车用压燃式发动机与燃用NG和LPG发动机欧III与欧II排放法规之间的差异研究

 

 

刘双喜  景晓军

中国汽车技术研究中心

摘要：本文对欧II和欧III排放法规的技术内容之间的差异进行了比较分析，为国内相关科研人员和企业尽快熟悉和理解其内容提供一定帮助。本文着中对欧III和欧II的试验循环、排放限值、试验规程、标定规程和燃料要求等进行了比较，发现两个标准之间存在许多不同。

关键词：发动机   欧III排放法规     差异研究

Liu Shuangxi    Jing Xiaojun

China Automotive Technology and Research Center

Abstract: The paper analyzes the differences between Euro III and Euro II Emission legislations in order to provide some useful information to the involved technicians and enterprises of China. The paper makes an emphases on comparing the technical content of the test cycles, the emission limit values, the test procedures, the calibration procedures and the reference fuels between Euro III and Euro II Emission legislations, and finds many differences existing within them.

Key words：Engine   Euro III emission legislation   Study on difference

1．  前言

目前，我国的汽车排放法规是采用欧洲体系，2000年开始等效实施欧I排放法规，2003年9月开始实施相当于欧II的排放标准^[1]，并计划2008年力争达到欧III排放标准，到2010年后争取与国际排放控制水平接轨^[2]。从我国的排放控制政策看，排放法规将日益严格且前进速度很快，对于国内汽车企业刚刚通过了欧I标准，又要马上面临欧II标准，而且目前北京和上海已经提前实施欧II排放标准。对于要满足相应的排放法规而言，除了要对汽车和发动机进行必要技术改进之外，另外也要注意相应法规的要求和特点，因此理解相应的排放法规对于国内汽车企业和研究单位都有重要的现实意义。由于欧I和欧II法规的规程相同，只是限值有所不同，因此国内基本熟悉，但对于欧III甚至是欧IV法规，大多数相关企业都不是十分熟悉，这里我们重点针对车用压燃式发动机与燃用NG和LPG发动机欧III与欧II排放法规之间的差异进行分析，为大家理解欧III排放法规提供一些帮助。这里所讨论的范围仅限于GB17691-2001和欧盟汽车排放控制指令^[3]88/77EEC（2001/27/EC），从试验循环、限值、试验规程等方面进行讨论。

2．欧II与欧III试验循环

欧II所采用的试验循环为ECE R49 13工况稳态循环见表1，其中指发动机满负荷时或最大功率时转速；中间转速指若最大扭矩转速在额定转速60％～70％时为最大扭矩转速，其他情况指指额定转速的60％；负荷百分比为发动机某转速下得到的最大扭矩的百分数。

表1 ECE R49 13工况循环

而欧III所采用的试验循环为ESC( European Steady state Cycle)、ETC( European Transient Cycle)、ELR( European Load Response test)，在欧III中，测试循环有三个，而且循环也不单单是稳态循环ESC，还增加了瞬态循环ETC，另外还增加了烟度测试循环，表2为ESC循环，ETC和ELR见图1和图2。对于传统柴油发动机，包括安装了燃料电喷系统，排气再循环和/或氧化型催化转化器的柴油机均采用ESC和ELR试验测定其排放物。对于安装了先进排气后处理装置包括NOx催化器和/或微粒捕集器的柴油机，应附加ETC试验。对于燃起发动机，气态排放物由ETC试验测定。

表2 ESC试验循环

 

 

图1 ELR 试验循环

图2 ETC试验循环

ESC和ELR循环中，A、B、C三个转速的定义如下，高转速nhi是70％额定最大净功率时转速，低转速nlo是50％额定最大净功率时转速，A、B、C三个转按下列公式计算：

A＝n_lo＋25％（n_lo－n_hi）

B＝n_lo＋50％（n_lo－n_hi）

C＝n_lo＋75％（n_lo－n_hi）

ESC中虽然也是13个工况，但工况点与ECE R49完全不同，而且各工况点的权重也完全不同，ESC注重控制发动机运行区间的中间范围的排放值，这样可以更好的控制发动机在实际使用过程中的污染物排放量。

ETC循环中的实际转速和实际扭矩的换算按如下方法计算：

实际转速＝％转速（基准转速－怠速）/100+怠速

实际扭矩＝（％扭矩×最大扭矩）/100

基准转速＝n_lo＋95％（n_lo－n_hi）

ETC循环模拟了发动机在车辆行驶工况，其对测功机的动态性能提出了较高的要求，因此应采用动态性较高的电力测功机。

3．排放限值

表3中列举了从欧I到欧IV的压燃式发动机不同阶段排放限值的比较，欧I和欧II、欧III和欧IV的试验循环和污染物种类分别相同，仅限值有所不同；虽然排放循环不同，排放限值的下降不具有直接可比性，但欧III限值确实要比欧II严格，要达到欧III排放要求必须对发动机进一步改进。在ETC试验中，THC被NMHC和CH4所代替，因此排放分析仪必须能够分析这两种排放物，测量微粒物应采用全流稀释风道。

