柴油發(fā)動(dòng)機(jī)及車輛排放法規(guī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

冀樹德，張 偉，高 波，楊天軍，劉志剛

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037036）

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性，因而被廣泛地研究和應(yīng)用。僅就商用車和轎車而言，歐洲90%商用車和50%轎車動(dòng)力為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，美國(guó)90%商用車動(dòng)力為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，日本40%商用車和10%轎車動(dòng)力為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，這隨之帶來(lái)的問(wèn)題是顆粒物和NOx排放對(duì)環(huán)境的污染。因此，世界各國(guó)相繼制定了越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，迫使汽車制造商不得不進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新或改革。到目前為止，為滿足法規(guī)要求用于排放控制的措施有高壓共軌、增壓中冷、電控等機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和SCR、DOC、DPF等機(jī)外凈化技術(shù)。在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)和人們對(duì)環(huán)境要求提高的驅(qū)使下，法規(guī)測(cè)試方法、試驗(yàn)方法及排放限值的要求也隨之修改，其要求也越來(lái)越苛刻，甚至接近零排放。

1 全球?qū)嵤┈F(xiàn)狀及新的措施

1.1 各國(guó)法規(guī)實(shí)施現(xiàn)狀

在排放法規(guī)方面，現(xiàn)行體系主要有歐盟、美國(guó)、日本3種體系，這3種體系的限值要求和測(cè)試方法也不盡相同（見(jiàn)表1）。將美國(guó)和日本法規(guī)相比，歐盟更具通用性，其他國(guó)家或地區(qū)主要以該法規(guī)為主，結(jié)合自己國(guó)家國(guó)情引用和實(shí)施（見(jiàn)表2）。就中國(guó)排放法規(guī)而言，引用的也是歐盟的排放法規(guī)，但實(shí)施時(shí)間不同于歐盟（見(jiàn)表1）。

表1 歐盟、美國(guó)、日本及中國(guó)排放法規(guī)實(shí)施情況

國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況不同，其應(yīng)用的排放法規(guī)也不相同。從世界各地區(qū)或國(guó)家實(shí)施情況來(lái)看，2011年執(zhí)行的法規(guī)從歐Ⅰ到歐Ⅴ都有，發(fā)達(dá)國(guó)家排放法規(guī)實(shí)施歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，較發(fā)達(dá)的國(guó)家實(shí)施歐Ⅲ、歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展較落后的一些國(guó)家實(shí)施歐Ⅰ、歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）。

表2 世界各國(guó)排放法規(guī)目前和未來(lái)實(shí)施情況

1.2 新增測(cè)試或限制要求

目前，用于排放檢測(cè)的試驗(yàn)循環(huán)有歐盟的ESC穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)、ETC瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)和ELR煙度負(fù)荷循環(huán)，有美國(guó)FTP75試驗(yàn)循環(huán)，有日本JE05試驗(yàn)循環(huán)，各個(gè)國(guó)家試驗(yàn)方法各不相同。為了統(tǒng)一全球市場(chǎng)排放試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)方法，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)提出了用于認(rèn)證發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的全球統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WHDC）。

表3 WHSC全球穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)

該循環(huán)包括熱啟動(dòng)的穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)（WHSC）和冷熱兩種啟動(dòng)要求的瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)（WHTC）。WHDC綜合了歐盟、美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)的典型道路條件。WHSC類似于ESC，由13個(gè)工況組成，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

顆粒作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的主要污染物，法規(guī)對(duì)其要求限值也越來(lái)越小，甚至測(cè)試設(shè)備都無(wú)法測(cè)出。為此，在未來(lái)規(guī)劃執(zhí)行的排放法規(guī)中，提出了顆粒計(jì)數(shù)的測(cè)試方法。

此外，隨著全球環(huán)境變暖出現(xiàn)的冰川融化、海平面上升及自然生態(tài)系統(tǒng)危機(jī)問(wèn)題，低碳成為城市發(fā)展規(guī)劃之一。低碳控制的對(duì)象主要是CO2排放的控制，CO2排放其中一個(gè)主要的來(lái)源就是內(nèi)燃機(jī)。在未來(lái)排放發(fā)展規(guī)劃中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)除滿足THC、CO、NOx和PM限值要求外，還需滿足專門對(duì)CO2排放限制的要求。為此，各國(guó)規(guī)劃了未來(lái)CO2排放控制程度（見(jiàn)圖1），其中以歐盟和日本的最為嚴(yán)格。

