阳四省市放宽限购指标,2020 年上 海、杭州、北京等放宽限购指标,2020 年较 2018 年增量指标约 23.3 万辆,约拉动 1.1%乘用车的增长, 效果较为有限。除放松限购外,各地主要的刺激政策为给予现金补贴或优惠,补贴幅度在 1000 元-2.3 万元不等,以 3000 元居多;补贴周期在 1 个月至 1 年不等,多数补贴政策会在今年年底结束;但补 贴范围部分限制在当地车企生产的汽车,也影响了政策效果。我们按照出台购车补贴省/市平均拉动 5%的销量计算,预计目前出台政策的省市带动销量约 42 万辆,共约拉动 2%乘用车的增长;若平均 拉动 10%的销量计算,预计目前出台政策的省市带动销量约 64 万辆,共约拉动 3%乘用车的增长。我 们预计 2020 年乘用车销量将下滑 10%左右。

我们预计受疫情影响,2020 年主要车型销量较 2019 年销量下滑 10%左右,2021 年车市将有所恢复, 2022、2023 年商用车将较为稳定,乘用车市场有望小幅增长,具体预测数据如下表。

伴随着排放标准的升级,不同技术路线的零部件系统均有所增加,也带来单车价值量的快速提升。 2019 年我国车用柴油机销售 292 万台,其中轻型车用柴油机约 164 万台,中重型车用柴油机约 128 万 台,非道路用柴油机销售约 244 万台。以 2019 年销量为基准,考虑不同技术路线的渗透率,我们可 以分别计算不同排放法规下柴油机后处理的市场空间。

以轻型车用柴油机年销量约 98 万台计算,国五排放阶段的配套尾气处理系统市场空间为 35 亿元, 国六阶段为 98 亿元,市场空间约增长 177%。

以中重型车用柴油机年销量约194万台计算,国五排放阶段的配套尾气处理系统市场空间为165亿元, 国六阶段为 400 亿元,市场空间约增长 142%。3)非道路柴油机

非道路用柴油机以 2019 年销量约 244 万台估算,三阶段基本无需尾气处理系统,四阶段也需要 SCR 或 DPF 等措施,新增尾气处理市场空间约为 122 亿元。

以汽油机年销量约 2133 万台计算,国五排放阶段的配套尾气处理系统市场空间为 224 亿元,国六阶 段为 661 亿元,市场空间约增长 195%。

综合看来,轻型、重型、非道路柴油机尾气处理的市场空间将从国五阶段的 201 亿元迅速上升至国 六阶段的 619亿元,增量市场空间高达 418亿元。汽油机尾气处理的市场空间将从国五阶段 224 亿元, 上升至国六阶段 661 亿元,增量市场空间高达 437 亿元。

若根据预测车型销量的变动与考虑国六排放标准与非道路移动机械第四阶段实施的节奏,我们预计 2020-2023 年尾气处理系统空间分别为 774、1033、1162、1214 亿元,年均复合增速为 16%。

内燃机尾气后处理系统产业链主要有:载体厂商主要生产用于内燃机尾气后处理系统中承载涂覆催 化剂或捕捉颗粒物的各类载体;催化剂涂覆厂商主要对载体进行活性组分及催化剂的涂覆处理,进 而完成催化器产品的整体化;封装厂商利用金属外壳和无机纤维衬垫对涂覆后的载体进行包裹,并 添加其他组件形成内燃机尾气后处理系统;最终尾气后处理系统应用于终端客户内燃机主机厂商、 整车厂商或船机厂商等。如 SCR、 TWC 、 DOC 及部分 DPF 、 GPF 首先送至催化剂厂商完成涂覆, 然后由封装厂进行封装,封装后销售给主机或整车厂;部分 DPF 、 GPF 无需涂覆,直接送至封装厂 商进行封装,然后供主机厂、整车厂商使用。

商用车后处理封装和催化剂市场 外资企业占据主要份额,据《中国内燃机工业年鉴》数据,2018 年 轻型和中重型柴油车SCR产品( 封装或单独DOC+SCR催化剂)的主要企业庄信18.0%,康明斯14.7%, 无锡凯龙 10.3%, 天纳克 7.0%, 威孚 6.7%, 巴斯夫 8.5%,艾可蓝 2.0%,浙江银轮 5.4%。

据《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,2017 年中重型商用车(含大中客车)共销售约 152 万辆, 其中搭载 SCR 后处理的重型车约 120 万辆。据《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,2017 年,在中 重型柴油商用车 SCR 产品主要生产企业中,康明斯占 15.0%、天纳克占 20.8%、凯龙高科占 18.3%、 威孚力达占 8.3%、银轮股份占 10.0%等。

