国家污染物排放标准

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内容摘要：



国家污染物排放标准
《重型车用发动机排气污染物
排放限值及测量方法》

(征求意见稿)


编制说明



中国环境科学研究院环境标准研究所
济南汽车检测中心
二○○四年六月

目 录
一, 任务来源 .....................................................1
二, 制订标准的目的,意义 .........................................1
(一) 制订标准的意义,目的 .........................................1
(二) 制订本标准的紧迫性和必要性 ...... .............................1
三, 目前我国重型柴油机相关排放标准制,修订情况 ...................2
四, 国外法规标准简介 .............................................3
(一) 欧洲 .........................................................3
(二) 美国 .........................................................6
(三) 日本 .........................................................7
五, 本标准修改采用的国际法规 .....................................8
六, 本标准与欧盟指令2001/27/EC的差异 ............................9
七, 本标准与GB 17691-2001相比的主要变化 ........................9
八, 标准中相关问题的处理 ........................................12
(一) 型式核准申请 ................................................12
(二) 型式核准证书 ................................................12
(三) 基准燃料 ....................................................13
(四) 生产一致性检验用燃料 ........................................13
(五) 增强的环境友好车辆(EEV)限值要求 ...........................14
(六) 标准的实施 ..................................................14
九, 技术对策及成本效益分析 ......................................15
(一) 第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ阶段对柴油机排放控制技术的要求 ..................15
(二) 燃油可行性分析 ..............................................16
(三) 排放控制技术成本和环境效益分析 ..............................18
(四) 对其他基础设施的要求 ........................................19
(五) 我国车用柴油机技术水平现状及如何应对加严排放控制的新挑战 ....20
1
一, 任务来源
本标准是根据国家环保总局办公厅《关于下达2002年度国家环境保护标准
制修订项目计划的通知》(环办[2002]106号)中的项目计划进行的.
主要承担单位为:中国环境科学研究院环境标准研究所和济南汽车技术中
心.
完成期限为2004年.
二, 制订标准的目的,意义
(一) 制订标准的意义,目的
1, 贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治
法》,防治机动车排放造成的大气污染,改善环境空气质量,保护人体健康;
2, 促进机动车行业制造技术和排放控制技术的发展,淘汰技术落后的产
品,削减单车污染物排放量,提高国产机动车产品的竞争力,指导机动车行业走
可持续发展道路;
3, 促进机动车用油品制造行业生产技术水平和产品质量的提高;
4, 完善国家机动车大气污染物排放标准体系,逐步缩小与国际机动车排放
控制水平间的差距,维护国家利益,实现与国际控制水平接轨;
5, 为国内特殊地区的污染防治工作提供依据,理顺国家排放标准与地方排
放标准之间的关系,简化国家机动车排放标准体系,减轻企业负担;
6, 通过发布标准,使有关行业提前了解国家在机动车排放控制方面的要
求,在产品和技术开发方面为实施标准做好充分的准备.
(二) 制订本标准的紧迫性和必要性
1, 我国2001年加入WTO,进口汽车关税逐步降低,国产汽车降价,汽车
进入家庭步伐加快,汽车使用量迅速增加.同时,机动车报废年限提高,报废速
度减缓,排放总量增加,对大城市尤其是一些特大型城市环境空气质量达标造成
越来越严重的影响.
2, 国内机动车和车用油品生产制造技术水平与国际先进水平相比存在的
差距,造成国产车单车污染物排放量高.我国排放标准控制水平与国外(欧,美,
日等)相比,仍然存在较大差距,制定和实施第Ⅲ,Ⅳ阶段标准,将进一步缩小
差距,尽快与国际先进水平接轨.
2
3, 国家环保总局,国家经贸委和科技部于2003年一月颁布了《柴油车排
放污染防治技术政策》,指出 "我国柴油汽车污染物排放控制目标是:2004 年
前后达到相当于欧洲第Ⅱ阶段排放控制水平;到2008年,力争达到相当于欧洲
第Ⅲ阶段排放控制水平;2010年之后争取与国际排放水平接轨."为了实现《技
术政策》规定的这一目标,即使2008年实施欧洲第Ⅲ阶段标准,也仍然有8年
的差距.因此,我们的任务十分艰巨,时间非常紧迫.
4, 北京市将于2008年承办奥运会,为了举办一届空气清新,环境优美的
绿色奥运会,北京市计划提前实施欧洲第Ⅲ阶段标准.因此,国家标准的尽快出
台将为协调统一国家和地方标准,满足北京市和其他特大城市的环境执法工作的
需求起到非常重要的作用.
三, 目前我国重型柴油机相关排放标准制,修订情况
我国于1983年颁布了柴油车自由加速烟度排放标准,1993年对该标准进
行了一次修订,加严了标准限值.自由加速烟度的限制,对车辆经常维修保养,
维持较好的工作状况起到了积极促进作用,但并没有对柴油机的技术水平的提高
有根本的影响.
2000年国家环保总局颁布了柴油机的工况法排放标准,参照1991年10月
1日生效的欧盟91/542/EEC指令制定了我国对压燃式发动机所排放的一氧化碳
(CO),碳氢化合物(HC),氮氧化物(NOx)和颗粒物同时进行控制的污染物
排放标准.从2000年9月1日起执行相当于欧洲I号标准的第Ⅰ阶段排放标准,
2003年9月1日起执行第Ⅱ阶段排放标准.
