通用小型汽油機歐洲第Ⅴ階段排放法規(guī)研究

（天津大學內(nèi)燃機研究所 天津 300072）

引言

通用小型汽油機（以下簡稱“小通機”）是指凈功率不大于19kW 的非道路小型點燃式發(fā)動機，包含于非道路移動源，主要用于工程機械、農(nóng)業(yè)機械、園林機械、發(fā)電機組、建筑機械及舷外機械等的配套動力。其特點是體積小，質(zhì)量輕，結構簡單，價格便宜，使用靈活。我國從20 世紀50 年代開始生產(chǎn)小通機，從2002 年到2007 年產(chǎn)量激增，2008 年到2017 年，國內(nèi)通機產(chǎn)銷量總體上呈逐年平穩(wěn)增長趨勢，2018年年產(chǎn)量已超過3100 萬臺，約占全球總產(chǎn)量的50%，世界排名第一。通機產(chǎn)品中60%是四沖程，40%是二沖程，以化油器供油和風冷為主。我國通機產(chǎn)品以出口為主，出口比例超過80%，北美和歐洲是主要的出口市場。所以研究美國和歐洲通機排放法規(guī)對我國通機行業(yè)的發(fā)展有著重要意義。

1 歐洲非道路移動源排放法規(guī)發(fā)展歷程

歐洲非道路移動污染源標準體系與美國不同，歐洲以指令的型式發(fā)布，并對指令進行不定期修改，修正案通過后會被賦予新的指令號。

歐洲于1997 年12 月16 號發(fā)布了97/68/EC 指令《非道路機器用內(nèi)燃機的氣體和顆粒排放物的測量》，這是在這一領域內(nèi)歐洲首次發(fā)布的指令，其目的為限制安裝在非道路移動機械用往復式內(nèi)燃機的排放和顆粒物污染，該排放法規(guī)覆蓋了37kW～560kW 柴油發(fā)動機，1999 年1 月1 日正式生效。

2002 年歐洲發(fā)布了2002/88/EC[1]指令，是對97/68/EC 法規(guī)的修訂，該法規(guī)增加了19 kW 以下的手持式和非手持式火花點火發(fā)動機第Ⅰ階段和第Ⅱ階段排放要求，該法規(guī)于2004 年8 月開始正式實施。

2004 年歐洲發(fā)布了2004/26/EC[2]指令，該法規(guī)覆蓋了19kW～560kW 非道路移動機械用柴油發(fā)動機，包含了有軌車，機車和內(nèi)陸船等內(nèi)容。

2010 年3 月31 日歐洲議會和歐洲理事會發(fā)布了2010/26/EU[3]指令，主要增加了壓燃式發(fā)動機的冷啟動要求，修改了穩(wěn)態(tài)測試工況和瞬態(tài)測試程序，延長了2 種專業(yè)用途手持式汽油機的第Ⅰ階段排放達標期限。

2012 年12 月6 日發(fā)布了2012/46/EU[4]指令，主要完善了柴油機第Ⅳ階段排放的認證要求，并要求對額定功率19 kW 以下的汽油機在發(fā)動機上用羅馬數(shù)字對排放階段進行清晰的標識。

2016 年9 月14 日歐洲共同體歐洲議會和歐洲理事會發(fā)布了（EU）2016/1628[5]指令，該指令將直接取代97/68/EC 指令及其后的一系列修正指令。97/68/EC 至2012/46/EC 指令中汽油機分為第Ⅰ階段和第Ⅱ階段2 個排放階段，柴油機分為了第Ⅰ階段、第Ⅱ階段、ⅢA、ⅢB 和第Ⅳ階段，所以2016/1628/EU指令中汽油機和柴油機排放階段統(tǒng)稱為第V 階段，并且對大功率汽油機（P＞19 kW），小功率柴油機（P＜19kW），也就是對整個功率段范圍內(nèi)的汽油機柴油機都規(guī)定了排放限值。該指令于2018 年1 月1 日起實施，自2019 年1 月1 日起，所有進入歐洲市場的通機產(chǎn)品需持有歐V 型式核準證書。除此之外，歐洲在2016 年12 月9 日發(fā)布了補充指令，（EU）2017/654[6]從測試程序、測試設備、計算及技術細節(jié)方面進行了規(guī)定，（EU）2017/655[7]規(guī)定了安裝在非道路移動機械上進行在用監(jiān)測的便攜式排放測量系統(tǒng)的要求，（EU）2017/656[8]是對型式認證程序及文件的要求。隨后，在2018 年歐洲分別發(fā)布了2018/987/EU指令[9]、2018/988/EU[10]指令，2018/989/EU[11]指令，分別對以上3 個補充指令進行了修訂。

