国外现行和未来的非道路车辆用柴油机排放法规

国外现行和未来的非道路车辆用柴油机的排放法规

应用开发部 程 克 英

非道路车辆也称非道路行走式机械，随着我国经济的快速发展，非道路行走式机械的生产量和保有量迅速增长，出口量也与日俱增。环境和出口的要求，实施对非道路行走式机械排放的限制迫在眉睫，国家环境保护局已经委托济南汽车检测中心负责，重庆汽车检测中心协助制订我国《非道路行走式机械排气污染物的排放限值和测量方法》，等效采用欧盟非道路车辆排放法规也是大势所趋。因此，笔者根据最近从国家拖拉机质量监督检验中心发动机排放试验室，AVL 、RICARDO 等单位收集的欧洲、美国和日本非道路车辆排放法规有关资料整理编写了这篇文章，并附上欧洲车用柴油机第Ⅲ/Ⅳ阶段的排放法规供参考使用。 一. 欧洲非道路车辆排放法规

第一部欧洲非道路车辆排放法规发布于1998年2月27日（97/68/EC指令），该法规的细则对非道路车辆用柴油机按输出功率范围规定了第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段的排放限值和实施时间。第Ⅰ阶段在1999年开始实施，第Ⅱ阶段从2001到2004年按实施输出功率范围分步实施。

法规所覆盖的设备包括工业钻探设备、空压机组，装载机、挖掘机、叉车、路面养护机械、扫雪机、机场路面机械、汽车起重机等。农业和森林用拖拉机采用同一排放限值，但是执行时间按2000年5月22日的2000/25/EC指令，船用、铁路机车、飞机、发电机组不包括在第Ⅰ/Ⅱ阶段内。

2002年12月9日欧洲理事会采用的2002/88/EC指令，并对97/68/EC指令进行了修改，补充了对于19kW 以下小型汽油机的排放限值，指令也把第Ⅱ阶段排放法规扩大应用到恒转速发动机上。

2002年12月27日欧盟委员会发布了对非道路车辆用发动机第Ⅲ/Ⅳ阶段排放标准的建议（COM （2002）765），并且在2003年10月为欧洲理事会所修改，第Ⅲ阶段排放标准从2006年—2012年，第Ⅳ阶段排放标准从2014年开始执行。第Ⅲ/Ⅳ阶段排放标准对第Ⅰ/Ⅱ阶段所覆盖的发动机的类型做了补充，除第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段所覆盖的发动机外，还包括了铁路机车，内陆船用发动机用发动机。第Ⅲ/Ⅳ阶段排放法规仅用于新的车辆和设备，已经在用的机械仍按第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段法规，一直到发动机被代替为止。

● 欧盟第I/II阶段非道路车辆柴油机排放细则

欧盟第I/II阶段非道路车辆柴油机排放细则见表1

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第Ⅰ/Ⅱ阶段的排放不得超过表1中的数值，第Ⅰ阶段的排放限值是发动机排气口的限值，应该在任何后处理设备之前达到。

第Ⅰ/Ⅱ阶段的排放检测均采用ISO8178-4标准的C1类8工况循环，以g/kWh表示；试验用柴油的含硫量为0.1—0.2%（按重量）。

● 欧盟对第ⅢA 阶段非道路车辆柴油机排放法规的建议

2

● 欧盟对第ⅢB 阶段非道路车辆柴油机排放标准的建议

● 欧盟对第Ⅳ阶段非道路车辆柴油机排放限值的建议

欧盟对第Ⅳ阶段非道路车辆柴油机排放限值的建议见表5

第Ⅳ阶段微粒排放限值为0.020—0.025 g/kW.h， 比第Ⅱ阶段微粒排放降低了90%。为了满足这一要求，预计发动机必需安装微粒过滤器。为了满足第Ⅳ阶段NOx 排放量0.4 g/kW.h限值，发动机需要加装后排气处理器。

第ⅠⅡ和ⅢA 阶段以及恒速发动机的排放试验，采用非道路稳态循环（NRSC ）。也可第ⅢB 和Ⅳ阶段的排气污染物的检测也可以采用非道路稳态循环（NRSC ）。。

第ⅢB 和Ⅳ阶段除恒速发动机外的所有发动机微粒排放试验采用非道路瞬态循环（NRTC ），根据制造商的选择，第ⅢA 阶段发动机微粒排放的测量以及第ⅢB 和第Ⅳ阶段的排气污染物的检测也采用非道路瞬态循环（NRTC ）。

