我國重型柴油車排放標準的發展歷程*

危紅媛 周 華 顏 燕 郭 勇 王 濤

（1-中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300 2-北京市機動車排放管理中心）

引言

隨著我國經濟的穩定發展和人民生活水平的提高，我國汽車銷量每年保持穩定增速，汽車保有量不斷攀升。汽車尾氣排放總量增大，由此帶來的汽車尾氣污染問題日益突出。空氣質量監測顯示，重污染天氣中城區硝酸鹽增長速度明顯高于其它組分，證明機動車排放對PM2.5 濃度有明顯貢獻。汽車排放標準的實施有效遏制了汽車污染物排放總量不斷上升的勢頭，為改善我國的大氣環境質量起到了重要作用[1]。從2000 年我國實施汽車國一排放標準開始，逐步經歷了國一至國六排放標準的實施。重點區域、珠三角地區、成渝地區及所有燃氣車輛均已于2019 年7 月1 日實施重型車國六排放標準。重型車國六排放標準是我國汽車排放標準發展史上的一個重要節點，標準中規定的環保信息公開的要求意味著我國汽車污染防治工作的主戰場轉向了在用車的排放達標管理。經過二十年的發展，我國重型柴油車排放標準目前已處于世界先進水平。

本文回顧了我國重型柴油車新車和在用車排放標準的發展歷程，并對重型柴油新車排放標準主要內容的發展及其與國外標準開展了對比分析，旨在全面梳理我國重型柴油車排放標準的同時，認識到我國排放標準與國外標準的優勢與不足，進而持續完善我國下階段排放標準。

1 我國重型柴油車排放標準的發展歷程

1.1 新車排放標準

我國重型柴油新車排放標準一開始僅對煙度排放進行控制，發展到第五階段又增加了天然氣發動機CH4排放的限制，測試循環從R49 工況更改為ESC、ETC 和ELR 工況。1999 年，我國發布了GB 3847-1999《壓燃式發動機和裝用壓燃式發動機的車輛排氣可見污染物限值及測量方法》，該標準適用于新車型式認證試驗和產品一致性檢查試驗，對壓燃式發動機的全負荷煙度及裝用壓燃式發動機汽車的自由加速煙度進行了限制。從2001 年9 月1 日開始，我國對重型柴油車實施GB 17691-2001《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》標準的第一階段，2004 年9 月1 日實施該標準的第二階段。該標準適用于新車型式認證及生產一致性檢驗，對發動機的污染物排放采用R49 工況法進行測試，對CO、HC、NOx和PM 4 種污染物的排放進行限制。2005 年，我國發布了GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》，該標準增加了裝用以天然氣或液化石油氣作為燃料的點燃式發動機及其汽車的排放限值及測量方法；發動機污染物測試循環從R49 工況循環更改為ESC、ETC 和ELR 循環；第四階段的配套標準增加了OBD、耐久性和在用符合性要求；第五階段的配套標準增加了整車實際道路排放測試的要求。2018 年6月22 日發布的GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》增加了PN 和NH3的排放限值要求，發動機污染物測試循環更改為WHSC、WHTC 和WNTE 循環，并將整車實際道路排放測試要求納入該標準中。

1.2 在用車排放標準

自1983 年開始，我國采用自由加速法對在用柴油車進行煙度檢測，逐步發展到自由加速法和加載減速法并行使用，這些檢測方法對限制柴油車煙度和顆粒排放起到了積極促進作用。為防治柴油車煙塵對環境的污染，1983 年我國發布了GB3843-83《柴油車自由加速煙度排放標準》，該標準規定采用濾紙式煙度計測試自由加速工況下尾氣中的黑煙，控制柴油車冒黑煙較為嚴重的自由加速工況的煙度，適用于所有裝用柴油機的新車、進口車及在用車[2]。1993年，考慮到GB3843-83 標準已經實施10 年，我國對該標準進行了第一次修訂，修訂后的標準為GB14761.6-93《柴油車自由加速煙度排放標準》。2000 年，我國正式發布了GB 18285-2000《在用汽車排氣污染物排放限值和測量方法》，針對在用柴油車整車采用自由加速法測試煙度排放，該標準于2001 年7 月1 日實施。2005 年7 月1 日實施的GB 3847-2005《車用壓燃式發動機和壓燃式發動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》是對GB 3847-83 和GB 14761.6-93 的修訂，該標準規定了車用壓燃式發動機/汽車排氣煙度的排放限值及測量方法。2019 年5 月1 日起，我國開始實施新的在用柴油車標準GB 3847-2018《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速煙度法及加載減速法）》，該標準規定了柴油車自由加速法和加載減速法排氣污染物排放限值及測量方法。與GB 3847-2005 標準不同的是，為了對在用柴油車的排放等進行有效監管，該標準新增了柴油車外觀檢驗、OBD 檢查的方法和判定依據，并規定了采用加載減速法得到的氮氧化物排放限值。

