隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車的生產(chǎn)量和保有量急劇增加,燃油汽車的有害氣體排放嚴(yán)重地危害著人類的健康。據(jù)研究,目前大氣中38.5%的一氧化碳(CO)、21.7%的碳?xì)浠衔?HC)、87.6%的氮氧化物(NOx)、6.2%的二氧化硫(SO2)、32%的微粒物(PM)均來(lái)自汽車廢氣排放,這些氣體均對(duì)人體有毒害。而城市大氣中,61%的CO、87%的HC、55%的NOx均來(lái)自汽車廢氣排放。因此解決汽車排放對(duì)人類的危害,已成為世界各國(guó)汽車業(yè)多年來(lái)研究的最重要課題之一。
正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊?guó)制定了限值不一的排放法規(guī)。可以不夸張地說(shuō),正是排放法規(guī)的日益嚴(yán)格,促進(jìn)了世界汽車技術(shù)、尤其是柴油機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。美、日、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),在汽車排放控制技術(shù)的研究與應(yīng)用方面,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我國(guó)的前列。如歐盟國(guó)家,早在2000年對(duì)柴油車就實(shí)行了歐Ⅲ標(biāo)準(zhǔn),相當(dāng)于中國(guó)現(xiàn)在實(shí)行的排放標(biāo)準(zhǔn),而歐洲2008年實(shí)行的歐Ⅴ號(hào)標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)則要等到2013年才有可能實(shí)施。美國(guó)由于汽油價(jià)格便宜,目前轎車大多還是采用汽油機(jī),但這并不意味著美國(guó)在柴油機(jī)技術(shù)開發(fā)上不愿意花力氣。事實(shí)上,與很多人的想象不一樣,美國(guó)的排放標(biāo)準(zhǔn)比同年代的歐洲標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格得多。美國(guó)今年開始實(shí)施的US EPA10超低排放標(biāo)準(zhǔn),其排放限值約為2002年的1/9,是上世紀(jì)70年代的1/100。說(shuō)得更通俗些,這意味著超低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)必須要達(dá)到這樣的要求,即排出的尾氣比吸進(jìn)的空氣還要干凈。
1 美國(guó)中重型商用車排放法規(guī)演變
美國(guó)重型車定義為車總重(GVW)大于8500 lb(3855.5kg)。1995年以后,美國(guó)加利福尼亞州將重型車定義為車總重(GVW)大于14000 lb(6350.3kg)。用于重型車的發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)GVW進(jìn)一步劃分為:
(1)輕載重型柴油機(jī)LHDDE:8500 lb(3855.5kg)
(2)中載重型柴油機(jī)MHDDE:19500 lb(8845.0kg)≤MHDDE≤33000 lb(14968.4kg);
(3)重載重型柴油機(jī)HHDDE(包括城市客車):HHDDE>33000 lb(14968.4kg)。
1.1 1988-2003年美國(guó)中重型商用車排放標(biāo)準(zhǔn)
1988-2003年美國(guó)環(huán)保署(EPA)和1987-2003年美國(guó)加利福尼亞州空氣資源委員會(huì) (ARB)的重型柴油卡車和客車排放標(biāo)準(zhǔn)分別如表1,表2。1994年以后,美國(guó)燃料油中的硫含量降低到500ppm(wt)。
表1: 美國(guó)環(huán)保署(EPA)的重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(單位:g/bhp•hr)
年 |
HC |
CO |
NOx |
PM |
重型柴油卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)Heavy-Duty Diesel Truck Engines |
||||
1988 |
1.3 |
15.5 |
10.7 |
0.6 |
1990 |
1.3 |
15.5 |
6 |
0.6 |
1991 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.25 |
1994 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.1 |
1998 |
1.3 |
15.5 |
4 |
0.1 |
城市客車用發(fā)動(dòng)機(jī)Urban Bus Engines |
||||
1991 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.25 |
1993 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.1 |
1994 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.07 |
1996 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.05* |
1998 |
1.3 |
15.5 |
4 |
0.05* |
注: *對(duì)應(yīng)在用車PM標(biāo)準(zhǔn)為0.07
表2: 美國(guó)加利福尼亞的重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(單位:g/bhp•hr)
年 |
NMHC |
THC |
CO |
NOx |
PM |
重型柴油卡車用發(fā)動(dòng)機(jī)Heavy-Duty Diesel Truck Engines |
|||||
1987 |
- |
1.3 |
15.5 |
6 |
0.6 |
1991 |
