新標(biāo)準(zhǔn)下輕型汽車燃油蒸發(fā)排放控制對比研究

路少云，王銀山，楊帥君

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車與交通學(xué)院，天津 300222）

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，汽車行業(yè)的產(chǎn)量占據(jù)國民經(jīng)濟的比重逐年升高，隨之而來造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，嚴(yán)重危及到人類的健康。我國汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展相比美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)，起步晚且起點低。但從國一到國六，我國排放標(biāo)準(zhǔn)借鑒先進的排放要求，標(biāo)準(zhǔn)的制定日趨完善。尾氣排放得到有效控制，其治理措施及技術(shù)趨于成熟，然而目前我國的燃油蒸發(fā)排放控制工作遠不及發(fā)達國家的水準(zhǔn)，汽車的蒸發(fā)排放比例明顯更高。因此，如何更有效地控制燃油蒸發(fā)排放，是一個需要研究和解決的重要課題。

2000年，夏云樺等[1]分析活性碳罐等的結(jié)構(gòu)、活性炭的性能及其碳罐的脫附機理，并進行試驗對比提高蒸發(fā)排放控制；2010年，蔡錦榕等[2]建立油箱加油過程蒸發(fā)污染物的數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析了加油過程中油箱內(nèi)汽油的壓力、溫度及相關(guān)參數(shù)的變化對加油過程汽油蒸氣蒸發(fā)量的影響；2015年，清華大學(xué)Yang等[3]通過試驗研究得到了加油排放和晝間排放的排放因子，運用試驗結(jié)果對中國2010—2050年由于加油排放和晝間蒸發(fā)而造成的油氣VOC排放進行了預(yù)測分析；2017年，吉林大學(xué)顧王文[4]針對不同車型，通過試驗對比研究了車載加油油氣回收系統(tǒng)（on board refueling vapor recovery，ORVR）的油氣回收效率，以及不同加油速率、加油溫度和脫附工況對加油排放結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)脫附工況對ORVR系統(tǒng)的油氣回收效率影響明顯?；谥T多課題的研究，目前已經(jīng)形成了適合我國國情的排放試驗及要求。此次新標(biāo)準(zhǔn)的修訂考慮到我國環(huán)境的嚴(yán)峻形勢，環(huán)境質(zhì)量問題（霧霾天氣）亟待解決，并借鑒國外標(biāo)準(zhǔn)的先進內(nèi)容，融合中國的本土國情，形成了適合中國實際道路行駛的新標(biāo)準(zhǔn)，即《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[5]。本文從蒸發(fā)排放試驗、加油排放試驗、車載診斷系統(tǒng)（on-board diagnostic，OBD）3個方面進行深入對比研究，理性探討新標(biāo)準(zhǔn)對排放控制的新要求，并且改善與排放控制有關(guān)零部件及試驗程序，以期更好地控制燃油系統(tǒng)的蒸發(fā)排放。

1 蒸發(fā)排放控制新標(biāo)準(zhǔn)解讀

1.1 新標(biāo)準(zhǔn)控制水平

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》分為2個階段。第1階段的國六a是過渡階段，第2階段的國六b才是真正意義上的“國六”標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)六a階段污染物限值略嚴(yán)于歐6排放標(biāo)準(zhǔn)，比美國Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求寬松；新標(biāo)準(zhǔn)六b階段污染物排放限值基本達到了美國Tier3排放標(biāo)準(zhǔn)。若考慮到測試程序、測試方法、測試要求的不同，國六標(biāo)準(zhǔn)基于國際標(biāo)準(zhǔn)制定，成為了目前世界上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 實施要求演變

標(biāo)準(zhǔn)研制過程中，I型試驗測試循環(huán)由新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）變?yōu)槿蚪y(tǒng)一輕型車排放測試程序（world light vehicle test procedure，WLTP）。實施要求演變?nèi)鐖D1所示。

圖1 實施要求演變

新標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán) CO、THC、NOx、PM、PN 等污染物排放限值，增加實際行駛污染物排放（reality driving emission，RDE）測試，深入研究蒸發(fā)排放試驗，新增VII型加油過程排放試驗，采用燃油中立原則，修訂OBD系統(tǒng)的監(jiān)測項目及閾值要求。

