ISO 8178-22021 往复式内燃机.废气排放测量.第2部分现场条件下气体和颗粒废气排放的测量标准立项发展报告

*往复式内燃机废气排放测量第2部分：现场条件下气体和颗粒废气排放的测量标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Reciprocatinginternalcombustionengines—Exhaustemissionmeasurement—Part2:Measurementofgaseousandparticulateexhaustemissionsunderfieldconditions摘要随着全球对环境问题的日益关注，尤其是对移动源和固定源大气污染物排放的严格管控，内燃机作为一种广泛应用的动力装置，其废气排放的精确测量是制定排放法规、实施环保监督及推动技术革新的基石。本标准立项发展报告围绕国际标准ISO8178-2:2021《往复式内燃机废气排放测量第2部分：现场条件下气体和颗粒废气排放的测量》展开。研究背景基于当前内燃机应用场景的多样性，以及实验室台架试验与现场实际运行工况之间存在的显著差异，导致实验室测量结果难以全面反映真实排放水平。本报告主要内容包括对标准的技术框架进行解析，重点阐述了该标准在现场测定方法、污染物组分（气态污染物及颗粒物）的采样与分析技术、数据修正与计算模型等方面的最新修订内容。重要结论指出，ISO8178-2:2021通过引入更先进的便携式排放测量系统（PEMS）要求、细化颗粒物数量（PN）测量规范以及加强现场环境适应性评估，显著提升了排放测试的现场适用性和数据准确性。该标准的发布对于推动内燃机行业向绿色低碳转型、支撑“双碳”目标下的精准监测、促进国际贸易中的技术互认具有重要的指导意义和应用价值。关键词：往复式内燃机；废气排放测量；现场条件；便携式排放测量系统；颗粒物排放；标准化；ISO8178Keywords:Reciprocatinginternalcombustionengines;Exhaustemissionmeasurement;Fieldconditions;Portableemissionsmeasurementsystem(PEMS);Particulateemissions;Standardization;ISO8178正文1.引言往复式内燃机作为现代工业、交通、农业及能源领域的核心动力源，其废气排放是造成大气污染和温室效应的重要源头之一。为有效遏制环境污染，各国政府及国际组织相继制定了日趋严格的排放法规，如欧盟的非道路移动机械排放指令（StageV）、美国的环保署（EPA）Tier标准及中国的国家第六阶段（国六）排放标准。这些法规的有效执行，高度依赖于一套科学、严谨、可重复的排放测量标准体系。国际标准化组织（ISO）发布的ISO8178系列标准是全球内燃机排放测量领域最具权威性的技术规范。其中，ISO8178-2专门针对现场条件下的排放测量。与实验室条件下高度可控的环境不同，现场条件面临的环境温度、湿度、大气压、负荷波动、燃油品质及发动机技术状态等变数更为复杂。因此，该标准的制定与修订，旨在确保在非实验室环境下获得的排放数据依然具有高度的准确性与可比性。本标准（2021版）替代了之前的版本，标志着内燃机排放测试技术从传统的实验室台架向真实运行工况的又一次重大跨越。2.标准技术框架与核心内容ISO8178-2:2021规定了在现场条件下对往复式内燃机（包括火花点火式和压燃式）的气态污染物（如一氧化碳CO、碳氢化合物HC、氮氧化物NOx）及颗粒物（包括质量PM和数量PN）进行测量的方法和程序。2.1适用范围与总体要求本标准适用于但不限于以下领域：-非道路移动机械：工程机械、农业机械、发电机组、船舶辅机等。-道路车辆：特别是在耐久性测试或在保用期内检查中的车载排放测试。-实验室外的固定式发动机：如应急发电机组、天然气压缩机驱动装置等。标准严格要求测量系统应具备便携性、耐久性及抗恶劣环境能力。2021版特别强化了对便携式排放测量系统（PEMS）的技术性能要求，以确保其在现场振动、温度变化、电源不稳定等条件下仍能稳定工作。2.2气态污染物的测量标准详细规定了气体分析仪的选用原则，包括非色散红外分析仪（NDIR，用于CO、CO₂）、化学发光分析仪（CLD或HCLD，用于NOx）、火焰离子化检测器（FID，用于总烃THC及甲烷CH₄）。2021版的一个关键更新是引入了对“湿基”与“干基”测量结果的精确转换关系，以及针对环境稀释效应（如雨水、高湿度）对CO₂浓度测量影响的修正算法。此外，标准对NOx测量中氮氧化物转换器的效率验证、响应时间及干扰校正提出了更严格的验收准则。2.3颗粒物（PM）的测量颗粒物测量是现场排放测试的一大技术难点。ISO8178-2:2021对此进行了大幅革新：1.⁠颗粒物质量（PM）：采用稀释定容采样系统（CVS）或部分流稀释系统，滤纸称重法。标准规定了采样滤纸的材质（如PTFE涂层硼硅酸盐玻璃纤维）、温度控制（47±5℃）、平衡条件及微量天平（精度1μg）的校准要求。对于高浓度排放场景，允许使用缩短采样时间来防止滤纸过载。2.⁠颗粒物数量（PN）：这被视为2021版标准最核心的技术进步之一。