國內(nèi)外汽油排放法規(guī)及汽車電子控制系統(tǒng)研究

國內(nèi)外汽油排放法規(guī)及汽車電子控制系統(tǒng)研究

汽車污染源排放的控制隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類生活環(huán)境和工作環(huán)境也面臨著各種各樣的污染，如氣候、水源、輻射和噪聲，這嚴(yán)重?fù)p害了生態(tài)平衡。而汽車工業(yè)的快速發(fā)展,汽車的生產(chǎn)量和保有量急劇增加,汽車排放污染已成為大氣污染最主要的根源,嚴(yán)重地危害著人類的健康。據(jù)研究,大氣中38.5%的一氧化碳(CO)、21.7%的碳?xì)浠衔?HC)、87.6%的氮氧化物(NOx)、11.7%的二氧化碳(CO2)、6.2%的二氧化硫(SO2)、32%的微粒物(PM)來自汽車廢氣排放。而城市大氣中,61%的CO、87%的HC、55%的NOx來自汽車廢氣排放。因此解決汽車排放對環(huán)境污染的危害,成為世界各國多年來研究的最重要課題之一。為了治理環(huán)境污染,各國相繼對大氣中各種排放污染源的排放提出控制要求,制定強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn)(排放法規(guī)),以控制汽車污染物排放量。汽車排放法規(guī)的實(shí)施,需要采用相應(yīng)的發(fā)動機(jī)控制技術(shù),汽車制造廠根據(jù)排放限值的目標(biāo)要求,研制出各種治理排放的技術(shù)措施,控制技術(shù)的發(fā)展為排放法規(guī)的制定提供了依據(jù)和保證,排放法規(guī)的實(shí)施又推動了控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。低污染汽車法規(guī)美國和日本最早于二十世紀(jì)60年代起開始汽車排放控制,美國排放法規(guī)要求最嚴(yán),日本一直緊跟美國,1994年起美國執(zhí)行極其嚴(yán)格的低污染汽車法規(guī)(LEV)后,美、日之間的距離略為拉開。歐洲控制排放比美、日晚,而且標(biāo)準(zhǔn)要求較松,但是到1992年實(shí)施歐洲第一階段(歐Ⅰ)排放法規(guī)后,步伐加快,已超過日本,接近美國LEV計(jì)劃。美國、日本和歐洲的汽車排放法規(guī)形成當(dāng)今世界三大汽車排放法規(guī)體系。從政府政策上控制汽車燃油蒸發(fā)物排放美國是世界上最早執(zhí)行排放法規(guī)的國家,也是排放控制指標(biāo)種類最多、排放法規(guī)最嚴(yán)格的國家。美國的汽車排放法規(guī)分為聯(lián)邦排放法規(guī)即環(huán)境保護(hù)局(EPA)排放法規(guī)和加利福尼亞空氣資源局(CARB)排放法規(guī)。聯(lián)邦排放法規(guī)落后加利福尼亞州排放法規(guī)1～2年。美國加州1960年立法控制汽車排氣污染物,在1963年美國政府頒布《大氣凈化法》當(dāng)年加州開始控制曲軸箱燃油蒸發(fā)物排放;1966年加州頒布實(shí)施“7工況法”汽車排放法規(guī),1968年聯(lián)邦采用“7工況法”控制汽車排放;1970年加州開始控制轎車燃油蒸發(fā)物排放,美國聯(lián)邦政府從1970年開始制定一系列車輛排放控制法規(guī),1972年采用LA-4C(FTP-72)測試循環(huán),并增加對NOx的控制,1975年改用LA-4CH(FTP-75);1975年起到80年代,美國排放法規(guī)大幅度加嚴(yán),特別強(qiáng)化對NOx的限值,同時(shí)再提高對HC和CO的控制,1983年排放法規(guī)一直執(zhí)行到1993年。1990年美國國會對《大氣凈化法》作了重大修訂,對汽車排放提出了更高的要求。1994年加利福尼亞州制定的低污染汽車排放法規(guī),將輕型車分為過渡低排放車(TLEV)、低排放車(LEV)、超低排放車(ULEV)和零排放車(ZEV)(限值見表1),并且規(guī)定從1998年起銷售到加州的輕型車應(yīng)有2%為無污染排放(零排放),2001年應(yīng)為5%,2003年應(yīng)達(dá)到10%。準(zhǔn)備在2004年進(jìn)一步強(qiáng)化汽車排放法規(guī)(SULEV),限值為ULEV的1/4。車輛管理標(biāo)準(zhǔn)日本是世界上第二大汽車生產(chǎn)國,從1966年起開始控制汽車排放污染,對新車4工況檢測,規(guī)定控制CO小于3%,1969年加嚴(yán)到2.5%;1971年規(guī)定小型車CO小于1.5%,輕型車CO小于3%;1973年采用10工況法,增加HC和NOx作為排放控制指標(biāo);1986年對柴油轎車限值加嚴(yán)控制,對在用車制定定期車檢法規(guī);1991年起新車采用10.15工況試驗(yàn),排放法規(guī)不變,1993年對柴油車排放進(jìn)行控制。