1.2.1 試驗循環(huán)工況

國一到國五標(biāo)準(zhǔn)，我國試驗循環(huán)工況參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)采用NEDC循環(huán)測試。NEDC測試體系中很大程度上是勻速運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定工況，實驗室試驗所得排放數(shù)據(jù)與實際道路行駛過程中得出的實時數(shù)據(jù)有很大差距。

相比國五穩(wěn)態(tài)工況，新標(biāo)準(zhǔn)采用更為嚴(yán)格的WLTP循環(huán)測試。該測試能夠?qū)囕v的排放進行全面考核，增加了超高速測試、工況覆蓋的轉(zhuǎn)速以及負荷范圍，更貼近實際路況。

1.2.2 排放限值變化

國六標(biāo)準(zhǔn)與國五標(biāo)準(zhǔn)相比，各污染物排放限值要求變化如表1所示。

表1 各污染物排放限值要求變化

國六a階段相比國五標(biāo)準(zhǔn)CO排放限值要求更為嚴(yán)格，且新增了N2O檢測，其他檢測項目均無變化；國六b階段相比國五標(biāo)準(zhǔn)限值除了PN項以外，各項檢測指標(biāo)均有所下降。

1.2.3 IV型試驗

新標(biāo)準(zhǔn)從試驗條件及要求上加嚴(yán)了蒸發(fā)排放控制，該試驗參考美國蒸發(fā)排放測試流程，提高車輛運行過程中的熱浸溫度，循環(huán)工況由NEDC穩(wěn)定工況變?yōu)閃LTP瞬態(tài)工況，晝間排放時間由1晝夜（24 h）延長到2晝夜（48 h），排放限值要求更加嚴(yán)格。

1.2.4 VII型試驗

采用車載加油油氣回收系統(tǒng)ORVR控制排放[6]。此系統(tǒng)最先由美國實施，由于加油過程中油箱總成壓力增大或密封性等問題，收集從油箱中揮發(fā)出來的燃油蒸汽。未裝有ORVR系統(tǒng)的車輛，需要根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)要求重新調(diào)整燃油系統(tǒng)，使得加油槍在高速加油時，各零部件能夠相互配合，盡可能迅速將燃油蒸汽儲存在碳罐中。

1.2.5 OBD車輛診斷系統(tǒng)

（1）對國五標(biāo)準(zhǔn)中已有的相關(guān)監(jiān)測項，實際監(jiān)測頻率（in-use performance ratio，IUPR）比率限值要求更為嚴(yán)格，由0.1的過渡限值提高到0.336；對新標(biāo)準(zhǔn)添加的監(jiān)測項，IUPR比率限值采用0.1的過渡限值，并且每一項規(guī)定了相應(yīng)的放松限值，符合我國實際情況。

（2）增加了混合動力汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）檢測項目至 15 項，對 CO、HC、NO、PM限值更加嚴(yán)格，發(fā)現(xiàn)車輛排放故障時，點亮故障指示燈并及時匯報給車主。

2 燃油系統(tǒng)排放控制方案

汽車整車排放主要分為3類：蒸發(fā)排放、加油排放和尾氣排放。對尾氣排放的相關(guān)控制很早就已開始研究，并且制定了相對成熟的法律法規(guī)以及相對完善的治理措施。與汽車燃油系統(tǒng)排放有關(guān)的還有蒸發(fā)排放和加油排放。事實上，新標(biāo)準(zhǔn)對燃油系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在3個方面。

