北京市輕型汽油車蒸發排放總量評估

朱慶功,劉俊女,趙笑春,羅佳鑫

北京市輕型汽油車蒸發排放總量評估

朱慶功1*,劉俊女2,趙笑春3,羅佳鑫1

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300；2.北京市機動車排放管理中心,北京 100176；3.北京奔馳汽車有限公司,北京 100176)

通過實際測試得到輕型汽油車蒸發排放熱浸和晝間排放因子,結合北京市輕型汽油車保有量和車輛使用情況,基于MOVES模型評估北京市輕型汽油車蒸發排放總量.結果表明,國五和國六標準車輛的平均蒸發排放因子分為1.03,0.37g/test;輕型汽油車蒸發排放隨行駛里程增加未出現明顯劣化趨勢;北京市輕型汽油車蒸發排放總量為8299.7t,約為輕型汽油車尾氣排放中THC的68.3%;若北京市國三車型全部置換為國六車型后,蒸發排放總量將降低13.7%.

輕型汽油車；蒸發排放；MOVES模型；總量評估

我國正在推進細顆粒物(PM2.5)和臭氧(O3)協同控制以改善環境空氣質量,揮發性有機物(VOCs)作為二者生成的共同前體物越來越受到關注.我國人為源VOCs排放中汽油揮發和機動車尾氣排放占比較高,研究表明,深圳市臭氧污染日VOCs排放汽油揮發占比為26.0%,機動車尾氣占比為21.2%[1].

基于2016年夏季北京大氣VOCs觀測數據,汽油揮發占觀測期內VOCs污染的15.59%,相比于工業排放、溶劑使用等來源,機動車排放對大氣VOCs的影響更為明顯[2-3].通過對2008～2018年我國機動車排放變化趨勢進行分析,PM2.5和CO明顯下降,NO整體變化平緩,但VOCs排放呈上升趨勢[4].對于機動車保有量較大城市,移動源排放已成為VOCs排放的重要來源.部分學者針對輕型汽油車蒸發排放進行了研究.為降低蒸發排放,有研究從降低汽油車的THC蒸發量和使用高性能的炭罐等兩個方面分析了技術路徑[5].對于環境溫度對蒸發排放影響,針對國五車型研究結果表明溫度變化對VOCs蒸發排放影響顯著[6].對于機動車排放總量評估,國內較多采用MOVES、MOBILE、IVE、COPERT、CMEM等模型進行了估算,但對于蒸發排放量的估算研究較少[7-12].

我國輕型汽油車從國三排放標準開始要求開展蒸發排放測試,但國三,國四,國五標準蒸發排放測試方法及排放限值均未改變[13-14],直至國六排放標準才對蒸發排放限值進行了大幅加嚴,同時測試程序更加嚴格[15].關于車輛蒸發排放因子,2014年環境保護部發布的“道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)”根據國外模型第一次給出了我國機動車HC蒸發排放系數[16],2020年我國第二次污染源普查中首次通過實測測試方法得出了蒸發排放因子,但測試樣本中未包含國六輕型汽油車.從2020年開始,北京市全面實施國六排放標準,同時,目前生態環境部門正在推進排放清單編制業務化,重點區域正逐步開展VOCs關鍵物種排放清單研究工作,為準確評估VOCs蒸發排放量,有必要開展輕型汽油車VOCs排放本地化研究.

本文通過測試60輛國五和300輛國六排放標準輕型汽油車的蒸發排放,得到了輕型汽油車的蒸發晝間和熱浸排放因子,同時對于國五車型蒸發耐久性進行了跟蹤試驗.根據北京市輕型汽油車的構成情況、行駛特征和氣象條件等實際參數,應用MOVES模型結合實測蒸發排放因子評估了北京市輕型汽油車蒸發排放總量,分析了蒸發排放特征.結合目前北京市鼓勵淘汰更新國三排放標準輕型汽油車的相關政策,評估了車輛更新對汽油車蒸發排放總量的影響,以期為控制機動車VOCs排放提供參考.

1 材料與方法

1.1 蒸發模型和研究方法

采用MOVES模型進行蒸發排放總量核算,該模型由美國環保署(U.S. EPA)應用車載排放測試數據和微觀交通模態化耦合開發的新一代機動車排放估算模型.本文使用的MOVES2014b是EPA機動車排放模型的最新版本,可用于估算VOCs, NO, PM2.5, PM10和CO.MOVES模型中[17],將車輛蒸發排放分為熱浸排放、晝間排放、運行損失排放、炭罐擊穿排放、燃油系統老化泄漏排放以及加油排放等,較為全面的考慮了燃油蒸發排放的各個產生源,同時由于國六標準采用的蒸發測試程序與美國標準相同,因此本文采用MOVES模型進行蒸發總量計算.

