不同脫附工況下加油排放的試驗研究

付鐵強，戴春蓓，仲崇智，顧王文，吳 可，張?zhí)┾?/p>

(中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

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不同脫附工況下加油排放的試驗研究

付鐵強，戴春蓓，仲崇智，顧王文，吳 可，張?zhí)┾?/p>

(中國汽車技術(shù)研究中心,天津 300300)

本文中對同一輛帶有車載加油蒸氣回收(ORVR)系統(tǒng)的汽車分別進行3次EPA法規(guī)和國六法規(guī)的加油排放試驗(預(yù)處理工況分別為FTP和WLTC)，并采集脫附工況下的炭罐脫附流量和加油排放量。結(jié)果表明，F(xiàn)TP工況的炭罐脫附總量(981.89，993.25和987.54L)大于WLTC工況(867.88，881.31和876.8L)，且EPA加油排放結(jié)果(0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L)遠(yuǎn)小于國六試驗(0.111，0.103和0.107g/L)。說明在FTP工況下車輛的脫附效果較好，加油試驗前車輛富余的炭罐工作能力越大，越能有效控制加油排放。

車載加油蒸氣回收系統(tǒng)；揮發(fā)性有機物；加油排放；炭罐脫附

前言

近年來，霧霾等惡劣天氣越來越影響人們的生活，危害人們的健康。而導(dǎo)致霧霾的重要污染物揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds，VOC)也越來越受到人們的重視。汽車尾氣和蒸發(fā)排放的HC是VOC污染的重要來源，隨著尾氣排放限值越來越嚴(yán)格，汽車蒸發(fā)的HC排放量已經(jīng)超過尾氣排放[1]，并且我國每年由于加油蒸發(fā)排放造成約0.26%的燃油損耗[2]。2016年5月，環(huán)保部發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》征求意見稿[3]，其最大的改動之一是增加了VII型加油排放污染物試驗的要求，規(guī)定加油排放不超過0.05g/L。國六征求意見稿中的加油排放污染物試驗主要是借鑒了美國EPA法規(guī)的加油排放規(guī)定[4]，并結(jié)合實際進行了完善。國六征求意見稿與EPA加油排放試驗的總體框架相同，主要的差異是兩者的預(yù)處理工況，EPA使用了FTP75+UDDS+NYCC的工況組合，而國六則采用了WLTC組合工況。其他測試條件，如程序、加油溫度、速率、加油量要求、加油槍規(guī)格和測試設(shè)備基本一致。

為應(yīng)對國六法規(guī)，車輛燃油系統(tǒng)需升級為車載加油油氣回收系統(tǒng)[5](onboard refueling vapor recovery，ORVR)，主要需在燃油系統(tǒng)設(shè)計、炭罐脫附標(biāo)定和熱管理保護等方面進行研發(fā)升級[6]。炭罐作為ORVR系統(tǒng)的核心部件，其工作能力有限，必須在一定條件下對其進行脫附清洗，使其恢復(fù)足夠的吸附能力[7-8]。然而，目前國內(nèi)外幾乎沒有對于WLTC工況的ORVR炭罐脫附流量標(biāo)定的研究。

為研究ORVR系統(tǒng)在不同脫附行駛工況下的加油排放控制效果，本文中針對同一輛帶有ORVR的車輛分別進行EPA法規(guī)和國六法規(guī)的加油排放試驗，預(yù)處理工況分別為FTP和WLTC，采集脫附工況下的炭罐脫附流量，研究不同脫附工況對加油排放試驗的影響。

1 試驗方案

1.1 測試流程

對同一輛帶有ORVR的美標(biāo)車(美國生產(chǎn)，滿足EPA Tier II法規(guī)的車輛)，分別參照美標(biāo)EPA法規(guī)和國六征求意見稿中規(guī)定的加油排放試驗規(guī)定，進行加油排放試驗，主要試驗流程如表1所示。