我国第Ⅰ阶段排放标准颁布之后,国家环保总局建立了新车排放申报制度,
并适时发布了限期停止生产不达标车型的通知,这些管理措施有效地推动了新标
准的实施工作,对车辆技术水平的提高起到了非常重要的促进作用.第Ⅱ阶段排
放限值实施后,多数企业已经采用了增压或增压中冷技术,甚至有的企业已将
EGR和氧化型催化器技术提前应用到第Ⅱ阶段的柴油机上.根据国家环保总局
机动车排污监控中心的统计,目前达到第Ⅱ阶段排放标准的已经有近11000个车
型.和开始控制的第Ⅰ阶段相比,这些柴油机的颗粒物排放减少约58%,NOx
排放量减少13%.值得关注的是,通过包括技术水平在内的综合实力的竞争过程,
车用柴油机行业内部得以进行重新整合.重点企业更大更强,落后企业纷纷倒闭
和停产,促使车用柴油机行业内生产集中度和重点企业的产能得到大幅度提高.
重点企业从而有了一定的经济能力,为达到新的标准限值有计划,有目的实施技
3
术改造采取技术改造,产品升级换代速度呈加快趋势.从广泛的企业调研结果看,
国内柴油机行业主要通过寻求国际,国内的广泛合作,加大投资力度,引进更加
先进和主流的技术.在发动机构造,控制,性能,加工,工艺,质量保证多方面
都酝酿着有较大的突破和提高.
为了有效地监督和管理在用柴油车的污染物排放情况,适应加严了的新生产
发动机的标准,目前国家环保总局已经在组织修订在用柴油车的烟度排放标准.
四, 国外法规标准简介
(一) 欧洲
欧盟对重型柴油机排放控制的基本指令是88/77/EEC,该指令于1987年颁
布,88年开始对新定型的发动机和车辆实施,90年对销售,注册和使用的车辆
或发动机实施.其测试工况是稳态十三工况法.在欧○阶段对颗粒物没有要求(见
表1).欧○阶段应该说是柴油发动机的原始未控制状态,不需要采取任何控制
措施基本都能够达到,对NOx的要求甚至比原始状态还要宽松,旨在促进企业
改善发动机的燃烧状况,提高燃烧效率,一定程度的降低CO,HC和黑烟排放.
欧盟于1992年开始对重型柴油车实施欧洲I号法规,1995年实施欧洲II
号法规,其相应的指令是91/542/EC,测试方法仍然是稳态十三工况,CO,HC
和NOx限值加严,并增加了对颗粒物的要求,对颗粒物采用部分流或全流稀释
取样测量.到欧II阶段,对颗粒物的控制明显加严,和未控制时相比,约下降
55%左右.但尽管如此,其单车污染物的减少量也并不象轻型车那样明显,具体
各阶段的污染物减少量,如图1所示.
2000年欧盟开始实施Ⅲ号法规,并将于2005年,2008年分别实施Ⅳ号,
Ⅴ号法规.欧Ⅲ,欧Ⅳ,欧Ⅴ的法规号是1999/96/EC,后又被2001/27/EC修订,
该指令是到目前为止的最新版本.由表1和图1可以看出,到欧Ⅳ,欧Ⅴ阶段,
重型柴油发动机的颗粒物和 NOx 排放有了明显的下降.欧Ⅳ阶段颗粒物下降了
95%,欧Ⅴ阶段NOx减少了86%左右,满足欧Ⅳ,Ⅴ法规的柴油车辆应该说是看
不见黑烟的较为清洁的柴油车.
表1 欧盟重型柴油发动机排放标准 [g/kW.h]
实施年份 指令 控制阶段氮氧化物(NOx)颗粒物(PM)
1990 88/77/EEC 欧○ 15.8 —1
1992 欧Ⅰ 9.0 0.40
1995
91/542/EEC
欧Ⅱ 7.0 0.15
2000 1999/96/EC 欧Ⅲ 5.0/5.02 0.10/0.16
4
2005 欧Ⅳ 3.5/3.5 0.02/0.03
2008
(2001/27/EC)
欧Ⅴ 2.0/2.0 0.02/0.03
注:1,欧○未控制颗粒物
2,ESC限值/ETC限值
欧洲III号法规与现行标准的主要不同点如下:
(1) 限值加严(见表1);
(2) 测量方法有较大的变动,欧洲III号法规中提出了三种测试循环:
a) 欧洲稳态工况(ESC, European Steady Cycle)
"欧洲稳态工况"(ESC)是新的十三工况法,使用了新的发动机典型
工况点,同时改变了加权系数,并另外增加3个随机工况点的NOx排放测
量,使得非十三工况点的NOx高发区处于监控状态,防止只满足所设工况
点排放要求的技术作弊行为.原十三工况和ESC工况的比较见图2.
图 1
5
图2 欧洲十三工况比较
b) 负荷烟度试验(ELR, European Loaded Response smoke test)
ELR代替了原72/306/EEC指令(ECE R24号法规)的全负荷稳态和自
由加速烟度测量,采取了新的负荷工况测试循环,见图3.
