通用小型汽油機歐洲第Ⅴ階段排放法規研究

（天津大學內燃機研究所 天津 300072）

引言

通用小型汽油機（以下簡稱“小通機”）是指凈功率不大于19kW 的非道路小型點燃式發動機，包含于非道路移動源，主要用于工程機械、農業機械、園林機械、發電機組、建筑機械及舷外機械等的配套動力。其特點是體積小，質量輕，結構簡單，價格便宜，使用靈活。我國從20 世紀50 年代開始生產小通機，從2002 年到2007 年產量激增，2008 年到2017 年，國內通機產銷量總體上呈逐年平穩增長趨勢，2018年年產量已超過3100 萬臺，約占全球總產量的50%，世界排名第一。通機產品中60%是四沖程，40%是二沖程，以化油器供油和風冷為主。我國通機產品以出口為主，出口比例超過80%，北美和歐洲是主要的出口市場。所以研究美國和歐洲通機排放法規對我國通機行業的發展有著重要意義。

1 歐洲非道路移動源排放法規發展歷程

歐洲非道路移動污染源標準體系與美國不同，歐洲以指令的型式發布，并對指令進行不定期修改，修正案通過后會被賦予新的指令號。

歐洲于1997 年12 月16 號發布了97/68/EC 指令《非道路機器用內燃機的氣體和顆粒排放物的測量》，這是在這一領域內歐洲首次發布的指令，其目的為限制安裝在非道路移動機械用往復式內燃機的排放和顆粒物污染，該排放法規覆蓋了37kW～560kW 柴油發動機，1999 年1 月1 日正式生效。

2002 年歐洲發布了2002/88/EC[1]指令，是對97/68/EC 法規的修訂，該法規增加了19 kW 以下的手持式和非手持式火花點火發動機第Ⅰ階段和第Ⅱ階段排放要求，該法規于2004 年8 月開始正式實施。

2004 年歐洲發布了2004/26/EC[2]指令，該法規覆蓋了19kW～560kW 非道路移動機械用柴油發動機，包含了有軌車，機車和內陸船等內容。

2010 年3 月31 日歐洲議會和歐洲理事會發布了2010/26/EU[3]指令，主要增加了壓燃式發動機的冷啟動要求，修改了穩態測試工況和瞬態測試程序，延長了2 種專業用途手持式汽油機的第Ⅰ階段排放達標期限。

2012 年12 月6 日發布了2012/46/EU[4]指令，主要完善了柴油機第Ⅳ階段排放的認證要求，并要求對額定功率19 kW 以下的汽油機在發動機上用羅馬數字對排放階段進行清晰的標識。

2016 年9 月14 日歐洲共同體歐洲議會和歐洲理事會發布了（EU）2016/1628[5]指令，該指令將直接取代97/68/EC 指令及其后的一系列修正指令。97/68/EC 至2012/46/EC 指令中汽油機分為第Ⅰ階段和第Ⅱ階段2 個排放階段，柴油機分為了第Ⅰ階段、第Ⅱ階段、ⅢA、ⅢB 和第Ⅳ階段，所以2016/1628/EU指令中汽油機和柴油機排放階段統稱為第V 階段，并且對大功率汽油機（P＞19 kW），小功率柴油機（P＜19kW），也就是對整個功率段范圍內的汽油機柴油機都規定了排放限值。該指令于2018 年1 月1 日起實施，自2019 年1 月1 日起，所有進入歐洲市場的通機產品需持有歐V 型式核準證書。除此之外，歐洲在2016 年12 月9 日發布了補充指令，（EU）2017/654[6]從測試程序、測試設備、計算及技術細節方面進行了規定，（EU）2017/655[7]規定了安裝在非道路移動機械上進行在用監測的便攜式排放測量系統的要求，（EU）2017/656[8]是對型式認證程序及文件的要求。隨后，在2018 年歐洲分別發布了2018/987/EU指令[9]、2018/988/EU[10]指令，2018/989/EU[11]指令，分別對以上3 個補充指令進行了修訂。

2 小通機歐洲第Ⅴ階段排放法規

小通機歐洲第V 階段法規自2018 年1 月1 日起實施，法規實施1 年后即2019 年1 月1 日起投入市場的發動機應滿足法規要求。法規主要對發動機分類方法、排放限值、耐久期、測試循環及標簽等提出要求。

2.1 發動機分類方法

小通機歐州第V 階段法規沿用了第Ⅰ、Ⅱ階段的發動機分類方式，首先根據用途分為手持式和非手持式，而后按照排量的大小加以細分，但類別與第Ⅰ、Ⅱ階段不同，具體分類方法如表1 所示。