日本汽車排放法規(guī)限值有最高值和平均值兩種,每一輛車的排放量不得超過最高值,平均值指每一季度測得的各輛車的平均值不得超過排放法規(guī)規(guī)定的平均值限值。排放限值的增加歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(ECE)從1960年頒布實(shí)施第一項(xiàng)ECE法規(guī)至今,已形成109項(xiàng)包括安全、環(huán)保、節(jié)能三大領(lǐng)域的汽車排放法規(guī)體系。歐洲經(jīng)濟(jì)委員會從1970年開始以ECER15法規(guī)的形式對輕型汽油車排氣污染物和曲軸箱污染物排放進(jìn)行控制,以后每隔3～4年修訂加嚴(yán)一次,形成了ECER15-01(1975)、ECER15-02(1977)、ECER15-03(1979)系列排放法規(guī)。在1975年前執(zhí)行的ECER15和ECER15-01法規(guī)只限制CO和HC的排放量,從1977年的ECER15-02法規(guī)開始增加了對NOx的限值要求。為控制NOx的排放,1982年～1985年實(shí)施的ECER15-04法規(guī),對HC和NOx的總量作為一個(gè)限值來控制;從1988年起排放法規(guī)細(xì)分為ECER83(88/76/EEC)和ECER15-04兩部分,其中ECER83適用于最大總質(zhì)量不大于2500kg或定員6人以下的燃油(含鉛汽油、無鉛汽油、柴油)汽車,ECER15-04適用于最大總質(zhì)量大于2500kg而小于3500kg的汽車(參見表3)。為了達(dá)到ECER83法規(guī)要求,1989年起ECE開始使用無鉛汽油。ECE在1991年修改了ECER83-00法規(guī),形成了歐洲Ⅰ號排放法規(guī),從1992年開始實(shí)施。該法規(guī)積極向美國排放法規(guī)靠攏,大大加嚴(yán)了排放限值。考慮道路交通情況的變化,修改了試驗(yàn)規(guī)范,改為ECE15(城區(qū))工況+EUDC(城郊)工況試驗(yàn)循環(huán);1996年起執(zhí)行歐洲Ⅱ號排放法規(guī),排放法規(guī)限值已接近美國過渡低污染車(TLEV)的限值水平,歐Ⅱ法規(guī)中不僅型式認(rèn)證時(shí)對汽車排氣排放限值加嚴(yán),而且生產(chǎn)一致性檢查排氣排放限值與型式認(rèn)證時(shí)限值相同。2000年執(zhí)行的歐洲Ⅲ號排放法規(guī),HC和NOx分別給出限值,在歐Ⅱ基礎(chǔ)上將排放限值再降低一半,排氣測量方法改為發(fā)動機(jī)起動后立即采樣,加嚴(yán)對HC、CO的限制。以前的方法都是在發(fā)動機(jī)起動后40s才開始采樣,而70%的HC都是在起動后125s內(nèi)生成的,原來起動后40s內(nèi)不采樣,使冷起動時(shí)約有30%的排放污染物未測到。并新增如低溫冷起動排放試驗(yàn)、OBD系統(tǒng)功能檢查、LPG/NG汽車排放試驗(yàn)、8萬公里內(nèi)的在用車工況法排放一致性檢查、替代用催化器的認(rèn)證等項(xiàng)目,確保在用車排放持續(xù)達(dá)標(biāo)的要求。排放標(biāo)準(zhǔn)的等效化我國機(jī)動車污染控制工作始于1979年《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法(試行)》頒布以后,1984年4月1日起實(shí)施GB3842～3844-83四沖程汽油車怠速污染物、柴油車自由加速煙度、柴油車全負(fù)荷煙度排放標(biāo)準(zhǔn)。1989年制定了參照ECE15-03和采用ECE15-04法規(guī)的GB11641～11642-89輕型汽車排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。1994年5月起實(shí)施GB14761.1～14761.7-93七項(xiàng)汽車排放標(biāo)準(zhǔn),對汽油車怠速污染物、柴油車自由加速煙度和全負(fù)荷煙度排放限值有所加嚴(yán)。由于世界三大排放標(biāo)準(zhǔn)體系中,歐洲法規(guī)在標(biāo)準(zhǔn)的松嚴(yán)程度、道路交通情況等方面相對較適用于我國的實(shí)際情況,中國在充分吸收歐美的經(jīng)驗(yàn)后,全面等效采用歐盟(EU)指令、ECE技術(shù)內(nèi)容和部分采用歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(EEC)法規(guī)的基礎(chǔ)上形成了中國排放法規(guī)體系。