杜建波，方茂東，陸紅雨，李菁元，王小臣，湯大鋼

(1. 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300； 2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

前言

加油排放的燃油蒸氣是揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的重要來(lái)源。揮發(fā)性有機(jī)物與氮氧化物(NOx)等一次污染物在陽(yáng)光的作用下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧(O3) 、醛、酮、酸和過(guò)氧乙酰硝酸酯(PAN)等二次污染物，而臭氧又對(duì)PM2.5的形成具有促進(jìn)作用。控制VOC、臭氧和PM2.5是我國(guó)當(dāng)前大氣污染防治的重點(diǎn)，因此控制加油排放將是一項(xiàng)重要的工作。

隨著汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán)，輕型汽油車(chē)在加油時(shí)逸出的燃油蒸氣已經(jīng)與尾氣排放的HC相當(dāng)甚至更多。目前我國(guó)采用加油站二級(jí)改造(StageII)控制加油排放，但在實(shí)施過(guò)程中容易受到一些不利因素的影響和制約。因此，在汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充加油排放要求、明確汽車(chē)應(yīng)加裝車(chē)載油氣回收(on-board refueling vapor recovery, ORVR)系統(tǒng)，對(duì)有效控制汽車(chē)排放污染和完善汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)體系均具有非常重要的意義。

1 ORVR關(guān)鍵改進(jìn)技術(shù)

相對(duì)于Stage II油氣回收系統(tǒng)，ORVR系統(tǒng)在汽車(chē)內(nèi)部形成一個(gè)輸油管密封系統(tǒng)，在加油時(shí)將燃油蒸氣通過(guò)導(dǎo)管輸送到汽車(chē)的炭罐中。當(dāng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，ORVR系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的真空將燃油蒸氣釋放出來(lái)，并送入發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)上安裝的炭罐主要是針對(duì)汽車(chē)蒸發(fā)排放，但不涉及加油過(guò)程中的燃油蒸氣排放控制。ORVR技術(shù)就是通過(guò)改進(jìn)現(xiàn)有的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)，使其回收加油時(shí)的HC排放。因此，ORVR系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)汽車(chē)和加油槍均提出了特殊的要求。

1.1 汽車(chē)的改進(jìn)

汽車(chē)裝備ORVR系統(tǒng)，須對(duì)汽車(chē)的油箱、管路、閥門(mén)和炭罐等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改進(jìn)，如圖1所示。

具體要求如下。

(1)典型的加油管管口直徑應(yīng)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(nèi)的油氣在加油時(shí)回流并經(jīng)加油管排向大氣。

(2)燃油箱上方連接炭罐的油路系統(tǒng)必須改進(jìn)，如增加防溢或者過(guò)滿保護(hù)閥，并增大連接炭罐管路的直徑，以保證燃油箱不會(huì)在高速加油過(guò)程中升壓。

(3)符合國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)[1]的汽車(chē)通常使用7mm直徑的油箱炭罐連接管，而實(shí)施ORVR時(shí)該管路的直徑應(yīng)增加到約16mm。

(4)炭罐的設(shè)計(jì)對(duì)ORVR系統(tǒng)的功能和控制加油排放的效率至關(guān)重要。炭罐須有足夠的工作能力滿足排放標(biāo)準(zhǔn)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(guò)程中升壓。為了滿足這些要求，炭罐須加大至國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)上炭罐體積的2～3倍，且應(yīng)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(chē)和ORVR汽車(chē)的炭罐主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 炭罐的主要參數(shù)

(5)炭罐應(yīng)安裝在燃油箱的附近，以確保燃油箱在加油過(guò)程中不會(huì)增加壓力。

1.2 加油槍的尺寸要求

ORVR汽車(chē)的加油管內(nèi)徑約為25mm，而非ORVR汽車(chē)為35～40mm。由于汽車(chē)加油管的直徑減小，加油站應(yīng)配備合適尺寸的加油槍。美國(guó)EPA對(duì)加油槍的具體要求見(jiàn)圖2。

根據(jù)調(diào)研，目前我國(guó)市場(chǎng)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(shù)的兼容性，已經(jīng)完成二級(jí)改造的加油站還應(yīng)更換帶傳感器的加油槍，以能自動(dòng)識(shí)別汽車(chē)是否裝備ORVR，防止加油時(shí)ORVR和StageII同時(shí)工作，影響回收效率及帶來(lái)的其他風(fēng)險(xiǎn)。