表1 歐洲小通機排放法規發動機分類（第V 階段）

2.2 排放限值

歐州第V 階段小通機非手持式排放限值在第Ⅰ、Ⅱ階段基礎上有所加嚴。總體來說，出于全球協調統一的考慮，歐洲第V 階段與美國環境保護局（EPA）第Ⅲ階段對小通機的排放限值要求一致。具體限值如表2 所示。

表2 歐洲小通機排放限值（第V 階段）

2.3 耐久期

歐洲小通機第Ⅰ階段排放法規要求發動機的初始排放達標即可，自第Ⅱ階段開始，有了耐久性要求，即要求發動機在整個使用壽命內均要滿足限值要求，發動機生產廠家在申請產品型式認證時應就每一發動機系族申報所適用的耐久期類別，選擇原則是該類別應盡可能接近發動機配套機械的預期使用壽命。第V 階段具體耐久性要求如表3 所示。

表3 歐洲小通機排放法規耐久性要求（V 階段）h

歐洲第V 階段小通機排放法規規定，生產廠家應提出劣化系數（DF）供型式認證和生產中檢查用。發動機測出的排放值×DF≤規定限值，方視為符合標準。DF 值應通過發動機的老化運轉求出：在耐久期后測得的排放值除以新機（排放已穩定后）上測得的排放值，即DF 值。

2.4 測試循環

歐洲第V 階段小通機排放法規穩態測試循環根據類別按照表4 進行選擇。

表4 歐洲小通機穩態測試循環（V 階段）

2.5 其他要求

2.5.1 標簽要求

在發動機產品需以“法定標識”的形式體現以下內容：

1）制造商名稱或商標。

2）發動機型號。

3）發動機的唯一編碼。

4）EU（歐洲）型式批準號碼，即證書號。

5）發動機的生產日期，體現出年和月即可。

“法定標識”信息采用以下固定方式：

1）可采用打刻或粘貼的方式體現在發動機上（申請時在資料中有描述位置和固定方式）。

2）具有完整無損的固定方式，使它在不毀壞或者不損傷其外觀的前提下無法被取下。

3）牢牢固定在發動機正常運轉所必需的零件上，該零件一般是不需要更換的。

4）在整個發動機壽命期間都耐久且清楚易讀。

5）如安裝到機械上被遮擋，則需要在機械上粘貼一個副本。

2.6 實施日期

根據2016/1628/EU 指令規定，自2018 年1 月1日起手持式和非手持式發動機必須按照歐洲第V 階段的要求進行型式認證。

關于投放市場的日期，在第V 階段開始實施12個月后，即2019 年1 月1 日，凡是滿足第V 階段限值要求的發動機（無論單機或已配套的發動機），各成員國應允許其投入市場，新生產的發動機如未經認證達到第V 階段限值要求則不得投入市場。對于過渡發動機（2019 年1 月1 日之前生產的符合歐Ⅱ排放要求的發動機）或安裝有過渡發動機的非道路移動機械，允許銷售至2020 年12 月31 日。掃雪機產品允許銷售至2022 年12 月31 日。

歐V 實施日期及投入市場日期如表5 所示。

表5 歐洲小通機第V 階段排放法規實施日期

3 歐洲第Ⅴ階段排放法規的變化

相較于歐洲第Ⅱ階段排放法規，小通機第V 階段排放法規變化主要涉及以下內容：發動機分類，排放限值，部分排量的耐久性要求，燃氣排放要求，測試燃料、系族劃分要求，化油器防篡改和制造商授權代表的要求。

3.1 分類方法不同

小通機在歐洲的分類方式首先根據用途分為手持式和非手持式，然后按照排量的大小加以細分。歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段發動機分類方式和類別相同，第V 階段沿用了手持式和非手持式的分類方式，但具體類別不同。第Ⅰ、Ⅱ階段分類如表6 所示。

表6 歐洲小通機排放法規發動機分類（第I、II階段）

相對于歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段，第V 階段排放法規的發動機分類方法主要變化有：

1）手持式發動機以排量50 mL 為分界點，由第Ⅰ、Ⅱ階段的3 小類簡化為2 小類；

2）引入“速度模式”作為分類標準，結合排量大小劃分出更為細致的子類別；

3）80 mL≤排量＜225 mL 的非手持式發動機結合“速度模式”細分；

4）排量＜80 mL 的非手持式發動機歸入手持式發動機類別。

3.2 排放限值加嚴

小通機歐洲第I 階段排放法規中，對手持式發動機的HC 和NOx分別作出限值要求，對非手持式發動機的HC+NOx作出限值要求，第Ⅱ階段統一對HC+NOx作出限值要求。第Ⅱ階段手持式發動機HC+NOx限值嚴于第Ⅰ階段，CO 限值2 個階段相同，第II 階段非手持式發動機HC+NOx限值只針對排量大于等于225 mL 類別進行了加嚴，CO 限值放寬要求。歐洲第Ⅰ、Ⅱ階段排放限值如表7 所示。

