滿足新排放法規(guī)的非道路用柴油機(jī)燃料消耗率限值標(biāo)準(zhǔn)修訂中限值指標(biāo)的研究和確定

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

我國(guó)的內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量從2008年的6 000萬臺(tái)到2017年8 100萬臺(tái)[1]，總功率從10億kW上升為26億kW(圖1和圖2)，總產(chǎn)量、總功率、結(jié)構(gòu)分布等均發(fā)生了巨大變化(圖3)，排放法規(guī)也從非道路柴油機(jī)國(guó)二排放標(biāo)準(zhǔn)上升為非道路柴油機(jī)國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)，非道路柴油機(jī)國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)也即將實(shí)施，石油對(duì)外依存度從2006的47%上升為60%,但內(nèi)燃機(jī)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)是驅(qū)動(dòng)的主力。我國(guó)經(jīng)濟(jì)從高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展過程中，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)將以節(jié)能減排、智能制造和提高整機(jī)可靠性作為主攻方向，為內(nèi)燃機(jī)配套裝備的智能化、信息化、環(huán)?；蛳聢?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 2008—2017年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)量變化趨勢(shì)

圖2 2008—2017年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)總功率變化趨勢(shì)

圖3 2008—2017年我國(guó)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品配套市場(chǎng)分布情況

GB 28239—2012《非道路用柴油機(jī)燃料消耗率和機(jī)油消耗率限值》標(biāo)準(zhǔn)從2012年開始首次實(shí)施，為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并納入內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)許可證。實(shí)施以來，推動(dòng)了我國(guó)非道路柴油機(jī)的節(jié)能工作，也間接降低了排放。雖然在2017年根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化改革，從強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，但指標(biāo)、使用范圍、實(shí)施要求沒有變化。為此，在這個(gè)嚴(yán)峻形勢(shì)下，有必要對(duì)原來的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行重新分析和研究。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委在2017年下達(dá)了本標(biāo)準(zhǔn)修訂計(jì)劃。

我國(guó)雖然是柴油機(jī)生產(chǎn)大國(guó)[1]，但柴油機(jī)生產(chǎn)技術(shù)水平、質(zhì)量水平，尤其是燃料消耗率性能指標(biāo)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有相當(dāng)大的差距。尤其是道路用柴油機(jī)產(chǎn)量大、用途和功率范圍廣，具有不同的額定功率、冷卻方式，為達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)要求所采取的不同技術(shù)措施等，都對(duì)柴油機(jī)燃料消耗率的影響較大。制定先進(jìn)合理的燃料消耗率限值標(biāo)準(zhǔn)，有利于淘汰落后技術(shù)產(chǎn)品，促進(jìn)企業(yè)在節(jié)能減排方面的技術(shù)投入和改造，促進(jìn)產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量水平和管理水平的提高。

本文在滿足新排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)收集、摸底試驗(yàn)、國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品比較，確定了限值標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)采用的燃料消耗率測(cè)量用試驗(yàn)循環(huán)、燃料消耗率評(píng)價(jià)指標(biāo)和功率檔的劃分等。

1 數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析

為使樣本數(shù)據(jù)更具代表性[1]，選擇了各功率段國(guó)內(nèi)非道路用柴油機(jī)骨干生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，共收集了25家企業(yè)282款柴油機(jī)機(jī)型的基本參數(shù)，包括機(jī)型、用途、標(biāo)定功率、標(biāo)定轉(zhuǎn)速、最大扭矩、最大扭矩轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣方式、冷卻方式、燃燒室型式、標(biāo)定工況燃料消耗率、機(jī)油消耗率、年產(chǎn)量等。

我國(guó)非道路用柴油機(jī)用途廣泛[2]，2016年各用途柴油機(jī)產(chǎn)銷量情況為：工程機(jī)械用柴油機(jī)約50萬臺(tái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械用柴油機(jī)約70萬臺(tái)，拖拉機(jī)用柴油機(jī)約480萬臺(tái)，船用柴油機(jī)約2萬多臺(tái)，內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)約168萬臺(tái)，因此，2016年非道路用柴油機(jī)總量在770萬臺(tái)左右。

