解析商用车柴油机排放污染物限值及措施

李 安 杨立慧 万 涛　文

解析商用车柴油机排放污染物限值及措施

李 安 杨立慧 万 涛文

我国排放标准的计划升级速度明显快于欧洲，准备用10年时间完成欧洲16年的升级历程（升级到国Ⅴ）。实际上，我国从国Ⅱ升级到国Ⅲ、国Ⅳ分别用了8年和13年，和欧洲标准第2阶段升级到欧Ⅲ、欧Ⅳ时间相同。

A Review and Discussion on Emission Limit of Commercial Vehicle Diesel Engine and Preventive Measures

In the past few years, the emission standard of commercial vehicle engine has been gradually raised, which had made most engine producers passively follow the regulations without understanding and knowing exactly the rules and limitation of these standards. From this issue, the magazine will conduct a series of review and discussions about the issue of emission limit and current development of relevant technologies.

最近十几年，商用车发动机排放升级让用户应接不暇，大部分用户都是被动接受，对于排放标准的制定依据、排放物限值等并不是很清楚。从本期开始，我们就针对这些话题和大家探讨一下商用车柴油机排放污染物限值和相应技术的发展情况。

众所周知，我国的汽车排放标准是以欧洲标准为基础制定的。表1示出了欧洲商用车排放标准的制定和实施情况。结合表1，我们分解成以下5个问题探讨我国排放标准的制定情况。

问题一：我国相应的排放标准如何，有何差异？

我国相应的排放标准《GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排放污染物排放限制及测量方法》按照表1的格式总结，如表2所示。

我国排放标准同样是采用循序渐进的过程减少排放污染，但是该标准没有规定第6阶段限值。通过与欧洲标准比较，除了国Ⅲ标准CO的限值高了0.4 g/kWh，其他标准完全一样。

从表2还可以看出，我国排放标准的计划升级速度明显快于欧洲，准备用10年时间完成欧洲16年的升级历程（升级到国Ⅴ）。实际上，我国从国Ⅱ升级到国Ⅲ、国Ⅳ分别用了8年和13年，和欧洲标准第2阶段升级到欧Ⅲ、欧Ⅳ时间相同。

这里衍生出第1个问题——为什么我国的排放标准没有规定国Ⅵ排放限值？

问题二：什么是循环工况，这个工况全面有效吗？

表1、表2里的循环工况表示的是发动机按照设定的模拟工况进行排放试验，其污染物在该工况内的数量必须符合标准。也就是说，目前的排放标准是以试验工况的数据进行评价的。

我们重点讨论欧Ⅲ、欧Ⅳ、欧Ⅴ的ESC和ETC循环工况，以及欧Ⅵ的WHSC和WHTC循环工况。ESC试验（European steady state cycle 欧洲稳态循环）有13个稳态工况的试验循环。ETC试验（European transient cycle欧洲瞬态循环）有l 800个逐秒变换工况的试验循环。WHSC试验（World Harmongized Steady state Cycle全球统一稳态试验循环）稳态工况循环，13个测试工况点不再按指定的3个不同转速负荷测试，而是连续采样，权重由循环时间决定，工况过渡过程也纳入排放。WHSC试验的核心是更加注重低速低负荷的测试WHTC试验（World Harmongized Transient Cycle全球统一瞬态试验循环）取代了1 800个逐秒变换工况的ETC瞬态循环，重点增加了冷热启动工况。其核心是更加贴近实际城市道路工况。目前我国“京Ⅴ排放标准《DB11964-2013车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物限值及测量方法》”已经引入WHTC全球统一的瞬态试验循环试验。

这里又衍生出第2个问题——工况试验毕竟是模拟发动机运行状况，其排放情况和车辆运行情况是否有差异？

表1　欧洲商用车排放标准执行时间及排放物限值 g/kWh

表2　我国商用车排放标准执行时间及排放物限值 g/kWh

问题三：发动机排放污染物有哪些？

这是一个沉重的话题。科学分析表明，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物包括PM、CO、CO2、HC、NOx、铅及硫氧化合物等。

柴油机排放限值主要控制污染物CO、HC、NOx、PM和烟雾等。虽然汽油机不是商用车的主力机型，但是涉及到排放污染物还是有必要了解一下汽油机和柴油机的尾气差异。柴油机的燃烧过程与汽油机不同，压缩比高，而且是在富氧状态下燃烧，废气中的CO 和HC含量较少，约为汽油机的1/10；柴油机NOx的含量与汽油机相当；柴油机PM的含量高，约为汽油机的30 ～80倍，因此治理柴油机废气排放的PM已成为当前的首要任务。

污染物对人体的伤害可以在其他信息渠道获得更多、更专业的知识，所以在此只做简单说明。PM的成分很复杂，并具有较强的吸附能力，可以吸附各种金属粉尘、强致癌物苯并芘和病原微生物等；CO与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快250倍，即使微量吸入CO，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害；NOx主要是指NO、NO2，可造成人的呼吸系统功能失调；SOx主要是SO2，与O2和H2O反应生成硫酸，引起肺水肿、喉水肿以及刺激眼睛。柴油中的SOx主要来源于燃油，而且发动机燃烧和尾气净化无法降低其含量。

这里又衍生出第3个问题——相应的排放限值是否需要不同品质的柴油？

表3　欧Ⅰ为标准计算不同阶段累计的下降比例 %

问题四：柴油机最难控制的排放污染物有哪些？

柴油机最难控制的污染物是NOx和PM。空气中78%是N2，常温下N2是惰性气体，非常稳定。但是N2在 1 200 ℃下就有机会反应成NO，NO和空气中的O2很容易反应成为NO2。而PM的形成很复杂，可以总结成一句话——柴油及润滑油的不完全燃烧都能生成PM。充分燃烧产生NOx，燃烧不充分产生PM。

为了提高柴油机的功率质量比（质量轻，动力强）同时提升燃油经济性，目前很多柴油机广泛采用了涡轮增压器。涡轮增压器通过进气加压增加发动机的进气氧含量，让燃料燃烧充分，降低燃油消耗，同时PM减少，但是导致大量NOx产生。如果不用涡轮增压器或者把废气再回到进气管里稀释进气氧含量，那么燃烧就不充分，减少了NOx，但结果是PM和油耗增加。因为这对矛盾体导致了柴油机在降低排气污染物时鱼和熊掌不可兼得。但是我们的排放目标则是努力实现鱼和熊掌兼得。

问题五：不同阶段排放标准各污染物的下降比例是多少？

从欧Ⅰ到欧Ⅵ，CO、HC、NOx的下降比例如图1所示，PM的下降比例如图2所示。表3则示出了以欧Ⅰ为标准不同阶段累计的下降比例。从表3可以看出，下降幅度最大的是PM 和NOx。

本期分析完商用车柴油机的排放污染物限值后，下期我们将就这期衍生的3个问题进行讨论。同时，还会结合不同排放阶段的污染物限值情况进行车辆技术升级的讨论。