表7 歐洲小通機排放限值（第I、II 階段）g·（kW·h）-1

與歐洲第Ⅱ階段排放法規相比，小通機歐洲第V 階段排放限值主要變化如下：

1）手持式發動機類別發生了變化，但手持式發動機排放限值維持不變，與第Ⅱ階段一致。

2）非手持式發動機HC+NOx排放限值加嚴，對于排量為[80，225）mL 的非手持式發動機，HC 和NOx排放限值在Ⅱ階段基礎上降低38%；對于排量大于等于225 mL 的非手持式發動機，HC 和NOx排放限值在Ⅱ階段基礎上降低34%。非手持式發動機第V階段排放限值與美國EPA 第Ⅲ階段限值趨于一致。

3）取消了對于NOx不得超過10 g/（kW·h）的排放限值要求。

3.3 耐久性要求

歐洲小通機排放法規從第Ⅱ階段開始，有了耐久性要求，即要求發動機在整個使用壽命內均要滿足限值要求。第V 階段耐久性要求分為3 類，與第Ⅱ階段相同，2 階段各類耐久時間要求也基本一致，只是由于2 個階段的類別劃分不同，對于排量大于等于66 mL 小于80 mL 的非手持式發動機的耐久時間要求不同，第Ⅱ階段1 類耐久時間為125 h，2 類為250 h，3 類為500 h，第V 階段對于排量小于80 mL的非手持式發動機適用手持式發動機要求，所以1類耐久時間為50 h，2 類為125 h，3 類為300 h。歐洲第Ⅱ階段排放法規具體耐久性要求請如表8 所示。

表8 歐洲小通機排放法規耐久性要求（Ⅱ階段） h

3.4 其他要求

除了發動機類別、排放限值及耐久時間的不同，歐洲第V 階段排放法規還有以下變化。

1）增加了燃氣機排放要求。

2）測試油品發生變化。由第Ⅱ階段的E0 燃油，變化為第V 階段使用E10（乙醇）燃油。

3）系族劃分的要求：單缸小于750 mL 的發動機系族最小排量從最大機型排量的85%降為70%。

4）增加了化油器防篡改要求。

5）增加了制造商授權代表的要求：要求是在歐洲成員國范圍內的企業或是在歐洲成員國境取得永久居住權的個人。主要職責為：保管認證申請資料，確保發動機投入市場后10 年內認證機構可以隨意查閱；向認證機構提供可以證明產品一致性的所有資料；與發證機構或市場監管機構合作，采取措施消除發動機潛在的風險。

4 歐洲排放法規發展趨勢

4.1 蒸發排放

與美國第三階段排放法規不同，歐洲小通機第V 階段法規未對蒸發排放做出要求。預計在下一階段排放法規中會評估是否引入蒸發排放要求。

4.2 顆粒物排放

歐洲小通機第V 階段排放法規不包括顆粒物排放要求，在下一階段排放法規中會評估是否引入顆粒物排放要求。

4.3 在用測試

從接近實際使用情況方面來講，非道路移動機械的在用測試是發展趨勢，這也將便于管理部門實施監管，但歐洲小通機第V 階段排放法規不包括在用測試排放要求，在下一階段排放法規中會評估是否引入在用測試排放要求。

4.4 市場監管和信息共享

在對歐洲小通機第II 階段排放法規實施評估過程中，發現市場監管的弱化和不到位是未達到法規預期效果的主要原因之一，另外各成員國在實施法規過程中存在嚴松不一致的情況，且各成員國之間的市場監管信息共享滯后也影響了法規實施的效果，因此在下一階段排放法規中，將會從服務市場監管和信息共享方面進行完善。

5 結論

相對于歐洲小通機第Ⅱ階段排放法規,第V 階段排放法規修改了小通機發動機分類方法，降低了排氣污染物排放限值，規定了測量方法、耐久性要求等。總體來說，出于全球協調統一的考慮，尾氣排放限值要求與EPA 第Ⅲ階段排放限值基本一致，與EPA 第Ⅲ階段不同,歐洲第V 階段沒有蒸發排放的要求。