满足新排放法规的非道路用柴油机燃料消耗率限值标准修订中限值指标的研究和确定

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200438)

0 前言

我国的内燃机产量从2008年的6 000万台到2017年8 100万台[1]，总功率从10亿kW上升为26亿kW(图1和图2)，总产量、总功率、结构分布等均发生了巨大变化(图3)，排放法规也从非道路柴油机国二排放标准上升为非道路柴油机国三排放标准，非道路柴油机国四排放标准也即将实施，石油对外依存度从2006的47%上升为60%,但内燃机在相当长时间内仍然会是驱动的主力。我国经济从高速发展向高质量发展过程中，内燃机行业将以节能减排、智能制造和提高整机可靠性作为主攻方向，为内燃机配套装备的智能化、信息化、环保化打下坚实的基础。

图1 2008—2017年我国内燃机产量变化趋势

图2 2008—2017年我国内燃机总功率变化趋势

图3 2008—2017年我国内燃机产品配套市场分布情况

GB 28239—2012《非道路用柴油机燃料消耗率和机油消耗率限值》标准从2012年开始首次实施，为强制性国家标准，并纳入内燃机生产许可证。实施以来，推动了我国非道路柴油机的节能工作，也间接降低了排放。虽然在2017年根据国家标准化改革，从强制性标准调整为推荐性标准，但指标、使用范围、实施要求没有变化。为此，在这个严峻形势下，有必要对原来的标准限值进行重新分析和研究。因此，国家标准委在2017年下达了本标准修订计划。

我国虽然是柴油机生产大国[1]，但柴油机生产技术水平、质量水平，尤其是燃料消耗率性能指标与国外发达国家相比，还有相当大的差距。尤其是道路用柴油机产量大、用途和功率范围广，具有不同的额定功率、冷却方式，为达到国家排放标准要求所采取的不同技术措施等，都对柴油机燃料消耗率的影响较大。制定先进合理的燃料消耗率限值标准，有利于淘汰落后技术产品，促进企业在节能减排方面的技术投入和改造，促进产品生产的质量水平和管理水平的提高。

本文在满足新排放法规的基础上，通过数据收集、摸底试验、国内外同类产品比较，确定了限值标准中应采用的燃料消耗率测量用试验循环、燃料消耗率评价指标和功率档的划分等。

1 数据收集和统计分析

为使样本数据更具代表性[1]，选择了各功率段国内非道路用柴油机骨干生产企业的产品数据，共收集了25家企业282款柴油机机型的基本参数，包括机型、用途、标定功率、标定转速、最大扭矩、最大扭矩转速、进气方式、冷却方式、燃烧室型式、标定工况燃料消耗率、机油消耗率、年产量等。

我国非道路用柴油机用途广泛[2]，2016年各用途柴油机产销量情况为：工程机械用柴油机约50万台，农业机械用柴油机约70万台，拖拉机用柴油机约480万台，船用柴油机约2万多台，内燃发电机组用柴油机约168万台，因此，2016年非道路用柴油机总量在770万台左右。

非道路用柴油机功率覆盖范围很广[2]，大功率柴油机与小功率柴油机在机械效率、散热损失、供油喷射系统都有较大的差别，因此，燃料消耗率差异也较大，有必要进行客观的分档。

采用排放标准中排放测量用试验循环和原则，修订后的标准功率分档不变，即还是10档。因此初始分档时大体与排放标准功率分档相近，将560 kW以下柴油机分成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档。

2 修订主要内容

除了将原强制性标准用语改为推荐性标准用语外，还删除了原机油消耗率限值及机油消耗率测量方法的有关内容，同时修改了加权燃料消耗率限值。

3 关键技术指标-加权燃料消耗率限值的确定

为了分析研究我国非道路用柴油机目前的燃料消耗率水平[2]，找出与国外同类柴油机的差别，通过日本LEMA协会收集了石川岛芝浦机械株式会社、井关农机株式会社、五十铃船用柴油机制造株式会社、小松株式会社、久保田株式会社、三菱重工株式会社、丰田织机株式会社和洋马株式会社共8家企业65台产品数据。中日两国各功率档加权燃料消耗率平均值比较见表1。