标准首次详细规定了在现场条件下采用凝聚核粒子计数器（CPC）等设备测量颗粒物数量的方法。要求测量系统能够计数且识别粒径在23nm以上的非挥发性颗粒物（solidPN）。此规定与小排量汽油直喷发动机（GDI）和高压共轨柴油机颗粒捕集器（DPF）的失效诊断密切相关，填补了现场测量颗粒物数量无据可依的空白。标准还对颗粒物预处理单元（如挥发性粒子去除器VPR）的效率进行了严格定义。2.4数据评估与修正现场测试数据往往因环境条件和发动机状态波动而存在异常。标准提供了一套完整的数据处理流程：-模态分析：将测试工况（如非道路机械的瞬态循环）分解为稳态及瞬态段落。-回归与验证：引入CO₂平衡法验证稀释比，运用功率积分法对非完整循环进行数据修正。-环境因素校正：对进气温度、湿度和压力（Boyle-Mariotte气态方程与湿度修正系数Kh）对NOx排放进行标准化。-结果表达：最终排放结果通常以克/千瓦时（g/kWh，比排放）或克/小时（g/h）表示。2021版标准特别强调了CO₂排放的精确计算，以服务于碳足迹核算。3.关键技术更新与行业影响与旧版本相比，ISO8178-2:2021的核心技术更新主要体现在以下几个方面：1.PEMS系统性能分类：将便携式排放测量系统划分为A、B类，分别对应不同的精度等级和应用场景，解决了过去PEMS系统良莠不齐的问题。2.实车在环测试兼容性：新标准明确支持与车辆OBD（车载诊断系统）接口的数据融合，允许利用发动机电控单元（ECU）中的数据流（如扭矩、转速、排气流量）进行辅助计算，减少了独立传感器的部署数量，提高了现场操作的便捷性。3.颗粒物数量测量的规范化：如上所述，PN测量方法的标准化将极大推动后处理系统（特别是DPF和GPF）在现场效率验证中的应用，帮助制造商识别“零排放”车辆是否真正达到了法规要求。该标准的发布对内燃机制造商、排放检测机构、环保管理部门以及燃料供应商产生了深远影响。制造商需依据本标准调整产品研发和认证流程；检测机构需升级PEMS设备及培训技术人员；监管部门则获得了更贴近实际排放的工具，从而更加科学地制定政策。4.主要参与单位介绍ISO8178-2:2021的制定与修订，由国际标准化组织/内燃机技术委员会（ISO/TC70）主导，并得到全球多个国家标准化机构及行业巨头的深度参与。下面详细介绍一个在本标准制定中扮演关键角色的欧洲代表性机构——德国汽车工业协会（VDA）及其下属的内燃机排放专家组。德国汽车工业协会（VDA，VerbandderAutomobilindustrie）是代表德国汽车制造业（包括乘用车、商用车、零部件及发动机）的最权威行业组织。在本标准规定过程中，VDA发挥了不可替代的作用。*技术主导能力：作为世界上发动机技术最为先进的地区之一，德国在高压共轨、稀燃技术及后处理系统（SCR、DPF）领域拥有深厚的技术积累。VDA组织并整合其成员企业（如大众、戴姆勒、宝马、博世、大陆集团）的工程师资源，成立了专门的工作组，直接向ISO/TC70提交技术提案。他们针对“现场条件下”特有的挑战，如低温冷启动、高海拔低气压对排放的影响、颗粒物计数器在移动设备上的抗振性等，提供了大量的实验数据和工程解决方案，直接推动了标准中相关技术条款（特别是PEMS系统精度及PN测量方法）的细化与完善。*复杂工况模型构建：VDA协调其成员在非道路机械（如挖掘机、拖拉机）和重型卡车上的实际运行数据，协助建立了更具代表性的现场测试循环模型，解决了传统实验室循环无法覆盖某些特殊工作模式（如液压冲击、PTO动力输出）的痛点。*质量与合规性保障：VDA基于其“VDA6.3过程审核”等成熟的质量管理体系经验，向ISO推荐了在现场测试过程中的质量控制（QC）措施，确保在不同测试人员、不同地点、不同设备上获得的数据具有足够的可比性，使得该标准不仅是技术规范，也包含了严谨的质量管理要求。因此，可以说德国汽车工业协会（VDA）不仅是ISO8178-2:2021的参与者，更是该标准从“实验室理论”走向“现场实践”的核心驱动力与质量担保者。5.结论ISO8178-2:2021《往复式内燃机废气排放测量第2部分：现场条件下气体和颗粒废气排放的测量》是当前国际内燃机排放测量领域最具技术前沿性和实用指导性的标准文件。它成功地将排放测量从高度受控的实验室环境拓展到了复杂多变的现场工况，特别是细化了便携式排放测量系统（PEMS）的要求和颗粒物数量（PN）的现场测试方法，是应对全球日益严苛的排放法规（如欧七、国七）的重要技术储备。展望未来，标准化工作将呈现出以下几个发展趋势：1.智能化与数字化：未来标准将更加强调与大数据、云平台及人工智能算法的结合。PEMS系统不仅承担测量任务，还将作为智能传感器，实时将数据上传至云端，实现排放的“在线”与“互动”监管。2.全生命周期排放评估：标准测试对象将从单一的废气排放，扩展至包括温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）及非常规污染物（如NH₃、醛酮类）在内的全要素监测，并结合燃料（如可再生合成燃料、氢、氨）的碳足迹，进行全生命周期评估。3.非道路机械的独立发展：鉴于非道路机械的型号多样性和工况复杂性，未来ISO8178系列可能会进一步细化为针对特定机械（如拖拉机、液压挖掘机、发电机组）的独立附件或子标准，以提高测试