通用小型汽油机欧洲第Ⅴ阶段排放法规研究

（天津大学内燃机研究所 天津 300072）

引言

通用小型汽油机（以下简称“小通机”）是指净功率不大于19kW 的非道路小型点燃式发动机，包含于非道路移动源，主要用于工程机械、农业机械、园林机械、发电机组、建筑机械及舷外机械等的配套动力。其特点是体积小，质量轻，结构简单，价格便宜，使用灵活。我国从20 世纪50 年代开始生产小通机，从2002 年到2007 年产量激增，2008 年到2017 年，国内通机产销量总体上呈逐年平稳增长趋势，2018年年产量已超过3100 万台，约占全球总产量的50%，世界排名第一。通机产品中60%是四冲程，40%是二冲程，以化油器供油和风冷为主。我国通机产品以出口为主，出口比例超过80%，北美和欧洲是主要的出口市场。所以研究美国和欧洲通机排放法规对我国通机行业的发展有着重要意义。

1 欧洲非道路移动源排放法规发展历程

欧洲非道路移动污染源标准体系与美国不同，欧洲以指令的型式发布，并对指令进行不定期修改，修正案通过后会被赋予新的指令号。

欧洲于1997 年12 月16 号发布了97/68/EC 指令《非道路机器用内燃机的气体和颗粒排放物的测量》，这是在这一领域内欧洲首次发布的指令，其目的为限制安装在非道路移动机械用往复式内燃机的排放和颗粒物污染，该排放法规覆盖了37kW～560kW 柴油发动机，1999 年1 月1 日正式生效。

2002 年欧洲发布了2002/88/EC[1]指令，是对97/68/EC 法规的修订，该法规增加了19 kW 以下的手持式和非手持式火花点火发动机第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段排放要求，该法规于2004 年8 月开始正式实施。

2004 年欧洲发布了2004/26/EC[2]指令，该法规覆盖了19kW～560kW 非道路移动机械用柴油发动机，包含了有轨车，机车和内陆船等内容。

2010 年3 月31 日欧洲议会和欧洲理事会发布了2010/26/EU[3]指令，主要增加了压燃式发动机的冷启动要求，修改了稳态测试工况和瞬态测试程序，延长了2 种专业用途手持式汽油机的第Ⅰ阶段排放达标期限。

2012 年12 月6 日发布了2012/46/EU[4]指令，主要完善了柴油机第Ⅳ阶段排放的认证要求，并要求对额定功率19 kW 以下的汽油机在发动机上用罗马数字对排放阶段进行清晰的标识。

2016 年9 月14 日欧洲共同体欧洲议会和欧洲理事会发布了（EU）2016/1628[5]指令，该指令将直接取代97/68/EC 指令及其后的一系列修正指令。97/68/EC 至2012/46/EC 指令中汽油机分为第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段2 个排放阶段，柴油机分为了第Ⅰ阶段、第Ⅱ阶段、ⅢA、ⅢB 和第Ⅳ阶段，所以2016/1628/EU指令中汽油机和柴油机排放阶段统称为第V 阶段，并且对大功率汽油机（P＞19 kW），小功率柴油机（P＜19kW），也就是对整个功率段范围内的汽油机柴油机都规定了排放限值。该指令于2018 年1 月1 日起实施，自2019 年1 月1 日起，所有进入欧洲市场的通机产品需持有欧V 型式核准证书。除此之外，欧洲在2016 年12 月9 日发布了补充指令，（EU）2017/654[6]从测试程序、测试设备、计算及技术细节方面进行了规定，（EU）2017/655[7]规定了安装在非道路移动机械上进行在用监测的便携式排放测量系统的要求，（EU）2017/656[8]是对型式认证程序及文件的要求。随后，在2018 年欧洲分别发布了2018/987/EU指令[9]、2018/988/EU[10]指令，2018/989/EU[11]指令，分别对以上3 个补充指令进行了修订。

2 小通机欧洲第Ⅴ阶段排放法规

小通机欧洲第V 阶段法规自2018 年1 月1 日起实施，法规实施1 年后即2019 年1 月1 日起投入市场的发动机应满足法规要求。法规主要对发动机分类方法、排放限值、耐久期、测试循环及标签等提出要求。

2.1 发动机分类方法

小通机欧州第V 阶段法规沿用了第Ⅰ、Ⅱ阶段的发动机分类方式，首先根据用途分为手持式和非手持式，而后按照排量的大小加以细分，但类别与第Ⅰ、Ⅱ阶段不同，具体分类方法如表1 所示。

