分类：电子论文 时间：2022-03-14 热度：684
摘 要：从 2000 年我国实施重型柴油车国一排放标准开始，逐步经历了国一至国六排放标准的实施。经过二十年的发展，我国重型柴油车排放标准已相对完善，污染物排放控制限值日益严格，测试方法也趋于完善，目前已处于世界先进水平。梳理了我国重型柴油车新车和在用车排放标准的发展历程，重点分析了重型柴油新车排放标准主要内容的发展及其与国外标准的对比。分析结果显示，我国重型柴油车排放标准仍存在一些问题，如污染物排放限值仍需进一步加严、缺乏温室气体排放控制要求、排放控制装置耐久性要求仍未得到保证等，这也是下阶段排放标准升级时需考虑的问题。
关键词：重型柴油车 排放标准 发展历程
引言
随着我国经济的稳定发展和人民生活水平的提高，我国汽车销量每年保持稳定增速，汽车保有量不断攀升。汽车尾气排放总量增大，由此带来的汽车尾气污染问题日益突出。空气质量监测显示，重污染天气中城区硝酸盐增长速度明显高于其它组分，证明机动车排放对 PM2.5 浓度有明显贡献。汽车排放标准的实施有效遏制了汽车污染物排放总量不断上升的势头，为改善我国的大气环境质量起到了重要作用[1] 。从 2000 年我国实施汽车国一排放标准开始，逐步经历了国一至国六排放标准的实施。重点区域、珠三角地区、成渝地区及所有燃气车辆均已于 2019 年 7 月 1 日实施重型车国六排放标准。重型车国六排放标准是我国汽车排放标准发展史上的一个重要节点，标准中规定的环保信息公开的要求意味着我国汽车污染防治工作的主战场转向了在用车的排放达标管理。经过二十年的发展，我国重型柴油车排放标准目前已处于世界先进水平。
本文回顾了我国重型柴油车新车和在用车排放标准的发展历程，并对重型柴油新车排放标准主要内容的发展及其与国外标准开展了对比分析，旨在全面梳理我国重型柴油车排放标准的同时，认识到我国排放标准与国外标准的优势与不足，进而持续完善我国下阶段排放标准。
1 我国重型柴油车排放标准的发展历程
1.1 新车排放标准
我国重型柴油新车排放标准一开始仅对烟度排放进行控制，发展到第五阶段又增加了天然气发动机 CH4排放的限制，测试循环从 R49 工况更改为ESC、 ETC 和 ELR 工况。1999 年，我国发布了 GB 3847-1999 《压燃式发动机和装用压燃式发动机的车辆排气可见污染物限值及测量方法》，该标准适用于新车型式认证试验和产品一致性检查试验，对压燃式发动机的全负荷烟度及装用压燃式发动机汽车的自由加速烟度进行了限制。从 2001 年 9 月 1 日开始，我国对重型柴油车实施 GB 17691-2001《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》标准的第一阶段，2004 年 9 月 1 日实施该标准的第二阶段。该标准适用于新车型式认证及生产一致性检验，对发动机的污染物排放采用 R49 工况法进行测试，对 CO、HC、NOx 和 PM 4 种污染物的排放进行限制。2005 年，我国发布了 GB 17691-2005 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，该标准增加了装用以天然气或液化石油气作为燃料的点燃式发动机及其汽车的排放限值及测量方法;发动机污染物测试循环从 R49 工况循环更改为 ESC、 ETC 和 ELR 循环;第四阶段的配套标准增加了 OBD、耐久性和在用符合性要求;第五阶段的配套标准增加了整车实际道路排放测试的要求。2018 年 6 月 22 日发布的 GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》增加了 PN 和 NH3 的排放限值要求，发动机污染物测试循环更改为 WHSC、WHTC 和 WNTE 循环，并将整车实际道路排放测试要求纳入该标准中。
1.2 在用车排放标准