表3 压燃式发动机不同阶段排放比较

注：污染物排放值除烟度外单位为g/(kW.h)

1）CH₄仅对NG发动机

2）发动机功率>85kW 取0.35，≤85 kW 取0.61

3）每缸排量小于0.75dm³及额定功率转速超过3000min^-1的发动机

4．试验规程

4．1ESC循环

ESC试验中除了和ECE R49试验测量13各工况点之外，此外还要在试验运行的控制区域由检验机构选定三各试验点进行NOx的测量，并将测量值与包含所选试验点的试验循环的那些工况的计算值相比较，控制点的比排放应不超过相邻试验工况内插值的10％。这三个试验点的选择是应用经批准的随即统计方法来选择。NOx控制检查保证了发动机典型运转范围内发动机排放控制的有效性。其中内差值的计算如图3所示，这些工况（R、S、T、U）的定义如下：

转速：n; 扭矩：M；   各点NOx比排放：E

所选控制点Z的NOx排放量计算如下：

E_Z=E_RS+(E_TU-E_RS)×(M_Z-M_RS)/( M_TU-M_RS)

E_TU=E_T+(E_U-E_T)×(n_Z-n_RT)/ (n_SU-n_RT)

E_RS=E_R+(E_S-E_R)×(n_Z-n_RT)/ (n_SU-n_RT)

M_TU=M_T+(M_U-M_T)×(n_Z-n_RT)/ (n_SU-n_RT)

M_RS=M_R+(M_S-M_R)×(n_Z-n_RT)/ (n_SU-n_RT)

 

图3 NOx控制点的内差

4．2ELR循环

ELR试验对于欧I和欧II来说是一个全新的试验，它包括三个不同转速的负荷由10％突然加载到100％，此外还应运行检验机构选定的第四个加载段测量烟度，并将此值与各加载段进行比较。各加载段的烟度值应采用Bessel算法进行烟度平均，应利用迭代的方法计算出合适的滤波器截止频率fc，然后计算出Bessel算法的常数E和K。随后Bessel算法应用于瞬时烟度示踪，则每个循环平均烟度值SV按下式计算：

SV＝0.43SV_A+0.56SV_B+0.01SV_C

SV_A=(Y_max1,A＋Y_max2,A＋Y_max3,A)/3

SV_B=(Y_max1,B＋Y_max2,B＋Y_max3,B)/3

SV_C=(Y_max1,C＋Y_max2,C＋Y_max3,C)/3

式中：Ymax1、Ymax2、Ymax3为三次加载段中每次的1sBessel平均烟度值中最高者。

同时，ELR试验应进行循环确认即：每个试验转速的平均烟度的相对标准偏差应低于平均值的15％，或低于限值的10％，取其较大者，若超差，应重复试验直至3次连续加载满足确认条件。

4．3ETC循环

ETC试验也是一个全新的试验，发动机的运行接近于道路行驶模式。在规定的瞬态循环时，全部排气经处理过的环境空气稀释后，检测规定的污染物。利用瞬时的发动机扭矩和转速信号对循环时间内发动机的输出功进行积分求得功率。整个循环NOx和HC的浓度应利用积分分析仪求得。CO、CO2、NMHC的浓度，可以通过积分或袋取样获得。对于微粒用适当滤纸取得按比例的样品。应测定整个循环的排气流量。在试验运行结束后要对整个试验循环数据进行有效性确认检查。

ETC试验期间对各仪器的记录频率有要求：发动机转速和扭矩记录应至少每秒至少一次；应以2次/秒的频率连续测量稀释风道内的HC和NOx，其他数值应以每秒至少一次的测量频率记录。

ETC中微粒取样要求取样流量应保持在设定值的±5％以内，对于二级稀释系统此流量为通过滤纸流量和二级稀释空气流量净差。

5．  测量和取样方法

5．1测量仪器的精度

欧III对相关的测量仪器的准确度要求与欧II有些不同，现将这些有差异的部分汇总起来，如表4：

表4 测量的准确度

5．2气态组分分析仪技术要求

欧II对气态组分分析仪要求准确度应为满量程±2.5%或更好，对于小于100ppm的浓度，测量误差不得超过±3ppm。而欧III的要求仪器总的测量误差应不超过读数的±5%或满刻度的±3.5%（取较小值），对于低于100ppm的浓度，测量误差应不超过±4ppm。同时，欧III对分析仪的重复性、噪声、漂移进行了具体的规定，用多各性能指标限制了分析仪的精度：

1）                    重复性。大于155ppm的气体，其重复性不得超过该量程的满刻度±1％，低于155ppm不得超过该量程满刻度的±2％。

2）                    噪声。对于所有量程，分析仪用零气、标定或量距气在10s期间的峰—峰相应值不超过满刻度±2％。

3）                    零点漂移。对于所使用的最低量程，1h期间的零点漂移小于满刻度的2％。

4）                    量距漂移。对于所使用的最低量程，1h期间的量距漂移小于满刻度的2％。

对于测量非甲烷碳氢化合物（NMHC）分析，可以采用气相色谱法（CG）法或采用非甲烷截止器（NMC）法。

5．3测定微粒

欧III对微粒测定技术要求更加详细，对于稀释空气，除要求温度为25℃±5℃之外，在进入稀释系统之前允许除湿，这对湿度较大的环境特别有用。如环境温度低于低于20℃时，建议将空气预热，超过温度上限30℃，但在排气引入稀释通道前稀释空气温度应不超过52℃。