非道路用柴油機(jī)功率覆蓋范圍很廣[2]，大功率柴油機(jī)與小功率柴油機(jī)在機(jī)械效率、散熱損失、供油噴射系統(tǒng)都有較大的差別，因此，燃料消耗率差異也較大，有必要進(jìn)行客觀的分檔。

采用排放標(biāo)準(zhǔn)中排放測(cè)量用試驗(yàn)循環(huán)和原則，修訂后的標(biāo)準(zhǔn)功率分檔不變，即還是10檔。因此初始分檔時(shí)大體與排放標(biāo)準(zhǔn)功率分檔相近，將560 kW以下柴油機(jī)分成0～4.5 kW、4.5～8 kW、8～19 kW、19～37 kW、37～56 kW、56～75 kW、75～130 kW、130～225 kW、225～450 kW、450～560 kW共10檔。

2 修訂主要內(nèi)容

除了將原強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)改為推薦性標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)外，還刪除了原機(jī)油消耗率限值及機(jī)油消耗率測(cè)量方法的有關(guān)內(nèi)容，同時(shí)修改了加權(quán)燃料消耗率限值。

3 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)-加權(quán)燃料消耗率限值的確定

為了分析研究我國(guó)非道路用柴油機(jī)目前的燃料消耗率水平[2]，找出與國(guó)外同類柴油機(jī)的差別，通過日本LEMA協(xié)會(huì)收集了石川島芝浦機(jī)械株式會(huì)社、井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社、五十鈴船用柴油機(jī)制造株式會(huì)社、小松株式會(huì)社、久保田株式會(huì)社、三菱重工株式會(huì)社、豐田織機(jī)株式會(huì)社和洋馬株式會(huì)社共8家企業(yè)65臺(tái)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。中日兩國(guó)各功率檔加權(quán)燃料消耗率平均值比較見表1。

由表1所示，功率在19～225 kW之間，中國(guó)直噴式柴油機(jī)(DI)加權(quán)燃料消耗率平均值比日本同類機(jī)高8.06%；功率在8～56 kW之間，中國(guó)非直噴柴油機(jī)(IDI)機(jī)柴油機(jī)加權(quán)燃料消耗率比日本同類機(jī)高11.6%。

GB 28239—2012第一版修訂草案于2018年3月進(jìn)行過一次會(huì)議討論，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研和試驗(yàn)結(jié)果，將功率在8 kW以下和功率在450～560 kW功率檔的加權(quán)燃料消耗率限值維持降低5%的方案，其他功率檔燃料消耗率限值降低量由5%改為3%。第二版修訂草案于2018年7月進(jìn)行討論。同時(shí)，考慮到我國(guó)非道路用柴油機(jī)第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，預(yù)計(jì)2019年將實(shí)施。根據(jù)國(guó)四排放達(dá)標(biāo)技術(shù)路線，柴油機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)采用柴油顆粒過濾器(DPF)并達(dá)到國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)要求的企業(yè)，確認(rèn)其產(chǎn)品能滿足GB 28239—2012第二版修訂草案中限值要求。因此，擬按第二版草案中限值為準(zhǔn)。表2為限值修訂前后的比較。

表1 中日兩國(guó)各功率檔加權(quán)燃料消耗率平均值比較

1)只有1臺(tái)樣機(jī)數(shù)據(jù)。

表2 GB 28239—2012修訂限制的比較

4 節(jié)能措施

非道路用柴油機(jī)節(jié)能措施主要包括：改善柴油機(jī)燃燒優(yōu)化燃燒室設(shè)計(jì)，采用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，提供柴油機(jī)機(jī)械效率，減小摩擦損失，加強(qiáng)熱管理，減少熱損失，減少附件耗功，附件驅(qū)動(dòng)電動(dòng)化，減輕柴油機(jī)整機(jī)質(zhì)量等。