圖1 各國(guó)未來(lái)CO2規(guī)劃實(shí)施要求

2 美國(guó)、歐盟和日本法規(guī)的發(fā)展

2.1 美國(guó)發(fā)展情況

美國(guó)的排放法規(guī)主要以聯(lián)邦政府為主，在51個(gè)州中只加利福尼亞獲準(zhǔn)制定污染物排放控制技術(shù)的法規(guī)。對(duì)于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，聯(lián)邦政府實(shí)施的限值要求為：PM為0.013g／（kW·h），NOx 為 0.27g／（kW·h），NMHC為0.19g／（kW·h）。該要求在2007年已經(jīng)生效，到2010年分階段實(shí)施。其目的是從2007年的50%達(dá)標(biāo)到2010年100%的達(dá)標(biāo)。但在2010年前，極少數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到NOx排放0.27g／（kW·h）要求。美國(guó)環(huán)保署于是發(fā)布出臺(tái)了EPA2010標(biāo)準(zhǔn)，并從2011年開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行NOx排放0.27g／（kW·h）限值要求。

公路車輛占美國(guó)CO2排放量的26%，CO2年排放量達(dá)17億t。為了阻止溫室氣體排放量的進(jìn)一步上升，美國(guó)政府出臺(tái)全國(guó)轎車和輕型卡車?yán)锍桃?guī)則，即到2016年達(dá)到35.5英里／加侖，高于目前的25英里／加侖，這在限制CO2排放前提下提出了燃油經(jīng)濟(jì)性的要求。

2.2 歐盟發(fā)展情況

（1）限值要求

對(duì)于重型柴油車，從歐IV到歐V法規(guī)，NOx的排放限值從3.5g／（kW·h）下降到2.0g／（kW·h），降幅約為43%，而從歐V到歐VI法規(guī)，NOx的排放限值則下降了80%，已經(jīng)逐步接近零排放。在不降低對(duì)環(huán)境的保護(hù)水平的前提下，根據(jù)技術(shù)發(fā)展的情況，必要時(shí)增加對(duì)NO2排放的單獨(dú)要求。

從歐VI與歐V法規(guī)開(kāi)始，柴油車微粒排放所采取的微粒檢測(cè)方法不只局限于檢測(cè)微粒的質(zhì)量排放，而且還要檢測(cè)微粒的數(shù)量排放，即所謂的PMP。通常沒(méi)有加裝過(guò)濾器的柴油機(jī)微粒排放數(shù)量在1×1013／km，而法規(guī)要求微粒排放數(shù)量不能超過(guò)5×1011／km，即在數(shù)量上應(yīng)該有95%的微粒被過(guò)濾。因此，要達(dá)到新的微粒排放標(biāo)準(zhǔn)，微粒捕集器已經(jīng)成為必不可少的后處理裝置。

CO2排放在歐洲不屬于歐Ⅴ范疇，而是由單獨(dú)的歐盟法做出的規(guī)定。新車最大CO2排放量目標(biāo)為130g／km，該目標(biāo)逐步達(dá)到。2012年65%的新車總量將達(dá)到該目標(biāo)，直到2015年100%的新車總量將達(dá)到該目標(biāo)。盡管允許重型車輛有更高的排放量，平均排放量必須低于130g／km，長(zhǎng)期目標(biāo)是到2020年達(dá)到95g／km。

在歐VI法規(guī)中，還增加了對(duì)NH3限制。在柴油機(jī)ESC和ETC試驗(yàn)循環(huán)中，NH3的濃度峰值不得超過(guò)10×10－6。此外，歐VI還要求建立非使用狀態(tài)下的排放限值及引入全球統(tǒng)一車載診斷裝置，即發(fā)動(dòng)機(jī)排放超過(guò)限值就報(bào)警。