2 小通機歐洲第Ⅴ階段排放法規(guī)

小通機歐洲第V 階段法規(guī)自2018 年1 月1 日起實施，法規(guī)實施1 年后即2019 年1 月1 日起投入市場的發(fā)動機應滿足法規(guī)要求。法規(guī)主要對發(fā)動機分類方法、排放限值、耐久期、測試循環(huán)及標簽等提出要求。

2.1 發(fā)動機分類方法

小通機歐州第V 階段法規(guī)沿用了第Ⅰ、Ⅱ階段的發(fā)動機分類方式，首先根據(jù)用途分為手持式和非手持式，而后按照排量的大小加以細分，但類別與第Ⅰ、Ⅱ階段不同，具體分類方法如表1 所示。

表1 歐洲小通機排放法規(guī)發(fā)動機分類（第V 階段）

2.2 排放限值

歐州第V 階段小通機非手持式排放限值在第Ⅰ、Ⅱ階段基礎上有所加嚴?？傮w來說，出于全球協(xié)調(diào)統(tǒng)一的考慮，歐洲第V 階段與美國環(huán)境保護局（EPA）第Ⅲ階段對小通機的排放限值要求一致。具體限值如表2 所示。

表2 歐洲小通機排放限值（第V 階段）

2.3 耐久期

歐洲小通機第Ⅰ階段排放法規(guī)要求發(fā)動機的初始排放達標即可，自第Ⅱ階段開始，有了耐久性要求，即要求發(fā)動機在整個使用壽命內(nèi)均要滿足限值要求，發(fā)動機生產(chǎn)廠家在申請產(chǎn)品型式認證時應就每一發(fā)動機系族申報所適用的耐久期類別，選擇原則是該類別應盡可能接近發(fā)動機配套機械的預期使用壽命。第V 階段具體耐久性要求如表3 所示。

表3 歐洲小通機排放法規(guī)耐久性要求（V 階段）h

歐洲第V 階段小通機排放法規(guī)規(guī)定，生產(chǎn)廠家應提出劣化系數(shù)（DF）供型式認證和生產(chǎn)中檢查用。發(fā)動機測出的排放值×DF≤規(guī)定限值，方視為符合標準。DF 值應通過發(fā)動機的老化運轉(zhuǎn)求出：在耐久期后測得的排放值除以新機（排放已穩(wěn)定后）上測得的排放值，即DF 值。

2.4 測試循環(huán)

歐洲第V 階段小通機排放法規(guī)穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)根據(jù)類別按照表4 進行選擇。

表4 歐洲小通機穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)（V 階段）

2.5 其他要求

2.5.1 標簽要求

在發(fā)動機產(chǎn)品需以“法定標識”的形式體現(xiàn)以下內(nèi)容：

1）制造商名稱或商標。

2）發(fā)動機型號。

3）發(fā)動機的唯一編碼。

4）EU（歐洲）型式批準號碼，即證書號。

5）發(fā)動機的生產(chǎn)日期，體現(xiàn)出年和月即可。

“法定標識”信息采用以下固定方式：

1）可采用打刻或粘貼的方式體現(xiàn)在發(fā)動機上（申請時在資料中有描述位置和固定方式）。

2）具有完整無損的固定方式，使它在不毀壞或者不損傷其外觀的前提下無法被取下。

3）牢牢固定在發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)所必需的零件上，該零件一般是不需要更換的。