5 排放要求升級(jí)對(duì)柴油機(jī)燃料消耗率的影響

我國(guó)非道路用柴油機(jī)現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行國(guó)三排放限值[1]，目前正在完善國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)，兩者差異見表3。

顆粒物(PM)排放由表3可見，國(guó)四和國(guó)三相比，主要是碳?xì)浠衔?HC)氮氧化物(NOx)及排放限值收緊，其中，PM排放限值收嚴(yán)較多，37～560 kW之間的柴油機(jī)PM排放限值收緊平均在90%以上，且呈現(xiàn)出功率越小收緊程度越高的趨勢(shì)。

據(jù)了解，目前已達(dá)到國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)要求的企業(yè)產(chǎn)品比其達(dá)到國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的燃料消耗率都有改善，主要原因是采用了電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，其噴油量、噴油時(shí)間、噴油次數(shù)都得到了有效精準(zhǔn)控制，燃料消耗率得到改善。并且大多數(shù)滿足國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，采用了排放后處理裝置，使得柴油機(jī)噴油提前角可以標(biāo)定得更大，燃料消耗率得到優(yōu)化。

6 節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益

2016年全國(guó)生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)總功率達(dá)24.3億kW[2]，其中非道路用柴油機(jī)產(chǎn)量達(dá)770多萬臺(tái)，保守估算，平均每臺(tái)以50 kW計(jì)算，則年產(chǎn)非道路用柴油機(jī)功率達(dá)3.85億kW，每年每臺(tái)柴油機(jī)按運(yùn)行200 h計(jì)算，燃料消耗率每降低1 g/kW·h，每年可節(jié)約燃油0.77億kg,0號(hào)輕柴油的密度約為0.83 kg/L，則每年可節(jié)約0.92億L，按目前0號(hào)柴油市場(chǎng)價(jià)格6.44元/L計(jì)算，則可每年節(jié)約人民幣5.92億元。同時(shí)，每kg柴油中含0.87 kg的碳組分，而每kg碳完全燃燒后將產(chǎn)生3.19 kg的CO2，因此每年可減少CO2排放21.4萬噸。

表3 我國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值(國(guó)三和國(guó)四比較)

7 結(jié)論

GB/T 28239—2012修訂后，功率分檔保持不變，限值指標(biāo)仍然是加權(quán)燃料消耗率。取消機(jī)油消耗率限值主要是考慮到我國(guó)非道路用柴油機(jī)PM排放限值要求越來越嚴(yán)，若機(jī)油消耗率高，必然滿足不了PM排放限值要求，因而取消了機(jī)油消耗率限值。

柴油機(jī)功率在8 kW以下和450～560 kW功率時(shí)燃料消耗率限值收嚴(yán)了5%，其他功率檔收緊了3%，這將有力促進(jìn)非道路柴油機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，加大節(jié)能減排研發(fā)投入和技術(shù)改造，淘汰高耗能產(chǎn)品，促進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)，大大減少非道路用柴油機(jī)CO2排放和其他污染物排放。

我國(guó)柴油機(jī)加權(quán)燃料消耗率與日本等國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，其中，在19～225 kW功率之間，中國(guó)DI柴油機(jī)加權(quán)燃料消耗率平均值比日本同類機(jī)型高8.06%；功率在8～56 kW之間，中國(guó)IDI柴油機(jī)加權(quán)燃料消耗率比日本同類機(jī)型高11.6%，這兩個(gè)功率檔內(nèi)柴油機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)還須加大節(jié)能技術(shù)研究和開發(fā)，縮小與國(guó)外柴油機(jī)的水平差距。

節(jié)能減排雖有矛盾，但也能相互促進(jìn)，產(chǎn)品排放升級(jí)所采用的技術(shù)措施，改善了柴油機(jī)燃料消耗率。