图3 负荷烟度试验
c) 欧洲瞬态工况(ETC,European Transient Cycle)
除十三工况有改动之外,欧洲III号法规中还针对燃气发动机和安装先进后
处理装置的柴油机规定了瞬态测量循环(ETC),见图4.用瞬态循环工况进行
测量时,其颗粒物的测量要求用全流稀释取样,气体污染物的测量采用从全流稀
释系统中稀释取样.
6
图4 欧洲瞬态工况(ETC)
(3) 各测量循环工况的应用范围:
a) 传统式柴油机,要求进行欧洲稳态工况(ESC)和负荷烟度试验
(ELR);
b) 气体燃料发动机(如:LPG,CNG),要求使用瞬态测量方法(ETC)
测量污染物排放量;
c) 装有先进的排放后处理装置(如:颗粒物捕集器,NOx催化转化
器等)的柴油发动机,要求进行欧洲稳态工况(ESC)试验,负荷
烟度试验(ELR),并附加瞬态工况试验(ETC).
d) 从欧Ⅳ阶段开始柴油发动机也必须进行ETC试验.
(二) 美国
美国对重型汽车的界定是用最大总质量超过8500磅(3856 kg).同样是在
发动机台架上进行污染物排放的测量.1984年以前,美国也是用的十三工况稳
态测量方法,但是,其个别工况点和欧洲的工况有些不同.从1990年开始,美
国对重型车发动机的排放测试必须使用瞬态测试循环,在测量中要运行两遍,一
遍冷起动循环,一遍热起动循环,加权系数为1:7(冷起动:热起动).其瞬态测
试循环工况见图5.测试中,污染物排放必须使用全流式的稀释取样系统.和欧
洲十三工况相比,美国瞬态工况中高速大负荷的比例较大,而欧洲则是中速大负
荷的比例较大.这也体现了美国高速公路运输占主导地位.
7
自从1984年采用瞬态工况以后,其污染物排放限值又经过多次修订,见表
2.
图5 美国重型柴油机瞬态测试循环工况

表2 美国重型柴油发动机排放标准 [g/hp.h]
年份 氮氧化物(NOx) 颗粒物(PM)
1984 10.7 0.6
1991 0.25
1994
5
1998 4
2004 2
0.10
2007 0.2 0.01

(三) 日本
日本重型车辆采用的也是稳态十三工况法,对重型柴油发动机和重型汽油
发动机都采用的是十三工况,但根据发动机实际运行的工作特性,其工况有所不
同.其柴油机的十三工况和欧洲的十三工况也有所不同.其共同点是都采用稳态
测量.其工况的不同点见图6.
日本对重型柴油车辆的排放要求起步比较早,从1974年就开始了,采用6
工况稳态测量方法,对一氧化碳,碳氢化合物和氮氧化物的浓度进行测量,但没
8
有控制颗粒物排放,此后对限值也进行过几次修订.但是这种浓度测量持续了
20年,一直到1994年,才开始采用十三工况法,对排放质量进行检测,同时开
始要求控制颗粒物排放.近年来,日本对重型柴油机的排放要求也开始日益加严,
其限值的变化见表3.
图6 日本与欧盟十三工况比较
表3 日本重型柴油发动机排放标准 [g/kW.h]
年份
氮氧化物(NOx)
(限值/平均值)
颗粒物(PM)
(限值/平均值)
1994以前 520/400(ppm) —
1994 6.8/5.0 0.96/0.70
1998 5.8/4.5 0.49/0.25
2003 3.38 0.18
2007 2.0 0.05
注释:
(一) 1994 年以前,试验采用 6 工况浓度测试方法,只测量气体污染物,
没有颗粒物;
(二) 1994年以后,试验开始采用13工况法.
五, 本标准修改采用的国际法规
根据我国的实际情况,目前已经采纳了欧洲的标准体系,本标准的制订仍然
沿用了欧盟对重型压燃式发动机(包括气体燃料点燃式发动机)的排放法规.
本标准修改采用了欧盟(EU)指令88/77/EEC《关于协调各成员国采取措施
防治车用柴油发动机气态污染物排放的法律》的最新修订版2001/27/EC《关于协
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调各成员国采取措施防治车用压燃式发动机气态污染物和颗粒物排放,以及燃用
天然气或液化石油气的车用点燃式发动机气态污染物排放的法律》的有关技术内
容.
本标准参照 GB/T 1.1—2000《标准化工作导则第 1 部分:标准的结构和编
写规则》编写.
六, 本标准与欧盟指令2001/27/EC的差异
(一) 本标准主要采纳该指令的技术内容,以该指令的附件Ⅰ"范围,定
义和缩写,EC 型式核准的申请,技术要求和试验,生产一致性"作为本标准的
正文主体,指令的其他附件分别作为本标准的附录,重新编排格式.该指令正文
中的管理条款中的有关技术要求和标准实施内容,经按照我国实际情况的修改
后,分别纳入本标准第7章"技术要求和试验"及第11章"标准实施时间"中,
其余法律条款未采纳.
(二) 将该指令附件Ⅰ的三个附录(附录 1:对标准偏差满意时生产一致
性试验规程;附录2:对标准偏差不满意或不能获得时时生产一致性试验规程;
附录3:制造者要求下生产一致性试验规程)合并为本标准附录F"生产一致性
检查的判定方法".