（1）IV型試驗：蒸發(fā)污染物排放試驗[7-8]，目的是加強對汽車油氣蒸發(fā)量的控制。

（2）VII型試驗：控制加油過程中污染物的排放[9]。

（3）OBD系統(tǒng)：在線實時診斷車輛是否存在排放問題并做出相應(yīng)指示。

2.1 蒸發(fā)污染物排放IV型試驗

2.1.1 國六試驗階段

（1）I型試驗測試循環(huán)中預(yù)處理行駛，是由WLTP的低速、中速、高速和超高速組成并用丁烷預(yù)處理碳罐。

（2）高溫測試循環(huán)由高溫浸車和I型試驗測試循環(huán)中WLTP的低速、中速、高速和超高速組成。

（3）測定熱浸損失。

（4）測定晝夜換氣損失。

（5）汽車碳氫化合物蒸發(fā)排放總質(zhì)量的計算由熱浸損失跟晝夜換氣損失測得的HC質(zhì)量相加所得。

熱浸試驗：

晝間換氣試驗：

汽車碳氫化合物蒸發(fā)排放總質(zhì)量：

2.1.2 蒸發(fā)排放試驗流程對比

國六標(biāo)準(zhǔn)與國五標(biāo)準(zhǔn)對比，蒸發(fā)排放試驗流程變化如表2所示。

表2 蒸發(fā)排放試驗流程變化

（1）國五標(biāo)準(zhǔn)試驗要求汽車運行采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)NEDC循環(huán)，NEDC測試體系測試的路況多為穩(wěn)定工況，而實際路況行駛所得到的數(shù)據(jù)變化范圍更大，故與實驗室所得數(shù)據(jù)差距甚大；采用24 h晝夜換氣試驗+熱浸試驗測晝間碳氫化合物排放，嚴(yán)重低估了汽車的實際蒸發(fā)排放量；熱浸試驗溫度范圍23℃～31℃，排放限值要求是2 g/test。

（2）國六標(biāo)準(zhǔn)試驗要求汽車運行采用全球統(tǒng)一的WLTP循環(huán)，相比于NEDC，更加復(fù)雜和實際，縮小了“應(yīng)試”與實際的差距；采用48 h晝夜換氣試驗+熱浸試驗測晝間碳氫化合物排放，加強了蒸發(fā)排放量的監(jiān)控；提高了汽車運行熱浸溫度范圍，其溫度范圍為33℃～41℃，排放要求比國五加嚴(yán)65%[10]。

2.1.3 新標(biāo)準(zhǔn)零部件的等效測試

（1）油箱總成測試

（i）實驗過程中要對車輛進行38℃、12 h的浸置，若是操作不當(dāng)或者直接省略，最終會造成HSL測試結(jié)果翻倍。

（ii）48h晝夜排放測試開始前，要對車輛進行20℃的常溫浸車，若是溫度不符合要求（過高或過低），最終會導(dǎo)致晝夜呼吸損失（diurnalbreathingloss，DBL），測試結(jié)果相差30 mg以上。

（iii）進行IV型試驗時碳罐的加載及脫附處理不能過長，否則會造成系統(tǒng)測試結(jié)果偏高。

（2）供油尼龍管測試

在測試過程中，油管灌滿汽油這個測試條件是不充分的，還應(yīng)模擬實際工況，施加一定的壓力保持。例如在某供油管的油泵輸出壓力已知的情況下，在測試時供油管應(yīng)施加同等壓力，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2 加油排放控制試驗對比

為防止加油時油氣從機動車加油管進入到大氣，燃油系統(tǒng)依據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進行相應(yīng)的設(shè)計改進，國五、國六車載加油油氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括閥門、燃油箱、碳罐、加油管等。燃油系統(tǒng)各部件采用低HC滲透設(shè)計方案，減少因材料原因引起的HC滲透，通過調(diào)整各部件材質(zhì)和進行表面處理，提升部件的可靠性和耐用性，以滿足整車160 000 km耐久要求。國五、國六車載加油油氣系統(tǒng)分別如圖2和圖3所示。

圖2 國五車載加油油氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 國六車載加油油氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 燃油系統(tǒng)管路

（1）加油管管口 管口直徑減少到25 mm，由于管路直徑變小且加油槍加油速度快，在高速流的作用下在管徑末端形成液體密封；加油管底部加裝加油口止回閥（ICV閥門），防止汽車上坡時汽油倒流，同時還可以防止加油時油氣回流。

（2）蒸發(fā)管路 為了保證系統(tǒng)蒸發(fā)的油氣順利通向碳罐，油箱連接碳罐的蒸發(fā)管路的直徑要比回氣管路大，以確保燃油蒸氣能夠快速流向碳罐。

（3）蒸汽回氣管 把原有的限壓閥改為蒸氣回氣管，降低燃油蒸氣量。

2.2.2 燃油箱（包括閥門）

（1）油箱 因為加工材料等問題，塑料燃油箱可能存在殼體蒸發(fā)排放的問題，而金屬燃油箱殼體則不存在此類問題。為了更好地控制油箱壓力及回收蒸發(fā)的油氣，可以將加油截止閥（FLVV閥）、ICV閥置于金屬油箱內(nèi)部。