2 加油排放試驗(yàn)程序

2.1 EPA試驗(yàn)程序

美國(guó)EPA規(guī)定了完善的加油排放試驗(yàn)程序[2]。試驗(yàn)過(guò)程中，預(yù)處理主要采用EPA瞬態(tài)工況循環(huán)進(jìn)行炭罐脫附。歸納起來(lái)，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(guó)聯(lián)邦測(cè)試循環(huán)，F(xiàn)TP75循環(huán)是在FTP72循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了熱起動(dòng)的505s循環(huán)；NYCC是紐約城市循環(huán)，主要是模擬城市低速和頻繁起停的工況。各種循環(huán)工況見(jiàn)圖3和圖4。

2.2 適合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系的加油排放試驗(yàn)程序

由于我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)采用的是歐盟的NEDC循環(huán)[3](見(jiàn)圖5)，因此在借鑒EPA試驗(yàn)程序時(shí)，須對(duì)EPA的預(yù)處理工況進(jìn)行轉(zhuǎn)化。這也是加油排放試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的核心工作之一。

經(jīng)過(guò)分析與驗(yàn)證，提出了表2所述的預(yù)處理循環(huán)(炭罐脫附工況)，和圖6所示的加油排放試驗(yàn)草案。

表2 預(yù)處理循環(huán)(炭罐脫附工況)

注：* 表示不計(jì)算3個(gè)額外的2min怠速。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)樣車(chē)參數(shù)

選取兩輛帶車(chē)載油氣回收(ORVR)系統(tǒng)的樣車(chē)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，樣車(chē)主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 樣車(chē)主要參數(shù)

3.2 炭罐的初始工作能力

加油排放試驗(yàn)前，對(duì)兩臺(tái)樣車(chē)的炭罐初始工作能力進(jìn)行了檢驗(yàn)。用排放試驗(yàn)室的空氣以(22.7±0.5)L/min 的流量脫附炭罐，直至達(dá)到1 200 倍床容積，然后采用50%容積丁烷和50%容積氮?dú)獾幕旌蠚?，?0g/h丁烷的充氣速率，參照HJ/T 390對(duì)炭罐進(jìn)行初始工作能力試驗(yàn)[4]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 樣車(chē)炭罐的初始工作能力

3.3 加油排放試驗(yàn)結(jié)果

兩臺(tái)樣車(chē)分別按照?qǐng)D6所示的草案和EPA的試驗(yàn)程序進(jìn)行加油排放試驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 車(chē)A加油排放試驗(yàn)結(jié)果

表6 車(chē)B加油排放試驗(yàn)結(jié)果

兩臺(tái)樣車(chē)分別按本文的試驗(yàn)程序和EPA法規(guī)運(yùn)行預(yù)處理循環(huán)后，炭罐的脫附效果基本相當(dāng)，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(yù)處理行駛循環(huán)與美國(guó)EPA基本等效。

從加油排放試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩種試驗(yàn)方法的測(cè)量結(jié)果均能滿足EPA限值要求。按照本文的程序進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，車(chē)A的加油排放結(jié)果接近限值的1/5，車(chē)B的結(jié)果接近限值的1/10。按照EPA進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，加油排放結(jié)果略高，但仍遠(yuǎn)低于EPA限值。

從炭罐的吸附能力和加油時(shí)油箱逸出的總HC來(lái)看，兩臺(tái)車(chē)的炭罐吸附能力分別是加油時(shí)HC逸出量的2.4倍和2.3倍。

若汽車(chē)未帶ORVR系統(tǒng)，則兩臺(tái)車(chē)的加油排放約為1和1.2g/L。以100km油耗10L計(jì)算，HC排放約為0.1和0.12g/km，加油排放的HC已經(jīng)等于或超出尾氣排放的HC限值(0.1g/km)。實(shí)際上為保證排放耐久性，新車(chē)的HC排放應(yīng)遠(yuǎn)低于0.1g/km，因此加油排放的HC比例已經(jīng)明顯高于尾氣排放。這也進(jìn)一步驗(yàn)證了控制加油排放的重要性。