蒸發排放總量由蒸發排放因子和北京市輕型汽油車的實際使用數據計算得到.考慮到北京市實施嚴格的加油站油汽回收措施,因此蒸發排放總量核算未包含加油排放.考慮到北京市國二及以下車輛占比已不足3%,同時執行工作日國二及以下排放標準輕型汽油車五環內限行政策,因此蒸發排放總量計算也未包含國二及以下排放標準車輛.

1.2 數據來源

1.2.1 熱浸排放和晝間排放因子 選擇60輛典型國五標準車輛和300典型國六標準車輛,分別依據GB 18352.5-2013[14]和GB 18352.6-2016[15]標準進行蒸發污染物排放測試,得到國五和國六標準輕型汽油車熱浸和晝間排放因子.為減少車輛使用狀況對測試結果的影響,所選車輛行駛里程均小于1.5萬km.對于國三和國四標準輕型汽油車的熱浸排放和晝間排放因子,由于國三、國四、國五標準蒸發排放測試方法及排放限值均未改變,蒸發排放控制系統國三、國四標準車型未進行升級改動,因此均采用國五標準車輛的因子.

1.2.2 炭罐擊穿排放因子 輕型汽油車在實際使用中由于連續短距離行駛或車輛長時間連續停駛導致炭罐脫附不充分,實際使用時會存在炭罐擊穿的現象.滲透排放并不能完整代表輕型汽油車的晝間排放水平.通過油箱蒸汽排氣公式計算輕型汽油車每天產生的燃油蒸汽,采用產生的燃油蒸汽量與炭罐有效吸附量的差值計算炭罐擊穿排放量.燃油蒸汽產生量(TVG)計算如下式:

式中:2是1d時間內的最高溫度,℃;1是1d時間內的最低溫度,℃,溫度數據根據北京市氣象資料中每月的平均最高溫度和平均最低溫度計算;RVP是燃油蒸氣壓,kPa,根據北京市車用汽油地方標準,取中值60kPa;tanksize是油箱大小,L;tankfill是油箱的填充程度,%,以40%加油量計算;,,是相關性系數,因北京市平均海拔為43.5m,本文相關性系數采用MOVES模型中海平面系數,其中為0.00817,為0.2357,為0.0409.

式中油箱蒸汽量僅用于計算溫度上升時油箱中產生的燃油蒸汽排出量,當油箱溫度隨環境溫度下降時,認為在此段時間內無蒸汽排氣產生,并且由于溫度下降,通過炭罐排氣口吸入周圍的空氣會有反吹效應,參考MOVES模型,平均23.8%的油氣吸附量會從車載炭罐中吹掃回油箱中[17].

對于炭罐的有效吸附量和初始狀態,如表1所示,其中總吸附量根據以往測試數據匯總得到,而炭罐初始狀態根據MOVES模型計算得到,通過總吸附量和初始狀態的差值即可得到有效吸附量.

表1 炭罐的有效吸附量和初始狀態

1.2.3 運行損失和燃油系統老化泄漏排放因子 采用MOVES推薦的燃油系統老化泄漏排放因子.運行損失排放主要產生于炭罐吸附能力下降后運行時炭罐大氣口溢出燃油蒸汽以及車輛老化后油箱蓋附近溢出的燃油蒸汽,由于目前國內暫無測試標準,本文的運行損失采用試驗驗證結合模型估算方法來確定,共對2輛國四和4輛國五在用車輛進行了運行損失排放測試.由于目前國內暫無車輛運行損失的測試標準,通過改造環境倉的進排氣控制,設計試驗方案對運行損失進行了量化評估.首先將整車排放測試的環境倉設置為內循環模式,沒有新風和排氣的流入和排出.將試驗車輛在環境倉內至少浸車6h,環境溫度設置為38℃,待車輛冷卻液溫度和機油溫度達到(38±2)℃時開始測試.將車輛移動到底盤測功機上,通過進氣管連接進氣系統,從環境倉外取氣,將尾氣通過排氣管排抽到室外.使用分析儀測試車輛運行前環境倉內的THC作為初始值.在底盤測功機上運行WLTC工況的低速、中速和高速階段,連續運行2次.使用分析儀測試車輛運行后環境倉內的THC作為結束值.在沒有車輛的情況下,運行上述同樣的步驟,作為背景參考值.通過環境倉的體積和車輛行駛的里程,計算車輛運行損失的排放因子.