我國重型柴油車排放標準的發展歷程如圖1所示。

2 重型柴油新車排放標準主要內容的發展

2.1 標準適用范圍覆蓋更全

隨著排放標準的發展，標準的適用范圍覆蓋更全。我國重型車國一、國二排放標準僅適用于壓燃式發動機，第三、四、五階段排放標準增加了裝用天然氣或液化石油氣發動機汽車及其點燃式發動機的氣體污染物排放限值及測量方法。第六階段排放標準取消了設計車速要求大于25 km/h 的限制，標準適用范圍覆蓋更全。

圖1 我國重型柴油車排放標準的發展歷程

GB 17691 重型汽車及發動機排放標準的適用范圍如表1 所示。

表1 GB 17691 重型汽車及發動機排放標準的適用范圍

2.2 每升級一次排放標準，污染物排放限值加嚴30%～50%

隨著排放標準的不斷推進，重型車單車排放限值逐漸加嚴。從國一升級至國六標準，NOx排放限值加嚴了95%，PM 排放限值加嚴了97%，每升級一次排放標準，單車污染物排放減少30%～50%。表2～表4 為我國重型車污染物排放限值，圖2 表示我國重型車用發動機排放限值發展階段。

與國一標準相比，國二標準中壓燃式發動機型式核準的NOx排放限值從8g/（kW·h）減小到7g/（kW·h），限值加嚴了12.5%。對于功率不超過85 kW 的壓燃式發動機，其型式核準的PM 排放限值從0.61 g/（kW·h）減小到0.15 g/（kW·h），限值加嚴75.4%；對于功率超過85 kW 的壓燃式發動機，其型式核準的PM 排放限值從0.36 g/（kW·h）減小到0.15 g/（kW·h），限值加嚴58.3%。國三至國五階段排放標準對壓燃式發動機的NOx排放限值逐步加嚴。ESC 試驗循環下，壓燃式發動機的NOx排放限值從國三階段的5 g/（kW·h）被逐漸加嚴至國四階段的3.5 g/（kW·h）、國五階段的2 g/（kW·h）；PM 排放限值從國三階段的0.1 g/（kW·h）被加嚴至國四階段的0.02 g/（kW·h），與國四階段相比，國五階段的PM 排放限值并未被加嚴。與國五標準相比，國六階段標準的NOx、PM 排放限值分別加嚴了77%和67%，并新增了PN、NH3的限值要求；為了實現對重型整車的排放控制，國六標準中增加了整車排放限值要求。

表2 我國重型車用發動機國一、國二階段排放標準的污染物排放限值

表3 我國重型車用發動機國三至國五階段排放標準的污染物排放限值

圖2 我國重型車用發動機排放限值發展

2.3 測試循環更符合車輛的實際運行工況特征

2005 年5 月，國家環境保護總局與國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布了GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》，其中，氣體燃料點燃式發動機部分代替了GB17691-2001 和GB14762-2002《車用點燃式發動機及裝用點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》中的氣體燃料點燃式發動機部分。與GB 17691-2001 排放標準相比，GB 17691-2005 將穩態循環R49 十三工況循環替換為歐洲穩態標準測試循環（ESC 循環），ESC 循環的工況主要集中在怠速區和中高轉速A、B、C 3 個轉速區。同時，為了防止生產廠家僅對歐洲穩態標準測試循環的13 個工況進行標定的作弊行為，該標準還新增了3 個任意選取的考核區進行排放測量，圖3 所示為ECE R49 循環與ESC 循環的對比。此外，GB17691-2005 還新增了負荷煙度（ELR）試驗和歐洲瞬態循環（ETC）試驗。其中，氣體燃料點燃式發動機采用ETC 試驗循環測定其氣態污染物，而對于壓燃式發動機，第三階段排放標準中僅對采用了NOx和PM 后處理裝置的柴油機有ETC 試驗要求。到國四、國五階段，所有柴油機均應按照ETC 試驗循環進行排放測試。