（2）FLVV閥 該閥是安裝在油箱上的重要閥門，代替原加油回氣嘴，連接至碳罐。不僅能夠保證排放滲透值，還能保證當(dāng)油箱內(nèi)汽油液面達到一定高度或油箱內(nèi)壓力過高時，加油槍自動跳槍控制油箱的加油量。

（3）油箱壓力傳感器 能夠感受油箱壓力信號的變化，并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎秒娦盘杺鹘oCPU，檢測燃油蒸氣是否泄露。

2.2.3 碳罐

（1）調(diào)整碳罐總成[11-12]與油箱的相對位置，碳罐安裝在相對密封的位置，防止碳罐呼吸口被灰塵泥巴堵住，從而降低碳罐吸附蒸氣的能力。

（2）碳罐總成體積在原有基礎(chǔ)上加大2～3倍，滿足加油過程中HC呼出限值要求。

（3）碳罐中活性炭的種類由顆粒狀替換成球狀或大顆粒，可以更好地接觸吸附燃油蒸氣。

（4）碳罐吸附晝間控制由國五的24 h變?yōu)樾聵?biāo)準(zhǔn)72 h監(jiān)測。

2.3 OBD車載試驗

OBD系統(tǒng)[13]主要功能是實時監(jiān)測車輛行駛過程中與排放有關(guān)的零部件信息，通過電子控制單元（electronic control unit，ECU）檢測和分析與排放有關(guān)部件的故障功能。若故障被診斷出來，則故障指示燈閃爍。

2.3.1 試驗流程

OBD試驗流程如圖4所示。

2.3.2 試驗描述

（1）試驗車輛 可以是累積里程高的車輛+故障件，或者是新車+老化件（催化器、氧傳感器）+故障件。

（2）樣車前處理 替換老化件，進行基礎(chǔ)排放試驗，需滿足I型排放限值。

（3）預(yù)處理 植入故障后優(yōu)先采用WLTP對車輛進行預(yù)處理。

（4）試驗過程 在驗證測試過程或排放測試過程中可以點亮故障指示燈（malfunction indicator lamp，MIL），排放測試采用路況變化率更多樣性的WLTP循環(huán)。

2.3.3 OBD對蒸發(fā)排放系統(tǒng)的監(jiān)控

氧傳感器能夠檢測到空燃比的變化，混合氣濃度變化與氧傳感器電壓變化呈正比例關(guān)系[14]。當(dāng)蒸發(fā)排放系統(tǒng)正常工作時，碳罐脫附電磁閥開啟，混合氣濃度上升，氧傳感器監(jiān)測到混合氣濃度上升，其電壓也會隨之上升；當(dāng)蒸氣排放系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，即使碳罐電磁閥開啟，混合氣濃度也不會上升，氧傳感器監(jiān)測不到混合氣體濃度的變化，電壓就不會發(fā)生變化。因此，可以把混合氣體濃度的變化當(dāng)作一個重要的參數(shù)來檢測燃油蒸氣排放系統(tǒng)是否泄露。

圖4 OBD試驗流程

3 結(jié)語

本文從蒸發(fā)排放控制試驗、加油排放控制試驗、OBD車載診斷3個方面，從理論上對新標(biāo)準(zhǔn)下的汽車燃油系統(tǒng)的排放控制進行了研究。新標(biāo)準(zhǔn)借鑒了國外排放標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合中國的本土情況進行了諸多改進和創(chuàng)新，形成了適合中國國情的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)體系。

考慮到我國汽車的本土情況，在安裝ORVR系統(tǒng)時需進行全面系統(tǒng)的改進，特別是涉及碳罐電磁閥開啟、碳罐容積與油箱總成相對位置等方面需進行深入研究，以達到新標(biāo)準(zhǔn)要求。若與排放有關(guān)的零部件出現(xiàn)故障時，故障指示燈被點亮，由于僅是一個提示性信號，駕駛員并不會積極響應(yīng)配合維修，造成了相應(yīng)的排放問題。為解決這一問題產(chǎn)生了更為先進OBD-Ⅲ，OBD-Ⅲ在解決排放問題的同時，還能夠?qū)Σ蛔裱噶钜蟮鸟{駛員實施禁行要求。本項目的開展對推動我國輕型車燃油排放控制領(lǐng)域的研究具有重要意義，同時為打破國外技術(shù)壟斷，提升國內(nèi)企業(yè)在該領(lǐng)域的自主研發(fā)能力提供了有力支撐。