1.2.4 車輛出行數據 北京市私人小汽車年均行駛里程為11968km,工作日日均出行次數2.81次,節假日日均出行次數2.62次,日均出行距離為31.3km,次均出行距離為11.4km[18].根據輕型汽油車的車型和注冊登記年份等信息,截止2020年底北京市的輕型汽油車共有約462.3萬輛.同時根據統計數據,在北京使用的外地輕型汽油車約為70.9萬輛,本文中總量計算包含在京使用的外地輕型汽油車.

1.3 實驗設備

主要測試設備見表2,均滿足GB 18352.5- 2013[14]和GB 18352.6-2016[15]標準要求.

表2 主要儀器設備

2 結果與分析

2.1 熱浸排放因子的確定

熱浸排放主要為輸油管路及進氣閥等部件連接處逃逸的燃油蒸汽,其排放量受發動機艙和燃油管路余熱及環境溫度的影響.如圖1(a)所示,國五實驗車輛熱浸排放的最大值為0.39g/test,最小值為0.03g/test,平均0.14g/test.與國五標準規定的2.0g/test[14]的蒸發排放限值相比,國五輕型汽油車的熱浸排放整體控制效果較好,平均值僅為限值的7%.

如圖1(b)所示,國六標準輕型汽油車的熱浸排放最大值為0.54g/test,最小值為0.02g/test,平均0.12g/test.國六汽油車的熱浸排放均值與國五車型相差較小.依據國六標準,熱浸試驗需要在試驗開始前對車輛進行12～36h的38℃高溫浸車,并需要在38℃高溫環境下行駛WLTC工況(世界統一輕型汽車駕駛循環)低速、中速和兩2個高速階段,每個階段間浸車2min后進入密閉室.國五標準規定熱浸試驗僅要求在室溫條件下進行浸車和行駛.結果表明,國六車型熱浸平均排放因子低于國五車型,但在測試規程上國六車型的測試條件更為苛刻,可以看出國六車型對蒸發排放控制系統進行了改進,排放控制效果好于國五車型.

2.2 晝間排放因子的確定

分析試驗數據可知,由于密閉室內HC的升高與時間成線性關系,不存在炭罐擊穿現象,所以晝間排放主要是滲透排放.如圖2(a)所示,國五輕型汽油車晝間排放最大值為1.69g/test,最小值為0.28g/test,平均0.88g/test.同國五限值相比,晝間排放平均值達限值的44%.晝間排放顯著高于熱浸排放,約為熱浸排放的6.3倍.

如圖2(b),國六車型晝間排放的最大值0.63g/ test,最小值為0.04g/test,平均0.25g/test.同國五標準車輛的蒸發規律相似,國六車輛的晝間排放同樣高于熱浸排放,但差值減小,國六車輛晝間排放平均值約為熱浸排放平均值的2倍.在測試規程上,國六標準規定晝間排放測試由國五標準的24h延長至48h,晝間排放結果取前后24h排放的較大值,相比于國五蒸發排放標準,法規要求大幅加嚴.國六車輛與國五車輛的熱浸排放因子大體相當,但晝間排放控制水平顯著提升[19].主要原因是國六車型使用了改進的油箱和油管材料,大幅減少了燃油管路和燃油箱中燃油蒸汽滲透的發生.從試驗車輛晝間排放的最大值僅為0.63g/d來看,炭罐均未發生擊穿現象.

2.3 依據國家標準測試流程的蒸發排放因子確定

目前國家標準中規定的蒸發排放為熱浸和晝間排放因子之和[13-15].如圖3(a)所示,按照國五標準測試方法得到的國五輕型汽油車蒸發排放因子最大值為1.81g/test,最小值為0.32g/test,平均1.03g/test.國五車型蒸發排放整體控制較好,平均值為限值的52%.付鐵強等[20]于2004～2005年對200多輛國三車輛進行了蒸發排放測試,蒸發排放結果一般控制在1.19g/test.由此可見,國五車型與2005年前后的國三車型相比,蒸發排放控制水平并沒有明顯的變化.這主要是因為國三、國四和國五排放標準的試驗程序和限值完全一致,蒸發排放控制技術并沒有進行相應的升級.劉歡等[21]選取3輛國四在用車,依據美國排放標準進行的蒸發排放試驗結果均值達到了7.2g/test.這主要是由于不同蒸發排放標準炭罐脫附程序不同,相比于24h晝間排放,美國采用了更嚴格的48h和72h晝間排放程序.

