杜建波，方茂東，陸紅雨，李菁元，王小臣，湯大鋼

(1. 中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

前言

加油排放的燃油蒸氣是揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的重要來源。揮發(fā)性有機(jī)物與氮氧化物(NOx)等一次污染物在陽光的作用下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧(O3) 、醛、酮、酸和過氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物，而臭氧又對PM2.5的形成具有促進(jìn)作用。控制VOC、臭氧和PM2.5是我國當(dāng)前大氣污染防治的重點，因此控制加油排放將是一項重要的工作。

隨著汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，輕型汽油車在加油時逸出的燃油蒸氣已經(jīng)與尾氣排放的HC相當(dāng)甚至更多。目前我國采用加油站二級改造(StageII)控制加油排放，但在實施過程中容易受到一些不利因素的影響和制約。因此，在汽車排放標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充加油排放要求、明確汽車應(yīng)加裝車載油氣回收(on-board refueling vapor recovery, ORVR)系統(tǒng)，對有效控制汽車排放污染和完善汽車排放標(biāo)準(zhǔn)體系均具有非常重要的意義。

1 ORVR關(guān)鍵改進(jìn)技術(shù)

相對于Stage II油氣回收系統(tǒng)，ORVR系統(tǒng)在汽車內(nèi)部形成一個輸油管密封系統(tǒng)，在加油時將燃油蒸氣通過導(dǎo)管輸送到汽車的炭罐中。當(dāng)汽車正常行駛時，ORVR系統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)的真空將燃油蒸氣釋放出來，并送入發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)。

目前國內(nèi)汽車上安裝的炭罐主要是針對汽車蒸發(fā)排放，但不涉及加油過程中的燃油蒸氣排放控制。ORVR技術(shù)就是通過改進(jìn)現(xiàn)有的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)，使其回收加油時的HC排放。因此，ORVR系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計對汽車和加油槍均提出了特殊的要求。

1.1 汽車的改進(jìn)

汽車裝備ORVR系統(tǒng)，須對汽車的油箱、管路、閥門和炭罐等進(jìn)行重新設(shè)計改進(jìn)，如圖1所示。

具體要求如下。

(1)典型的加油管管口直徑應(yīng)減少到約25mm，并加裝密封和防回流閥(如鴨嘴閥)，防止燃油箱內(nèi)的油氣在加油時回流并經(jīng)加油管排向大氣。

(2)燃油箱上方連接炭罐的油路系統(tǒng)必須改進(jìn)，如增加防溢或者過滿保護(hù)閥，并增大連接炭罐管路的直徑，以保證燃油箱不會在高速加油過程中升壓。

(3)符合國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)[1]的汽車通常使用7mm直徑的油箱炭罐連接管，而實施ORVR時該管路的直徑應(yīng)增加到約16mm。

(4)炭罐的設(shè)計對ORVR系統(tǒng)的功能和控制加油排放的效率至關(guān)重要。炭罐須有足夠的工作能力滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且能有足夠小的通氣阻抗以避免燃油箱在加油過程中升壓。為了滿足這些要求，炭罐須加大至國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)汽車上炭罐體積的2～3倍，且應(yīng)使用通氣阻抗較低的活性炭，例如直徑為2mm的柱狀活性碳。非ORVR汽車和ORVR汽車的炭罐主要參數(shù)對比見表1。

表1 炭罐的主要參數(shù)

(5)炭罐應(yīng)安裝在燃油箱的附近，以確保燃油箱在加油過程中不會增加壓力。

1.2 加油槍的尺寸要求

ORVR汽車的加油管內(nèi)徑約為25mm，而非ORVR汽車為35～40mm。由于汽車加油管的直徑減小，加油站應(yīng)配備合適尺寸的加油槍。美國EPA對加油槍的具體要求見圖2。

根據(jù)調(diào)研，目前我國市場上主流加油槍的尺寸大部分都能滿足要求。但為了保證ORVR和StageII兩種技術(shù)的兼容性，已經(jīng)完成二級改造的加油站還應(yīng)更換帶傳感器的加油槍，以能自動識別汽車是否裝備ORVR，防止加油時ORVR和StageII同時工作，影響回收效率及帶來的其他風(fēng)險。