4 加油排放影響因素和ORVR應(yīng)對(duì)措施

加油排放法規(guī)試驗(yàn)是在統(tǒng)一的脫附預(yù)處理?xiàng)l件下，按規(guī)定的速率加注規(guī)定蒸氣壓的汽油。但汽車(chē)在實(shí)際使用過(guò)程中，這些條件均可能發(fā)生變化，因此對(duì)加油排放的實(shí)際結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響。為了保證在用車(chē)的加油排放能滿足要求，在開(kāi)發(fā)ORVR時(shí)應(yīng)根據(jù)可能的影響因素采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

4.1 行駛工況和脫附策略

在實(shí)際使用過(guò)程中，炭罐一直處于吸附-脫附的過(guò)程。汽車(chē)在加油前的炭罐脫附程度直接影響實(shí)際加油排放。故在制定ORVR炭罐脫附策略時(shí)，除了使炭罐在NEDC工況下能正常脫附外，還應(yīng)盡可能地保證其在低速低負(fù)荷城市工況下的脫附效果。

4.2 加油速率

由于油箱內(nèi)壓會(huì)隨著加油流速的增加而增大(見(jiàn)圖7)，因此加油時(shí)可能會(huì)發(fā)生提前自動(dòng)跳槍或回油的現(xiàn)象。這就需要加油站控制合適的加油速率，美國(guó)規(guī)定為4～10加侖/min(約15～38L/min)，目前國(guó)內(nèi)的加油站對(duì)加油速率尚無(wú)明確規(guī)定。因此，為保證油氣回收效果和正常加油，在開(kāi)發(fā)ORVR炭罐時(shí)，應(yīng)考慮加油速率過(guò)高可能帶來(lái)的影響。

4.3 汽油蒸氣壓

汽油的轉(zhuǎn)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(chē)加油時(shí)的油氣揮發(fā)量也隨著RVP的升高而增加，見(jiàn)圖8。

對(duì)于汽油的夏季蒸氣壓，美國(guó)EPA進(jìn)行了限制，規(guī)定“臭氧達(dá)標(biāo)地區(qū)”應(yīng)不超過(guò)9psi(約62.1kPa)，“臭氧不達(dá)標(biāo)地區(qū)”則應(yīng)不超過(guò)7.8 psi (約53.8kPa )。根據(jù)國(guó)Ⅳ汽油標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)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(guó)EPA的要求。因此，為保證降低加油排放的效果，在開(kāi)發(fā)ORVR炭罐時(shí)，還應(yīng)考慮我國(guó)汽油蒸氣壓上限較高，可能對(duì)炭罐的工作能力提出更高的要求。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)國(guó)家控制大氣污染防治的重點(diǎn) (VOC、臭氧和PM2.5)，和ORVR相對(duì)StageII的優(yōu)勢(shì)，有必要在排放標(biāo)準(zhǔn)體系中補(bǔ)充加油排放要求。

(2)借鑒美國(guó)EPA的加油排放程序，對(duì)預(yù)處理循環(huán)根據(jù)NEDC進(jìn)行轉(zhuǎn)化，制定了適合我國(guó)汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)體系的加油排放試驗(yàn)草案。通過(guò)兩輛車(chē)的對(duì)比驗(yàn)證分析，經(jīng)本試驗(yàn)程序預(yù)處理的炭罐脫附水平與EPA要求基本等效。

(3)配備ORVR的兩臺(tái)樣車(chē)， 其加油排放的HC比不帶ORVR時(shí)消減99%以上。同時(shí)，炭罐的增大對(duì)于降低蒸發(fā)排放也有額外的益處。

(4)汽車(chē)配備ORVR時(shí)應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，其中部分項(xiàng)目須在新車(chē)型設(shè)計(jì)時(shí)整體考慮，特別是涉及炭罐與油箱的重新布置和發(fā)動(dòng)機(jī)的重新標(biāo)定等。

(5)實(shí)際加油時(shí)的HC排放影響因素較法規(guī)試驗(yàn)復(fù)雜，相關(guān)配套條件和美國(guó)也有差異。因此在進(jìn)行ORVR開(kāi)發(fā)時(shí)，不能簡(jiǎn)單照搬美國(guó)的相關(guān)性能參數(shù)，還應(yīng)對(duì)炭罐的脫附策略、活性炭的性能和炭罐容積大小等進(jìn)行針對(duì)性的匹配。

(6)建議盡快對(duì)ORVR和加油排放開(kāi)展更全面的驗(yàn)證試驗(yàn)，進(jìn)一步完善試驗(yàn)程序，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

參考文獻(xiàn)

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