1.2 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.25 |
1994 |
1.2 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.1 |
城市客車用發(fā)動(dòng)機(jī)Urban Bus Engines |
|||||
1991 |
1.2 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.1 |
1994 |
1.2 |
1.3 |
15.5 |
5 |
0.07 |
1996 |
1.2 |
1.3 |
15.5 |
4 |
0.05 |
補(bǔ)充法令規(guī)定:
排放法規(guī)還要求發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備如下質(zhì)量保證期(美國(guó)和加利福尼亞):
(1)LHDDE—8年/110000mi(177027km)(以先到為準(zhǔn),下同);
(2)MHDDE—8年185000mi(297728km);
(3)HHDDE—8年/290000mi(466709km)。
由于1994年開始城市客車PM排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán),1998年開始NOx標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán),有效壽命提高到10年,有效行駛里程保持不變。
排放保證期為5年/100,000mi(1609345km);加利福尼亞為5年/100,000mi(1609345km)/3000小時(shí),但是不低于該發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械部分質(zhì)量保證期。
1.2 2004年及以后排放法規(guī)
在1997年10月,EPA制定了新的重型柴油卡車和客車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn),并定于2004年及以后實(shí)施。這一標(biāo)準(zhǔn)反映了EPA、加利福尼亞ARB和重型發(fā)動(dòng)機(jī)制造商于1995年簽署的聯(lián)合協(xié)議的內(nèi)容。協(xié)議的目的是從2004年開始,將公路用重型柴油機(jī)的氮氧化物(NOx)排放降低到2.0g/bhp•h。發(fā)動(dòng)機(jī)制造商可以以兩種方式來(lái)認(rèn)證其發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品,如表3所示。
除了NMHC和NOx外,所有其他排放限值繼續(xù)執(zhí)行1998年及其以后的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。EPA重新修訂了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量保證期指標(biāo),明顯提高了發(fā)動(dòng)機(jī)有效壽命標(biāo)準(zhǔn),如下:
(1) LHDDE—110000mi(177027km)/10年;
(2) MHDDE—185000mi(297728km)/10年;
(3) HHDDE—435000mi(700063)km/10年/22,000小時(shí);
(4) 排放保證期繼續(xù)維持在5年/100,000mi(1609345km)。
表3: 美國(guó)EPA 2004年及以后重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(單位:g/bhp•hr)
方式 |
NMHC+NOx |
NMHC |
1 |
2.4 |
n/a |
2 |
2.5 |
0.5 |
美國(guó)聯(lián)邦的2004排放標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)加利福尼亞標(biāo)準(zhǔn)一致,目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)制造商在兩個(gè)市場(chǎng)上應(yīng)用同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。但是,對(duì)于2005-2007年的發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證,加利福尼亞當(dāng)局要求達(dá)到SET測(cè)試和1.25×FTP的NTE限值標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),加利福尼亞對(duì)2004-2006年度的市內(nèi)公共交通用客車采用更嚴(yán)格的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
補(bǔ)充法令規(guī)定:
在1998年,美國(guó)環(huán)保署、法院、加利福尼亞ARB和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商(卡特彼勒、康明斯、底特律柴油機(jī)、沃爾沃、麥克貨車/雷諾和航星國(guó)際公司(Navistar International Corporation))之間達(dá)成一個(gè)協(xié)議,協(xié)議內(nèi)容是有關(guān)重型柴油機(jī)在一定工作狀態(tài)下產(chǎn)生高氮氧化物(NOx)的問題。從上世紀(jì)90年代初期,發(fā)動(dòng)機(jī)制造商采用一種發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件,當(dāng)汽車在公路上穩(wěn)定勻速行駛時(shí),這種軟件使得發(fā)動(dòng)機(jī)處于一種燃效更高(但是NOx排放也更高)的工作狀態(tài)。EPA認(rèn)為這種發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略是一種非法的“排放欺騙裝置”。
補(bǔ)充法令規(guī)定包括如下內(nèi)容:
