解析商用車柴油機排放污染物限值及措施

李 安 楊立慧 萬 濤　文

解析商用車柴油機排放污染物限值及措施

李 安 楊立慧 萬 濤文

我國排放標(biāo)準(zhǔn)的計劃升級速度明顯快于歐洲，準(zhǔn)備用10年時間完成歐洲16年的升級歷程（升級到國Ⅴ）。實際上，我國從國Ⅱ升級到國Ⅲ、國Ⅳ分別用了8年和13年，和歐洲標(biāo)準(zhǔn)第2階段升級到歐Ⅲ、歐Ⅳ時間相同。

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.

最近十幾年，商用車發(fā)動機排放升級讓用戶應(yīng)接不暇，大部分用戶都是被動接受，對于排放標(biāo)準(zhǔn)的制定依據(jù)、排放物限值等并不是很清楚。從本期開始，我們就針對這些話題和大家探討一下商用車柴油機排放污染物限值和相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展情況。

眾所周知，我國的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)是以歐洲標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)制定的。表1示出了歐洲商用車排放標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施情況。結(jié)合表1，我們分解成以下5個問題探討我國排放標(biāo)準(zhǔn)的制定情況。

問題一：我國相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)如何，有何差異？

我國相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)《GB 17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排放污染物排放限制及測量方法》按照表1的格式總結(jié)，如表2所示。

我國排放標(biāo)準(zhǔn)同樣是采用循序漸進的過程減少排放污染，但是該標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定第6階段限值。通過與歐洲標(biāo)準(zhǔn)比較，除了國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)CO的限值高了0.4 g/kWh，其他標(biāo)準(zhǔn)完全一樣。

從表2還可以看出，我國排放標(biāo)準(zhǔn)的計劃升級速度明顯快于歐洲，準(zhǔn)備用10年時間完成歐洲16年的升級歷程（升級到國Ⅴ）。實際上，我國從國Ⅱ升級到國Ⅲ、國Ⅳ分別用了8年和13年，和歐洲標(biāo)準(zhǔn)第2階段升級到歐Ⅲ、歐Ⅳ時間相同。

這里衍生出第1個問題——為什么我國的排放標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定國Ⅵ排放限值？

問題二：什么是循環(huán)工況，這個工況全面有效嗎？

表1、表2里的循環(huán)工況表示的是發(fā)動機按照設(shè)定的模擬工況進行排放試驗，其污染物在該工況內(nèi)的數(shù)量必須符合標(biāo)準(zhǔn)。也就是說，目前的排放標(biāo)準(zhǔn)是以試驗工況的數(shù)據(jù)進行評價的。

我們重點討論歐Ⅲ、歐Ⅳ、歐Ⅴ的ESC和ETC循環(huán)工況，以及歐Ⅵ的WHSC和WHTC循環(huán)工況。ESC試驗（European steady state cycle 歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)）有13個穩(wěn)態(tài)工況的試驗循環(huán)。ETC試驗（European transient cycle歐洲瞬態(tài)循環(huán)）有l(wèi) 800個逐秒變換工況的試驗循環(huán)。WHSC試驗（World Harmongized Steady state Cycle全球統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)）穩(wěn)態(tài)工況循環(huán)，13個測試工況點不再按指定的3個不同轉(zhuǎn)速負荷測試，而是連續(xù)采樣，權(quán)重由循環(huán)時間決定，工況過渡過程也納入排放。WHSC試驗的核心是更加注重低速低負荷的測試WHTC試驗（World Harmongized Transient Cycle全球統(tǒng)一瞬態(tài)試驗循環(huán)）取代了1 800個逐秒變換工況的ETC瞬態(tài)循環(huán)，重點增加了冷熱啟動工況。其核心是更加貼近實際城市道路工況。目前我國“京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)《DB11964-2013車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物限值及測量方法》”已經(jīng)引入WHTC全球統(tǒng)一的瞬態(tài)試驗循環(huán)試驗。

