柴油发动机及车辆排放法规的发展动态

冀树德，张 伟，高 波，杨天军，刘志刚

（中国北方发动机研究所，山西大同037036）

柴油发动机具有良好的经济性、动力性和可靠性，因而被广泛地研究和应用。仅就商用车和轿车而言，欧洲90%商用车和50%轿车动力为柴油发动机，美国90%商用车动力为柴油发动机，日本40%商用车和10%轿车动力为柴油发动机，这随之带来的问题是颗粒物和NOx排放对环境的污染。因此，世界各国相继制定了越来越严格的排放法规，迫使汽车制造商不得不进行技术创新或改革。到目前为止，为满足法规要求用于排放控制的措施有高压共轨、增压中冷、电控等机内净化技术和SCR、DOC、DPF等机外净化技术。在柴油发动机排放控制技术和人们对环境要求提高的驱使下，法规测试方法、试验方法及排放限值的要求也随之修改，其要求也越来越苛刻，甚至接近零排放。

1 全球实施现状及新的措施

1.1 各国法规实施现状

在排放法规方面，现行体系主要有欧盟、美国、日本3种体系，这3种体系的限值要求和测试方法也不尽相同（见表1）。将美国和日本法规相比，欧盟更具通用性，其他国家或地区主要以该法规为主，结合自己国家国情引用和实施（见表2）。就中国排放法规而言，引用的也是欧盟的排放法规，但实施时间不同于欧盟（见表1）。

表1 欧盟、美国、日本及中国排放法规实施情况

国家经济发展情况不同，其应用的排放法规也不相同。从世界各地区或国家实施情况来看，2011年执行的法规从欧Ⅰ到欧Ⅴ都有，发达国家排放法规实施欧Ⅴ标准，较发达的国家实施欧Ⅲ、欧Ⅳ标准，发展较落后的一些国家实施欧Ⅰ、欧Ⅱ标准（见表2）。

表2 世界各国排放法规目前和未来实施情况

1.2 新增测试或限制要求

目前，用于排放检测的试验循环有欧盟的ESC稳态试验循环、ETC瞬态试验循环和ELR烟度负荷循环，有美国FTP75试验循环，有日本JE05试验循环，各个国家试验方法各不相同。为了统一全球市场排放试验方法和评价方法，联合国欧洲经济委员会提出了用于认证发动机废气排放的全球统一测试循环（WHDC）。

表3 WHSC全球稳态试验循环

该循环包括热启动的稳态测试循环（WHSC）和冷热两种启动要求的瞬态测试循环（WHTC）。WHDC综合了欧盟、美国、日本、澳大利亚等国家和地区的典型道路条件。WHSC类似于ESC，由13个工况组成，具体参数见表3。

颗粒作为柴油发动机排放的主要污染物，法规对其要求限值也越来越小，甚至测试设备都无法测出。为此，在未来规划执行的排放法规中，提出了颗粒计数的测试方法。

此外，随着全球环境变暖出现的冰川融化、海平面上升及自然生态系统危机问题，低碳成为城市发展规划之一。低碳控制的对象主要是CO2排放的控制，CO2排放其中一个主要的来源就是内燃机。在未来排放发展规划中，柴油发动机除满足THC、CO、NOx和PM限值要求外，还需满足专门对CO2排放限制的要求。为此，各国规划了未来CO2排放控制程度（见图1），其中以欧盟和日本的最为严格。

图1 各国未来CO2规划实施要求

2 美国、欧盟和日本法规的发展

2.1 美国发展情况

美国的排放法规主要以联邦政府为主，在51个州中只加利福尼亚获准制定污染物排放控制技术的法规。对于重型柴油发动机，联邦政府实施的限值要求为：PM为0.013g／（kW·h），NOx 为 0.27g／（kW·h），NMHC为0.19g／（kW·h）。该要求在2007年已经生效，到2010年分阶段实施。其目的是从2007年的50%达标到2010年100%的达标。但在2010年前，极少数发动机达到NOx排放0.27g／（kW·h）要求。美国环保署于是发布出台了EPA2010标准，并从2011年开始强制执行NOx排放0.27g／（kW·h）限值要求。

公路车辆占美国CO2排放量的26%，CO2年排放量达17亿t。为了阻止温室气体排放量的进一步上升，美国政府出台全国轿车和轻型卡车里程规则，即到2016年达到35.5英里／加仑，高于目前的25英里／加仑，这在限制CO2排放前提下提出了燃油经济性的要求。