用于第Ⅲ阶段型式认证的燃油的含硫量应在1000—2000PPm 之间。对于第Ⅳ阶段微粒排放限值，要求使用含硫量为10—50PPm 的超低硫燃油，根据欧盟指令2003/17/EC，无硫柴油（含硫量10PPm ）在欧盟将于2009年上市，也可用于非道路车辆。

二. 美国非道路车辆排放法规

美国在1994年采纳了联邦第一个对新的37 kW以上非道路车辆用柴油机排放标准（Tier 1），在1996—2000年分步实施。1998年，调整了Tier 1的细则，也用于37 kW 以下非道路车辆用柴油机，并发布了2000—2008年分步采用更加严格的用于所有非道路车辆的排放标准Tier 2和Tier 3的时间表。 Tier 1-3排放标准是需要通过先进的发动机设计来达到的，而不用或仅限制使用排气后处理器（氧化催化剂）。Tier 3排放标准对于NOx+HC限值的严格程度与2004年道路车辆发动机的排放标准相似，但是，Tier 3排放标准没有采用2004年

3

道路车辆发动机微粒（PM ）的排放限值。

美国环保局（EPA ）于2004年5月11日发布了Tier 4非道路车辆排放标准，在2008—2015年分步实施（69FR38957-39273. 29.Jun..2004），Tier 4排放标准将要求PM 和NOx 排放降低大约90%。这样的排放限值只有利用先进的控制技术——包括先进的排气后处理器才能达到，这与2007—2010年道路车辆发动机的标准相似。

在Tier 1-3阶段，非道路车辆柴油机用燃油的含硫量不受环保法规的限制，使用的燃油的平均含硫量大约为0.3%（按重量）—3000 PPm。为在Tier 4阶段使用灵敏的硫控制技术——催化微粒过滤器和NOx 吸收器，EPA 对降低非道路车辆用柴油机燃油中的含硫量提出如下要求：

2007年6月对非道路车辆，铁路机车和船用柴油：≤500PPm 2010年6月对非道路车辆，2012年6月对铁路机车和船用柴油：≤15PPm （超低柴油）

● 美国EPA Tier 1-3非道路车辆用柴油机排放标准

美国EPA Tier 1-3非道路车辆用柴油机排放限值见表6，1998年非道路车辆排放标准Tier 1-3由3个阶段构成，每个阶段按发动机的标定功率分段分步实施。Tier 1标准从1996—2000年分步实施，更严格的Tier 2 标准从2001—2006年生效，Tier 3 标准仅用于37—560 kW，从2006—2008年分步实施。

表6 美国EPA Tier 1-3非道路车辆用柴油机排放限值, g/kWh (g/bhp·hr)

发动机功率 kW

Tier 2 2005

8 ≤ kW

Tier 1 2000 Tier 2 2005 Tier 1 1999 Tier 2 2004

8.0 (6.0) 6.6 (4.9) 6.6 (4.9) 5.5 (4.1) 5.5 (4.1)

- - - - -

7.5 (5.6) 9.5 (7.1) 7.5 (5.6) 9.5 (7.1) 7.5 (5.6)

- - - - -

Tier

执行时间

CO 8.0 (6.0)

HC -

NMHC+NOx 10.5 (7.8)

- NOx

PM 1.0 (0.75) 0.8 (0.6) 0.8 (0.6) 0.8 (0.6) 0.8 (0.6) 0.6 (0.45)

37 ≤ kW

Tier 2 2004 Tier 3 2008

75 ≤ kW

Tier 2 2003

5.0 (3.7)

-

6.6 (4.9)

5.0 (3.7) 5.0 (3.7) -

- - -

7.5 (5.6) 4.7 (3.5) -

Tier 1 1998

-

-

-

9.2 (6.9) - - 9.2 (6.9) -

0.3 (0.22)

Tier 3 2007

130 ≤ kW

Tier 1 1996

5.0 (3.7) 11.4 (8.5)

4

- 1.3 (1.0)

4.0 (3.0) -

- 9.2 (6.9)