自 1983 年开始，我国采用自由加速法对在用柴油车进行烟度检测，逐步发展到自由加速法和加载减速法并行使用，这些检测方法对限制柴油车烟度和颗粒排放起到了积极促进作用。为防治柴油车烟尘对环境的污染，1983 年我国发布了 GB3843-83《柴油车自由加速烟度排放标准》，该标准规定采用滤纸式烟度计测试自由加速工况下尾气中的黑烟，控制柴油车冒黑烟较为严重的自由加速工况的烟度，适用于所有装用柴油机的新车、进口车及在用车[2]。1993 年，考虑到 GB3843-83 标准已经实施 10 年，我国对该标准进行了第 一次修订，修订后的标准为 GB14761.6-93 《柴油车自由加速烟度排放标准》。 2000 年，我国正式发布了 GB 18285-2000《在用汽车排气污染物排放限值和测量方法》，针对在用柴油车整车采用自由加速法测试烟度排放，该标准于 2001 年 7 月 1 日实施。2005 年 7 月 1 日实施的 GB 3847-2005 《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法》是对 GB 3847-83 和 GB 14761.6- 93 的修订，该标准规定了车用压燃式发动机/汽车排气烟度的排放限值及测量方法。2019 年 5 月 1 日起，我国开始实施新的在用柴油车标准 GB 3847-2018 《柴油车污染物排放限值及测量方法(自由加速烟度法及加载减速法)》，该标准规定了柴油车自由加速法和加载减速法排气污染物排放限值及测量方法。与 GB 3847-2005 标准不同的是，为了对在用柴油车的排放等进行有效监管，该标准新增了柴油车外观检验、OBD 检查的方法和判定依据，并规定了采用加载减速法得到的氮氧化物排放限值。
我国重型柴油车排放标准的发展历程如图 1 所示。
2 重型柴油新车排放标准主要内容的发展
2.1 标准适用范围覆盖更全
随着排放标准的发展，标准的适用范围覆盖更全。我国重型车国一、国二排放标准仅适用于压燃式发动机，第三、四、五阶段排放标准增加了装用天然气或液化石油气发动机汽车及其点燃式发动机的气体污染物排放限值及测量方法。第六阶段排放标准取消了设计车速要求大于 25 km/h 的限制，标准适用范围覆盖更全。 GB 17691 重型汽车及发动机排放标准的适用范围如表 1 所示。
2.2 每升级一次排放标准，污染物排放限值加严 30%~50%
随着排放标准的不断推进，重型车单车排放限值逐渐加严。从国一升级至国六标准，NOx 排放限值加严了 95%，PM 排放限值加严了 97%，每升级一次排放标准，单车污染物排放减少 30%~50%。表 2~表 4 为我国重型车污染物排放限值，图 2 表示我国重型车用发动机排放限值发展阶段。
与国一标准相比，国二标准中压燃式发动机型式核准的 NOx 排放限值从 8 g/(kW·h)减小到 7 g/(kW·h)，限值加严了 12.5%。对于功率不超过 85 kW 的压燃式发动机，其型式核准的 PM 排放限值从 0.61 g/(kW·h)减小到 0.15 g/(kW·h)，限值加严 75.4%;对于功率超过 85 kW 的压燃式发动机，其型式核准的 PM 排放限值从 0.36 g/(kW·h)减小到 0.15 g/(kW·h)，限值加严 58.3%。国三至国五阶段排放标准对压燃式发动机的 NOx 排放限值逐步加严。ESC 试验循环下，压燃式发动机的 NOx 排放限值从国三阶段的 5 g/(kW·h)被逐渐加严至国四阶段的 3.5 g/(kW·h)、国五阶段的 2 g/(kW·h);PM 排放限值从国三阶段的0.1 g/(kW·h)被加严至国四阶段的 0.02 g/(kW·h)，与国四阶段相比，国五阶段的 PM 排放限值并未被加严。与国五标准相比，国六阶段标准的 NOx、PM 排放限值分别加严了 77%和 67%，并新增了 PN、NH3 的限值要求;为了实现对重型整车的排放控制，国六标准中增加了整车排放限值要求。
2.3 测试循环更符合车辆的实际运行工况特征