2.2 欧盟发展情况

（1）限值要求

对于重型柴油车，从欧IV到欧V法规，NOx的排放限值从3.5g／（kW·h）下降到2.0g／（kW·h），降幅约为43%，而从欧V到欧VI法规，NOx的排放限值则下降了80%，已经逐步接近零排放。在不降低对环境的保护水平的前提下，根据技术发展的情况，必要时增加对NO2排放的单独要求。

从欧VI与欧V法规开始，柴油车微粒排放所采取的微粒检测方法不只局限于检测微粒的质量排放，而且还要检测微粒的数量排放，即所谓的PMP。通常没有加装过滤器的柴油机微粒排放数量在1×1013／km，而法规要求微粒排放数量不能超过5×1011／km，即在数量上应该有95%的微粒被过滤。因此，要达到新的微粒排放标准，微粒捕集器已经成为必不可少的后处理装置。

CO2排放在欧洲不属于欧Ⅴ范畴，而是由单独的欧盟法做出的规定。新车最大CO2排放量目标为130g／km，该目标逐步达到。2012年65%的新车总量将达到该目标，直到2015年100%的新车总量将达到该目标。尽管允许重型车辆有更高的排放量，平均排放量必须低于130g／km，长期目标是到2020年达到95g／km。

在欧VI法规中，还增加了对NH3限制。在柴油机ESC和ETC试验循环中，NH3的浓度峰值不得超过10×10－6。此外，欧VI还要求建立非使用状态下的排放限值及引入全球统一车载诊断装置，即发动机排放超过限值就报警。

（2）测试要求

新颁布的欧Ⅵ排放法规除排放限值降低外，在原有ESC、ETC和ELR试验循环的基础上建立 WHDC和ETC测试结果之间的关系，把WHSC和 WHTC引入到欧Ⅵ重型柴油机排放测试循环中。针对不同车种或不同控制阶段，应用不同试验方法。WHSC和WHTC组合就是全球统一测试循环（WHDC），该循环综合多个国家和地区典型的道路条件。

2.3 日本发展情况

日本国土交通省和环境省规定，将从2009年10月起对新销售的柴油动力车实施新的尾气排放标准。新标准在现行所有法规中是最严格的排放法规。实施新标准后，NOx排放量根据不同车型减少40%～65%，PM排放量减少53%～64%（见表1）。

3 国内排放现状及未来措施

3.1 国内排放现状

据统计，重型汽车保有量仅占机动车总保有量的5%，占汽车保有量的15%，但PM的排放量占到总排放量的84%，NOx的排放量占到总排放量的76%。到目前为止，全国柴油发动机开始普遍实施第Ⅳ阶段标准。2011年北京规定新增公交车将实施国Ⅴ排放标准，而新增重型柴油车力争2012年执行国家排放标准。

3.2 未来可能采取的措施

为了降低柴油发动机对环境排放，在严格执行排放标准前提下，国家将采用一系列降低排放的措施。这些措施主要包括推进汽车“以旧换新”工作，加速“黄标车”和低速载货车淘汰进程；加强机动车环保定期检验，实施机动车环保标志管理，对排放不达标车辆进行专项整治；建立机动车环保管理信息系统；加快炼油设施改造，推进柴油低硫化，增加优质燃油市场供应。

4 结束语

从排放法规的发展历程来看，各个阶段强调的重点不同，但总的变化趋势都是向排放小的方面发展。就排放法规的更新和发展，从内容和要求上来说主要表现出以下几大趋势：

（1）对污染物的控制越来越严格。气态污染物在原有试验方法下，限值更加低，有的甚至于接近零排放；颗粒的排放在原有质量测试的基础上提出了颗粒计数的测试要求和方法。

（2）有害污染物的控制对象更加广泛。就柴油发动机，除满足原有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）逐步建立全球统一测试循环和认证体系。全球主要流行排放法规主要有欧盟、美国和日本3大体系，即便如此也无法对不同体系中柴油车辆的排放情况进行比较评价。为了解决这一难题，提出全球统一的测试循环和认证体系。

［1］司康.国内外中重型商用车排放法规演变及对比（一）［J］.轻型汽车技术，2010，（11／12）：46－51.

［2］司 康.国内外中重型商用车排放法规演变及对比［J］.商用车与发动机，2010，（12）：21－25.

［3］陈 超，李 浩，邓成林，等.柴油车排放法规最新动态［J］.内燃机与动力装置，2010，（6）：7－10.

［4］张 颖.持续推进柴油机的高效减排路线［J］.汽车与配件，2010，（39）：52－54.

［5］Yasuhiro DAISHO.Developing Advanced Low－emission and Fuel－efficient Vehicle Technologies Eyeing 2020and Beyond［J］.汽车安全与节能学报，2010，（1）：6－13.