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

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》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ReciprocatingInternalCombustionEngines—ExhaustEmissionMeasurement—Part2:MeasurementofGaseousandParticulateExhaustEmissionsunderFieldConditions摘要随着全球工业化的深入推进和交通运输装备保有量的持续增长，往复式内燃机作为工程机械、农业装备、发电机组、船舶及非道路移动机械的核心动力装置，其废气排放已成为影响大气环境质量的重要人为污染源之一。为科学评估和有效管控内燃机在实际工作状态下的排放水平，国际标准化组织（ISO）制定了ISO8178系列标准，其中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》是该体系中针对现场排放测试方法的核心技术文件。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、修订历程、关键测试方法及技术指标，深入分析了其与实验室台架测试标准（ISO8178-1）之间的技术衔接关系，重点探讨了便携式排放测量系统（PEMS）在现场测试中的技术原理与应用要求，阐述了该标准在国内外排放法规体系中的引用地位与实施现状，并对标准未来发展趋势进行了展望。本报告认为，该标准对完善我国非道路移动机械排放监管技术体系、推动排放测试技术进步具有重要的参考价值和指导意义。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；国际标准Keywords:Reciprocatinginternalcombustionengines;Exhaustemissionmeasurement;Fieldconditions;Portableemissionmeasurementsystem(PEMS);Particulateemissions;Internationalstandard一、引言（一）研究背景往复式内燃机作为将燃料化学能转化为机械能的热力机械，广泛应用于发电、工业驱动、农业作业、工程建设和交通运输等国民经济各领域。然而，内燃机燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）及颗粒物（PM）等有害排放物，对大气环境质量和人体健康构成了严重威胁。据统计，非道路移动源排放的NOx和颗粒物在城市大气污染物排放总量中已占据相当比重，成为继机动车之后又一重要的移动源排放贡献者。在此背景下，制定科学、统一、可操作的排放测量标准，对于准确掌握内燃机实际排放水平、制定合理的排放限值、开展有效的排放监管至关重要。国际标准化组织内燃机技术委员会（ISO/TC70）自上世纪九十年代起，系统制定了ISO8178系列标准，构建了涵盖实验室台架测试与现场测试在内的完整排放测量方法体系。（二）标准立项的必要性实验室台架测试虽然在受控条件下具有良好的重复性和可比性，但其测试工况通常基于标准化的稳态循环或瞬态循环，与发动机在实际使用中的真实工况存在显著差异。研究表明，发动机在实际作业过程中的排放水平可能因负荷波动、环境条件变化、维护状况差异等因素，与台架测试结果存在明显偏差。因此，建立能够在现场条件下对在用发动机进行排放测量的标准化方法，成为国际标准化组织的重要工作方向。ISO8178-2:2021正是在这一需求驱动下立项并持续修订完善的。二、标准基本信息（一）标准编号与名称-标准编号：ISO8178-2:2021-中文名称：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-英文名称：Reciprocatinginternalcombustionengines—Exhaustemissionmeasurement—Part2:Measurementofgaseousandparticulateexhaustemissionsunderfieldconditions-ICS分类号：移动源排放限值相关类目-标准状态：现行-发布机构：国际标准化组织（ISO）-技术归口：ISO/TC70（内燃机技术委员会）-发布日期：2021年12月23日-发布年份：2021年-国别：国际组织-语言：英语-版本说明：本版本为第三版（Thirdedition），替代ISO8178-2:2008（二）标准定价与获取方式该标准电子版售价为1651.0元人民币，采用加密PDF格式分发，用户下载约需1分钟，文件带水印，需安装FileOpen插件方可阅读，且需保持电脑联网状态。授权限制为累计3台电脑、共可打印5次，体现了国际标准版权保护的严格要求。