（2）測(cè)試要求

新頒布的歐Ⅵ排放法規(guī)除排放限值降低外，在原有ESC、ETC和ELR試驗(yàn)循環(huán)的基礎(chǔ)上建立 WHDC和ETC測(cè)試結(jié)果之間的關(guān)系，把WHSC和 WHTC引入到歐Ⅵ重型柴油機(jī)排放測(cè)試循環(huán)中。針對(duì)不同車種或不同控制階段，應(yīng)用不同試驗(yàn)方法。WHSC和WHTC組合就是全球統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WHDC），該循環(huán)綜合多個(gè)國(guó)家和地區(qū)典型的道路條件。

2.3 日本發(fā)展情況

日本國(guó)土交通省和環(huán)境省規(guī)定，將從2009年10月起對(duì)新銷售的柴油動(dòng)力車實(shí)施新的尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)行所有法規(guī)中是最嚴(yán)格的排放法規(guī)。實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)后，NOx排放量根據(jù)不同車型減少40%～65%，PM排放量減少53%～64%（見(jiàn)表1）。

3 國(guó)內(nèi)排放現(xiàn)狀及未來(lái)措施

3.1 國(guó)內(nèi)排放現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計(jì)，重型汽車保有量?jī)H占機(jī)動(dòng)車總保有量的5%，占汽車保有量的15%，但PM的排放量占到總排放量的84%，NOx的排放量占到總排放量的76%。到目前為止，全國(guó)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始普遍實(shí)施第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)。2011年北京規(guī)定新增公交車將實(shí)施國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，而新增重型柴油車力爭(zhēng)2012年執(zhí)行國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 未來(lái)可能采取的措施

為了降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境排放，在嚴(yán)格執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)前提下，國(guó)家將采用一系列降低排放的措施。這些措施主要包括推進(jìn)汽車“以舊換新”工作，加速“黃標(biāo)車”和低速載貨車淘汰進(jìn)程；加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車環(huán)保定期檢驗(yàn)，實(shí)施機(jī)動(dòng)車環(huán)保標(biāo)志管理，對(duì)排放不達(dá)標(biāo)車輛進(jìn)行專項(xiàng)整治；建立機(jī)動(dòng)車環(huán)保管理信息系統(tǒng)；加快煉油設(shè)施改造，推進(jìn)柴油低硫化，增加優(yōu)質(zhì)燃油市場(chǎng)供應(yīng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從排放法規(guī)的發(fā)展歷程來(lái)看，各個(gè)階段強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)不同，但總的變化趨勢(shì)都是向排放小的方面發(fā)展。就排放法規(guī)的更新和發(fā)展，從內(nèi)容和要求上來(lái)說(shuō)主要表現(xiàn)出以下幾大趨勢(shì)：

（1）對(duì)污染物的控制越來(lái)越嚴(yán)格。氣態(tài)污染物在原有試驗(yàn)方法下，限值更加低，有的甚至于接近零排放；顆粒的排放在原有質(zhì)量測(cè)試的基礎(chǔ)上提出了顆粒計(jì)數(shù)的測(cè)試要求和方法。

（2）有害污染物的控制對(duì)象更加廣泛。就柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，除滿足原有NOx、HC、CO和PM的排放限值要求外，新增CO2和NH3的排放限值要求。

（3）逐步建立全球統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)和認(rèn)證體系。全球主要流行排放法規(guī)主要有歐盟、美國(guó)和日本3大體系，即便如此也無(wú)法對(duì)不同體系中柴油車輛的排放情況進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。為了解決這一難題，提出全球統(tǒng)一的測(cè)試循環(huán)和認(rèn)證體系。

［1］司康.國(guó)內(nèi)外中重型商用車排放法規(guī)演變及對(duì)比（一）［J］.輕型汽車技術(shù)，2010，（11／12）：46－51.

［2］司 康.國(guó)內(nèi)外中重型商用車排放法規(guī)演變及對(duì)比［J］.商用車與發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，（12）：21－25.

［3］陳 超，李 浩，鄧成林，等.柴油車排放法規(guī)最新動(dòng)態(tài)［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2010，（6）：7－10.

［4］張 穎.持續(xù)推進(jìn)柴油機(jī)的高效減排路線［J］.汽車與配件，2010，（39）：52－54.

［5］Yasuhiro DAISHO.Developing Advanced Low－emission and Fuel－efficient Vehicle Technologies Eyeing 2020and Beyond［J］.汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2010，（1）：6－13.