2 加油排放試驗程序

2.1 EPA試驗程序

美國EPA規(guī)定了完善的加油排放試驗程序[2]。試驗過程中，預(yù)處理主要采用EPA瞬態(tài)工況循環(huán)進(jìn)行炭罐脫附。歸納起來，即為FTP75+FTP72+怠速2min+2×NYCC+怠速2min+ FTP72+怠速2min。其中FTP75和FTP72皆為美國聯(lián)邦測試循環(huán)，F(xiàn)TP75循環(huán)是在FTP72循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了熱起動的505s循環(huán)；NYCC是紐約城市循環(huán)，主要是模擬城市低速和頻繁起停的工況。各種循環(huán)工況見圖3和圖4。

2.2 適合我國標(biāo)準(zhǔn)體系的加油排放試驗程序

由于我國排放標(biāo)準(zhǔn)采用的是歐盟的NEDC循環(huán)[3](見圖5)，因此在借鑒EPA試驗程序時，須對EPA的預(yù)處理工況進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這也是加油排放試驗程序設(shè)計的核心工作之一。

經(jīng)過分析與驗證，提出了表2所述的預(yù)處理循環(huán)(炭罐脫附工況)，和圖6所示的加油排放試驗草案。

表2 預(yù)處理循環(huán)(炭罐脫附工況)

注：* 表示不計算3個額外的2min怠速。

3 驗證試驗

3.1 試驗樣車參數(shù)

選取兩輛帶車載油氣回收(ORVR)系統(tǒng)的樣車進(jìn)行驗證試驗，樣車主要參數(shù)見表3。

表3 樣車主要參數(shù)

3.2 炭罐的初始工作能力

加油排放試驗前，對兩臺樣車的炭罐初始工作能力進(jìn)行了檢驗。用排放試驗室的空氣以(22.7±0.5)L/min 的流量脫附炭罐，直至達(dá)到1 200 倍床容積，然后采用50%容積丁烷和50%容積氮氣的混合氣，以40g/h丁烷的充氣速率，參照HJ/T 390對炭罐進(jìn)行初始工作能力試驗[4]。試驗結(jié)果見表4。

表4 樣車炭罐的初始工作能力

3.3 加油排放試驗結(jié)果

兩臺樣車分別按照圖6所示的草案和EPA的試驗程序進(jìn)行加油排放試驗。結(jié)果見表5和表6。

表5 車A加油排放試驗結(jié)果

表6 車B加油排放試驗結(jié)果

兩臺樣車分別按本文的試驗程序和EPA法規(guī)運(yùn)行預(yù)處理循環(huán)后，炭罐的脫附效果基本相當(dāng)，炭罐基本上被完全脫附。因此就炭罐脫附而言，本文中制訂的預(yù)處理行駛循環(huán)與美國EPA基本等效。

從加油排放試驗結(jié)果來看，兩種試驗方法的測量結(jié)果均能滿足EPA限值要求。按照本文的程序進(jìn)行試驗時，車A的加油排放結(jié)果接近限值的1/5，車B的結(jié)果接近限值的1/10。按照EPA進(jìn)行試驗時，加油排放結(jié)果略高，但仍遠(yuǎn)低于EPA限值。

從炭罐的吸附能力和加油時油箱逸出的總HC來看，兩臺車的炭罐吸附能力分別是加油時HC逸出量的2.4倍和2.3倍。

若汽車未帶ORVR系統(tǒng)，則兩臺車的加油排放約為1和1.2g/L。以100km油耗10L計算，HC排放約為0.1和0.12g/km，加油排放的HC已經(jīng)等于或超出尾氣排放的HC限值(0.1g/km)。實際上為保證排放耐久性，新車的HC排放應(yīng)遠(yuǎn)低于0.1g/km，因此加油排放的HC比例已經(jīng)明顯高于尾氣排放。這也進(jìn)一步驗證了控制加油排放的重要性。

4 加油排放影響因素和ORVR應(yīng)對措施

加油排放法規(guī)試驗是在統(tǒng)一的脫附預(yù)處理條件下，按規(guī)定的速率加注規(guī)定蒸氣壓的汽油。但汽車在實際使用過程中，這些條件均可能發(fā)生變化，因此對加油排放的實際結(jié)果也會產(chǎn)生影響。為了保證在用車的加油排放能滿足要求，在開發(fā)ORVR時應(yīng)根據(jù)可能的影響因素采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

