《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》淺析

劉順利，王明達(dá)，紀(jì) 亮，李 剛，王 瑾，吉 喆

(1.濟(jì)南汽車檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)南250102；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100012；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)，北京100083)

0 引言

為進(jìn)一步降低非道路柴油移動(dòng)機(jī)械的污染物排放，2020年12月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了非道路柴油移動(dòng)機(jī)械第四階段的污染控制技術(shù)要求，即《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》(HJ 1014—2020)。該標(biāo)準(zhǔn)是在新《大氣污染防治法》實(shí)施后，第一個(gè)對(duì)新生產(chǎn)非道路柴油移動(dòng)機(jī)械提出技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了第四階段非道路柴油移動(dòng)機(jī)械應(yīng)該滿足的技術(shù)要求。標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍中增加了機(jī)械的控制要求，并首次引入在用符合性、整機(jī)排放及遠(yuǎn)程監(jiān)控等要求，因標(biāo)準(zhǔn)管控對(duì)象的變化，給柴油機(jī)械行業(yè)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1]。本文將詳細(xì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容進(jìn)行梳理和分析。

1 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

1.1 適用范圍調(diào)整

GB 20891—2014標(biāo)準(zhǔn)中，適用范圍為非道路移動(dòng)機(jī)械裝用的柴油機(jī)，即管控的對(duì)象僅僅是機(jī)械上的柴油機(jī)而不包含機(jī)械本身[2]。而本標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍調(diào)整為非道路柴油移動(dòng)機(jī)械及其裝用的柴油機(jī)，也就是說(shuō)，從第四階段開(kāi)始不僅僅對(duì)柴油機(jī)有要求，對(duì)裝用柴油機(jī)的機(jī)械同樣有要求。

根據(jù)大氣法第五十二條規(guī)定：機(jī)動(dòng)車、非道路移動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)對(duì)新生產(chǎn)的機(jī)動(dòng)車和非道路移動(dòng)機(jī)械進(jìn)行排放檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)合格的，方可出廠銷售，檢驗(yàn)信息應(yīng)當(dāng)向社會(huì)公開(kāi)。因此，標(biāo)準(zhǔn)的管控范圍增加對(duì)機(jī)械排放達(dá)標(biāo)要求，同時(shí)隨著便攜式測(cè)試設(shè)備(PEMS)的發(fā)展，也已經(jīng)具備了對(duì)機(jī)械實(shí)現(xiàn)監(jiān)管的能力。

1.2 限值進(jìn)一步加嚴(yán)

GB 20891—2014標(biāo)準(zhǔn)中雖然已經(jīng)明確了第四階段的限值要求，但因近些年我國(guó)PM2.5濃度持續(xù)保持高位，進(jìn)一步降低PM2.5的影響，成為當(dāng)下應(yīng)重點(diǎn)解決的環(huán)境污染問(wèn)題之一，因此標(biāo)準(zhǔn)在限制中增加了顆粒物數(shù)量(PN)的要求，以引領(lǐng)行業(yè)采用高效降低顆粒物排放的控制技術(shù)，同時(shí)考慮到第四階段選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的應(yīng)用，限值中也增加了氨(NH3)泄露的要求。第三、四階段限值詳細(xì)比較如表1所示。

表1 非道路第三階段和第四階段限值比較

從表1可以看出，第四階段主要加嚴(yán)了顆粒物質(zhì)量(PM)的限值要求，根據(jù)功率段的不同，加嚴(yán)幅度在50%～94%。NOX也有一定程度的加嚴(yán)，在130～560 kW功率段，限值加嚴(yán)接近50%。從限值加嚴(yán)的程度，僅僅依靠機(jī)內(nèi)凈化已經(jīng)無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此從第四階段開(kāi)始，37 kW以上非道路移動(dòng)機(jī)械均需要增加機(jī)外凈化技術(shù)以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 優(yōu)化試驗(yàn)循環(huán)

柴油機(jī)的測(cè)試沿用GB 20891—2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)，包括穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)(NRSC)和瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)(NRTC)。但對(duì)電控燃油系統(tǒng)的柴油機(jī)額外增加了非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的要求，即在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制區(qū)域內(nèi)，隨機(jī)抽取3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)比排放量的測(cè)試，要求單點(diǎn)的比排放量小于限值的2倍。同時(shí)，根據(jù)柴油機(jī)功率和應(yīng)用場(chǎng)景的不同，非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)的控制區(qū)域稍有差異，詳細(xì)控制區(qū)要求如圖1所示。圖中1為控制區(qū)，3為PM非控區(qū)，a為最大凈功率百分比，b為最大扭矩百分比。