1999年國家頒布了四項(xiàng)等效采用歐洲排放法規(guī)的GB3847-1999《壓燃式發(fā)動機(jī)和裝用壓燃式發(fā)動機(jī)的車輛排氣可見污染物限值及測試方法》、GB14761-1999《汽車排放污染物限值及測試方法》、GB17691-1999《壓燃式發(fā)動機(jī)和裝用壓燃式發(fā)動機(jī)的車輛排氣污染物限值及測試方法》、GB/T17692-1999《汽車用發(fā)動機(jī)凈功能測試方法》標(biāo)準(zhǔn)。1998年我國實(shí)施的國標(biāo)GB14761.1-93達(dá)到了ECE15/04法規(guī)規(guī)定的限值,1999年1月1日北京率先實(shí)施相當(dāng)于歐I限值的DB11/105-1998《輕型汽車排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,2000年1月1日在全國實(shí)施相當(dāng)于歐I限值的GB14761-1999標(biāo)準(zhǔn)(該標(biāo)準(zhǔn)已于2001.04.16被GB18352.1-2001《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(Ⅰ)》標(biāo)準(zhǔn)代替),GB18352.2-2001《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(Ⅱ)》等效于歐II排放法規(guī),自2004年7月1日起在全國實(shí)施,等效于歐Ⅲ的國家標(biāo)準(zhǔn)不久將出臺,北京計(jì)劃在2005年提前實(shí)施。此外,國家從2000年1月1日起實(shí)施GB17930-1999《車用無鉛汽油》標(biāo)準(zhǔn),為實(shí)施相當(dāng)于歐洲Ⅰ號的國家標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造了條件。根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析,隨著GB18352.1-2001等排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,能明顯縮短我國與國外汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的差距,使我國的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到歐洲20世紀(jì)90年代的水平。但是歐洲從2000年已開始實(shí)施更加嚴(yán)格的歐Ⅲ排放法規(guī),2005年將實(shí)施歐Ⅳ排放法規(guī),就NOx、HC、CO及微粒物質(zhì)等排放限值,歐Ⅲ限值是歐Ⅱ的71%、60%、53%和67%,歐Ⅳ限值是歐Ⅲ的70%、70%、71%和20%,對照我國《機(jī)動車排氣污染物防治技術(shù)政策》要求,我國現(xiàn)行的汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)仍落后歐洲8～10年左右。在國家對相關(guān)法規(guī)、政策的實(shí)施和強(qiáng)有力的監(jiān)督管理下,對定型和新生產(chǎn)車實(shí)施強(qiáng)制性排放標(biāo)準(zhǔn),特別是2001年7月1日起實(shí)施GB18285-2000對在用汽車排氣污染進(jìn)行控制,將進(jìn)一步改善排氣污染。機(jī)外凈化的應(yīng)用降低汽車排放污染有多種途徑,可分為發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化,也可采用電力驅(qū)動、太陽能電池、混合驅(qū)動和代用燃料等。機(jī)內(nèi)凈化用于改善可燃混合氣的質(zhì)量和燃燒狀態(tài)的方式來控制有害氣體的產(chǎn)生,使汽車排放的有害成分減至最少;機(jī)外凈化是用設(shè)置在發(fā)動機(jī)外部的附加裝置使排出的廢氣經(jīng)凈化后再排入大氣,包括柴油機(jī)的NOx和微粒后處理技術(shù)及汽油機(jī)的廢氣催化轉(zhuǎn)化技術(shù)等。隨著排放法規(guī)的越來越嚴(yán)格,發(fā)動機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化技術(shù)也在不斷發(fā)展,其中電子燃油噴射閉環(huán)控制和三元催化轉(zhuǎn)換器相結(jié)合是最成熟且最有效降低發(fā)動機(jī)排放的手段,利用此技術(shù)絕大部分車型都能達(dá)到歐I及歐II的排放要求。1.