圖3 R49 循環與ESC 循環對比

與國五排放標準相比，國六排放標準的發動機測試循環發生了改變，ESC 和ETC 循環被分別替換為WHSC 和WHTC 循環；國六標準在型式檢驗中增加了循環外排放測試的要求，包括發動機臺架的非標準循環（WNTE）和利用PEMS 進行的整車實際道路排放測試。

WHSC 與ESC 測試循環都選擇了具有代表性的13 個工況來進行測量，但是在運行參數方面有較大差異，WHSC 循環更注重低速低負荷工況下的污染物排放。圖4 是WHSC 與ESC 測試循環對比圖。ESC 循環轉速范圍較窄，且3 個轉速都是中高轉速，在每個轉速下分別進行高、中、低3 個負荷下的測試；而WHSC 循環轉速范圍寬，且低于50%最大凈功率轉速占到了將近半數（6 個低轉速工況），體現了WHSC循環對低轉速工況的側重。此外，WHSC 循環避免了ESC 循環每個轉速平均排布轉矩的方式，如對75%高速工況和25%低速工況只是有選擇地分別測量它們的高負荷或低負荷，增強了工況的代表性。

圖4 WHSC 與ESC 循環對比

WHTC 與ETC 循環都是測試時間為1 800 s 的瞬態工況，但二者的工況分配有顯著差異，WHTC 循環增加了低速低負荷的排放控制要求，同時引入了冷起動排放控制要求。圖5、圖6 分別是ETC、WHTC測試循環工況。在ETC 工況中，城市道路工況、鄉村道路工況和高速公路工況的時間各占工況的三分之一；而在WHTC 循環中，城市工況占49.6%，郊區工況占26%，高速工況占24.3%。此外，WHTC 測試循環要求分別進行冷起動與熱起動測試，測試結果按照下式計算：

式中：mcold、mhot分別為冷、熱起動循環各污染物組分的質量，g/循環；Wact，cold、Wact，hot分別為冷、熱起動循環的實際循環功，kW·h。

圖5 ETC 測試循環工況

圖6 WHTC 測試循環工況

2.4 標準管理要求不斷適應我國重型車排放監管的需求

我國重型車國一、國二排放標準GB17691-2001對新車提出了型式認證試驗和生產一致性檢查試驗的要求，表5 所示是第一、第二階段排放標準的生產一致性試驗排放限值。從表5 可以看出，第一階段排放標準的生產一致性檢驗的污染物排放限值均比型式認證試驗限值寬松，而到了第二階段排放標準，新車生產一致性的排放限值則與型式認證的限值相同。可以看出，第二階段排放標準的生產一致性要求嚴于第一階段，也說明第二階段排放標準更注重新車的生產一致性要求。

表5 型式認證/生產一致性檢查試驗排放限值

然而，型式核準和新車生產一致性的管理要求僅能保證新車出廠時的排放達標，卻依然無法確保在用車排放達標，特別是需要加裝后處理系統才能滿足第四階段及更嚴格標準要求的重型車。基于此，環境保護部于2008 年6 月24 日發布了OBD 標準HJ 437-2008《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車車載診斷（OBD）系統技術要求》，該標準規定了壓燃式、氣體燃料點燃式發動機及汽車的OBD 系統的技術要求，要求國四、國五階段需要分別滿足歐洲OBDⅠ、OBDⅡ階段要求，以監測發動機/汽車的NOx及PM 排放控制系統是否正常工作。OBDⅡ階段故障指示器激活的NOx限值為3.5 g/（kW·h），與OBDⅠ階段相比，加嚴了30%，OBDⅠ和OBDⅡ階段中，轉矩限制器激活的NOx限值均為7 g/（kW·h）。

在歐Ⅵ診斷系統的基礎上，國六標準參考美國OBD 法規提出了永久故障碼等反作弊的要求，并首次將遠程排放管理車載終端（遠程OBD）的要求應用到國家標準。與國五階段標準僅限制發動機的污染物排放不同，國六標準提出了整車排放測試和限值要求，直接明確了整車企業的責任，為整車監督檢查提供了方法。整車排放測試方法包括整車道路車載法（PEMS）和整車底盤測功機法。整車道路車載法適用于型式檢驗、新車檢查和在用符合性檢查環節；整車底盤測功機法作為PEMS 的一種替代方法，用于新車檢查和在用符合性檢查環節。國六標準中首次提出車輛的油耗和排放須同時達標的要求，即當車輛按照GB 30510 標準進行整車油耗測量時，應同時測量污染物排放，且排放的氣態污染物及顆粒物應滿足整車排放限值要求。