表1 加油排放試驗流程

由表1可知，兩個法規(guī)的測試流程基本一致，主要區(qū)別在于預(yù)處理行駛工況。

1.2 脫附工況分析

加油排放試驗中，車輛有兩次預(yù)處理行駛。在第2次預(yù)處理之前，進行2g加載擊穿的炭罐預(yù)處理，使炭罐處于吸附飽和狀態(tài)。第2次預(yù)處理行駛能對飽和炭罐進行脫附吹掃，使炭罐恢復(fù)其吸附能力。美標(biāo)加油排放測試的第2次預(yù)處理行駛工況為“FTP75+UDDS+2min怠速+2*NYCC+2min怠速+UDDS+2min怠速”，預(yù)處理運轉(zhuǎn)時間為6 770s，約為113min。脫附工況如圖 1所示。

圖1 EPA第2次預(yù)處理工況

國六征求意見稿中，針對加油排放試驗規(guī)定了3次預(yù)處理行駛。在第2次預(yù)處理行駛之前，進行了2g加載擊穿的炭罐預(yù)處理。這樣，后面兩次預(yù)處理行駛都對吸附飽和炭罐進行了脫附吹掃，但是在第2次預(yù)處理行駛之后，經(jīng)過了12h的浸車過程才進行第3次預(yù)處理行駛。國六加油試驗第2次預(yù)處理行駛的工況為“WLTC組合(低速+中速+高速+超高速)”，運轉(zhuǎn)時間為1 800s，即30min。國六加油試驗第3次預(yù)處理行駛的工況為“WLTC組合(低速+中速+高速+超高速+低速+低速+中速+低速)”，運轉(zhuǎn)時間為4 000s，約67min。兩次脫附工況如圖2和圖3所示。

圖2 國六第2次預(yù)處理工況

圖3 國六第3次預(yù)處理工況

1.3 試驗樣車

試驗樣車為一輛美標(biāo)車，其基本參數(shù)見表2。

1.4 油品參數(shù)

兩次加油試驗均使用國六法規(guī)中的試驗基準(zhǔn)汽油，其基本參數(shù)見表3。

表2 試驗樣車基本參數(shù)

表3 試驗汽油基本參數(shù)

1.5 試驗設(shè)備

試驗過程中所用的主要設(shè)備見表4。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 炭罐工作能力試驗分析

車輛ORVR系統(tǒng)升級后，最顯著的變化之一就是使用了體積更大、工作能力更強的炭罐。為了解試驗車輛炭罐的工作能力，試驗之前先按照HJT 390—2007的技術(shù)要求，對該炭罐進行丁烷工作能力(butaneworking capacity，BWC)的測試。具體方法是用50%丁烷/50%氮氣的混合氣，以丁烷40g/h的速率對炭罐吸附至2g臨界點，之后用干空氣以25L/min的速率對炭罐進行600倍有效容積的脫附吹掃，試驗過程炭罐質(zhì)量變化如圖4所示。

表4 試驗所用設(shè)備

圖4 炭罐BWC工作能力測試

計算第5和第6次循環(huán)中炭罐吸附后質(zhì)量和脫附后質(zhì)量之差，除以炭罐有效容積即可得到炭罐BWC工作能力。測試結(jié)果見表5，結(jié)果為7.02g/100mL。此炭罐的工作能力要大大優(yōu)于普通國五車輛炭罐的BWC工作能力(5g/100mL左右)。

表5 炭罐BWC測試結(jié)果

2.2 脫附流量數(shù)據(jù)與分析

加油排放試驗中，車輛在運行炭罐脫附工況時，在炭罐大氣口連接氣體流量計，測量炭罐脫附時的瞬時數(shù)據(jù)。由于氣體流量計標(biāo)定的原因，流量計的零點標(biāo)定略有偏移。測量結(jié)束以后，對測得的實時數(shù)據(jù)進行零點修正。實時車速變化、實測和修正的流量數(shù)據(jù)見圖5～圖13。

由圖5～圖7可見，美標(biāo)車在EPA脫附工況的整個時間段內(nèi)，均有瞬時脫附流量，僅在少量時段內(nèi)沒有脫附流量，而且出現(xiàn)的脫附流量大小比較均衡，脫附流量值集中在30L/min，整個脫附過程脫附流量較大，脫附效果充分。

圖6 EPA加油試驗B-美標(biāo)車脫附流量數(shù)據(jù)

圖7 EPA加油試驗C-美標(biāo)車脫附流量數(shù)據(jù)

圖8 國六加油試驗D-美標(biāo)車第1次脫附流量數(shù)據(jù)