圖1 不同柴油機(jī)控制區(qū)要求Fig.1 Requirements of different diesel engine control zones

對(duì)于37～560 kW的非道路移動(dòng)機(jī)械，增加了利用便攜式排放測(cè)試設(shè)備(PEMS)進(jìn)行在正常作業(yè)狀態(tài)下排放測(cè)試的要求，測(cè)試結(jié)果為柴油機(jī)臺(tái)架限值的2.5倍。PEMS的要求是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械排放監(jiān)管的最重要手段，長(zhǎng)期以來(lái)，因?yàn)闇y(cè)試設(shè)備的原因，我國(guó)移動(dòng)源行業(yè)一直沒(méi)有對(duì)在用移動(dòng)源有相關(guān)測(cè)試要求，污染物排放的管控僅僅停留在新產(chǎn)品定型階段。研究表明，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)限值要求預(yù)測(cè)的我國(guó)污染物的排放量，與實(shí)際排放情況差異較大，而“大眾門”事件的發(fā)生，進(jìn)一步推動(dòng)了加強(qiáng)對(duì)移動(dòng)源實(shí)際排放管控要求的決心。

1.4 提出排放達(dá)標(biāo)檢查要求

排放達(dá)標(biāo)檢查主要分為兩個(gè)部分，一部分為新生產(chǎn)機(jī)械的排放達(dá)標(biāo)檢查，另一部分為機(jī)械在用符合性達(dá)標(biāo)檢查。

1.4.1新生產(chǎn)機(jī)械達(dá)標(biāo)檢查

新生產(chǎn)機(jī)械達(dá)標(biāo)檢查分為企業(yè)自查和主管部門抽查。

對(duì)于自查，要求生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)自行制定自查規(guī)程，選擇有足夠代表性的機(jī)械按系族進(jìn)行排放達(dá)標(biāo)自查，并將自查計(jì)劃和自查結(jié)果進(jìn)行信息公開(kāi)。自查按照PEMS檢測(cè)規(guī)程和要求進(jìn)行。在進(jìn)行車載法測(cè)試時(shí)，應(yīng)同時(shí)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行林格曼黑度等級(jí)的測(cè)試，黑度等級(jí)應(yīng)小于1級(jí)。對(duì)于自查試驗(yàn)做詳細(xì)記錄并存檔，該記錄文檔應(yīng)至少保存5年。環(huán)境保護(hù)主管部門可根據(jù)需要檢查試驗(yàn)記錄。

對(duì)于抽查，環(huán)境保護(hù)主管部門可以對(duì)新生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行排放基本配置核查、下線檢查計(jì)劃和自查結(jié)果檢查及污染物排放檢查各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行達(dá)標(biāo)監(jiān)督抽查。對(duì)排放基本配置進(jìn)行核查，如被檢查的機(jī)械排放控制關(guān)鍵部件或排放控制策略與信息公開(kāi)的內(nèi)容不一致，則視為該型號(hào)機(jī)械檢查不通過(guò)。對(duì)機(jī)械進(jìn)行污染物排放檢查時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)從批量生產(chǎn)的機(jī)械中隨機(jī)抽取3臺(tái)，若3臺(tái)機(jī)械的各污染物比排放量結(jié)果均不超過(guò)限值要求的1.1倍，且其平均值不超過(guò)限值要求，則判定環(huán)保一致性檢查合格；若3臺(tái)機(jī)械中任一臺(tái)的某種污染物排放結(jié)果超過(guò)限值要求的1.1倍，或其平均值超過(guò)限值要求，則判定環(huán)保一致性檢查不合格。

1.4.2在用符合性達(dá)標(biāo)檢查

在用符合性達(dá)標(biāo)檢查也分為企業(yè)自查和主管部門抽查。

對(duì)于自查，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在機(jī)械銷售18個(gè)月內(nèi)開(kāi)展，并應(yīng)制定在用符合性自查計(jì)劃。在用符合性自查應(yīng)以機(jī)械或柴油機(jī)系族為基礎(chǔ)進(jìn)行，并向環(huán)境保護(hù)主管部門報(bào)備。在用符合性自查每個(gè)系族最多抽取10臺(tái)機(jī)械或柴油機(jī)，并規(guī)定了合格與否的判定條件，如表2所示。如在用符合性自查不合格，標(biāo)準(zhǔn)給出了企業(yè)整改的要求，并應(yīng)提交改正不符合項(xiàng)的整改措施計(jì)劃。

表2 抽樣計(jì)劃的合格和不合格判定數(shù)

對(duì)于抽查，由環(huán)境保護(hù)主管部門負(fù)責(zé)實(shí)施，選擇具有代表性的機(jī)械，并保證機(jī)械狀態(tài)正常，隨機(jī)抽取3臺(tái)機(jī)械，采用PEMS的測(cè)量要求進(jìn)行排放測(cè)試。若2臺(tái)及以上機(jī)械的測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，則判定合格，否則不合格，在用符合性不合格可判定為耐久性不合格。

