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北京第六阶段机动车排放标准引入美标

2014-07-08 19:18 来源:转载网络

北京市2013~2017年清洁空气行动计划中,明确提出要力争在2016年实施第六阶段机动车排放标准。目前国家还没有制定发布第六阶段机动车排放标准,因此在第六阶段我们准备建立制定五项标准、两项油品标准、一项轻型汽车排放控制标准、两项重型车排放控制标准;此外,还将修订两项重型发动机和机动车标准。

李昆生释疑第六阶段排放标准

以往遵循的欧洲排放标准有局限性

过去的15年里,在新车的排放控制标准方面我们基本上一直选择欧洲标准。最根本的原因是,中国在最初实施排放法规的时候,还不具备独立制定法规的技术支持能力。经过15年的实践,欧洲标准对遏制北京市的机动车排放污染发挥了重要作用,提前实施更为严格的排放控制标准有利于空气质量的改善。以北京市实施第五阶段机动车排放标准为例,从2013年初开始算起,每年新增和更新50多万辆轿车,到2018年全国实施国五标准时,北京市将近一半近300万辆机动车已经是国五水平的车了,以每辆车比国四总体上减排40%来看,作用不言而喻。同时我们也发现欧洲标准已经不能完全适应北京市和我国的实际气候状态和道路条件,标准本身也存在缺陷。在3.5吨以下轻型车方面不适合的主要有以下几方面:

第一,欧Ⅵ汽油车排放限值与欧Ⅴ要求基本相同,不能满足北京市不断加严排放限值的要求。

第二,欧洲标准的基础工况俗称“15工况”,由市区低速工况和城郊高速工况组成,按照行驶里程计算权重的市区工况约占37%,市郊工况约占63%,平均车速是33.6千米/小时。而北京市的市区工况约占70%,市郊工况约占30%,平均车速只有26千米/小时左右,因此车辆实际运行工况与欧洲工况差异较大。实车测试表明,满足国四排放标准的车辆,在北京实际行驶中的排放高于法规中规定的排放限值。

第三,欧洲主要国家的纬度高于北京市的纬度,也高于中国大部分地区的纬度,纬度越低车辆的油气蒸发排放相对越高。仅以北京市为例,每年静置时或行驶中没有被控制的VOC(挥发性有机化合物)排放就有2万多吨(平均每车每年约40千克,在中国南方城市会更多)。VOC是产生PM2.5和光化学污染的最重要前提物,况且我国汽油中的烯烃和芳烃含量远高于欧洲和美国,引入美国对这部分VOC控制的方法ORVR势在必行。据了解,纬度较低的欧洲也在考虑引入美国的ORVR标准和控制技术。我们从欧洲和美国排放标准的对比中,不难发现,欧洲标准多年以来也一直在借鉴美国标准,更准确地说是加州标准。

第四,由于欧洲标准从欧Ⅰ起就对轻型柴油车网开一面,直到欧Ⅴ时NOx的排放限值始终是同标准汽油车的三倍多。其中关键的原因是欧洲的燃油价格高,因此将燃油经济性置于最重要的位置,允许更加省油,但NOx限值比汽油车高的柴油车在市场上存在。相反,在油价相对较低的美国,排放法规实施“燃油中性”,从2004年起轻型汽油车和柴油车执行同一标准限值,即轻型柴油车要同时配置DPF(微粒捕集器)和SCR(选择性催化还原)才能达标,相当于至少欧Ⅵ的要求。这不但使得轻型柴油车的价格远高于汽油车,也使得轻型柴油车在美国的市场份额极小。

在欧Ⅳ之前柴油机的PM排放远高于汽油机,由于直喷汽油机的出现,在欧Ⅴ时汽油车和柴油车的PM限值才开始统一。虽然我国一直采用欧洲法规,但早已认识到轻型柴油车比汽油车更严重的排放问题,这也是北京市自从2002年实施国二标准以来不允许发展轻型柴油车的原因之一。欧Ⅵ只是对柴油车的NOx限值进一步加严并向汽油车靠拢,还差33%,对汽油机没有加严,仍是欧Ⅴ限值,只是在软硬件方面进一步强化监管功能。

据了解,目前欧洲大城市空气质量不达标的主要原因,是来自包括柴油轿车在内的柴油车排放污染。专家们发现柴油车排放的NOx和PM很高,而且在实际运行时更是远超过标准限值,标准设置的放松仅是表面现象,更深层次的原因是由于其排放特性,决定了其控制技术相对汽油车更加复杂、后期维护较难而且成本较高,如DPF要定期清理,SCR要定期添加尿素溶液等,这就决定了理论上可以达标,实际上很难做到达标。因此欧盟和欧洲许多大城市都在反思,当初和现在放松排放标准而大力发展轻型柴油车是否是正确明智的选择。