(三) 将该指令的附件Ⅱ"资料文件"改为附录A"型式核准申报材料";
(四) 将该指令附件IV"认证试验和生产一致性确认用规定的基准燃料的
技术特性"中的柴油基准燃料中的试验方法改为我国国家标准或行业标准规定的
试验方法(,其限值也按照中国的油品特征有所调整,但仍满足本标准排放控制
阶段的基本要求—待定).
(五) 由于该指令附件Ⅷ"燃用乙醇的柴油发动机的特殊技术要求"是对
该指令附件Ⅲ"试验规程"内容的补充,因此本标准将其纳入本标准附录B"试
验规程"的相关条款.
(六) 本标准增加了附录H(资料性附录)"参考文献",将标准中曾出现的
参考性相关国家标准,国际标准的编号和名称列出,以备查用.
七, 本标准与GB 17691-2001相比的主要变化
(一) 加严了污染物排放限值
本标准分三个阶段加严了污染物排放限值,在原GB 17691-2001的第Ⅰ,
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Ⅱ阶段基础上,提出了第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ各阶段的排放控制限值,进一步削减单车的
污染物排放水平.压燃式发动机NOx和颗粒物污染物各个阶段排放限值及其污染
物排放削减率见表1和图7.
(二) 增加了装用以天然气(NG)或液化石油气(LPG)作为燃料的点
燃式发动机车辆及其点燃式发动机的气态污染物的排放限值及测量方法.
在欧洲,由于汽油发动机很少用于重型车辆,因此欧盟没有专门的重型点
燃式发动机的污染物排放标准.随着代用燃料发动机的开发和应用,燃气发动机
已经应用的比较普遍,因此,欧洲在第三,四,五阶段已经将重型燃气发动机的
排放标准纳入了88/77/EEC指令中.
长期以来,我国的重型汽油机应用比较普遍,1993年我国颁布了第一个重
型汽油机的工况法排放标准,由于欧洲没有重型汽油机的排放标准,因此我们采
用了美国的稳态9工况测量方法.该标准于2002年修订,仍然沿用美国的稳态
9工况测量方法,加严了限值,并将所有点燃式发动机作为控制对象,即燃气发
动机也应执行该标准规定要求.该标准的控制水平相当于第一,二控制阶段,要
求车辆采用电控燃油喷射和催化转化技术,但是由于该标准的测量方法仍然是稳
态工况,不利于排放控制系统的全面监控.
在本标准开题论证时,专家一致认为,既然从第三阶段开始欧洲法规中已
经包含了对点燃式燃气发动机的排放控制,并且是瞬态工况测量方法,我们也应
等效采纳.因此,在本标准中除压燃式发动机的排放控制之外,对气体燃料的点
燃式发动机也做了规定.
本标准规定使用瞬态测量方法(ETC),对装用以天然气或 LPG 作为燃料
的点燃式发动机车辆及其点燃式发动机的气态污染物进行测量,并分别规
定了其污染物第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ各阶段的排放限值.
(三) 改变了测量方法
试验工况由ESC(欧洲稳态循环),ELR(欧洲负荷烟度试验)和ETC
(欧洲瞬态循环)工况所构成,针对不同车种或不同控制阶段,应用不同
的试验工况.原标准中的13工况法被本标准中新的试验工况所取代,包括ESC
(欧洲稳态循环),ELR(欧洲负荷响应试验)和 ETC(欧洲瞬态循环)工
况.对这些工况的详细描述见"四,国外法规标准简介".如前所述,这
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三种工况分别适用于不同情况使用.见表4.
表4,各测量循环工况的应用范围
发动机类型 应进行的测量循环工况
传统式柴油机第Ⅲ阶段 ESC,ELR
气体燃料发动机(如:LPG,CNG) ETC
装有先进的排放后处理装置的柴油发
动机 (如装有:颗粒物捕集器,NOx
催化转化器等)
ESC,ELR和ETC
柴油发动机(第IV,V阶段或EEV) ESC,ELR和ETC

(四) 从第Ⅳ阶段开始,增加了装备车载诊断系统(OBD),排放耐久
性和在用车一致性的要求
在欧盟指令1999/96/EC中,提出了本标准适用范围的新型车辆或发动机,
从第Ⅳ阶段开始均应装备有车载诊断系统(OBD),保证其排放耐久性和在用车的
一致性的要求.该项要求仅在指令的正文中提出,附件的技术内容中没有具体检
查的规程,这部分内容有待于欧盟委员会今后完善.
有鉴于此,本标准在第7章"技术要求和试验"中也原则地提出了上述要求,
以便生产企业进行计划和开发研究准备.在此方面,轻型汽车已经有了比较成熟
的技术和检查方法,应用到重型车辆上也不过是时间问题.
(五) 增加了新型发动机和新型车辆的型式核准的申请及审核规程
在欧洲法规中,一直有关于新型发动机或车辆的型式核准的有关管理
条文和程序的规定,但由于我国的管理体制不同,标准中一直没有引进这
部分内容.我国加入 WTO 之后,强制性技术标准正在根据管理的要求增加
部分相关的管理内容.结合目前我国实施的机动车环保达标申报制度,本标准
在新型发动机或车辆的型式核准内容上尽可能地采用了欧洲法规的内容,详见本
文"八,标准中相关问题的处理".