2005 年 5 月，国家环境保护总局与国家质量监督检验检疫总局联合发布了 GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，其中，气体燃料点燃式发动机部分代替了 GB17691-2001 和 GB14762-2002《车用点燃式发动机及装用点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》中的气体燃料点燃式发动机部分。与 GB 17691-2001 排放标准相比，GB 17691-2005 将稳态循环 R49 十三工况循环替换为欧洲稳态标准测试循环 (ESC 循环)， ESC 循环的工况主要集中在怠速区和中高转速 A、 B、C 3 个转速区。同时，为了防止生产厂家仅对欧洲稳态标准测试循环的 13 个工况进行标定的作弊行为，该标准还新增了 3 个任意选取的考核区进行排放测量，图 3 所示为 ECE R49 循环与 ESC 循环的对比。此外，GB17691-2005 还新增了负荷烟度(ELR)试验和欧洲瞬态循环(ETC)试验。其中，气体燃料点燃式发动机采用 ETC 试验循环测定其气态污染物，而对于压燃式发动机，第三阶段排放标准中仅对采用了 NOx 和 PM 后处理装置的柴油机有 ETC 试验要求。到国四、国五阶段，所有柴油机均应按照 ETC 试验循环进行排放测试。
与国五排放标准相比，国六排放标准的发动机测试循环发生了改变，ESC 和 ETC 循环被分别替换为 WHSC 和 WHTC 循环;国六标准在型式检验中增加了循环外排放测试的要求，包括发动机台架的非标准循环(WNTE)和利用 PEMS 进行的整车实际道路排放测试。
WHSC 与 ESC 测试循环都选择了具有代表性的 13 个工况来进行测量，但是在运行参数方面有较大差异，WHSC 循环更注重低速低负荷工况下的污染物排放。图 4 是 WHSC 与 ESC 测试循环对比图。ESC 循环转速范围较窄，且 3 个转速都是中高转速，在每个转速下分别进行高、中、低 3 个负荷下的测试;而 WHSC 循环转速范围宽，且低于 50% 最大净功率转速占到了将近半数(6 个低转速工况)，体现了 WHSC 循环对低转速工况的侧重。此外，WHSC 循环避免了 ESC 循环每个转速平均排布转矩的方式，如对 75% 高速工况和 25%低速工况只是有选择地分别测量它们的高负荷或低负荷，增强了工况的代表性。 WHTC 与 ETC 循环都是测试时间为 1 800 s 的瞬态工况，但二者的工况分配有显著差异，WHTC 循环增加了低速低负荷的排放控制要求，同时引入了冷起动排放控制要求。图 5、图 6 分别是 ETC、WHTC 测试循环工况。在 ETC 工况中，城市道路工况、乡村道路工况和高速公路工况的时间各占工况的三分之一;而在 WHTC 循环中，城市工况占 49.6%，郊区工况占 26%，高速工况占 24.3%。
2.4 标准管理要求不断适应我国重型车排放监管的需求
我国重型车国一、国二排放标准 GB17691-2001 对新车提出了型式认证试验和生产一致性检查试验的要求，表 5 所示是第一、第二阶段排放标准的生产一致性试验排放限值。从表 5 可以看出，第一阶段排放标准的生产一致性检验的污染物排放限值均比型式认证试验限值宽松，而到了第二阶段排放标准，新车生产一致性的排放限值则与型式认证的限值相同。可以看出，第二阶段排放标准的生产一致性要求严于第一阶段，也说明第二阶段排放标准更注重新车的生产一致性要求。
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然而，型式核准和新车生产一致性的管理要求仅能保证新车出厂时的排放达标，却依然无法确保在用车排放达标，特别是需要加装后处理系统才能满足第四阶段及更严格标准要求的重型车。基于此，环境保护部于 2008 年 6 月 24 日发布了 OBD 标准 HJ 437-2008《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断(OBD)系统技术要求》，该标准规定了压燃式、气体燃料点燃式发动机及汽车的 OBD 系统的技术要求，要求国四、国五阶段需要分别满足欧洲 OBDⅠ、OBDⅡ阶段要求，以监测发动机/汽车的 NOx 及 PM 排放控制系统是否正常工作。OBDⅡ阶段故障指示器激活的 NOx 限值为 3.5 g/(kW·h)，与 OBDⅠ 阶段相比，加严了 30%，OBDⅠ和 OBDⅡ阶段中，转矩限制器激活的 NOx 限值均为 7 g/(kW·h)。