第六阶段机动车排放标准初步设想

1、轻型车排放标准

在第六阶段轻型车排放标准方面,我们的目标是在国五的基础上单车减排30~50%,总体水平与世界先进水平相当。标准的总体框架结构、认证和管理方法均继续采用现有模式,初步设想是分两步实施。

第一步力争于2016年前后实施,Ⅰ型常温冷启动试验:采用美国加州FTP75循环(同时积极制定北京或中国典型的城市工况),执行ULEV50限值和欧Ⅵ标准PN限值;Ⅱ型怠速、Ⅲ型曲轴箱试验不变;Ⅳ型蒸发试验:要求ORVR,且执行美国加州两天和三天蒸发试验要求;Ⅴ型耐久性试验:实车试验16万公里,剩余距离采用拟合方法延伸至24万公里排放达标。Ⅵ型低温试验:采用美国加州标准要求,测试CO和HC;针对有些整车厂在实际销售车辆上配装的催化转化器的催化剂中,贵金属含量远低于申报时的现象,进一步严格贵金属含量测量,检测催化转化器载体体积、贵金属总含量和贵金属比例。增加CO2(二氧化碳)排放要求,在Ⅰ型试验中测量CO2质量排放。此外,简化加州OBD2的部分要求,但至少严于欧洲EOBD,增加蒸发的监控功能。

第二步于2020年前后实施,进一步加严排放限值,常温冷启动试验限值加严到SULEV20或30,并增加中国城市或北京典型工况或WLTC工况下的限值要求。根据研究结果,决定是否采用运行损失的蒸发试验测试要求。轻型柴油车是否执行同样上述内容的相关部分还需进一步论证。

2、重型车排放标准

在总重量3.5吨以上重型车方面,由于北京周边油品质量问题,我们在2013年7月之前,只在公交、环卫车上实施了国四、国五标准,其他车辆2005年12月之后一直都在实施国三标准。通过15年的经验总结,发现新车上牌照注册时,在环保前置审查可以保证环保相关配置齐全的情况下,整车排放仍然有可能很高,即超过发动机通过认证时的排放,这是由于整车厂或是发动机厂应用户的需求采用节油模式电控程序而不顾排放控制的要求。这一问题是重型车排放监控的短板,环保部门不易监控,也是欧洲标准的缺陷,今后我们势必在这方面将加强执法力度。

国四、国五标准对选择SCR技术路线的车辆,在中国大城市行驶速度低,排气温度经常低于200度,SCR系统不工作因而造成NOX排放严重超标,而中国的商用车企业由于油品的原因和SCR技术路线相对的节油作用,绝大多数都选择了这种技术路线。对于这两个问题,在第五阶段时我们就开始尝试根据实际情况,对国家标准实际上是欧洲标准进行修订和补充,制定发布了两项地方标准,《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(台架工况法)》(DB11/964-2013)和《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法(车载法)》(DB11/965-2013),后一问题得到了较好的解决,而对前一个问题,使用车载法PEMS方法以来的一年多里,发现其稳定性、重复性较差,而且测试时间长不便于监督执法检测。

第六阶段重型车排放核心标准是欧Ⅵ发动机排放标准,但针对现有标准的漏洞和执法难的情况,准备引入基于整车转鼓的新车排放检测标准与方法,为防止作弊和减轻企业、排放检测单位和监管部门的负担,重型车整车排放检测与整车能耗检测在型式核准试验时同时进行,这有助于政府的执法监管。另外,创新性地增加OBD3技术要求,即拟将NOx排放、发动机转速和负荷等信息定期发送监管部门。

 欧美排放标准是“殊途同归”

当我们准备借鉴美国加州实施更为严格的机动车排放标准时,有人担心会形成新的技术壁垒和进口美国关键零部件的问题。笔者认为,由于我们是追赶者,无论是轻型车还是重型车,所有的技术路线和相应零部件都是公开的和现成的,而且无论欧洲标准还是美国标准,只是工况、限值和管理方法有所不同,但是它们对应的技术路线却是基本一致的,因此不存在新的技术壁垒和进口美国关键零部件的问题。

排放法规是推动汽车技术进步极其重要的手段,因此,制定排放法规一个重要的准则,便是引导甚至强制最好的排放控制技术,尽管排放法规本身也许没有明确强制特定的排放控制技术。