與之前的排放標準相比，國六標準一個重要的改進就是將型式核準改為了型式檢驗。從國六階段開始，監管部門不再對發動機或整車進行型式核準，而是要求汽車生產企業或其代理機構對自己的產品進行檢驗，將檢驗結果對全社會公開，并對信息公開的真實性、準確性和完整性負責。監管部門仍然制定測試規程和限值，但會把有限的資源集中在生產一致性檢驗、新車抽查和在用車符合性抽查上。

3 新車排放標準與國外標準的對比分析

3.1 歐洲標準具有靈活性

我國目前排放標準中以3 500 kg 來劃分輕型車和重型車，美國的排放法規中將最大總質量超過3 856 kg 的汽車作為重型汽車，而歐洲輕型車和重型車劃分的基準則在不斷變化[3]。歐Ⅰ重型車排放標準中規定的排放限值要求只適用于2 500 kg 以上的重型車。隨著汽車工業的不斷發展，車輛類別逐漸增多，后來修訂的排放標準中將適用范圍擴展到總質量大于3 500 kg 的重型車。歷經十幾年的不斷修訂與更新，目前歐洲已經開始實施歐Ⅵ排放標準，該標準采用基準質量來劃分輕型車和重型車，而不再按照最大設計總質量來劃分。歐Ⅵ標準適用于基準質量在2 610 kg 以上的M1類、M2類、N1類和N2類機動車輛，以及M3類和N3類機動車輛。同時，如果制造商提出要求，歐Ⅵ標準規定的整車型式認證可擴展到其基準質量不超過2 610 kg 的非完整車輛。因此，歐洲排放標準更為靈活。

3.2 我國排放標準限值與美國相比還存在差距

由于我國重型車用柴油機國一至國五排放標準正是修改于歐Ⅰ至歐Ⅴ標準，因此二者在污染物的排放限值要求上是基本相同的，主要的區別在于我國重型車各階段排放標準的實施時間比歐洲晚5～10 年。歐Ⅵ排放標準于2009 年出臺的（EC）NO 595/2009 標準中推出，新的排放標準與美國EPA 2010 法規一樣嚴格，并從2013 年起生效，而我國第六階段排放標準直到2019 年7 月1 日才在重點區域開始實施。國六標準實施后，我國重型車排放標準已經與歐洲處于同一水平，但與美國的排放標準相比還有一定差距，因為目前美國實施的EPA 2010 法規中NOx排放限值為0.27 g/（kW·h），而我國第六階段NOx的排放限值為0.4 g/（kW·h），這也說明我國標準中的NOx排放限值還有進一步加嚴的空間。

我國與歐美重型車污染物排放限值的對比如圖7 所示。

3.3 我國排放標準缺乏溫室氣體控制要求

2016 年10 月，美國環境保護署和美國國家高速公路管理局針對中重型車輛發布了第二階段的溫室氣體排放和燃油效率標準[4]。目前美國卡車排放的溫室氣體數量占整個交通運輸行業的20%。這項標準適用于2021～2027 車型年的中重型卡車，其中包括半掛牽引車、封閉貨車和公交車等，標準制定了到2027 年實現減少二氧化碳排放11 × 108t 的目標，該數字與現行的標準相比降低了25%。美國環境保護署預測，按照這一標準，整個卡車行業將減少20×108桶原油消耗，節省1 700 億美元燃油支出。表6 所示為美國2027 年重型車輛二氧化碳排放和能效標準。

根據國際能源署的報告，2015 年全球28%的溫室氣體排放來自于中國，中國已經成為全世界最大的溫室氣體排放國家。中國交通領域的溫室氣體排放占總排放量的9.3%，遠低于世界平均水平；從全球來看，道路交通溫室氣體排放占到了交通領域溫放室氣體排量的82.7%，是交通領域溫室氣體排放的主要來源。然而目前，重型柴油車排放標準僅規定生產企業在開展發動機和整車排放的型式檢驗時，需要同時記錄CO2排放測試結果，并未在標準中規定CO2排放限值。此外，由于高效SCR 的使用，在SCR 中會發生生成N2O 的副反應[5-6]。而在環境科學研究中，特別是在全球氣候變化領域，N2O 具有溫室效應，是《京都議定書》規定的6 種溫室氣體之一。N2O 在大氣中的存留時間長，并可輸送到平流層，導致臭氧層破壞，引起臭氧空洞，使人類和其它生物暴露在太陽紫外線的輻射下，對人體皮膚、眼睛、免疫系統造成損害[7]。與二氧化碳相比，N2O 雖然在大氣中的含量很低，屬于痕量氣體，但其單分子增溫潛勢卻是二氧化碳的298 倍[8]。因此，建議我國下階段重型車排放標準增加溫室氣體的控制要求。對于溫室氣體的排放（包括CO2、CH4和N2O），可以考慮分別給出限值或折算成CO2當量。