微粒的取样滤纸欧III要求在迎面气流速度在35cm/s~80cm/s时，对0.3μm的DOP至少有95％的采集效率。试验开始到结束之间，滤纸的压力降的增加量不大于25kPa。

分析天平和称量室的技术要求也更加严格，称量室原欧I、欧II要求温度保持在20℃～30℃之间某一设定温度的±6K以内，相对湿度在35％～55％之间设定温度的±10％RH以内，欧III则要求其温度在22℃±3℃，湿度保持在9.5℃±3℃的露点和45％±8％的相对湿度。分析天平的精度由原2%滤纸推荐最小荷重的准确度、1％读数分辨率，改为：测定所有滤纸的天平应有精确度20μg和10μg分辨率，且对于直径小于70mm的滤纸，精密度和分辨率应分别为2μg和1μg。因此天平的精度较以前有所提高。

5．4烟度计

ELR试验为一个全新试验循环，欧III对烟度计的技术参数做了如下要求：

线性度：±2％不透光度以内；

零点漂移：1h内零点漂移不超过±1％不透光度；

烟度计显示和量程：使用不透光度显示，量程应为0％～100％，可读度为0.1％不透光度，若用光吸收系数显示，量程应为0～30m－1光吸收系数，可读度为0.01 m－1光吸收系数

仪器响应时间：物理响应时间不超过0.2s，电路的响应时间不超过0.05s；

遮光片：已知的不透光度误差应在1.0％以内，并至少每年用标准基准片检查其名义值的准确度。

6．  标定规程

6．1标定气和量距气

所用的纯气体的杂质限值欧II和欧III要求相同，但由于欧III以后新增加了甲烷与非甲烷碳氢的测量，因此标定与量距气增加了CH4和纯合成空气的混合气以及C2H6和纯合成空气的混合气。

6．2标定曲线的建立

最高标定气的标称浓度欧II要求不得小于满量程80％，而欧III要求不得低于满刻度的90％。而且欧III要求标定曲线的零点误差应不大于满刻度±1％，欧II仅要求标定各点误差不大于±2％。

同时欧III针对低于满刻度15％的标定进行了规定，这在欧II中是没有的。欧III要求在此范围至少由4个间距大致相等的标定点（不包括零点）组成。标定点与标称值的误差不大于±4％，零点不大于满刻度±1％。

在标定的核对中，欧III要求量距气的标称值为测量量程满刻度的80%以上，而不是欧II要求的接近待分析的预测值。另外要求零点和量距这两点与标称值的误差应不大于满刻度±4％，而不是以前的±5％，则可以修改调整参数，否则从新标定。

6．3气态污染物分析议的检查

欧III中除了对NOx转化效率、FID对HC的响应、氧干扰检查之外，还增加了非甲烷截止器（NMC）效率测试、CO和CO2干扰检查、NOx的分析仪的熄光检查。另外，FID对HC的响应系数与欧II要求有所差异，其要求为：

甲烷和纯合成空气    1.00≤Rf≤1.15

丙稀和纯合成空气    1.00≤Rf≤1.10

甲苯和纯合成空气    1.00≤Rf≤1.10

6．4烟度设备的标定

不透光线性度用三个中等密度滤光片的名义不透光度大约是10％、20％和40％，线性度不能偏离中等密度滤光片名义值±2％不透光度，任何超出限值的非线性必须在试验前进行校正。

7．  基准燃料的技术特性

欧III对基准燃料种类较为详细，燃料包括柴油、柴油机用乙醇、天然气（NG）和液化石油气（LPG）。这里仅对基准柴油进行讨论，其他的燃料规格请查阅88/77/EEC（2001/27/EC）的有关附件，基准柴油仅列出了几个重要参数进行比较，见表5，硫含量有大幅度的降低，从500ppm降低到300ppm，这对采用先进发动机技术来降低排放提供了较好的燃油条件，同时十六烷值要求提高，并对多环芳烃的含量进行了具体的规定。

表5 基准柴油的技术参数比较

 

另外，根据欧III的排放物限值、种类、规程等，其推荐的试验系统的组成和技术参数也有响应的调整或增加。本文仅对欧III的试验过程与欧II的差异进行了分析，没有涉及到发动机系族的排放物认证以及生产一致性内容，其详细的内容可以查阅88/77/EEC（2001/27/EC）的有关附件。同时，作者对欧III的理解难免有错误，希望广大专家、学者批评指正。

参考文献：

1.      GB17691－2001，车用压燃式发动机排气污染物排放限值及测量方法。

2.      《柴油车排放污染防治技术政策》，国家环保总局和科技部等联合批准发布2002年3月20日。

3.       European Union Council Directive 88/77/EEC(2001/27/EC).