燃油噴射系統(tǒng)優(yōu)化在以汽油機(jī)為動力的現(xiàn)代汽車上,汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)作為一種能夠有效控制汽車排放的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù),以低排放、低油耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)而獲得迅速發(fā)展,得到了廣泛的應(yīng)用。汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)利用電子控制燃油噴射技術(shù),對噴油規(guī)律進(jìn)行控制,根據(jù)發(fā)動機(jī)工況實(shí)現(xiàn)噴射量、噴射定時(shí)、噴射率的最佳控制,將更精確地控制汽油發(fā)動機(jī)的空氣/燃油混合比及點(diǎn)火正時(shí),使可燃混合氣完全燃燒,從而減少尾氣有害物質(zhì)的排放。該系統(tǒng)不僅可精確控制燃油供應(yīng)量,以取代傳統(tǒng)的化油器,而且可以控制點(diǎn)火提前角和怠速空氣流量等,極大地提高了發(fā)動機(jī)性能,降低燃油消耗,具有顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2.空燃比氧化的作用三元催化轉(zhuǎn)換器是目前最常見的排氣催化器,在三元催化轉(zhuǎn)換器中,汽油機(jī)排氣中的三種主要污染物CO、HC、NOx互相反應(yīng),生成對人體沒有直接傷害N2、H2O、CO2。三元催化轉(zhuǎn)換器在空燃比接近化學(xué)當(dāng)量空燃比時(shí)效果最好,空燃比過大,NOx得不到還原;空燃比過小,則CO、HC不能被充分氧化。通常開環(huán)控制的汽油機(jī)使用三元催化轉(zhuǎn)換器可轉(zhuǎn)化50%左右的排氣污染物;而閉環(huán)控制系統(tǒng)(如采用氧傳感器)和三元催化轉(zhuǎn)換器的結(jié)合,在λ=1的一個(gè)狹小范圍內(nèi)可以轉(zhuǎn)化90%以上的排氣污染物。燃油品質(zhì)的提高是最基本的控制燃油是汽車發(fā)動機(jī)的動力源,燃油質(zhì)量不僅直接關(guān)系到汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性,而且對汽車的排放性能及安全性起著至關(guān)重要的作用。汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格,對我國車用汽油的質(zhì)量提出了更高的要求。目前我國的燃油質(zhì)量與發(fā)達(dá)國家同標(biāo)號的燃油質(zhì)量相比有較大的差距,我國從2000年1月1日起實(shí)施GB17930-1999《車用無鉛汽油》標(biāo)準(zhǔn),能滿足歐Ⅰ排放要求。歐盟各國于1997年開始執(zhí)行歐Ⅱ排放法規(guī),當(dāng)時(shí)的EN228-1998無鉛汽油標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從1995年開始,硫含量已降到0.05%(m/m)以下,目前中國的燃油品質(zhì)不能滿足《世界燃油規(guī)范》中第2類無鉛汽油的要求。由于原油成分及煉油技術(shù)的差異,使我國的成品油含硫量高、烯烴含量較高。試驗(yàn)檢測表明,同樣的發(fā)動機(jī)使用國外和國產(chǎn)的油品或國產(chǎn)不同生產(chǎn)廠家不同批次的成品油,其性能差異較大,特別是排放差異明顯。烯烴含量高會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)爆震及噴嘴結(jié)炭堵塞,工作不平穩(wěn),可靠性、耐久性差,硫、鉛含量高,將導(dǎo)致電噴發(fā)動機(jī)三元催化器中毒、失效,使發(fā)動機(jī)排放惡化。通過執(zhí)行不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn),不僅推動了汽車行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,同時(shí)帶動了石油化工行業(yè)的技術(shù)改造和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,提高了我國燃油生產(chǎn)的整體水平,為汽車行業(yè)使用新技術(shù)如電噴技術(shù)及三元催化器奠定了基礎(chǔ)。但是,我國的燃油質(zhì)量還不能完全滿足我國汽車工業(yè)的要求,如我國的汽油含硫量高達(dá)800～1000ppm,而美國的汽油含硫量已控制在10ppm。