-† 0.54 (0.4) 0.4 (0.3) -† - -

Tier 1 2000

表6 美国EPA Tier 1-3非道路车辆用柴油机排放限值, g/kWh (g/bhp·hr)

发动机功率 (175 ≤ hp

Tier 3 2006

225 ≤ kW

(300 ≤ hp

Tier 2 2001 Tier 1 1996

3.5 (2.6) 11.4 (8.5) 3.5 (2.6)

- 1.3 (1.0) -

6.4 (4.8) 4.0 (3.0) -

- 9.2 (6.9) -

Tier

执行时间

CO 3.5 (2.6)

HC -

NMHC+NOx 6.6 (4.9)

- NOx

PM 0.2 (0.15) -† 0.54

(0.4) 0.2 (0.15)

Tier 3 2006

450 ≤ kW

(600 ≤ hp

Tier 2 2002 Tier 1 1996

3.5 (2.6) 11.4 (8.5) 3.5 (2.6)

- 1.3 (1.0) -

6.4 (4.8) 4.0 (3.0) -

- 9.2 (6.9) -

-† 0.54 (0.4) 0.2 (0.15)

Tier 3 2006

kW ≥ 560 (hp ≥ 750)

Tier 2 2006 Tier 1 2000

3.5 (2.6) 11.4 (8.5) 3.5 (2.6)

- 1.3 (1.0) -

6.4 (4.8) 4.0 (3.0) -

- 9.2 (6.9) -

-† 0.54 (0.4) 0.2 (0.15)

† 发动机应当满足Tier 2 PM的排放限值.

Tier 2 2003

Tier 1-3排放标准非道路发动机排放的测量采用非道路稳态循环（NRSC ），即ISO8178-4标准的C1类8工况循环。

Tier 1-3阶段，排放检测用柴油的含硫量应≤0.2%（2000PPm ）。

● Tier 4非道路车辆排放标准

表7的Tier 4排放限值是用于560 kW以下的发动机，在2008—2015年分步实施，表8的Tier 4排放限值仅用于560 kW以上的发动机。这些标准主要是降低NOx （对56 kW 以上的发动机）和PM （对19 kW以上的发动机），HC 也有更加严格的限值，而CO 排放限值仍然保持在Tier 2-3的水平。美国EPA Tier 4 排放限值（发动机功率≤560 kW）见表7，美国EPA Tier 4 排放限值（发动机≥560 kW）见表8

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19 ≤ kW

2008 5.5 (4.1)

- 7.5 (5.6) - 0.3 (0.22)

2013 5.5 (4.1)

- 4.7 (3.5) - 0.03 (0.022)

37 ≤ kW

2008 5.0 (3.7)

- 4.7 (3.5) - 0.3b (0.22)

2013 5.0 (3.7)

- 4.7 (3.5) - 0.03 (0.022)

56 ≤ kW

2012-2014c 5.0

(3.7)

2011-2014d 3.5

(2.6)

0.19 (0.14) 0.19 (0.14)

- 0.40 (0.30)

0.02 (0.015) 0.02 (0.015)

- 0.40 (0.30)

表8 Tier 4排放标准发动机排放标准（发动机功率＞560 kW）

g/kWh (g/bhp-hr)

Year

Category

CO 3.5 (2.6)

除发电机组外所有发动机 > 900 3.5 kW

2015

发电机组

(2.6) 3.5 (2.6)

除发电机组外所有发动机

3.5 (2.6)

NMHC 0.40 (0.30) 0.40 (0.30) 0.19 (0.14) 0.19 (0.14)

0.67 (0.50) 3.5 (2.6)

0.03 (0.022) 0.04 (0.03)

NO x 0.67 (0.50) 3.5 (2.6)

0.10 (0.07)

PM 0.10 (0.07)

2011-2014 发电机组 > 900 kW

Tier 4排放标准同时适用于非道路稳态循环（NRSC ）和非道路瞬态循环（NRTC ）。 Tier 4排放标准并不要求非道路车辆关闭曲轴箱，但是所测的曲轴箱的排放污染物应当加在排气污染物中。