如圖3(b),國六輕型汽油車的蒸發排放最大值為0.85g/test,最小值為0.12g/test,平均值為0.37g/test.雖然國六車輛蒸發排放整體控制水平較高,但蒸發排放平均值和國六第一類車限值0.7g/test較近.這主要是由于國六測試規程加嚴并且限值加嚴,達標難度增加.

2.4 炭罐擊穿排放因子確定

輕型汽油車蒸發排放控制的核心部件是活性炭罐,在車輛行駛時,吸附的燃油蒸氣從炭罐中脫附進入發動機中被燃燒,從而完成炭罐的循環脫附.在停車期間,當燃油蒸汽的吸附量達到了炭罐的吸附上限后,炭罐被擊穿,燃油蒸汽將直接排放到大氣中,此時便會形成擊穿排放[22-23].

表3 不同月份油箱產生蒸汽量

表4 不同月份炭罐擊穿排放因子(g/test)

注:1～3、10～12月未發生擊穿現象.

本文結合車輛油箱容積的實際情況,設定了3種油箱容積,分別為40L(小油箱)、55L(中油箱)、75L(大油箱),其占比分別為25%、50%和25%.通過調研北京市氣象數據,根據MOVES模型計算得出了車輛每天的燃油蒸汽產生量,如表3所示.油箱容積越大,溫差越大,則產生的蒸汽量越高.本文以車輛每周連續行駛4d,停駛3d進行計算,炭罐的擊穿狀態如表4所示,炭罐容量越大,溫差越小,炭罐越不容易擊穿.

2.5 運行損失排放因子確定

選取了2輛國四和4輛國五車型進行了運行損失排放測試,試驗結果如圖4所示,1#和2#車型為國四標準車型,其它車輛為國五標準車型.2臺國四車輛的運行損失排放明顯高于4臺國五車輛.國四車輛的運行損失平均值為18.74mg/km,而國五車輛的運行損失平均值僅為8.94mg/km.隨著電控與噴油技術的進步,能夠對噴油壓力進行精確的控制,油箱中燃油的溫度受發動機運行狀態的影響越來越小,油箱中基本很少產生額外的燃油蒸汽,因此實際運行損失排放很低.美國MOVES模型中1996～2003年份車型的運行損失排放因子為0.72g/h,美國加州標準中車輛運行損失排放限值為0.05g/mile[24],與本文中國四車型的結果較為接近.由于目前國內無標準及設備進行運行損失排放測試,因此本文在進行運行損失排放總量計算時,采用了美國加州標準限值0.05g/mile的運行損失排放因子.

圖4 運行損失排放

2.6 燃油系統老化泄漏排放因子確定

液體泄漏排放包括從燃料系統中泄漏的任何非蒸汽形式的燃料.由于目前沒有方法可以準確獲取泄露排放因子,因此本文使用MOVES模型中提供的排放因子數據,并根據車齡和不同的蒸發排放過程進行分類.隨著車輛使用年限的增加,燃油供給系統老化,泄漏排放因子隨之增加,北京市實施國三～國六排放標準日期分別為2005年,2008年,2013年和2020年,對應液體泄漏排放因子見表5.

表5 輕型汽油車液體泄漏排放因子

2.7 依據國家標準測試流程的蒸發耐久性研究

從圖5中可以看出,7輛跟蹤試驗車輛的蒸發排放試驗結果隨著里程的增加未出現明顯的上升.蒸發排放耐久的劣化可以從油箱的滲透劣化和炭罐的吸附能力衰減2個方面進行考慮.車輛的內飾、輪胎也在很大程度上影響新車的蒸發排放,因此蒸發排放初始值較高.而對于炭罐吸附能力,國外研究表明隨著里程累計,活性炭吸附能力變化較小.綜合油箱滲透、炭罐劣化與新車內飾、輪胎等的影響,跟蹤試驗車在10萬km的行駛過程中,燃油蒸發排放結果出現了先降低,然后基本趨于平穩的變化趨勢.