由表1所示，功率在19～225 kW之间，中国直喷式柴油机(DI)加权燃料消耗率平均值比日本同类机高8.06%；功率在8～56 kW之间，中国非直喷柴油机(IDI)机柴油机加权燃料消耗率比日本同类机高11.6%。

GB 28239—2012第一版修订草案于2018年3月进行过一次会议讨论，根据数据调研和试验结果，将功率在8 kW以下和功率在450～560 kW功率档的加权燃料消耗率限值维持降低5%的方案，其他功率档燃料消耗率限值降低量由5%改为3%。第二版修订草案于2018年7月进行讨论。同时，考虑到我国非道路用柴油机第四阶段排放标准正在制定中，预计2019年将实施。根据国四排放达标技术路线，柴油机产品已经采用柴油颗粒过滤器(DPF)并达到国四排放标准要求的企业，确认其产品能满足GB 28239—2012第二版修订草案中限值要求。因此，拟按第二版草案中限值为准。表2为限值修订前后的比较。

表1 中日两国各功率档加权燃料消耗率平均值比较

1)只有1台样机数据。

表2 GB 28239—2012修订限制的比较

4 节能措施

非道路用柴油机节能措施主要包括：改善柴油机燃烧优化燃烧室设计，采用高压共轨燃油喷射系统，提供柴油机机械效率，减小摩擦损失，加强热管理，减少热损失，减少附件耗功，附件驱动电动化，减轻柴油机整机质量等。

5 排放要求升级对柴油机燃料消耗率的影响

我国非道路用柴油机现行的排放标准执行国三排放限值[1]，目前正在完善国四排放标准，两者差异见表3。

颗粒物(PM)排放由表3可见，国四和国三相比，主要是碳氢化合物(HC)氮氧化物(NOx)及排放限值收紧，其中，PM排放限值收严较多，37～560 kW之间的柴油机PM排放限值收紧平均在90%以上，且呈现出功率越小收紧程度越高的趋势。

据了解，目前已达到国四排放标准要求的企业产品比其达到国三排放标准时的燃料消耗率都有改善，主要原因是采用了电控高压共轨燃油喷射系统，其喷油量、喷油时间、喷油次数都得到了有效精准控制，燃料消耗率得到改善。并且大多数满足国四排放标准的柴油机，采用了排放后处理装置，使得柴油机喷油提前角可以标定得更大，燃料消耗率得到优化。

6 节能的经济效益、社会效益和生态效益

2016年全国生产内燃机总功率达24.3亿kW[2]，其中非道路用柴油机产量达770多万台，保守估算，平均每台以50 kW计算，则年产非道路用柴油机功率达3.85亿kW，每年每台柴油机按运行200 h计算，燃料消耗率每降低1 g/kW·h，每年可节约燃油0.77亿kg,0号轻柴油的密度约为0.83 kg/L，则每年可节约0.92亿L，按目前0号柴油市场价格6.44元/L计算，则可每年节约人民币5.92亿元。同时，每kg柴油中含0.87 kg的碳组分，而每kg碳完全燃烧后将产生3.19 kg的CO2，因此每年可减少CO2排放21.4万吨。

表3 我国非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值(国三和国四比较)

7 结论

GB/T 28239—2012修订后，功率分档保持不变，限值指标仍然是加权燃料消耗率。取消机油消耗率限值主要是考虑到我国非道路用柴油机PM排放限值要求越来越严，若机油消耗率高，必然满足不了PM排放限值要求，因而取消了机油消耗率限值。

柴油机功率在8 kW以下和450～560 kW功率时燃料消耗率限值收严了5%，其他功率档收紧了3%，这将有力促进非道路柴油机生产企业，加大节能减排研发投入和技术改造，淘汰高耗能产品，促进产品技术升级，大大减少非道路用柴油机CO2排放和其他污染物排放。

我国柴油机加权燃料消耗率与日本等国外发达国家相比还有一定的差距，其中，在19～225 kW功率之间，中国DI柴油机加权燃料消耗率平均值比日本同类机型高8.06%；功率在8～56 kW之间，中国IDI柴油机加权燃料消耗率比日本同类机型高11.6%，这两个功率档内柴油机产品生产企业还须加大节能技术研究和开发，缩小与国外柴油机的水平差距。

节能减排虽有矛盾，但也能相互促进，产品排放升级所采用的技术措施，改善了柴油机燃料消耗率。