(六) 增加了生产一致性检查及其判定规程
本标准附录F"生产一致性检查的判定方法"中,详细介绍了生产一致性检
查及其判定规程.生产一致性检查过程中可能出现的情况均被考虑进来,为实际
工作起到指导作用.
12
八, 标准中相关问题的处理
(一) 型式核准申请
结合目前我国实施的机动车环保达标申报制度,本标准在新型发动机(或
车辆)的型式核准内容上尽可能地采用了欧洲法规的内容.重型发动机及其车辆
的申报要比轻型车的单纯车辆申报复杂.本标准对排放检验的控制对象实际是发
动机,但装用发动机的车辆生产厂也必须对所装用的发动机的排放是否达标负
责,因此,新车型也必须进行排放核准.
在实际应用中,发动机或整车的排放型式核准申请有这样三种情况:
- 作为独立技术总成的发动机的型式核准申请;
- 对装有未经型式核准发动机的车型进行型式核准的申请;
- 对装有已经型式核准发动机的车型进行型式核准的申请;
在本标准中第 4 章"型式核准的申请"中,考虑了上述这些情况,规定了
申请的责任者及不同的申请方式.具体见表5:
表5 型式核准的申请
项 目 申请责任者 执行标准条款 排放核准依据
作为独立技术总成的发动
机的型式核准申请
发动机生
产企业
第4.1条 检验发动机排放
对装有未经型式核准发动
机的车型进行型式核准的
申请
汽车生产
企业
第4.2.1条 检验发动机排放
对装有已经型式核准发动
机的车型进行型式核准的
申请
汽车生产
企业
第4.2.2条
提供已经核准发
动机的核准证书
复印件.
由于第 4.2.1 条的原欧洲法规译文表述比较费解,经与欧洲专家和我国汽
车发动机行业专家讨论后,在本标准中,做了文字修改,要求提交车辆装用的发
动机进行排放检验.
(二) 型式核准证书
排放型式核准证书(Type Approval Certificate)在欧洲车辆环保技术法规当
中一直作为一个附件存在,规定了该证书的内容和格式,这是车辆技术法规非常
重要的内容.同样,美国也实施了类似的排放证书制度.但是,多年来由于我国
的汽车管理体制的不同(汽车目录或公告制度),一直没有实施这种证书制度,
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排放标准中有的就将证书要求的内容进行一定修改之后变为试验报告格式要求,
而在GB 17691-2001《车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法》中,
直接将该证书附件取消了.
近年来在开始实施第Ⅰ阶段排放标准之后,国家环保总局已经建立了环保
达标申报核准制度,并定期通过发布文件或通告公布达标车型或发动机型.然而,
随着环保管理的不断深入,已经发现仅用文件形式来公布达标车型和发动机型是
不够的.标准不但要求将车辆,发动机的相关技术参数信息记录在证书上,而且
型式核准试验的排放结果,以及当时的发动机进气管压力,排气管背压,发动机
附件的吸收功率等等都应记录在证书上,作为今后生产一致性检验的重要数据依
据.因此,我们认为,作为技术法规的强制性国家标准,引入与国际(特别是欧
盟)接轨的排放型式核准制度,并规定证书格式和内容是非常必要的.基于这样
的考虑,我们在本标准的编制过程中,采用了欧盟指令中这一内容,将其作为一
个附录规定了"型式核准证书"的格式.
(三) 基准燃料
根据近年来我们实施排放第Ⅰ,Ⅱ阶段标准的经验和体会,如果将基准燃
料参数的规定完全按欧洲法规的参数照搬,那么对这种燃料的规定往往只能是一
纸空文,很难在我国实施.欧洲法规中的基准燃料是根据欧洲市售油品的特征制
定出来的,和我国成品油的特性有很大差别,因此在我国市场上是买不到的,即
使专门加工生产也比较困难.在前些年的标准实施中,进行排放试验时各个检测
机构实验室基本上都是用我国的标准油,很少有按照排放标准中的基准燃料要求
来配制成基准燃料进行试验.环保部门和石化部门也都希望将排放标准中的基准
燃料"中国化",有利于实施标准,也减少标准实施过程中由于油品造成的争议.
基于上述考虑,本标准参考了已经和石化部门充分协调的,目前正在制订
当中的北京市《车用柴油》地方标准,个别指标(如:十六烷值,密度,多环芳
烃)缩小了公差范围,按照我国柴油的特征和第Ⅲ阶段对油品的要求,提出了本
标准的基准柴油的技术参数要求.
(四) 生产一致性检验用燃料
原欧洲法规中规定,进行生产一致性检验时可以使用市售燃料,当发生争
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议时使用标准规定的基准燃料.本标准也做了类似的规定,但由于我国市售燃料
的质量水平差别较大,本标准规定应使用满足相应燃料标准的市售燃料.所引用
的车用柴油,车用液化石油气,车用天然气标准均为目前的标准号,但去掉了年
号,希望在实施本标准时,能够实施和本标准各阶段要求相适应的燃料新标准版
本.