4）在整個發(fā)動機壽命期間都耐久且清楚易讀。

5）如安裝到機械上被遮擋，則需要在機械上粘貼一個副本。

2.6 實施日期

根據(jù)2016/1628/EU 指令規(guī)定，自2018 年1 月1日起手持式和非手持式發(fā)動機必須按照歐洲第V 階段的要求進行型式認證。

關于投放市場的日期，在第V 階段開始實施12個月后，即2019 年1 月1 日，凡是滿足第V 階段限值要求的發(fā)動機（無論單機或已配套的發(fā)動機），各成員國應允許其投入市場，新生產(chǎn)的發(fā)動機如未經(jīng)認證達到第V 階段限值要求則不得投入市場。對于過渡發(fā)動機（2019 年1 月1 日之前生產(chǎn)的符合歐Ⅱ排放要求的發(fā)動機）或安裝有過渡發(fā)動機的非道路移動機械，允許銷售至2020 年12 月31 日。掃雪機產(chǎn)品允許銷售至2022 年12 月31 日。

歐V 實施日期及投入市場日期如表5 所示。

表5 歐洲小通機第V 階段排放法規(guī)實施日期

3 歐洲第Ⅴ階段排放法規(guī)的變化

相較于歐洲第Ⅱ階段排放法規(guī)，小通機第V 階段排放法規(guī)變化主要涉及以下內(nèi)容：發(fā)動機分類，排放限值，部分排量的耐久性要求，燃氣排放要求，測試燃料、系族劃分要求，化油器防篡改和制造商授權代表的要求。

3.1 分類方法不同

小通機在歐洲的分類方式首先根據(jù)用途分為手持式和非手持式，然后按照排量的大小加以細分。歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段發(fā)動機分類方式和類別相同，第V 階段沿用了手持式和非手持式的分類方式，但具體類別不同。第Ⅰ、Ⅱ階段分類如表6 所示。

表6 歐洲小通機排放法規(guī)發(fā)動機分類（第I、II階段）

相對于歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段，第V 階段排放法規(guī)的發(fā)動機分類方法主要變化有：

1）手持式發(fā)動機以排量50 mL 為分界點，由第Ⅰ、Ⅱ階段的3 小類簡化為2 小類；

2）引入“速度模式”作為分類標準，結合排量大小劃分出更為細致的子類別；

3）80 mL≤排量＜225 mL 的非手持式發(fā)動機結合“速度模式”細分；

4）排量＜80 mL 的非手持式發(fā)動機歸入手持式發(fā)動機類別。

3.2 排放限值加嚴

小通機歐洲第I 階段排放法規(guī)中，對手持式發(fā)動機的HC 和NOx分別作出限值要求，對非手持式發(fā)動機的HC+NOx作出限值要求，第Ⅱ階段統(tǒng)一對HC+NOx作出限值要求。第Ⅱ階段手持式發(fā)動機HC+NOx限值嚴于第Ⅰ階段，CO 限值2 個階段相同，第II 階段非手持式發(fā)動機HC+NOx限值只針對排量大于等于225 mL 類別進行了加嚴，CO 限值放寬要求。歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段排放限值如表7 所示。

表7 歐洲小通機排放限值（第I、II 階段）g·（kW·h）-1

與歐洲第Ⅱ階段排放法規(guī)相比，小通機歐洲第V 階段排放限值主要變化如下：

1）手持式發(fā)動機類別發(fā)生了變化，但手持式發(fā)動機排放限值維持不變，與第Ⅱ階段一致。

2）非手持式發(fā)動機HC+NOx排放限值加嚴，對于排量為[80，225）mL 的非手持式發(fā)動機，HC 和NOx排放限值在Ⅱ階段基礎上降低38%；對于排量大于等于225 mL 的非手持式發(fā)動機，HC 和NOx排放限值在Ⅱ階段基礎上降低34%。非手持式發(fā)動機第V階段排放限值與美國EPA 第Ⅲ階段限值趨于一致。