(1)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商進(jìn)行民事處罰并要求為污染研究提供資金;(2)需要升級(jí)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)降低NOx污染;(3)追加排放測(cè)試(穩(wěn)態(tài)),符合FTP限值和1.25×FTP的NTE限值(Navistar除外);(4)到2002年10月需滿足2004排放標(biāo)準(zhǔn)(提前15個(gè)月)。
1.3 2007年及以后排放法規(guī)
2000年11月21日,美國(guó)環(huán)保署出臺(tái)了2007年及以后的美國(guó)重型柴油機(jī)排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)(加利福尼亞ARB實(shí)際上從2001年10月開始已經(jīng)實(shí)行與2007年美國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn))。這一法規(guī)包括兩部分:排放標(biāo)準(zhǔn)和柴油燃料規(guī)定。
(1)排放標(biāo)準(zhǔn)
這一部分包括新的、更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)限值,如表4所示:
表4: 美國(guó)環(huán)保署EPA 2007年及以后重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)(單位:g/bhp•hr)
PM |
NOx |
NMHC |
0.01 |
0.2 |
0.14 |
注:表中顆粒排放標(biāo)準(zhǔn)從2007年開始全部生效。柴油機(jī)的氮氧化物(NOx)和非甲烷烴(NMHC)排放標(biāo)準(zhǔn)將在2007年到2010年期間分階段實(shí)施,分段實(shí)施將根據(jù)銷量的百分比:從2007年的50%達(dá)標(biāo)到2010年的100%達(dá)標(biāo)。在2010年以前,極少的發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到氮氧化物排放低于0.20g/bhp-hr的標(biāo)準(zhǔn)。2007年開始,大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商傾向于滿足“族排放限值”(所謂“族排放限值”——即按銷量計(jì)算50%用原標(biāo)準(zhǔn)2.5,另50%用新標(biāo)準(zhǔn)0.2,那么平均限值為1.35;所以EPA規(guī)定“族排放限值”為1.2~1.5),即大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商按1.2--1.5g/bhp-hr的NOx族排放限值標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證其發(fā)動(dòng)機(jī),只有少數(shù)制造商仍然按老標(biāo)準(zhǔn)NOx+NMHC排放限值2.5g/bhp-hr來(lái)認(rèn)證其發(fā)動(dòng)機(jī)。
除了瞬態(tài)FTP測(cè)試,排放認(rèn)證還包括:
a)SET測(cè)試:其限值等于FTP標(biāo)準(zhǔn);
b)NTE測(cè)試:對(duì)于NOx“族排放限值(FEL)”低于1.5g/bhp-hr水平的發(fā)動(dòng)機(jī),其限值為1.5倍FTP標(biāo)準(zhǔn);或者對(duì)于NOx“族排放限值(FEL)”高于1.5g/bhp-hr水平的發(fā)動(dòng)機(jī),其限值為1.25倍FTP標(biāo)準(zhǔn)。
從2007年開始生效的這項(xiàng)法規(guī)仍然維持了原來(lái)曲軸箱污染物排放的規(guī)定,渦輪增壓柴油機(jī)沒有曲軸箱污染物排放限值,但是,在全部的測(cè)試過(guò)程中,如果曲軸箱有污染物排放到大氣中,這些污染物將被計(jì)入到發(fā)動(dòng)機(jī)排放值之中。在這種情況下,曲軸箱排放物的影響也成為發(fā)動(dòng)機(jī)排放達(dá)標(biāo)的一個(gè)因素。
(2)柴油燃料規(guī)定
柴油燃料的法規(guī)限制燃料中的硫含量,公路行駛車輛用油的硫含量從以前的500ppm降低到15ppm(wt.)。煉油廠被要求從2006年6月1日開始生產(chǎn)硫含量的為15ppm的燃料。最后,到2006年7月15日,煉油廠所銷售的公路車用低硫柴油硫含量必須低于15ppm。對(duì)于柴油零售商和批發(fā)商,公路車用低硫柴油必須從2006年9月1日開始硫含量必須低于15ppm。煉油廠也可以選擇一個(gè)臨時(shí)措施,他們可以在2009年12月31日以前繼續(xù)生產(chǎn)硫含量500ppm的柴油,但其產(chǎn)量必須不高于總產(chǎn)量的20%。
超低硫柴油燃料已經(jīng)被引入市場(chǎng)來(lái)為高科技尾氣處理裝置鋪平道路,原來(lái)一些不兼容硫的排放處理技術(shù),如柴油顆粒過(guò)濾器DPF和NOx催化轉(zhuǎn)換器(NOx catalysts),因?yàn)槌土虿裼腿剂系囊耄瑯I(yè)已成為柴油機(jī)滿足2007排放法規(guī)所必需的裝置。
1.4 2010年及以后排放法規(guī)
美國(guó)環(huán)保署在出臺(tái)了EPA2007重型柴油機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)后,緊接著就發(fā)布并出臺(tái)了EPA2010標(biāo)準(zhǔn),兩者基于同一個(gè)框架,所以,除了NOx排放限值正式實(shí)施0.2 g/bhp•hr(0.27 g/kWh),而停止采用族排放限值1.2~1.5 g/bhp•hr(1.61~2.01 g/kWh)標(biāo)準(zhǔn)外,其余的指標(biāo)與測(cè)試條件與EPA2007完全一樣。EPA2010標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行時(shí)間是從2010年1月1日正式開始。
(末完待續(xù))
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