从2011年，Tier 4非道路发动机排放试验将使用含硫量为7—15PPm 的柴油。

三. 日本非道路车辆排放法规

日本的非道路车辆为分两类，一类是19—560kW 的特种车辆，包括农业用拖拉机、叉车、轮式装载机等，属日本政府交通部（MOT ）管辖；另一类是工程机械，包括履带式挖掘机和装载机、混凝土喷奖机、钻探设备、消防车、搅拌车、发电机组、空压机组、汽车起重机等，属日本政府建设部（MOC ）管辖。 ● 日本特种车辆的排放限值

用于19—560kW 特种车辆的第一部排放标准（见表9）是2003年10月开始生效的。2003年7月日本政府环保部建议同意第二阶段特种车辆的排放限值。这些标准虽然和美国的Tier 3（2006-2008）和欧盟ⅢA 阶段（2005-2007标准）很相似，但与美国和欧盟排放标准的细则不同，

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排放检测试验按ISO8178-4标准的C1类8工况循环，烟度测量按JCMAS T-004。

● 日本工程机械车辆的排放标准

用工程机械车辆的排放标准见表10，MOC 第2阶段排放标准与表9中MOT 的第1阶段排放标准是一致的。

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四. 测量排放试验循环

鉴于非道路车辆的产品种类和工作范围的广泛性以及测试设备的局限性，美国、欧盟、日本的排放标准都以发动机台架试验方法来检测排气污染物和可见污染物（烟度）；同时，为由于避免标准不统一而造成的重复认证和国际贸易的困难，美国、欧盟、日本非道路车辆用发动机的排放标准试验方法均采用ISO8178标准的试验循环，只是排放限值和执行时间不同。美国、欧盟、日本等国制订排放标准的权威人士在一起正在为统一全世界的排放标准而努力工作，以方便发动机制造商的发动机研制开发和排放的检测。欧盟第Ⅰ/Ⅱ阶段的排放限值部分地与美国的排放标准一致，建议的第Ⅲ/Ⅳ阶段的排放限值与美国的Tier3/ 4排放标准一致。

ISO8178标准是为各种不同的非道路车辆用发动机设计的国际标准，广泛应用于很多国家的发动机排放检测和型式认证，包括美国、欧盟、日本。ISO8178标准是一个系列标准，ISO8178-1对于小型发动机规定了试验台的测试方法，ISO8178-2对于不能在试验台测试的大型发动机规定了现场的测试方法，ISO8178-4定义了各种不同用途发动机的测试试验循环，所有试验循环都是在基础试验循环（B 型）11工况的基础上，对不同的工况点进行取舍，采用不同的加权而形成的。

ISO8178有为各种不同用途的发动机设计的稳态试验循环（C1、C2、D 等等）不同试验循环有不同的试验工况和加权系数。对于柴油机驱动的非道路车辆和设备，美国、欧盟、日本排放检测均采用ISO8178-4标准的C1类8工况循环。

对于B 型（11工况）试验循环的各类循环和加权系数列于表11，用于道路车辆柴油机的A 型（13工况）试验循环也属于该标准，但未在表11中列出。

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转速, % 加权系数

100 0.2

91 0.5 2 80 71.6 0.14 2 75 91 0.13

80

0.15 3 60 46.5 0.15 3 50 80 0.17

63 0.15 4 40 25.3 0.25 4 25 63 0.32

5 0 Idle 0.4 5 0 Idle 0.3

Type E4, Mode # 1 功率

r, %

转速

, % 加权系数

100 100 0.06

Type E5, Mode # 1 功率, % 转速, % 加权系数

100 100 0.08

● ISO8178-4标准的C1类8工况循环的加权系数图见图1。

图1 ISO8178-C1类8工况循环加权系数

附件：欧盟现行和未来的汽车排放法规；

根据欧盟理事会汽车排放控制指令88/77/EEC（2001/27/EC），本指令适用于装用压燃式发动机车辆的气态和微粒污染物，装用以天然气或LPG 作为燃料的点燃式发动机车辆的气态污染物，不适用于根据欧盟委员会最新98/77/EC指令修订的87/220/EEC指令批准了型式认证的N 1、N 2和M 2类车辆。

表12 欧洲车用柴油机第Ⅲ/Ⅳ号排放限值（ESC 和ELR 试验）

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对于柴油机需要进行ETC 附加试验，对于燃气发动机则是特定的。其CO 、NMHC 、

注：ESC ——欧洲稳态循环

ELR ——欧洲负荷响应循环 ETC ——欧洲瞬态循环

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