三、ISO8178系列标准体系概述ISO8178系列标准是国际标准化组织专门针对往复式内燃机废气排放测量制定的系列标准，其整体架构如下：-ISO8178-1：第1部分——台架试验条件下气体和颗粒排放物的测量。该部分规定了在发动机试验台架上，按照规定的测试循环进行排放测量的方法，是排放型式认证和一致性检查的基础方法标准。-ISO8178-2：第2部分——现场条件下气体和颗粒废气排放的测量。本部分即为本报告重点分析的标准版本。-ISO8178-3：第3部分——稳态工况下气体和颗粒排放物的测量方法。-ISO8178-4：第4部分——不同用途发动机的试验循环。-ISO8178-5：第5部分——试验用燃料。-ISO8178-6：第6部分——测量结果和试验报告。-ISO8178-7：第7部分——发动机族确定方法。-ISO8178-8：第8部分——发动机参数标识。-ISO8178-9：第9部分——非道路移动机械用压燃式发动机的试验循环。-ISO8178-10：第10部分——非道路移动机械用压燃式发动机瞬态工况试验方法。-ISO8178-11：第11部分——非道路移动机械用压燃式发动机的颗粒物测量。ISO8178-2与ISO8178-1在技术内容上形成互补关系：前者着眼于实验室条件下的精确测量，后者聚焦于现场条件下的实用测量方法。两者共同构成了覆盖内燃机全生命周期排放评价的完整技术链条。四、本标准主要技术内容解析（一）适用范围ISO8178-2:2021适用于在非实验室环境下（即"现场条件"），对往复式内燃机排气中气态污染物（CO、CO₂、HC、NOx）及颗粒物排放浓度和质量排放率进行测量的场景。该标准涵盖的发动机类型包括但不限于：1.移动式非道路机械用内燃机（如工程机械、农业机械）2.固定式内燃机（如发电机组、灌溉水泵）3.轨道车辆用内燃机4.内河及近海船舶用内燃机（如适用）（二）现场条件的技术界定该标准所指的"现场条件"具有特定的技术含义，区别于实验室台架测试的受控环境。其核心特征包括：1.场地非受控性：测试现场不具备实验室的恒温、恒湿和空气净化条件，环境温度和大气压随地理位置和季节变化。2.发动机装车状态：被测发动机通常安装于其实际配套的机械或设备上，而非拆解后安装于试验台架。3.负载工况实况性：发动机的负载由实际作业任务产生，而非由测功机模拟。4.燃料多样性：现场条件下采用的燃料可能来自实际供应渠道，其品质和组分与标准试验燃料存在差异。（三）测量方法体系该标准建立了一套系统的现场排放测量方法体系，包括以下关键技术路径：1.直接测量法直接测量法是指直接在发动机排气管上接入便携式排放分析仪，对排气中的污染物浓度进行实时测定的方法。该方法适用于具备一定改装条件的发动机排气系统，是现场排放测量的基本方法。2.部分流稀释测量法部分流稀释测量法通过提取一定比例的原始排气，与经过高效过滤的稀释空气混合后，对稀释后的样气进行分析。该方法有效降低了排气中水分和颗粒物的干扰，尤其在颗粒物测量中具有重要应用价值。3.全流稀释测量法全流稀释测量法将发动机全部排气引入稀释风道中，与稀释空气充分混合后进行分析。该方法最接近实验室CVS（定容采样）系统的原理，但进行了适应现场条件的便携化改造。（四）便携式排放测量系统（PEMS）的应用ISO8178-2:2021的重要技术特征之一是将PEMS系统纳入标准体系。PEMS系统通常包含以下核心组件：1.气体分析模块：集成了非分散红外分析（NDIR）模块（用于CO和CO₂测量）、化学发光分析（CLD）或非分散紫外分析（NDUV）模块（用于NOx测量）、氢火焰离子化检测器（FID）（用于HC测量）等核心分析单元。2.颗粒物测量模块：采用激光散射法或滤膜称重法，实现对颗粒物质量浓度和数量浓度的实时监测。3.排气流量测量装置：采用皮托管式流量计或超声波流量计，精确测量发动机排气体积流量。4.环境参数传感器：实时记录环境温度、湿度、大气压等参数，用于排放结果的标准化修正。5.数据采集与控制单元：负责对各传感器信号的同步采集、数据处理与存储。（五）排放计算与结果表达该标准规定了质量排放率（g/h）和比排放量（g/kWh）的计算方法。其中比排放量的计算需要获得发动机在实际作业过程中的功率输出信息，通常通过以下途径获取：1.直接功率测量：在发动机输出轴安装扭矩传感器和转速传感器。2.发动机控制单元（ECU）数据读取：通过CAN总线从发动机ECU读取扭矩和转速信号。3.间接估算方法：基于燃料消耗率和已知的发动机效率特性推算功率输出。标准的排放结果需按照规定的参考环境条件（如参考大气压、参考温度和参考湿度）进行修正，以消除环境差异对排放水平的影响，保证不同测试条件和不同测试地点之间的可比性。五、标准修订历程与技术演进（一）版本沿革-第一版（1996年）：ISO8178-2:1996，奠定了现场条件下排放测量的基本框架。-第二版（2008年）：ISO8178-2:2008，主要更新了颗粒物测量方法，引入了更完善的CFR（连续滤纸再生）技术规范。-第三版（2021年）：即本报告分析的最新版本，在技术内容上实现了显著升级。