(五) 增强型环境友好汽车(EEV)限值要求
增强型环境友好汽车(Enhanced Environmental Friendly Vehicle)是欧盟为
鼓励生产和使用低污染汽车提出的一个新的非限定性概念.在排放限值表中,专
门列出了EEV的排放限值,该限值严于欧Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ各阶段的限值.欧盟指令
中对于各成员国制定税收鼓励政策做出了明确规定,要求只能对提前达到下一阶
段或EEV排放限值的车型(或发动机型)实施这种优惠政策,并且其所获得的
优惠金额应不超过确保排放达到该阶段限值所做的技术改进引起的附加费用.
为了同一目的,在我国提前引入更严格的排放限值也是非常必要的.
(六) 标准的实施
多年来,我国在标准实施方面一直保留着两种实施日期,即型式认证(即
型式核准)标准限值实施日期和生产一致性检查标准限值实施日期,但是对销售,
注册和使用的标准实施日期没有要求.这样一种规定方法既和欧洲法规的原意不
一致,在实际标准实施中也带来了许多困难.为此,我们反复研究了欧盟不同版
本的指令原文,并总结了我国标准及执行中的问题.
1,欧洲法规中规定的是型式核准(新车或发动机定型)实施日期和所有新
车(发动机)(包括:销售,注册和使用)的标准实施日期.生产一致性检查的
标准限值尽管可能和型式核准限值不一样,但只是因为批量生产的车辆和原型样
车允许有差别,但新型车(或发动机)一旦定型,其批量生产的车辆或发动机就
应该满足标准的生产一致性限值要求,否则该批车辆或发动机将按不达标处理,
而没有理由规定一年以后再达标.这点在近两年,我国所实施的低污染小汽车生
产一致性审查中已经得到了很好的贯彻和实施.
2,多年来,按照原标准规定的两种实施日期来实施,带来了许多问题.首
先是对于销售和注册登记的新车没有实施标准的依据,无法控制和管理,可以无
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限期的销售和注册;第二对于生产企业的管理,既没有老车停止生产的日期,也
无法控制过期之后继续生产的问题.为此,在实施第Ⅰ阶段(欧Ⅰ)排放标准时,
政府主管部门还要专门发布文件要求停止生产,销售,注册登记和使用不达标车
辆.环保执法人员无法按照标准执法.
为了纠正这一错误的概念,有利于对机动车污染物排放的管理,本标准采
纳了欧洲指令的原意,将标准实施日期分为:
型式核准的标准实施日期:指的是从该日期开始所有新定型的车辆和发动
机必须满足本标准要求;
销售,注册和使用的标准实施日期:指的是从该日期开始,所有销售,注
册登记和使用的新车(或发动机)都必须满足本标准要求.
九, 技术对策及成本效益分析
(一) 第Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ阶段对柴油机排放控制技术的要求
第Ⅲ阶段:
为达到第Ⅲ阶段排放标准的要求,可以采用的控制技术仍然是以改进发动机
燃烧为主的机内净化技术.实际中所采用的方案是根据其发动机的基础技术水平
不同而多种多样的.比较典型可供选择的控制技术有:
1, 电控燃油高压喷射
如:电控单体泵,电控高压共轨,电控泵喷嘴等.
2, 增压中冷(更高增压压力和高效空-空中冷)
3, 发动机燃烧系统,进气系统的结构改进
4, 初级的废气再循环装置(EGR)
5, 氧化型催化转化器
6, 发动机喷油正时调整
上述控制技术并非全部采用,其中电控燃油喷射和增压中冷是必须的,其他
技术可根据情况选择采用.
由于欧洲是2000年开始实施欧Ⅲ标准,同时在美国,这个控制阶段开始的
更早,相当于1994年到1998年的控制技术,因此,第Ⅲ阶段的排放控制技术在
国外,已经是非常成熟的了.现在欧洲,美国和日本市场上的产品都能满足欧Ⅲ
标准.
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第Ⅳ阶段:
要达到第Ⅳ阶段的要求,对发动机的控制是在第Ⅲ阶段基础上的进一步改
进,如:更高压力的电控燃油喷射,变喷嘴涡轮增压,冷却式的废气再循环(EGR),
多气阀技术等,即使这样,只采用机内净化技术也未必能够满足第Ⅳ阶段对颗粒
物的严格要求,因此,连续再生颗粒物捕集器,或催化型颗粒物过滤器等将成为
较为有效的控制技术.
第Ⅴ阶段:
第Ⅴ阶段是在第Ⅳ阶段基础上,大幅度削减了NOx,因此,后处理装置除
了要对颗粒物有效的削减,同时要有对NOx的有效催化转化.到目前为止,较
为有效的后处理装置有:选择型催化还原装置(Selective Catalytic Reduction
Devices, SCR)及氮氧化物吸附型(NOx Absorber)后处理技术.
上述第Ⅳ,Ⅴ阶段的后处理技术在国际上已经开发成功,在经济鼓励政策的
支持下,已经有相应的发动机型和车型投入市场.
(二) 燃油可行性分析
随着环境保护要求的提高,对汽车和发动机污染物排放限值提出了越来越严
格的要求.这样的要求不但对排放控制技术提出了很高的要求,同时燃油品质的
状况同样会影响排放水平和污染控制装置的使用效率和寿命,因此,提高燃油品
质要求,也成为降低汽车发动机排放的必备条件.