表1 欧洲小通机排放法规发动机分类（第V 阶段）

2.2 排放限值

欧州第V 阶段小通机非手持式排放限值在第Ⅰ、Ⅱ阶段基础上有所加严。总体来说，出于全球协调统一的考虑，欧洲第V 阶段与美国环境保护局（EPA）第Ⅲ阶段对小通机的排放限值要求一致。具体限值如表2 所示。

表2 欧洲小通机排放限值（第V 阶段）

2.3 耐久期

欧洲小通机第Ⅰ阶段排放法规要求发动机的初始排放达标即可，自第Ⅱ阶段开始，有了耐久性要求，即要求发动机在整个使用寿命内均要满足限值要求，发动机生产厂家在申请产品型式认证时应就每一发动机系族申报所适用的耐久期类别，选择原则是该类别应尽可能接近发动机配套机械的预期使用寿命。第V 阶段具体耐久性要求如表3 所示。

表3 欧洲小通机排放法规耐久性要求（V 阶段）h

欧洲第V 阶段小通机排放法规规定，生产厂家应提出劣化系数（DF）供型式认证和生产中检查用。发动机测出的排放值×DF≤规定限值，方视为符合标准。DF 值应通过发动机的老化运转求出：在耐久期后测得的排放值除以新机（排放已稳定后）上测得的排放值，即DF 值。

2.4 测试循环

欧洲第V 阶段小通机排放法规稳态测试循环根据类别按照表4 进行选择。

表4 欧洲小通机稳态测试循环（V 阶段）

2.5 其他要求

2.5.1 标签要求

在发动机产品需以“法定标识”的形式体现以下内容：

1）制造商名称或商标。

2）发动机型号。

3）发动机的唯一编码。

4）EU（欧洲）型式批准号码，即证书号。

5）发动机的生产日期，体现出年和月即可。

“法定标识”信息采用以下固定方式：

1）可采用打刻或粘贴的方式体现在发动机上（申请时在资料中有描述位置和固定方式）。

2）具有完整无损的固定方式，使它在不毁坏或者不损伤其外观的前提下无法被取下。

3）牢牢固定在发动机正常运转所必需的零件上，该零件一般是不需要更换的。

4）在整个发动机寿命期间都耐久且清楚易读。

5）如安装到机械上被遮挡，则需要在机械上粘贴一个副本。

2.6 实施日期

根据2016/1628/EU 指令规定，自2018 年1 月1日起手持式和非手持式发动机必须按照欧洲第V 阶段的要求进行型式认证。

关于投放市场的日期，在第V 阶段开始实施12个月后，即2019 年1 月1 日，凡是满足第V 阶段限值要求的发动机（无论单机或已配套的发动机），各成员国应允许其投入市场，新生产的发动机如未经认证达到第V 阶段限值要求则不得投入市场。对于过渡发动机（2019 年1 月1 日之前生产的符合欧Ⅱ排放要求的发动机）或安装有过渡发动机的非道路移动机械，允许销售至2020 年12 月31 日。扫雪机产品允许销售至2022 年12 月31 日。

欧V 实施日期及投入市场日期如表5 所示。

表5 欧洲小通机第V 阶段排放法规实施日期

3 欧洲第Ⅴ阶段排放法规的变化

相较于欧洲第Ⅱ阶段排放法规，小通机第V 阶段排放法规变化主要涉及以下内容：发动机分类，排放限值，部分排量的耐久性要求，燃气排放要求，测试燃料、系族划分要求，化油器防篡改和制造商授权代表的要求。

3.1 分类方法不同

小通机在欧洲的分类方式首先根据用途分为手持式和非手持式，然后按照排量的大小加以细分。欧洲第Ⅰ、Ⅱ阶段发动机分类方式和类别相同，第V 阶段沿用了手持式和非手持式的分类方式，但具体类别不同。第Ⅰ、Ⅱ阶段分类如表6 所示。

表6 欧洲小通机排放法规发动机分类（第I、II阶段）

相对于欧洲第Ⅰ、Ⅱ阶段，第V 阶段排放法规的发动机分类方法主要变化有：

1）手持式发动机以排量50 mL 为分界点，由第Ⅰ、Ⅱ阶段的3 小类简化为2 小类；

2）引入“速度模式”作为分类标准，结合排量大小划分出更为细致的子类别；

3）80 mL≤排量＜225 mL 的非手持式发动机结合“速度模式”细分；

4）排量＜80 mL 的非手持式发动机归入手持式发动机类别。

3.2 排放限值加严

小通机欧洲第I 阶段排放法规中，对手持式发动机的HC 和NOx分别作出限值要求，对非手持式发动机的HC+NOx作出限值要求，第Ⅱ阶段统一对HC+NOx作出限值要求。第Ⅱ阶段手持式发动机HC+NOx限值严于第Ⅰ阶段，CO 限值2 个阶段相同，第II 阶段非手持式发动机HC+NOx限值只针对排量大于等于225 mL 类别进行了加严，CO 限值放宽要求。欧洲第Ⅰ、Ⅱ阶段排放限值如表7 所示。