表6 美國2027 年重型車輛二氧化碳和能效標準

3.4 整車進行實際道路排放測試的世界性要求

此前，歐美日及我國的重型車排放測試均采用發動機臺架測試，但為了保證重型車在實際道路運行時的排放能夠得到有效控制，美國、歐洲和我國先后引入了重型整車污染物測量方法—PEMS 方法。美國EPA 于2007 年率先引入了PEMS 方法，用于測量發動機安裝到車上后在實際道路運行中的污染物排放測量。PEMS 測量結果需滿足NTE 排放限值要求。該項要求適用于2007 年及其以后的發動機機型，NTE 限值見表7。對氣態污染物（重點是NOx）排放的車載測試從2007 年正式開始，由于重型車尾氣顆粒物排放車載測量的難度大、技術要求高，對顆粒物的測試要求直到2011 年才最終確定。

表7 美國重型車車載測量的NTE 限值

為了驗證發動機確實滿足循環外排放要求，型式核準時，歐Ⅵ標準要求將原機安裝在車輛上，采用PEMS 方法對整車進行實際道路的排放測試，排放限值與在用符合性限值一致。與歐Ⅴ的控制區概念相比，WNTE 和PEMS 演示試驗將保證發動機不僅在規定的瞬態和穩態試驗循環時排放達標，更大的意義在于能夠保證發動機在循環工況外的工況，排放都能滿足要求。直到2017 年9 月19 日，我國環境保護部發布的HJ 857-2017《重型汽車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求》中才增加了重型車PEMS 測試要求，彌補了部分道路行駛工況在臺架試驗中不能充分體現的缺陷。

3.5 我國在國際上首次提出OBD 遠程監控要求

自我國實施重型國四及以上排放標準之后，重型柴油車NOx和顆粒物排放要求比國三標準更加嚴格，為滿足標準要求，車輛必須采取后處理技術，達到OBD 要求，且需要用戶額外加注尿素來保證排放達標。但由于監管方法的不足和利益的驅使，柴油車排放失控問題嚴重，主要包括：重型整車NOx排放超標、制造商禁用OBD 報警和限轉矩功能、OBD 被篡改、用戶不加尿素。為解決重型車存在的排放造假問題，方便對運行在道路上的車輛排放狀況進行實時監測，國六標準在國際上首次提出了OBD 遠程監控要求，規定OBD 系統具備發送監測信息的功能。主管部門可以通過遠程終端讀取車輛OBD 的實時信息，判斷車輛的實際排放狀況、各項排放控制措施及OBD 是否有效發揮作用以及排放相關故障是否及時維修等[9]。

3.6 我國汽車排放缺陷召回制度亟需完善

汽車排放缺陷召回制度是在用車排放管理的最有效手段之一，該制度以法律法規的形式被確立下來，其最終目的是為了有效控制汽車的尾氣排放，使汽車的排放控制裝置在正常保養和使用的情況下，在規定的使用壽命內不因失效而導致汽車排放超標。美國、歐盟和日本等國家和地區都已經確立了機動車排放缺陷召回制度，我國新修訂的《大氣污染防治法》第58 條也明確提出建立機動車和非道路移動機械環境保護召回制度。目前，市場監管總局正在抓緊研究排放召回中的問題線索管理、排放缺陷調查與認定規范、召回實施監督管理、機動車排放零部件質量擔保等關鍵問題，下一步，市場監管總局將會同生態環境部等部門加快《機動車排放召回管理規定》立法進程。

4 結束語

經過二十年的發展，我國重型柴油車排放標準已相對完善，污染物排放限值日益嚴格，測試方法也日益完善，目前已處于世界先進水平。排放測試方法從發動機臺架測試擴展到整車實際道路排放測試，同時新增了遠程排放管理車載終端功能檢查。現階段重型柴油車排放標準加強了對車輛實際道路運行的排放控制，并確保車輛在全生命周期內其污染控制裝置均正常工作。但我國重型柴油車排放標準仍存在一些問題，如污染物排放限值仍需進一步加嚴、缺乏溫室氣體排放控制要求、排放控制裝置耐久性要求仍未得到保證等。這些問題在下階段重型柴油車排放標準的制修訂過程中均應得到解決，以保證排放標準實現對新車及在用車污染物排放的全方位監督和控制。