从欧Ⅵ和美国2010重型发动机排放法规不难看出,排放技术在“殊途同归”。达到欧Ⅵ和美国2010重型发动机排放法规,必须选择目前降低颗粒物排放最好的技术,即微粒捕集器(DPF);同时,采取降低NOx排放最好的手段,即选择性催化还原(SCR)。当然,满足未来燃油消耗法规,也为了产品在市场更有竞争力,先进的发动机技术,比如高压共轨燃油系统、复合涡轮增压等,已经非常普及。稍微不同的是欧Ⅵ的NOx限值较美国2010高,因此欧Ⅵ可以通过提高SCR控制精度从而大大降低EGR率,甚至可能完全没有EGR。相反,美国2010的NOx限值低,完全没有EGR在目前的技术上有难度。由于重型柴油机的主要排放物是NOx和颗粒物,因此,不难预见,北京市和中国未来的排放法规,无论排放限值是多少,采取什么样的工况,将毫无疑问地强制最好的排放控制技术,即同时采用DPF和SCR。

再来比较欧Ⅳ、欧Ⅴ和美国2007重型发动机排放标准。欧Ⅳ和欧Ⅴ,由于颗粒物限值比较高,因此在采用了先进的发动机技术之后,用SCR技术可以满足NOx和颗粒物的限值。这个技术路线有较好的燃油经济性,这与欧洲燃油价格高,追求节油效果的思路是一脉相承的。当然,欧Ⅳ、欧Ⅴ的发动机,为了满足欧Ⅵ,需要在发动机设计上做比较多的改动。相反,美国2007法规的颗粒物限值非常低,DPF是满足法规的惟一途径。该技术路线需要用比较高的EGR率达到机内净化NOx的目的。这个技术路线,在满足美国2010法规时,发动机本身的改动不多(当然需要降低EGR率以改善燃油经济性),增加SCR以满足非常苛刻的NOx限值要求。美国2007法规首先解决PM的问题,其中重要原因是,在排放法规最严格的加州,PM排放是首要的控制目标,这和加州多年来对所有柴油发动机做强制在用车PM控制技术改造是一致的。其实,在欧洲的欧Ⅳ、欧Ⅴ阶段,也有采取EGR和DPF技术满足法规要求的。从满足排放法规的历史看,所谓的技术路线,并非是绝对的,这恰恰体现了技术的多元性和创造性。

再以轻型汽车欧Ⅳ、欧Ⅴ、欧Ⅵ和相应美国标准为例。汽油车基本上都是在多气门汽油发动机+综合控制的发动机管理系统+紧凑耦合型三效催化转化器/前置双催化转化器+车载诊断系统+废气再循环基础上,进一步优化汽车空燃比控制+优化三效催化转化器配方+增加贵金属含量来达到相应标准的;轻型柴油车在欧Ⅳ、欧Ⅴ时要加DPF,在欧Ⅵ和美国Tier2 Bin5阶段也基本上需要EGR+DPF和降低NOx的催化剂(SCR或者LNT)同时上车配置才能满足标准。

在排放控制的主体技术上,欧洲和美国基本上趋同。当然,有两个重要的差异,需要引起我们的关注。

1、汽油车蒸发排放控制,美国比欧洲严格得多。深究这种差异,无非有两个主要原因。首先,从地理位置看,欧洲的纬度比美国高,也就是说美国比欧洲总体上热。我们知道,蒸发排放随温度上升而增加,因此如果不严格控制,美国的蒸发排放将比欧洲高。这就是美国采取严格的ORVR主要原因。其次,欧洲大概有60%左右的轻型车为柴油车,而美国98%以上的轻型车为汽油车。由于蒸发排放主要来源于汽油车,因此美国严格控制蒸发排放就不足为奇了。再看中国,地理位置基本上和美国相当,因此采取ORVR技术严格控制蒸发排放,将是我们治理雾霾的必然选择。

2、欧洲在欧Ⅴ第二阶段之后有颗粒物数量(PN)的限值,这个限值在2017年下降为每公里6X1011,而美国到了第三阶段(加州LEV III,美国Tier 3)依然没有PN限值。因此许多人认为,欧洲的法规比美国严格。欧美的法规专家认为,欧洲在制定重型发动机欧Ⅳ、欧Ⅴ标准时,有些失算。本来以为ETC工况下0.03g/kW-hr将强制DPF,但是由于主机厂普遍采用了高压共轨技术,发动机的PM大大降低,因此用SCR可以满足欧Ⅳ和欧Ⅴ,这就有违于强制DPF的初衷。增加PN限值,将毫无疑问地强制DPF,而且直喷汽油车为了达到PN限值要求,将很可能采用GPF技术。至于美国Tier 3,虽然没有PN限值,但是1mg/英里的PM限值,极有可能强制直喷汽油车使用GPF。因此从最严格的轻型车排放法规角度看,也同样可以得出结论,尽管有差异,欧洲和美国也可以说殊途同归。它们的另一个共同特点是利用排放法规强制最好的排放控制技术,在达到治理空气污染目标的同时,推动技术进步。

(作者系北京市环保局机动车排放管理处处长)

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