4.1 行駛工況和脫附策略

在實際使用過程中，炭罐一直處于吸附-脫附的過程。汽車在加油前的炭罐脫附程度直接影響實際加油排放。故在制定ORVR炭罐脫附策略時，除了使炭罐在NEDC工況下能正常脫附外，還應(yīng)盡可能地保證其在低速低負(fù)荷城市工況下的脫附效果。

4.2 加油速率

由于油箱內(nèi)壓會隨著加油流速的增加而增大(見圖7)，因此加油時可能會發(fā)生提前自動跳槍或回油的現(xiàn)象。這就需要加油站控制合適的加油速率，美國規(guī)定為4～10加侖/min(約15～38L/min)，目前國內(nèi)的加油站對加油速率尚無明確規(guī)定。因此，為保證油氣回收效果和正常加油，在開發(fā)ORVR炭罐時，應(yīng)考慮加油速率過高可能帶來的影響。

4.3 汽油蒸氣壓

汽油的轉(zhuǎn)移和呼吸損失隨著汽油蒸氣壓(RVP)的升高而增加[5]。因此，汽車加油時的油氣揮發(fā)量也隨著RVP的升高而增加，見圖8。

對于汽油的夏季蒸氣壓，美國EPA進(jìn)行了限制，規(guī)定“臭氧達(dá)標(biāo)地區(qū)”應(yīng)不超過9psi(約62.1kPa)，“臭氧不達(dá)標(biāo)地區(qū)”則應(yīng)不超過7.8 psi (約53.8kPa )。根據(jù)國Ⅳ汽油標(biāo)準(zhǔn)，我國市售汽油的冬季蒸氣壓為42～85kPa；夏季蒸氣壓為40～68kPa，蒸氣壓上限明顯高于美國EPA的要求。因此，為保證降低加油排放的效果，在開發(fā)ORVR炭罐時，還應(yīng)考慮我國汽油蒸氣壓上限較高，可能對炭罐的工作能力提出更高的要求。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)國家控制大氣污染防治的重點 (VOC、臭氧和PM2.5)，和ORVR相對StageII的優(yōu)勢，有必要在排放標(biāo)準(zhǔn)體系中補(bǔ)充加油排放要求。

(2)借鑒美國EPA的加油排放程序，對預(yù)處理循環(huán)根據(jù)NEDC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，制定了適合我國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)體系的加油排放試驗草案。通過兩輛車的對比驗證分析，經(jīng)本試驗程序預(yù)處理的炭罐脫附水平與EPA要求基本等效。

(3)配備ORVR的兩臺樣車， 其加油排放的HC比不帶ORVR時消減99%以上。同時，炭罐的增大對于降低蒸發(fā)排放也有額外的益處。

(4)汽車配備ORVR時應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，其中部分項目須在新車型設(shè)計時整體考慮，特別是涉及炭罐與油箱的重新布置和發(fā)動機(jī)的重新標(biāo)定等。

(5)實際加油時的HC排放影響因素較法規(guī)試驗復(fù)雜，相關(guān)配套條件和美國也有差異。因此在進(jìn)行ORVR開發(fā)時，不能簡單照搬美國的相關(guān)性能參數(shù)，還應(yīng)對炭罐的脫附策略、活性炭的性能和炭罐容積大小等進(jìn)行針對性的匹配。

(6)建議盡快對ORVR和加油排放開展更全面的驗證試驗，進(jìn)一步完善試驗程序，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 18352.3—2005 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國III、IV階段)[S]. 國家環(huán)境保護(hù)總局、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，2005.

[2] Control of Emissions from New and In-use Highway Vehicles and Engines; Subpart B[S].40CFR：Part 86.

[3] Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Emission of Pollutants According to Engine Fuel Requirements[S]. ECE R83(06)—2011.

[4] HJ/T 390—2007環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求 汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)(裝置) [S].國家環(huán)境保護(hù)總局，2005.

[5] 諾埃爾·德·內(nèi)韋爾．大氣污染控制工程[M]．胡敏，謝紹東，譯．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.