這里又衍生出第2個問題——工況試驗畢竟是模擬發(fā)動機運行狀況，其排放情況和車輛運行情況是否有差異？

表1　歐洲商用車排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時間及排放物限值 g/kWh

表2　我國商用車排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時間及排放物限值 g/kWh

問題三：發(fā)動機排放污染物有哪些？

這是一個沉重的話題?？茖W(xué)分析表明，汽車尾氣中含有上百種不同的化合物，其中的污染物包括PM、CO、CO2、HC、NOx、鉛及硫氧化合物等。

柴油機排放限值主要控制污染物CO、HC、NOx、PM和煙霧等。雖然汽油機不是商用車的主力機型，但是涉及到排放污染物還是有必要了解一下汽油機和柴油機的尾氣差異。柴油機的燃燒過程與汽油機不同，壓縮比高，而且是在富氧狀態(tài)下燃燒，廢氣中的CO 和HC含量較少，約為汽油機的1/10；柴油機NOx的含量與汽油機相當(dāng)；柴油機PM的含量高，約為汽油機的30 ～80倍，因此治理柴油機廢氣排放的PM已成為當(dāng)前的首要任務(wù)。

污染物對人體的傷害可以在其他信息渠道獲得更多、更專業(yè)的知識，所以在此只做簡單說明。PM的成分很復(fù)雜，并具有較強的吸附能力，可以吸附各種金屬粉塵、強致癌物苯并芘和病原微生物等；CO與血液中的血紅蛋白結(jié)合的速度比氧氣快250倍，即使微量吸入CO，也可能給人造成可怕的缺氧性傷害；NOx主要是指NO、NO2，可造成人的呼吸系統(tǒng)功能失調(diào)；SOx主要是SO2，與O2和H2O反應(yīng)生成硫酸，引起肺水腫、喉水腫以及刺激眼睛。柴油中的SOx主要來源于燃油，而且發(fā)動機燃燒和尾氣凈化無法降低其含量。

這里又衍生出第3個問題——相應(yīng)的排放限值是否需要不同品質(zhì)的柴油？

表3　歐Ⅰ為標(biāo)準(zhǔn)計算不同階段累計的下降比例 %

問題四：柴油機最難控制的排放污染物有哪些？

柴油機最難控制的污染物是NOx和PM。空氣中78%是N2，常溫下N2是惰性氣體，非常穩(wěn)定。但是N2在 1 200 ℃下就有機會反應(yīng)成NO，NO和空氣中的O2很容易反應(yīng)成為NO2。而PM的形成很復(fù)雜，可以總結(jié)成一句話——柴油及潤滑油的不完全燃燒都能生成PM。充分燃燒產(chǎn)生NOx，燃燒不充分產(chǎn)生PM。

為了提高柴油機的功率質(zhì)量比（質(zhì)量輕，動力強）同時提升燃油經(jīng)濟性，目前很多柴油機廣泛采用了渦輪增壓器。渦輪增壓器通過進氣加壓增加發(fā)動機的進氣氧含量，讓燃料燃燒充分，降低燃油消耗，同時PM減少，但是導(dǎo)致大量NOx產(chǎn)生。如果不用渦輪增壓器或者把廢氣再回到進氣管里稀釋進氣氧含量，那么燃燒就不充分，減少了NOx，但結(jié)果是PM和油耗增加。因為這對矛盾體導(dǎo)致了柴油機在降低排氣污染物時魚和熊掌不可兼得。但是我們的排放目標(biāo)則是努力實現(xiàn)魚和熊掌兼得。

問題五：不同階段排放標(biāo)準(zhǔn)各污染物的下降比例是多少？

從歐Ⅰ到歐Ⅵ，CO、HC、NOx的下降比例如圖1所示，PM的下降比例如圖2所示。表3則示出了以歐Ⅰ為標(biāo)準(zhǔn)不同階段累計的下降比例。從表3可以看出，下降幅度最大的是PM 和NOx。

本期分析完商用車柴油機的排放污染物限值后，下期我們將就這期衍生的3個問題進行討論。同時，還會結(jié)合不同排放階段的污染物限值情況進行車輛技術(shù)升級的討論。