1.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)管方法

我國(guó)非道路移動(dòng)機(jī)械保有量超過(guò)5 000萬(wàn)臺(tái)，還有接近3.5億的機(jī)動(dòng)車[3]。但目前監(jiān)管隊(duì)伍才幾千人，如何才能有效地對(duì)移動(dòng)源進(jìn)行監(jiān)管，經(jīng)過(guò)多年的探索，我國(guó)總結(jié)出采用大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式。大數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)源有效監(jiān)管的最可行辦法。同時(shí)，根據(jù)《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》的要求，2020年年底前，對(duì)工程機(jī)械提出了加裝遠(yuǎn)程排放管理終端的要求，因此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)37 kW以上工程機(jī)械提出了要求[4]。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了車載終端應(yīng)發(fā)送的定位信息、發(fā)動(dòng)機(jī)性能信息和排放關(guān)鍵零部件狀態(tài)信息等。主管部門可以通過(guò)遠(yuǎn)程終端讀取機(jī)械的實(shí)時(shí)信息，判斷機(jī)械的實(shí)際排放狀況、各項(xiàng)排放控制策略是否有效運(yùn)行和排放相關(guān)故障是否及時(shí)維修等。在新生產(chǎn)機(jī)械檢查和在用符合檢查時(shí)，可以對(duì)車載終端進(jìn)行功能性檢驗(yàn)，即所有控制系統(tǒng)檢驗(yàn)在采用通用診斷儀進(jìn)行測(cè)試的同時(shí)，采用遠(yuǎn)程排放管理平臺(tái)來(lái)檢測(cè)。

2 標(biāo)準(zhǔn)可行性分析

2.1 技術(shù)可行性

從燃油水平來(lái)看，第四階段標(biāo)準(zhǔn)要求的基準(zhǔn)燃油硫含量下降為10 mg/kg。我國(guó)普通燃油標(biāo)準(zhǔn)GB 252—2015要求自2017年7月1日起，普通柴油硫含量為不超過(guò)50 mg/kg；2017年11月1日開(kāi)始全面供應(yīng)硫含量不超過(guò)10 mg/kg的柴油；2019年1月1日，全國(guó)實(shí)施了國(guó)六柴油標(biāo)準(zhǔn)，車用柴油、普通柴油和部分船舶用油“三油并軌”[5]。燃油品質(zhì)的提升為標(biāo)準(zhǔn)有效實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障[6]。

本標(biāo)準(zhǔn)與柴油車“國(guó)Ⅴ”水平接近[7]。選擇性催化還原裝置(SCR)和顆粒捕集器(DPF)是主流后處理技術(shù)，并需要采用柴油氧化催化器(DOC)和廢氣再循環(huán)(EGR)等輔助技術(shù)等。這些技術(shù)已在柴油車上成熟應(yīng)用，同時(shí)在歐美非道路產(chǎn)品上也已應(yīng)用。遠(yuǎn)程排放監(jiān)控技術(shù)，已在重型柴油車上開(kāi)始應(yīng)用，非道路移動(dòng)機(jī)械的車載終端及監(jiān)管平臺(tái)建設(shè)等可以重型柴油車的相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)。自本標(biāo)準(zhǔn)第一次公開(kāi)征求意見(jiàn)以來(lái)，很多企業(yè)已啟動(dòng)“國(guó)Ⅳ”產(chǎn)品研發(fā)工作。

基于市場(chǎng)燃油情況、發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件及后處理系統(tǒng)準(zhǔn)備情況，并在充分考慮行業(yè)技術(shù)升級(jí)和試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間基礎(chǔ)上，本標(biāo)準(zhǔn)具備實(shí)施基本條件。

2.2 成本可行性

從升級(jí)成本來(lái)看，不同功率段機(jī)型可以采用不同的排放控制技術(shù)，因此成本增加也不一樣。37 kW以下功率段的柴油機(jī)，在技術(shù)上并沒(méi)有實(shí)質(zhì)的突破，僅僅需要進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣、燃油系統(tǒng)即可，成本在量產(chǎn)的情況下幾乎可以忽略不計(jì)。經(jīng)咨詢部分企業(yè)，560 kW以上柴油機(jī)基本都采用SCR系統(tǒng)，產(chǎn)品還在匹配過(guò)程中，大型的柴油機(jī)用的SCR供應(yīng)商也在溝通確認(rèn)中，暫時(shí)無(wú)法獲知大概的增加成本。各功率段詳細(xì)成本增加情況如表3所示。

表3 各功率段成本增加情況

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和部分試驗(yàn)結(jié)果，要達(dá)到本標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)還有大量的工作要做。從當(dāng)前企業(yè)準(zhǔn)備情況來(lái)看，各企業(yè)面臨的壓力各不相同，有些企業(yè)早已具備了滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求的多個(gè)機(jī)型，另一些企業(yè)缺少對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的理解、跟進(jìn)，導(dǎo)致目前新產(chǎn)品研發(fā)滯后。由此可見(jiàn)，企業(yè)應(yīng)加大研發(fā)力度，逐步提高自身產(chǎn)品質(zhì)量，才能在以后企業(yè)發(fā)展過(guò)程中立于不敗之地。