加油排放試驗程序的設計和車載油氣回收系統開發的建議

杜建波，方茂東，陸紅雨，李菁元，王小臣，湯大鋼

(1. 中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2. 中國環境科學研究院，北京 100012)

前言

加油排放的燃油蒸氣是揮發性有機物(VOC)的重要來源。揮發性有機物與氮氧化物(NOx)等一次污染物在陽光的作用下會發生化學反應，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的形成具有促進作用。控制VOC、臭氧和PM2.5是我國當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。

隨著汽車排放標準的不斷加嚴，輕型汽油車在加油時逸出的燃油蒸氣已經與尾氣排放的HC相當甚至更多。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，在汽車排放標準中補充加油排放要求、明確汽車應加裝車載油氣回收(on-board refueling vapor recovery, ORVR)系統，對有效控制汽車排放污染和完善汽車排放標準體系均具有非常重要的意義。

1 ORVR關鍵改進技術

相對于Stage II油氣回收系統，ORVR系統在汽車內部形成一個輸油管密封系統，在加油時將燃油蒸氣通過導管輸送到汽車的炭罐中。當汽車正常行駛時，ORVR系統利用發動機的真空將燃油蒸氣釋放出來，并送入發動機燃油系統。

目前國內汽車上安裝的炭罐主要是針對汽車蒸發排放，但不涉及加油過程中的燃油蒸氣排放控制。ORVR技術就是通過改進現有的燃油蒸發控制系統，使其回收加油時的HC排放。因此，ORVR系統的開發設計對汽車和加油槍均提出了特殊的要求。

1.1 汽車的改進

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

具體要求如下。

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

(2)燃油箱上方連接炭罐的油路系統必須改進，如增加防溢或者過滿保護閥，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標準[1]的汽車通常使用7mm直徑的油箱炭罐連接管，而實施ORVR時該管路的直徑應增加到約16mm。

(4)炭罐的設計對ORVR系統的功能和控制加油排放的效率至關重要。炭罐須有足夠的工作能力滿足排放標準的要求，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標準汽車上炭罐體積的2～3倍，且應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對比見表1。

表1 炭罐的主要參數

(5)炭罐應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。

根據調研，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兩種技術的兼容性，已經完成二級改造的加油站還應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險。

2 加油排放試驗程序

2.1 EPA試驗程序

美國EPA規定了完善的加油排放試驗程序[2]。試驗過程中，預處理主要采用EPA瞬態工況循環進行炭罐脫附。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皆為美國聯邦測試循環，FTP75循環是在FTP72循環的基礎上增加了熱起動的505s循環；NYCC是紐約城市循環，主要是模擬城市低速和頻繁起停的工況。各種循環工況見圖3和圖4。

2.2 適合我國標準體系的加油排放試驗程序

由于我國排放標準采用的是歐盟的NEDC循環[3](見圖5)，因此在借鑒EPA試驗程序時，須對EPA的預處理工況進行轉化。這也是加油排放試驗程序設計的核心工作之一。

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

表2 預處理循環(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

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

表3 樣車主要參數

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對炭罐進行初始工作能力試驗[4]。試驗結果見表4。

表4 樣車炭罐的初始工作能力

3.3 加油排放試驗結果

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

表5 車A加油排放試驗結果

表6 車B加油排放試驗結果

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

從加油排放試驗結果來看，兩種試驗方法的測量結果均能滿足EPA限值要求。按照本文的程序進行試驗時，車A的加油排放結果接近限值的1/5，車B的結果接近限值的1/10。按照EPA進行試驗時，加油排放結果略高，但仍遠低于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，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排放應遠低于0.1g/km，因此加油排放的HC比例已經明顯高于尾氣排放。這也進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應對措施

加油排放法規試驗是在統一的脫附預處理條件下，按規定的速率加注規定蒸氣壓的汽油。但汽車在實際使用過程中，這些條件均可能發生變化，因此對加油排放的實際結果也會產生影響。為了保證在用車的加油排放能滿足要求，在開發ORVR時應根據可能的影響因素采取相應的應對措施。

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，還應盡可能地保證其在低速低負荷城市工況下的脫附效果。

4.2 加油速率

由于油箱內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生提前自動跳槍或回油的現象。這就需要加油站控制合適的加油速率，美國規定為4～10加侖/min(約15～38L/min)，目前國內的加油站對加油速率尚無明確規定。因此，為保證油氣回收效果和正常加油，在開發ORVR炭罐時，應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進行了限制，規定“臭氧達標地區”應不超過9psi(約62.1kPa)，“臭氧不達標地區”則應不超過7.8 psi (約53.8kPa )。根據國Ⅳ汽油標準，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ORVR炭罐時，還應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 結論及建議

(1)根據國家控制大氣污染防治的重點 (VOC、臭氧和PM2.5)，和ORVR相對StageII的優勢，有必要在排放標準體系中補充加油排放要求。

(2)借鑒美國EPA的加油排放程序，對預處理循環根據NEDC進行轉化，制定了適合我國汽車排放標準體系的加油排放試驗草案。通過兩輛車的對比驗證分析，經本試驗程序預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排放也有額外的益處。

(4)汽車配備ORVR時應進行相應的改進，其中部分項目須在新車型設計時整體考慮，特別是涉及炭罐與油箱的重新布置和發動機的重新標定等。

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

(6)建議盡快對ORVR和加油排放開展更全面的驗證試驗，進一步完善試驗程序，以達到標準要求。

參考文獻

[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]. 國家環境保護總局、國家質量監督檢驗檢疫總局，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環境保護產品技術要求 汽油車燃油蒸發污染物控制系統(裝置) [S].國家環境保護總局，2005.

[5] 諾埃爾·德·內韋爾．大氣污染控制工程[M]．胡敏，謝紹東，譯．北京：化學工業出版社，2005.