圖9 國六加油試驗D-美標(biāo)車第2次脫附流量數(shù)據(jù)

圖10 國六加油試驗E-美標(biāo)車第1次脫附流量數(shù)據(jù)

圖11 國六加油試驗E-美標(biāo)車第2次脫附流量數(shù)據(jù)

圖12 國六加油試驗F-美標(biāo)車第1次脫附流量數(shù)據(jù)

圖13 國六加油試驗F-美標(biāo)車第2次脫附流量數(shù)據(jù)

由圖8～圖13可見，美標(biāo)車在WLTC組合工況下的脫附流量也較大，但瞬時脫附流量的密集程度明顯不如圖5～圖7中在美標(biāo)脫附工況下的流量。說明美標(biāo)車對于美標(biāo)脫附工況的適應(yīng)性要優(yōu)于WLTC組合工況。這與對炭罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定有一定的關(guān)系。

對修正后的瞬時脫附流量進行數(shù)學(xué)統(tǒng)計和積分處理，獲得最終的總脫附體積。脫附流量的數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表6。

由表6可知，EPA脫附工況的運轉(zhuǎn)時間為6 770s，大于國六兩次脫附工況運轉(zhuǎn)的時間之和(5 800s)。兩者的最大脫附流量和平均脫附流量基本接近?？偯摳襟w積對比如圖14所示。由圖14可見：在總脫附體積方面，EPA總共的脫附量分別為981.89，993.25和987.54L，3次EPA試驗總脫附體積平均值為987.56L；而國六兩次脫附量的總和分別為867.88，881.31和876.8L，3次國六試驗總脫附體積平均值為875.33L，且國六兩次的脫附運轉(zhuǎn)之間還有12h的浸車間隔，浸車期間炭罐又會有一定程度的吸附作用。由此可見，美標(biāo)車在EPA脫附工況下的脫附效果要優(yōu)于國六的WLTC組合工況。

2.3 加油排放試驗結(jié)果分析

參照EPA法規(guī)和國六草案進行了加油試驗預(yù)處理和炭罐脫附流量測試之后，將整車推至SHED內(nèi)，連接加油小車后，設(shè)定同樣的SHED溫度、加油溫度和速率，進行加油排放試驗。設(shè)定的加油試驗條件見表7。

連接加油小車后，在開始加油之前對SHED進行一次HC取樣分析，加油槍自動跳槍之后，再次對SHED取樣分析。取兩次HC質(zhì)量濃度之差，除以試驗的加油量，即為加油排放的結(jié)果。

表6 不同ORVR脫附工況脫附流量結(jié)果

圖14 總脫附體積對比

試驗條件數(shù)值SHED溫度/℃27加油溫度/℃19.4加油速率/(L·min-1)37.1

由表2可知，樣車油箱容積為58L。加油排放試驗加油量至少為油箱標(biāo)稱容積的85%，即為49.3L，試驗加油量如圖15所示。由圖可見，EPA試驗和國六試驗的加油量均大于49.3L，滿足加油排放試驗對于加油量至少85%的要求。

圖15 加油排放試驗加油量

加油排放試驗結(jié)果如圖16所示。由圖可見:EPA加油排放試驗的結(jié)果分別為0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L，滿足EPA法規(guī)0.053g/L的限值要求，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國六加油排放的試驗結(jié)果；國六加油排放試驗的結(jié)果為0.111，0.103和0.107g/L，約為EPA加油排放的3倍。

圖16 加油排放試驗結(jié)果

2.4 炭罐脫附對加油排放的影響

對比圖14中的總脫附體積可知，3次EPA試驗總脫附體積平均值為987.56L；而3次國六試驗總脫附體積平均值為875.33L，考慮到國六兩次的脫附運轉(zhuǎn)之間還有至少12h的常溫浸車，在此期間，由于油箱內(nèi)又會產(chǎn)生部分油氣，炭罐還會有一定程度的吸附作用，從而減弱了炭罐的脫附效果。由此可見，在EPA試驗條件下，炭罐獲得了更充分的脫附清洗，炭罐恢復(fù)的吸附能力更高。因而在密閉室的加油排放試驗中，EPA試驗的加油排放更低，并滿足EPA 0.053g/L的限值要求。而國六加油試驗由于預(yù)處理階段炭罐脫附不夠充分，導(dǎo)致炭罐脫附能力不足，使之在加油排放階段排放值超標(biāo)約1倍。但相對于沒有ORVR系統(tǒng)的車輛約為1g/L的加油排放，該車ORVR系統(tǒng)對于加油排放控制還是有明顯的控制效果。