在轻型车后处理方案中,SCR 路线(SCR/SCR+DOC)依旧是主流。据《中国内燃机工业年鉴》的统计数 据,2017 年我国轻型柴油车产销约 160 万辆,国五后处理约 95 万套,其中 79%采用 DOC+SCR 后处理 技术路线,主要生产企业有:博世占 33.3%、安徽艾可蓝、康明斯各占 13.3%、凯龙高科 8.7%。

中重型、轻型柴油车市场国五后处理产品有 SCR 或者 EGR+DOC+DPF 两种路线,但由于 DPF 堵塞和 价格较高等问题,DPF 应用量较少。据《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,2018 年按照 DPF/DOC+DPF 相关产品主要配套 37.1 万套,在主要生产企业中,威孚高科 27.0%、优美科 22.1%、长城 20.2%,艾 瑞 10.8%,巴斯夫 8.1%。

据《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,2017 年按照 DPF/DOC+DPF 相关产品主要配套 20 万套,在主 要生产企业中,威孚力达 30%、屹马 20%、艾瑞 15%、佛吉亚 10%。

柴油车 EGR 技术路线应用以轻型车为主,受 DPF 技术不完善影响较大,2018 年装机量为 100 万辆, 同比降低 40%。据《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,在主要生产企业中,无锡隆盛 35.0%,博格 华纳 28.0%,皮尔博格 24.0%,宜宾天瑞达 10.0%,上述 4 家公司瓜分了 95%以上的市场份额,市场集 中度较高。

在国内汽油 EGR 领域,目前大陆集团、德尔福、日本京滨等国际品牌优势较为突出,基本占据合资 品牌乘用车所用汽油机 EGR,自主品牌乘用车仅上汽通用五菱等少数企业少量使用汽油机 EGR,隆 盛科技等国内优势企业凭借持续的技术研发以及较高的性价比优势, 逐渐取得一定的市场份额。据 《中国内燃机工业年鉴》的统计数据,全年国内乘用车 EGR 销量达到 152 万套,日本京滨 51.3%,隆 盛和德尔福各 18.4%、大陆 10.5%,市场集中度较高。

在 TWC 领域,外资品牌(主要是庄信万丰、巴斯夫、优美科、科拉特等 4 家)延续合资品牌优势, 其产销量在中国乘用车三元催化剂市场占据主导地位。2018 年,乘用车所用三元催化剂约为 3500 万 升 ,上述四家企业合计占比 71.4%,而威孚力达、昆明贵研、四川中自和安徽艾可蓝等自主品牌三 元催化剂合计占 28.6%,全部应用于自主品牌乘用车。

外资品牌催化剂厂家在合资品牌与自主品牌高端车型中依然占据绝对优势地位,自主品牌后处理产 品,目前初步进入了合资汽车品牌市场, 如威孚环保催化剂和力达的催化净化器经过多年努力后, 进入了通用、日产供应商体系,开始配套国五汽车项目,但随着法规的升级,又需升级为国六产品, 法规快速升级也带给自主后处理行业的压力。

GPF 相关供应商主要有康宁、NGK、本特勒等,自 2014 年 9 月起欧 6B 排放标准施行,使得欧洲国家 在 GPF 研发方面具备技术积累优势,国内企业则处于刚起步阶段。如佛吉亚 GPF 产品早在 2017 年便 在欧洲实现量产,随着国六排放标准在中国推进,佛吉亚 GPF 产品近几年除获得诸多外资车企的选 择之外,上汽、一汽、广汽等国内车企车型中也获得了应用。康宁近几年也在中国加强 GPF 业务, 2019 年 5 月,位于安徽合肥的康宁环境科技新工厂开启量产,主要生产用于汽车排放控制系统的载 体和颗粒过滤器。自主零部件企业也做了较多的投入,目前国内无锡威孚力达催化净化器有限公司 已经开发出堇青石材料的壁流式 GPF,奥福环保 GPF 产品(蜂窝陶瓷载体)也于 2019 年小批量投产。

国五供应商由外资主导,国六国产化有望大力推进。综合上述分析可以发现,在国五阶段,排放处 理供应商主要由博世、康明斯、庄信万丰、巴斯夫、优美科等外资企业主导。随着国内企业技术快 速进步,有望凭借成本和服务等优势,在国六阶段逐步推进国产化进程,发展前景看好。