圖5 國五蒸發排放隨里程的變化趨勢

2.8 蒸發排放總量

車輛的實際使用條件對蒸發排放總量有較大影響,北京市實施的尾號限行政策會導致車輛每周內限行1d,將對車輛的出行和蒸發排放規律產生影響.此外,在輕型汽油車活動水平和車輛使用習慣方面,不同車型的日或年行駛里程以及日均出行次數都會存在差異.但本文中的蒸發排放因子均是通過具體試驗數據獲得,與真實的車輛排放可能存在差異.同時考慮由于炭罐的不當使用,輕型汽油車的部分炭罐會出現失效現象,炭罐中的活性炭無法吸附油箱中產生的燃油蒸汽,導致燃油蒸汽直接排入大氣中,本文在計算蒸發排放總量時也考慮了炭罐失效情況.

此外,北京市為降低機動車排放,實施了高排放老舊機動車淘汰政策,鼓勵淘汰國三排放標準的汽油車.因此,本文核算了將國三標準車輛(約23.3萬輛)全部置換為國六標準車輛更新方案實施前后的蒸發排放總量,如圖6所示,基于MOVEs模型計算的北京市輕型汽油車蒸發排放總量為8299.7t,其中炭罐擊穿排放所占比例最大為42.4%,燃料泄漏排放、滲透排放、運行損失排放和熱浸排放所占比例依次遞減,分別為20.7%,18.2%,13.0%和5.7%.當國三輕型汽油車全部置換為國六標準后,蒸發排放總量降為7165.2t,降低了13.7%.同時,由圖6可以看出,當國三輕型汽油車全部置換為國六輕型汽油車后,北京市輕型汽油車蒸發排放總量中各部分所占比例有所變化,但差異不大.

圖6 北京市蒸發排放總量

本文前期研究應用MOVES模型結合北京市輕型汽油車保有情況,計算得到北京市輕型汽油車尾氣THC排放總量為12151t,本文測算得到的蒸發排放總量占尾氣THC排放比例達到68.3%,蒸發排放占比較高,而目前的蒸發排放測試流程較難監測到炭罐擊穿后的排放,與實際應用情況存在差異,在實際監管中應重點關注.

3 結論

3.1 國五標準車輛熱浸排放因子為0.14g/h,晝間排放因子為0.88g/d,蒸發排放因子為1.02g/test;國六熱浸排放因子為0.12g/h,晝間排放因子為0.25g/d,蒸發排放因子為0.37g/test,與國五車型相比,國六車型蒸發排放顯著降低.

3.2 7輛國五標準車輛蒸發排放結果隨里程累計增加先降低,然后趨于平穩,蒸發排放未出現明顯的劣化趨勢.

3.3 北京市輕型汽油車蒸發排放總量為8299.7t,占尾氣THC排放比例達到68.3%;當國三標準輕型汽油車全部置換為國六標準輕型汽油車后,蒸發排放總量降為7165.2t,蒸發排放總量降低13.7%.

3.4 蒸發排放總量中,炭罐擊穿后排放占比最大,為42.4%,現有的標準測試流程較難監測,在實際監管中應重點關注.

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Estimation of light-duty vehicles total evaporative emissions in Beijing.

ZHU Qing-gong1*, LIU Jun-nü2, ZHAO Xiao-chun3, LUO Jia-xin1

(1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China；2.Beijing Vehicle Emission Management Center, Beijing 100176, China；3.Beijing Benz Automotive Co., Ltd., Beijing 100176, China)., 2022,42(3)：1066～1072

Evaporative emission tests were performed to obtain the actual emission factors within hot-soak and diurnal-loss stages of light-duty gasoline vehicles. Based on the MOVES model, the total evaporative emissions from light-duty gasoline vehicles in Beijing was estimated with vehicle preservation and activity data as input. Evaporative emission factors of China-Ⅴ and China-Ⅵ vehicles were 1.03g/test and 0.37g/test, respectively. The evaporative emissions from light-duty gasoline vehicles showed no evident deterioration trend with the increase of mileage. The total evaporative emissions of light-duty gasoline vehicles in Beijing were 8299.7t, about 68.3% of the annual tailpipe THC emissions attributed to light-duty gasoline vehicles. A reduction of 13.7% in the total evaporative emissions from light-duty gasoline vehicles in Beijing is projected with China-VI vehicles replacing the in-service models certified to China-III.

light-duty vehicle；evaporative emission；MOVES model；total emissions estimation

X513

A

1000-6923(2022)03-1066-07

朱慶功(1989-),男,陜西咸陽人,工程師,碩士,主要從事機動車排放測試及環境影響評估.發表論文10余篇.

2021-08-31

中國汽車技術研究中心有限公司資助項目(20010101)

*責任作者, 工程師, zhuqinggong@catarc.ac.cn