在欧Ⅵ诊断系统的基础上，国六标准参考美国 OBD 法规提出了永久故障码等反作弊的要求，并首次将远程排放管理车载终端(远程 OBD)的要求应用到国家标准。与国五阶段标准仅限制发动机的污染物排放不同，国六标准提出了整车排放测试和限值要求，直接明确了整车企业的责任，为整车监督检查提供了方法。整车排放测试方法包括整车道路车载法(PEMS)和整车底盘测功机法。整车道路车载法适用于型式检验、新车检查和在用符合性检查环节;整车底盘测功机法作为 PEMS 的一种替代方法，用于新车检查和在用符合性检查环节。国六标准中首次提出车辆的油耗和排放须同时达标的要求，即当车辆按照 GB 30510 标准进行整车油耗测量时，应同时测量污染物排放，且排放的气态污染物及颗粒物应满足整车排放限值要求。
与之前的排放标准相比，国六标准一个重要的改进就是将型式核准改为了型式检验。从国六阶段开始，监管部门不再对发动机或整车进行型式核准，而是要求汽车生产企业或其代理机构对自己的产品进行检验，将检验结果对全社会公开，并对信息公开的真实性、准确性和完整性负责。监管部门仍然制定测试规程和限值，但会把有限的资源集中在生产一致性检验、新车抽查和在用车符合性抽查上。
3 新车排放标准与国外标准的对比分析
3.1 欧洲标准具有灵活性
我国目前排放标准中以 3 500 kg 来划分轻型车和重型车，美国的排放法规中将最大总质量超过 3 856 kg 的汽车作为重型汽车，而欧洲轻型车和重型车划分的基准则在不断变化[3]。欧Ⅰ重型车排放标准中规定的排放限值要求只适用于 2 500 kg 以上的重型车。随着汽车工业的不断发展，车辆类别逐渐增多，后来修订的排放标准中将适用范围扩展到总质量大于 3 500 kg 的重型车。历经十几年的不断修订与更新，目前欧洲已经开始实施欧Ⅵ排放标准，该标准采用基准质量来划分轻型车和重型车，而不再按照最大设计总质量来划分。欧Ⅵ标准适用于基准质量在 2 610 kg 以上的 M1类、M2类、N1 类和 N2 类机动车辆，以及 M3 类和 N3 类机动车辆。同时，如果制造商提出要求，欧Ⅵ标准规定的整车型式认证可扩展到其基准质量不超过 2 610 kg 的非完整车辆。因此，欧洲排放标准更为灵活。
3.2 我国排放标准限值与美国相比还存在差距
由于我国重型车用柴油机国一至国五排放标准正是修改于欧Ⅰ至欧Ⅴ标准，因此二者在污染物的排放限值要求上是基本相同的，主要的区别在于我国重型车各阶段排放标准的实施时间比欧洲晚 5～ 10 年。欧Ⅵ排放标准于 2009 年出台的(EC)NO 595/ 2009 标准中推出，新的排放标准与美国 EPA 2010 法规一样严格，并从 2013 年起生效，而我国第六阶段排放标准直到 2019 年 7 月 1 日才在重点区域开始实施。国六标准实施后，我国重型车排放标准已经与欧洲处于同一水平，但与美国的排放标准相比还有一定差距，因为目前美国实施的 EPA 2010 法规中 NOx 排放限值为 0.27 g/(kW·h)，而我国第六阶段 NOx 的排放限值为 0.4 g/(kW·h)，这也说明我国标准中的 NOx 排放限值还有进一步加严的空间。我国与欧美重型车污染物排放限值的对比如图 7 所示。
3.3 我国排放标准缺乏温室气体控制要求
2016 年 10 月，美国环境保护署和美国国家高速公路管理局针对中重型车辆发布了第二阶段的温室气体排放和燃油效率标准[4]。目前美国卡车排放的温室气体数量占整个交通运输行业的 20%。这项标准适用于 2021～2027 车型年的中重型卡车，其中包括半挂牵引车、封闭货车和公交车等，标准制定了到 2027 年实现减少二氧化碳排放 11 × 108 t 的目标，该数字与现行的标准相比降低了 25%。美国环境保护署预测，按照这一标准，整个卡车行业将减少 20 × 108 桶原油消耗，节省 1 700 亿美元燃油支出。表 6 所示为美国 2027 年重型车辆二氧化碳排放和能效标准。
