中國市售非手持式通用小型汽油機蒸發排放研究

（天津內燃機研究所 天津 300072）

引言

非道路通用小型汽油機是除車用、航空用以外，一般功率在30 kW 以內，非道路用往復活塞式汽油發動機。由于其操作簡單、通用性強的特點，廣泛應用于農林植保機械、園林機械、發電機組、建筑機械、搶險救援工具等諸多領域。中國是非道路通用小型汽油機產品全球第一生產大國，平均每年80%的產品出口海外。與此同時，隨著中國農業機械化、林業機械化、城市綠化的推進及一批國家重點工程項目的實施、因人口老齡化問題日益嚴重而產生的應急備用意識的提高，中國國內的通用小型汽油機及相關終端產品的使用及保有量逐步增多[1]。

1 蒸發排放的產生與危害

通用小型汽油機蒸發排放產生的主要原因是由于發動機燃油系統對于汽油這種揮發性燃料具有較高的滲透性，使得燃油蒸氣排入到大氣中。不同于尾氣排放，無論發動機運轉或靜置，只要燃油系統存有汽油，便會產生蒸發排放。蒸發排放的主要污染物是碳氫化合物與活性有機氣體。其中，碳氫化合物構成人類健康風險，活性有機氣體會導致大氣中臭氧的形成。根據美國加州空氣資源委員會（California Air Resources Board，CARB）的調查統計，美國加州地區累計保有1 600 萬臺非道路通用小型汽油機設備，包括割草機、吹風機、草坪拖拉機、發電機等。2016年，美國加州境內的所有非道路通用小型汽油機設備每天產生約45 t 活性有機氣體，這個排放量甚至超出加州地區全部加油站每天產生的活性有機氣體排放量[2]。

2 已在實施中的蒸發排放法規要求

針對非道路通用小型汽油機蒸發排放，美國環境保護署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）與CARB 分別制定了排放法規并已實施。其中，CARB 率先于2004 年7 月頒布了全球首個非道路通用小型汽油機的蒸發排放法規，并于2017 年11月再次頒布修訂版法規。EPA 在2008 年9 月4 日簽署了非道路和固定式設備蒸發排放法規，該法規涵蓋了非道路通用小型汽油機蒸發排放法規內容。

表1 非手持式通用小型汽油機EPA 與CARB 蒸發排放法規要求[3-4]

非手持式通用小型汽油機通常是發動機排量為80～1 000 mL 的通用汽油機產品。表1 中，制造商選用經過認證的蒸發排放零部件進行產品整機蒸發排放認證申請的方式稱為設計認證方式；制造商通過產品整機晝間排放測試數據進行認證申請的方式稱為性能認證方式。設計認證方式需要油管、油箱、碳罐等滿足法規要求，性能認證方式需要產品滿足晝間排放要求。目前，EPA 對于非手持通用小型汽油機的蒸發排放只有設計認證要求。CARB 要求發動機排量為80～225 mL 的手推式割草機必須使用性能認證方式，其他類別的產品既可以選擇設計認證方式也可以選擇性能認證方式。無論使用哪種認證方式，產品在CARB 抽查測試中必須滿足晝間排放限值要求。

3 測試發動機與測試程序

國產通用小型汽油機具有價格便宜、經濟耐用等特點，使其在當前國內在用通用小型汽油機市場中占據主導地位。中國通用小型汽油機行業地域產業集中度較高，在國內集中分布于山東、江蘇、浙江、上海、福建、廣東和重慶。其中，山東以手持式發動機為主；重慶以排量為80 mL 以上的非手持式發動機為主[1]。為了讓測試具有更高的代表性，選擇了重慶某品牌產品作為測試樣機。該品牌產品在國內市場上銷量居前，已投入國內市場超過10 年，曾獲得重慶市著名商標，國內銷售服務網絡覆蓋全國31 個省、市、自治區。在產品設備類型選擇方面，考慮到通用小型汽油機的終端產品在我國國內的用途統計中，發電機、水泵、插秧機、油鋸、微耕機、割灌機等具有較高的比率。根據中國內燃機工業協會小型汽油機分會公布的信息，截至2019 年1 月，在中國點燃式移動機械的各種用途占比中，發電機/發電機組占32.36%，排名第1 位，水泵占10.88%，排名第2 位[5]。在發動機選擇方面，168F-2 與188F 屬于四沖程發動機典型產品，無論在國內市場還是出口市場，都有較高的市場占有率。因此，在市場上選購了168F-2水泵用發動機與188F 發電機用發動機作為測試樣機。測試樣機主要技術參數如表2 所示。