隨著我國排放法規(guī)的加嚴(yán),不但對汽車的技術(shù)和質(zhì)量提出了日益嚴(yán)格的要求,同時(shí)對油品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量也提出了更高的要求。對于現(xiàn)代技術(shù),高品質(zhì)的燃油對降低車輛排放起到立竿見影的效果,是一種成本效益比很好的方法。發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展和燃油品質(zhì)的提高是互相影響的,如汽油直噴和高品質(zhì)的燃油關(guān)系很大,當(dāng)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)時(shí),車用燃油的標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)相應(yīng)提高,為新的排放控制技術(shù)的應(yīng)用和保證車輛排放性能的耐久性提供必需的支持條件。根據(jù)國內(nèi)外汽車制造廠的要求及使用情況,燃油中加入清潔劑,有利于改善排放污染。我國燃油清潔劑的質(zhì)量要求、評價(jià)方法及含量檢測等標(biāo)準(zhǔn)的制定,將保證燃油清潔劑科學(xué)、有效地使用。滿足美國和歐洲排放法律法規(guī)的控制技術(shù)中國汽車燃料機(jī)采用的排放控制技術(shù)汽油發(fā)動機(jī)公司s中國于1994年10月開始批量生產(chǎn)汽油機(jī)電子控制系統(tǒng)控制汽車尾氣排放,縮短了與國外排放控制技術(shù)的差距。上海大眾汽車有限公司率先引進(jìn)德國博世(BOSCH)公司的MotronicM1.5.4系統(tǒng)用于AFE型發(fā)動機(jī),1996年又引進(jìn)MotronicM3.8.2系統(tǒng)用于AJR(現(xiàn)改為AYJ)型發(fā)動機(jī)。一汽大眾汽車有限公司也使用MotronicM3.8.2系統(tǒng)用于捷達(dá)轎車。由中聯(lián)汽車電子有限公司與德國羅伯特.博世(BOSCH)公司在1995年底共同合資的聯(lián)合汽車電子有限公司(UAES),在國內(nèi)首家引進(jìn)生產(chǎn)汽油發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)(EMS)零部件,具有100萬套的生產(chǎn)能力。投資1.5億元人民幣建成的技術(shù)中心,配備了國際一流的試驗(yàn)和匹配設(shè)備,進(jìn)行發(fā)動機(jī)與整車的匹配標(biāo)定,為EMS系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。公司擁有中國第一批成熟的電噴技術(shù)專業(yè)人才,已掌握了M1.5.4、M3.8.3、M7、ME7的電噴技術(shù),并不斷追趕世界的先進(jìn)技術(shù)。國內(nèi)主要車型的匹配全部達(dá)到歐II排放法規(guī)的要求,有些發(fā)動機(jī)正在做達(dá)到歐Ⅲ排放要求的匹配工作。M1.5.4系統(tǒng)已用于微型車,如裝備長安JL368Q3、JL465Q5、JL462Q3及東安DA465Q、DA465Q-1A/D等發(fā)動機(jī)的系列微車,滿足歐洲Ⅱ號排放法規(guī)的限值要求;M3.8.3系統(tǒng)用于上海大眾B5、一汽大眾C5型發(fā)動機(jī)等,滿足歐洲Ⅱ號排放法規(guī)的限值要求;ME7系統(tǒng)用于一汽大眾寶來(Bora)和上海大眾波羅(Polo)轎車,能夠滿足歐洲Ⅱ號排放法規(guī)的要求,其中波羅1.6升轎車的Ⅰ型試驗(yàn)已達(dá)到歐洲Ⅳ號排放法規(guī)的要求。近來,將技術(shù)含量最高的電噴系統(tǒng)M7.9.7裝上了賽歐轎車,桑塔納LPG項(xiàng)目也將自主開發(fā)、匹配完成,聯(lián)合電子的匹配技術(shù)和試驗(yàn)條件完全能保證歐II甚至歐Ⅲ排放法規(guī)要求的匹配工作。最近,上海大眾、上海通用、一汽大眾、神龍公司等一大批車型已申請并通過了對提前達(dá)到歐II排放標(biāo)準(zhǔn)車輛減征30%的消費(fèi)稅的認(rèn)定,這說明這些車輛已通過了8萬公里耐久性的考驗(yàn)。聯(lián)合電子幾十個(gè)項(xiàng)目的試驗(yàn)也證明:現(xiàn)行中國石化提供的符合GB17930-1999《車用無鉛汽油》標(biāo)準(zhǔn)的汽油,雖然沒有達(dá)到《世界燃油規(guī)范》的第2類汽油的技術(shù)指標(biāo),但用這種汽油在國內(nèi)匹配的系統(tǒng)完全能達(dá)到8萬公里耐久的排放要求。測試系統(tǒng)的不足及對策國內(nèi)外汽車排放法規(guī)和發(fā)動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)