根据国际能源署的报告，2015 年全球 28%的温室气体排放来自于中国，中国已经成为全世界最大的温室气体排放国家。中国交通领域的温室气体排放占总排放量的 9.3%，远低于世界平均水平;从全球来看，道路交通温室气体排放占到了交通领域温放室气体排量的 82.7%，是交通领域温室气体排放的主要来源。然而目前，重型柴油车排放标准仅规定生产企业在开展发动机和整车排放的型式检验时，需要同时记录 CO2 排放测试结果，并未在标准中规定 CO2 排放限值。此外，由于高效 SCR 的使用，在 SCR 中会发生生成 N2O 的副反应[5-6]。而在环境科学研究中，特别是在全球气候变化领域，N2O 具有温室效应，是《京都议定书》规定的 6 种温室气体之一。 N2O 在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，导致臭氧层破坏，引起臭氧空洞，使人类和其它生物暴露在太阳紫外线的辐射下，对人体皮肤、眼睛、免疫系统造成损害[7]。与二氧化碳相比，N2O 虽然在大气中的含量很低，属于痕量气体，但其单分子增温潜势却是二氧化碳的 298 倍[8]。因此，建议我国下阶段重型车排放标准增加温室气体的控制要求。对于温室气体的排放(包括 CO2、CH4 和 N2O)，可以考虑分别给出限值或折算成 CO2 当量。
3.4 整车进行实际道路排放测试的世界性要求
此前，欧美日及我国的重型车排放测试均采用发动机台架测试，但为了保证重型车在实际道路运行时的排放能够得到有效控制，美国、欧洲和我国先后引入了重型整车污染物测量方法—PEMS 方法。美国 EPA 于 2007 年率先引入了 PEMS 方法，用于测量发动机安装到车上后在实际道路运行中的污染物排放测量。PEMS 测量结果需满足 NTE 排放限值要求。该项要求适用于 2007 年及其以后的发动机机型， NTE 限值见表 7。对气态污染物(重点是 NOx )排放的车载测试从 2007 年正式开始，由于重型车尾气颗粒物排放车载测量的难度大、技术要求高，对颗粒物的测试要求直到 2011 年才最终确定。
为了验证发动机确实满足循环外排放要求，型式核准时，欧Ⅵ标准要求将原机安装在车辆上，采用 PEMS 方法对整车进行实际道路的排放测试，排放限值与在用符合性限值一致。与欧Ⅴ的控制区概念相比，WNTE 和 PEMS 演示试验将保证发动机不仅在规定的瞬态和稳态试验循环时排放达标，更大的意义在于能够保证发动机在循环工况外的工况，排放都能满足要求。直到 2017 年 9 月 19 日，我国环境保护部发布的 HJ 857-2017《重型汽车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》中才增加了重型车 PEMS 测试要求，弥补了部分道路行驶工况在台架试验中不能充分体现的缺陷。
3.5 我国在国际上首次提出 OBD 远程监控要求
自我国实施重型国四及以上排放标准之后，重型柴油车 NOx 和颗粒物排放要求比国三标准更加严格，为满足标准要求，车辆必须采取后处理技术，达到 OBD 要求，且需要用户额外加注尿素来保证排放达标。但由于监管方法的不足和利益的驱使，柴油车排放失控问题严重，主要包括：重型整车 NOx 排放超标、制造商禁用 OBD 报警和限转矩功能、OBD 被篡改、用户不加尿素。为解决重型车存在的排放造假问题，方便对运行在道路上的车辆排放状况进行实时监测，国六标准在国际上首次提出了 OBD 远程监控要求，规定 OBD 系统具备发送监测信息的功能。主管部门可以通过远程终端读取车辆 OBD 的实时信息，判断车辆的实际排放状况、各项排放控制措施及 OBD 是否有效发挥作用以及排放相关故障是否及时维修等[9]。
3.6 我国汽车排放缺陷召回制度亟需完善
汽车排放缺陷召回制度是在用车排放管理的最有效手段之一，该制度以法律法规的形式被确立下来，其最终目的是为了有效控制汽车的尾气排放，使汽车的排放控制装置在正常保养和使用的情况下，在规定的使用寿命内不因失效而导致汽车排放超标。美国、欧盟和日本等国家和地区都已经确立了机动车排放缺陷召回制度，我国新修订的《大气污染防治法》第 58 条也明确提出建立机动车和非道路移动机械环境保护召回制度。目前，市场监管总局正在抓紧研究排放召回中的问题线索管理、排放缺陷调查与认定规范、召回实施监督管理、机动车排放零部件质量担保等关键问题，下一步，市场监管总局将会同生态环境部等部门加快《机动车排放召回管理规定》立法进程。——论文作者：危红媛 1 周 华 1 颜 燕 1 郭 勇 1 王 涛 2
文章名称：我国重型柴油车排放标准的发展历程