表2 測試發動機主要技術參數

在測試設備方面，選用符合CARB 法規要求的AVL-SHED（sealed housing evaporative determination）蒸發密閉實驗室。在測試程序方面，參照CARB 法規TP-902 測試程序，分別對2 臺樣機進行晝間排放測試。由于時間原因，將140 d 預處理步驟跳過。測試程序見表3。

表3 蒸發排放測試程序

在24 小時晝間排放測試中，蒸發密閉實驗室艙內每1 h 的溫度設定參照CARB 法規TP-902，見表4。

表4 24 h 晝間排放溫度設定[6]

4 測試結果與分析

4.1 測試結果

測試結果如表5 所示。

表5 24 h 晝間排放結果

4.2 分析

通過測試結果與CARB 排放限值對比，可以看出，2 臺樣機的晝間蒸發排放均遠超出CARB 排放限值。考慮到測試沒有對樣機進行140 d 預處理，可以推斷，2 臺樣機的實際蒸發排放水平比測試結果還要略高一些。因為，預處理的目的是使發動機燃油系統更徹底地被燃油浸透。按照設計認證的思路，對樣機的蒸發零部件逐一進行分析，找出排放超標的原因。

1）油管方面。2 臺樣機與當前我國市場大多數產品一樣，配備的是普通橡膠油管。而美國市場上的通用汽油機產品由于有EPA 與CARB 法規的管控，配備的是經過特殊工藝的低滲透油管，如氟化阻隔油管、多層塑料油管。經過特殊工藝處理的低滲透油管，其燃油滲透率能夠比普通丁晴橡膠油管低大約90%。因此，油管是測試時排放超標的一個重要原因。

2）油箱方面。2 臺樣機均采用金屬油箱，這也是大多數非手持通用小型汽油機常用的油箱。金屬材料的燃油滲透率遠比普通塑料橡膠材料低，EPA 將金屬視為低滲透材料，只要油箱蓋與密封圈滿足一定的尺寸要求，金屬油箱可以享受EPA 認證豁免。因此，油箱對于測試結果的影響相對有限。

3）運轉損失控制方面。碳罐是活性碳貯存裝置，其作用是吸附油箱內的燃油蒸氣。通常，油箱燃油蒸氣被引入碳罐，再被送至發動機進氣系統，通過進氣系統參與燃燒，以防止燃油蒸氣揮發到大氣中。目前，對于非手持式通用小型汽油機，CARB 要求必須配備碳罐，EPA 只要求將油箱燃油蒸氣引入發動機進氣系統。2 臺樣機與當前國內絕大多數市售產品一樣，既沒有設計將油箱燃油蒸氣引入進氣系統的管路，也沒有安裝碳罐，這是測試時排放超標的另一重要原因。

5 結論

本文通過選取當前在中國市場上極具代表性的國產非手持式通用小型汽油機產品進行晝間蒸發排放測試，可以看出，當前，我國在用的通用小型汽油機蒸發排放水平遠比美國高。隨著我國通用小型汽油機國內持有量不斷增長，國家對其蒸發排放量一定會更加重視。接下來，中國非道路通用小型汽油機第三階段排放法規勢必增加蒸發排放限值的要求，屆時，我國的通用小型汽油機蒸發排放量將逐步得到有效控制。