美国,欧洲和日本在90年代为了解决这一油品适应性问题,都分别开展了
车辆-燃油的研究项目,根据其研究结果,在制定汽车发动机排放标准的同时,
也同时对油品提出了相应的环保要求.如欧盟在进行了车—油计划之后,提出了
98/70/EC指令要求,并在其后被2003/17/EC修订,其对市售车用柴油的要求见
表6.
表6 欧盟对市售车用柴油的环保指标要求1
项目 欧Ⅲ 欧Ⅳ 欧Ⅴ
十六烷值,不小于 51.0 ← ←
T95,℃,不大于 360 ← ←
密度,kg/m3,不大于 845 ← ←
1 摘自:欧盟98/70/EC,2003/17/EC指令的ANNEX II"Environmental Specifications for Market Fuels to be
Used for Vehicles Equipped with Compression Ignition Engines".
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多环芳烃,%(m/m),不大于11 ← ←
硫含量,mg/kg,不大于 350 50 10
目前,我国汽车用柴油有两个标准,一个是GB 252—2000《轻柴油》,另一
个是GB/T 19147—2003《车用柴油》标准.《轻柴油》标准是柴油产品的强制性
标准,所有轻柴油必须达到该标准要求,该标准适用范围的柴油不仅包括车用柴
油,还包括农用车,工程机械,农用机械,柴油发电机,部分船用柴油机等所用
的柴油.而《车用柴油》标准目前是推荐性的,是一个自愿执行的标准,该标准
是为满足我国第Ⅱ阶段排放标准的实施而制定的,于2003年10月1日开始实施,
目前还没有地区要求必须执行该标准.这两个标准中环保所关心的主要技术指标
见表7.
表7 现阶段我国车用柴油的主要指标要求
项目
GB 252—2000
《轻柴油》
GB/T 19147-2003
《车用柴油》
十六烷值,不小于 45 49
T95,℃,不大于 365 365
密度,kg/m3 实测 820~860
多环芳烃,%(m/m),不大于 无规定 无规定
硫含量,mg/kg,不大于 2000 500
对比表5和表6,我们不难发现目前我国的柴油品质和实施第三及其以后阶
段排放标准对油品要求的差距.十六烷值,硫含量都需要进一步提高要求,多环
芳烃指标我国尚无要求.这里,对排放控制影响最大的应该是硫含量的要求,根
据表3的要求,随着排放限值的加严,第Ⅲ,第Ⅳ,第Ⅴ阶段对油品的主要不同
要求就体现在硫含量的减少.正像当初对所有采用电喷和三元催化技术的汽油车
要使用无铅汽油一样,逐步减少柴油中的硫含量,直至最后生产无硫柴油(10ppm
以下),将是未来排放控制技术对柴油提出的要求.
为有效实施本标准,除了发动机产品技术水平的更新换代,对我国的炼油工
业也是一个严峻的挑战.1996年我国变为原油净进口国之后,我国进口原油的
数量逐年递增,而进口原油多为中东石油,其原油含硫量大大高于我国原油的含
硫量,这更给炼油行业带来了困难.为了生产低硫高质柴油,提高对燃油品质的
要求,我国炼油行业需要有较大的资金投入,增加工艺装备,提高技术等级.
根据石化业内人士介绍,要满足上述环保要求,进行炼油工艺改造,技术是
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成熟的,如:催化柴油加氢精致技术,加氢裂化工艺技术,加氢改质技术等等.
但需要投资和时间,需要环保提前提出目标要求,给出准备时间.长期以来,我
国两大石油公司(中石油,中石化公司)已经做了大量的清洁柴油的产品开发和
研究工作,有技术储备.如果再将柴油分类处理,将约占1/3的车用柴油提高质
量档次和水平,则更容易达到要求.
根据美国能源基金会专家和我国石化行业专家共同进行的"中国运输燃油质
量改进研究"报告的分析结果,如果我国从2005年开始实施第Ⅲ阶段排放标准,
2008年开始实施第Ⅳ阶段排放标准(即柴油的质量分别满足欧Ⅲ,欧Ⅳ的要求),
和现在的柴油价格相比,柴油价格将分别提高(人民币)4.1分/升,和5.6分/
升,年增加投入资金约248万美元,和400万美元2.
(三) 排放控制技术成本和环境效益分析
要达到第Ⅲ阶段排放标准,主要还是采用机内净化措施,改进燃烧,减少污
染物生成,部分车辆可能辅以氧化型催化转化器.但由于发动机基础技术水平的
不同,那些早期设计机型,需对发动机缸体等基础部分按新结构图纸组织生产,
涉及生产线工艺,工装的全面更新,基础厂房,新机加工中心各企业情况不完全
相同,高的投入约需数亿元.技术开发也分为"联合改进设计,全新设计,引进
系列"等,开发费用从百万至千万欧元不等.所以,从第Ⅱ阶段过渡到第Ⅲ阶段
的开发成本,硬件和软件成本增加也会有很大差别.根据业内权威人士估算,从
第Ⅱ阶段提高到第Ⅲ阶段,其发动机成本增加会在5%~20%的范围;由于发动机
成本占整车成本的比例也有很大差别(约为10~20%),估算下来,为达到第Ⅲ
阶段排放标准,整车成本一般增加1~4%.其单车污染物排放减少和控制初期(第
Ⅰ阶段)相比,颗粒物减少了70%,NOx排放减少了39%;和第Ⅱ阶段相比,
颗粒物和NOx分别减少30%左右.详见表8和图7.