3 結(jié)論

(1)FTP工況組合下的炭罐瞬時脫附流量明顯比WLTC組合工況更加密集，且集中在30L/min。FTP工況組合下的總脫附量平均值為987.56L，而WLTC組合工況總和的平均值僅為875.33L，車輛在FTP工況組合下的脫附效果要優(yōu)于國六的WLTC組合工況。

(2)EPA和國六加油排放試驗的加油排放量相近。EPA的結(jié)果分別為0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L，國六的結(jié)果分別為0.111，0.103和0.107g/L，約是EPA加油排放的3倍。在EPA的FTP工況組合下，炭罐脫附更加充分，富余的吸附能力足夠大，更能有效地控制加油排放。

(3)在加油排放試驗中，炭罐的脫附清洗至關(guān)重要，在車輛行駛時，炭罐脫附總體積越大，炭罐脫附效果越好，對于加油排放的控制效果越佳。

綜上可知，對于加油排放控制，不僅要考慮ORVR系統(tǒng)的炭罐工作能力，還應(yīng)該在研發(fā)過程中考慮到對炭罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定，應(yīng)對不同的脫附工況進行針對性的標(biāo)定，保證在車輛行駛時對炭罐進行充分的脫附吹掃，使炭罐恢復(fù)足夠的吸附能力，從而在車輛加油時能更有效地控制加油排放。

[1] LIU H, MAN H, TSCHANTZ M, et al. VOC from vehicular evaporation emissions: status and control strategy[J]. Environmental Science Technology, 2015, 49(24).

[2] YANG X, LIU H, CUI H, et al. Vehicular volatile organic compounds losses due to refueling and diurnal process in China: 2010-2050[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(英文版), 2015, 33(7):88-96.

[3] 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)征求意見稿[S]. 2016.

[4] Control of emissions from new and in-use highway vehicles and engines；subpart B [S]. 40CFR：Part 86.

[5] 蔡錦榕, 何仁, 韋海燕. 控制轎車加油排放的 ORVR 技術(shù)綜述[J]. 車用發(fā)動機, 2009, 2(1): 5.

[6] 杜建波, 方茂東, 陸紅雨, 等. 加油排放試驗程序的設(shè)計和車載油氣回收系統(tǒng)開發(fā)的建議[J]. 汽車工程, 2014, 36(5): 537-541.

[7] 王凱, 楊正軍, 馮馳. 不同工況下脫附流量與碳罐工作能力對蒸發(fā)排放的影響[J]. 北京汽車, 2016(2).

[8] 謝辰陽. 車載加油蒸氣回收 ORVR 技術(shù)[J]. 現(xiàn)代經(jīng)濟信息, 2016(12).

An Experimental Study on Refueling Emissions with Different Purge Conditions

Fu Tieqiang, Dai Chunbei, Zhong Chongzhi, Gu Wangwen, Wu Ke & Zhang Taiyu

ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300

In this paper, the same vehicle with onboard refueling vapor recovery (ORVR) system is used to conduct three refueling emissions tests with both EPA and China VI regulation and precondition of FTP and WLTC respectively, and canister purge flow and refueling emissions are collected. The results show that the canister purge flows with FTP condition (981.89, 993.25 and 987.54L) are larger than that with WLTC condition (867.88, 881.31 and 876.8L), and the refueling emissions with EPA-OPVR (0.033 1,0.036 7 and 0.039 6g/L) are less than that with China VI-ORVR(0.111,0.103 and 0.107 g/L), demonstrating that the purge with FTP cycle can get better results, and the vehicle with larger spare canister work capacity before refueling test can more effectively control refueling emission.

ORVR；VOC； refueling emissions；canister purge

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.011

仲崇智，碩士，E-mail：zhongchongzhi@catanc.ac.cn。

原稿收到日期為2016年11月26日，修改稿收到日期為2017年2月21日。