3）取消了對于NOx不得超過10 g/（kW·h）的排放限值要求。

3.3 耐久性要求

歐洲小通機排放法規(guī)從第Ⅱ階段開始，有了耐久性要求，即要求發(fā)動機在整個使用壽命內(nèi)均要滿足限值要求。第V 階段耐久性要求分為3 類，與第Ⅱ階段相同，2 階段各類耐久時間要求也基本一致，只是由于2 個階段的類別劃分不同，對于排量大于等于66 mL 小于80 mL 的非手持式發(fā)動機的耐久時間要求不同，第Ⅱ階段1 類耐久時間為125 h，2 類為250 h，3 類為500 h，第V 階段對于排量小于80 mL的非手持式發(fā)動機適用手持式發(fā)動機要求，所以1類耐久時間為50 h，2 類為125 h，3 類為300 h。歐洲第Ⅱ階段排放法規(guī)具體耐久性要求請如表8 所示。

表8 歐洲小通機排放法規(guī)耐久性要求（Ⅱ階段） h

3.4 其他要求

除了發(fā)動機類別、排放限值及耐久時間的不同，歐洲第V 階段排放法規(guī)還有以下變化。

1）增加了燃氣機排放要求。

2）測試油品發(fā)生變化。由第Ⅱ階段的E0 燃油，變化為第V 階段使用E10（乙醇）燃油。

3）系族劃分的要求：單缸小于750 mL 的發(fā)動機系族最小排量從最大機型排量的85%降為70%。

4）增加了化油器防篡改要求。

5）增加了制造商授權代表的要求：要求是在歐洲成員國范圍內(nèi)的企業(yè)或是在歐洲成員國境取得永久居住權的個人。主要職責為：保管認證申請資料，確保發(fā)動機投入市場后10 年內(nèi)認證機構可以隨意查閱；向認證機構提供可以證明產(chǎn)品一致性的所有資料；與發(fā)證機構或市場監(jiān)管機構合作，采取措施消除發(fā)動機潛在的風險。

4 歐洲排放法規(guī)發(fā)展趨勢

4.1 蒸發(fā)排放

與美國第三階段排放法規(guī)不同，歐洲小通機第V 階段法規(guī)未對蒸發(fā)排放做出要求。預計在下一階段排放法規(guī)中會評估是否引入蒸發(fā)排放要求。

4.2 顆粒物排放

歐洲小通機第V 階段排放法規(guī)不包括顆粒物排放要求，在下一階段排放法規(guī)中會評估是否引入顆粒物排放要求。

4.3 在用測試

從接近實際使用情況方面來講，非道路移動機械的在用測試是發(fā)展趨勢，這也將便于管理部門實施監(jiān)管，但歐洲小通機第V 階段排放法規(guī)不包括在用測試排放要求，在下一階段排放法規(guī)中會評估是否引入在用測試排放要求。

4.4 市場監(jiān)管和信息共享

在對歐洲小通機第II 階段排放法規(guī)實施評估過程中，發(fā)現(xiàn)市場監(jiān)管的弱化和不到位是未達到法規(guī)預期效果的主要原因之一，另外各成員國在實施法規(guī)過程中存在嚴松不一致的情況，且各成員國之間的市場監(jiān)管信息共享滯后也影響了法規(guī)實施的效果，因此在下一階段排放法規(guī)中，將會從服務市場監(jiān)管和信息共享方面進行完善。

5 結論

相對于歐洲小通機第Ⅱ階段排放法規(guī),第V 階段排放法規(guī)修改了小通機發(fā)動機分類方法，降低了排氣污染物排放限值，規(guī)定了測量方法、耐久性要求等。總體來說，出于全球協(xié)調(diào)統(tǒng)一的考慮，尾氣排放限值要求與EPA 第Ⅲ階段排放限值基本一致，與EPA 第Ⅲ階段不同,歐洲第V 階段沒有蒸發(fā)排放的要求。