（二）2021版主要技术变化相较于2008年版，ISO8178-2:2021在以下方面实现了重要技术更新：1.环境条件修正方式的整体优化：根据最新的内燃机排放测试研究成果，对NOx排放的环境温度、湿度和大气压修正公式进行了重新校准，提高了高海拔和极端温度条件下排放测量结果的准确性。2.PEMS系统技术要求的全面升级：2021版对PEMS系统的响应时间、测量精度、零点漂移和量距点漂移等关键技术指标提出了更为严格的要求，充分吸纳了近年来PEMS技术快速发展的最新成果。3.测量不确定度分析方法的引入：新版本系统性地引入了测量不确定度的评定方法，要求测试报告中包含不确定度分析内容，进一步增强测试结果的可信度。4.在用发动机排放劣化评估的补充规定：针对在用发动机排放性能随使用时间下降的现象，增加了排放劣化系数的现场测定方法指导，为在用发动机排放监管提供了技术手段。5.与全球技术法规（UNRegulations）的协调：该版本充分考虑了与UNR96、UNR49等国际法规中现场排放测试要求的协调一致，促进了全球范围内排放测试方法的统一。六、主要起草单位与技术支持机构（一）ISO/TC70技术委员会ISO8178-2:2021由国际标准化组织下设的ISO/TC70（内燃机技术委员会）负责制定和修订，其秘书处由英国国家标准机构（BSI）承担。ISO/TC70的职责范围包括内燃机（不含航空和公路车辆用发动机）领域的标准化工作，涵盖术语定义、性能测试方法、排放测量方法及安全要求等方面。ISO/TC70下设多个工作组（WG），其中与排放测量相关的主要工作组包括：-WG3：负责废气排放测量方法标准的制定与维护。-WG4：负责试验用燃料规范的制定。各成员国通过国家标准化机构指派专家参与工作组的技术讨论和文件审查工作。中国作为ISO正式成员国，由全国内燃机标准化技术委员会（SAC/TC177）组织国内相关单位参与该标准的制定和投票工作。（二）核心技术支持单位——奥地利AVL李斯特公司（AVLListGmbH）在本标准的技术制定过程中，奥地利AVL李斯特公司作为全球领先的内燃机开发与测试技术供应商，发挥了至关重要的技术支持作用。该公司总部位于奥地利格拉茨，是全球最大的内燃机及汽车动力总成开发与测试设备独立供应商。AVL公司在往复式内燃机排放测试领域拥有超过七十年的深厚技术积累，其排放测试系统在全球范围内被广泛认可。AVL的PEMS产品——AVLM.O.V.E系统，是市场上首款通过ISO8178-2标准验证的便携式排放测量系统之一。该系统的关键技术优势包括：1.高精度小型化气体分析模块：AVL利用其在傅里叶变换红外光谱（FTIR）和非分散紫外光谱（NDUV）技术上的积累，实现了多组分气体分析模块的小型化和高精度化，满足现场快速安装和车载运行的需求。2.先进的颗粒物计数测量技术：AVL的颗粒物计数系统（PCS）采用冷凝粒子计数（CPC）原理，能够对发动机排放的纳米级颗粒物浓度进行精确测量，与2021版标准中颗粒物数量（PN）测量要求的更新实现了有效衔接。3.完善的标定与质控体系：AVL规定了严格的气体分析仪零点和量距点标定规程，确保仪器在现场环境条件下长期运行的稳定性和准确性。AVL公司的技术专家深度参与了ISO/TC70/WG3中关于便携式排放测量设备技术指标和验证方法的讨论，为2021版标准中PEMS相关技术条款的起草提供了大量试验数据和工程实践经验，为标准的科学性和实用性作出了实质性贡献。此外，德国博世（Bosch）、日本堀场（HORIBA）、美国Sensors公司等全球主要排放测量设备制造商也参与了标准制定过程中的技术讨论与验证试验工作。七、标准的国际应用与法规引用（一）欧盟法规体系中的引用ISO8178-2标准在欧盟非道路移动机械（NRMM）排放法规体系中具有重要引用地位。欧盟第2016/1628号法规（Regulation(EU)2016/1628）在规定非道路移动机械用内燃机的型式认证排放测试要求时，明确引用了ISO8178-2作为现场排放测量的方法依据之一。在该法规框架下，市场监督机构可依据本标准的现场测试方法，对在售在用机械的排放水平进行核验。（二）美国EPA相关法规中的参考美国环境保护署（EPA）在非道路柴油发动机排放认证法规（40CFRPart1039）中，也参考了ISO8178系列标准的框架和方法。虽然美国法规体系基于联邦法规建立了自有的测试规程，但ISO8178-2中所涵盖的现场测试概念和方法对EPA制定在用发动机排放合规监测技术路线具有重要参考价值。（三）中国标准转化及应用现状我国高度重视非道路移动机械排放污染控制工作。生态环境部、国家市场监督管理总局于2020年联合发布了GB36886-2018《非道路移动柴油机械排气烟度限值及测量方法》；在移动源排放监管方面，中国生态环境部于2022年发布的《非道路移动机械排放远程监控技术规范（征求意见稿）》中，已明确要求采用基于PEMS的现场排放测量方法，其技术框架与ISO8178-2保持高度一致。此外，中国已于近年持续推动将ISO8178-2等同采用为国家标准。全国内燃机标准化技术委员会多次组织国内排放测试机构、内燃机企业和科研院所，对ISO8