表 8
单车排放下降率(与第Ⅰ阶段相比)% 排放控制
阶段 CO HC NOx PM
第Ⅱ阶段 -11% 0% -13% -58%
第Ⅲ阶段 -38% -30% -39% -70%
2 , Scenario 3
and Scenario 6.
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第Ⅳ阶段 -55% -51% -57% -94%
第Ⅴ阶段 -55% -51% -76% -94%
注: 由 13 工况转换成 ESC 工况各污染物限值分别乘以下转换系数3:
CO-0.748055, HC-0.85481, NOX-1.029275, PM-0.9079.
从第Ⅳ阶段开始,由于对颗粒物的要求显著加严,因此需要采用颗粒物后处
理装置;而从第Ⅴ阶段开始,由于要求NOx有大幅度的削减,因此需要采用NOx
催化装置.颗粒物和NOx控制的后处理技术的净化效果和成本估算见表9.
表 9 PM,NOx污染物排放控制技术及成本估算
控制技术 成本估算 PM NOx
NOx吸附型催化器 US$ 890~1400 — - 80%
催化型颗粒物过滤器 US$ 630~1030 - 50~80% —
选择型催化还原装置
(SCR)
US$ 1500 - 0~50% - 60 ~ 85%
(四) 对其他基础设施的要求
1,尿素补充设施
在开始实施第Ⅴ阶段排放标准以后,如果采用选择型催化还原技术(SCR),
由于该技术对NOx的还原依赖于注入一定量的尿素(氨),因此,在车辆运行时,
3 欧洲Auto-Oil Program Ⅱ报告,Cost-effectiveness Study, Part Ⅳ.
2000
2002
2004
2006
2008
2010
2012
2014
2016
PMNOx
-100%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
排
放
变
化
年份
图7 我国柴油机污染物排放控制趋势
I阶段 V阶段II阶段 III阶段IV阶段
-44%
-61%
-72%
-94%
-78%
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在消耗燃料的同时,尿素也在同时消耗,并需要象补充燃料一样,补充尿素.根
据欧洲的情况,在各加油站,需要增加加尿素的设施,这也将是一项很大的工程
和投入.
2,在用车检查和维修
从第Ⅳ阶段开始,本标准要求车辆装备车载诊断系统(OBD),为适应这种
新技术,对在用车的检查需要进行调整,直接的排放检测有可能减少(但还需要
对原有车型的在用车进行检测),但对OBD的检查要引入新内容和新技术;对检
查人员也需要进行相关的培训.
由于车辆先进技术的引入,维修成本有可能增加,维修人员的培训和教育
也需要增加投入.
3,发动机排放检测设备
本标准实施后,对发动机排放检测设备提出了新要求,瞬态工况测试方法,
全流稀释取样等等,原有的仅满足第Ⅰ,Ⅱ阶段(稳态工况测试,分流稀释取样
等)的测量方法的测试设备不能满足新标准要求,需要购置新设备或进行较大的
改造.新的测试设备价格在200万美元/套.作为发动机生产厂,为了满足生产
一致性检查的要求,也应该购置检测设备,以保证产品质量的监督管理.
(五) 我国车用柴油机技术水平现状及如何应对加严排放控制的新挑战
国内车用柴油机的技术水平,有相当一部分已经达到90年代水平.在排放
标准一再加严的大趋势下,目前市场上的主导机型已经都达到了第Ⅱ阶段(欧洲
Ⅱ号)的排放控制水平.但是,尽管如此,国内各企业的发动机技术水平仍有较
大差别.有些企业引进了国外较先进的机型,本身是在欧Ⅱ技术平台上,通过与
国外母机厂的合作,借用国外的设计研发力量,进行技术改进,达到第Ⅲ阶段排
放标准是不太困难的;有些企业目前仍然沿用了80年代以前国内自主开发的以
自然吸气为基本型的机型,这些机型基础件刚性差,通过增压和增压中冷满足第
Ⅱ阶段标准还有些勉强,要达到第Ⅲ阶段标准,只有彻底改变发动机结构,重新
设计一个新机型,从这个意义上来讲,就十分困难,面临着机型被淘汰的危险.
事实上,国外发达国家的柴油机排放控制技术的发展也是循序渐进的,一
方面要有一些用现代技术进行重新设计开发的新机型,另一方面也有一些在现有
机型上进行改进,这样通过改进或重新设计不断升级,换代,以满足客户使用和
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环保的要求.多年来,我国的柴油机行业投入不足,制约了柴油机生产技术,工
艺水平,规模发展和自主开发能力的提高,使得一些机型长时间得不到更新换代.
排放控制的不断加严,对这些发动机生产企业既是挑战,也是推动,促使其跟上
时代的步伐,不断开发新技术,新机型,逐步使行业技术的发展建立连贯性和继
承性,不断淘汰落后,发展先进.
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