表7 欧洲小通机排放限值（第I、II 阶段）g·（kW·h）-1

与欧洲第Ⅱ阶段排放法规相比，小通机欧洲第V 阶段排放限值主要变化如下：

1）手持式发动机类别发生了变化，但手持式发动机排放限值维持不变，与第Ⅱ阶段一致。

2）非手持式发动机HC+NOx排放限值加严，对于排量为[80，225）mL 的非手持式发动机，HC 和NOx排放限值在Ⅱ阶段基础上降低38%；对于排量大于等于225 mL 的非手持式发动机，HC 和NOx排放限值在Ⅱ阶段基础上降低34%。非手持式发动机第V阶段排放限值与美国EPA 第Ⅲ阶段限值趋于一致。

3）取消了对于NOx不得超过10 g/（kW·h）的排放限值要求。

3.3 耐久性要求

欧洲小通机排放法规从第Ⅱ阶段开始，有了耐久性要求，即要求发动机在整个使用寿命内均要满足限值要求。第V 阶段耐久性要求分为3 类，与第Ⅱ阶段相同，2 阶段各类耐久时间要求也基本一致，只是由于2 个阶段的类别划分不同，对于排量大于等于66 mL 小于80 mL 的非手持式发动机的耐久时间要求不同，第Ⅱ阶段1 类耐久时间为125 h，2 类为250 h，3 类为500 h，第V 阶段对于排量小于80 mL的非手持式发动机适用手持式发动机要求，所以1类耐久时间为50 h，2 类为125 h，3 类为300 h。欧洲第Ⅱ阶段排放法规具体耐久性要求请如表8 所示。

表8 欧洲小通机排放法规耐久性要求（Ⅱ阶段） h

3.4 其他要求

除了发动机类别、排放限值及耐久时间的不同，欧洲第V 阶段排放法规还有以下变化。

1）增加了燃气机排放要求。

2）测试油品发生变化。由第Ⅱ阶段的E0 燃油，变化为第V 阶段使用E10（乙醇）燃油。

3）系族划分的要求：单缸小于750 mL 的发动机系族最小排量从最大机型排量的85%降为70%。

4）增加了化油器防篡改要求。

5）增加了制造商授权代表的要求：要求是在欧洲成员国范围内的企业或是在欧洲成员国境取得永久居住权的个人。主要职责为：保管认证申请资料，确保发动机投入市场后10 年内认证机构可以随意查阅；向认证机构提供可以证明产品一致性的所有资料；与发证机构或市场监管机构合作，采取措施消除发动机潜在的风险。

4 欧洲排放法规发展趋势

4.1 蒸发排放

与美国第三阶段排放法规不同，欧洲小通机第V 阶段法规未对蒸发排放做出要求。预计在下一阶段排放法规中会评估是否引入蒸发排放要求。

4.2 颗粒物排放

欧洲小通机第V 阶段排放法规不包括颗粒物排放要求，在下一阶段排放法规中会评估是否引入颗粒物排放要求。

4.3 在用测试

从接近实际使用情况方面来讲，非道路移动机械的在用测试是发展趋势，这也将便于管理部门实施监管，但欧洲小通机第V 阶段排放法规不包括在用测试排放要求，在下一阶段排放法规中会评估是否引入在用测试排放要求。

4.4 市场监管和信息共享

在对欧洲小通机第II 阶段排放法规实施评估过程中，发现市场监管的弱化和不到位是未达到法规预期效果的主要原因之一，另外各成员国在实施法规过程中存在严松不一致的情况，且各成员国之间的市场监管信息共享滞后也影响了法规实施的效果，因此在下一阶段排放法规中，将会从服务市场监管和信息共享方面进行完善。

5 结论

相对于欧洲小通机第Ⅱ阶段排放法规,第V 阶段排放法规修改了小通机发动机分类方法，降低了排气污染物排放限值，规定了测量方法、耐久性要求等。总体来说，出于全球协调统一的考虑，尾气排放限值要求与EPA 第Ⅲ阶段排放限值基本一致，与EPA 第Ⅲ阶段不同,欧洲第V 阶段没有蒸发排放的要求。