秦 睿，姜曉明，沙 濤，丁長龍，賈 楠，付 豪，趙與冬

（考泰斯（長春）塑料技術(shù)有限公司，吉林 長春 130102）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，地球環(huán)境已受到嚴(yán)重的破壞，生態(tài)系統(tǒng)以及人類的可持續(xù)發(fā)展也受到巨大威脅。汽車作為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的代表，其使用過程中產(chǎn)生的污染物排放，對環(huán)境的污染非常嚴(yán)重。為防治污染，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，保障人體健康，2016年環(huán)境保護(hù)部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB18352.6—2016），并從2020年7月1日起，該標(biāo)準(zhǔn)替代原國五標(biāo)準(zhǔn)，開始實施。

目前，汽車污染物排放來源主要有三個方面：汽車尾氣排放、曲軸箱污染物排放、蒸發(fā)污染物排放。其中，蒸發(fā)污染物排放的主要成分為碳?xì)浠衔铮℉C），約占汽車總HC排放量的20%[1]。因此對于蒸發(fā)污染物排放過程以及國六標(biāo)準(zhǔn)較國五標(biāo)準(zhǔn)的差異研究十分必要，各汽車廠商及相關(guān)零部件的供應(yīng)商應(yīng)從原理上認(rèn)識蒸發(fā)污染物排放過程，并針對該過程提出各類解決方案，以降低蒸發(fā)污染物排放，減少環(huán)境污染。

1 汽車蒸發(fā)污染物排放

汽車蒸發(fā)污染物排放是指除汽車排氣管排放以外，從汽車燃料（汽油）系統(tǒng)損失碳?xì)浠衔镎魵獾倪^程。此外，由于汽油比柴油的揮發(fā)性要高，所以汽車的蒸發(fā)污染物排放主要來源于以汽油為燃料的車輛。而按照汽車引起蒸發(fā)污染物排放的原因又可以分為：晝夜換氣蒸發(fā)排放、運轉(zhuǎn)蒸發(fā)排放、熱浸蒸發(fā)排放、加油蒸發(fā)排放、滲透及遷移排放[2]。

1.1 晝夜換氣蒸發(fā)排放

晝夜換氣蒸發(fā)排放指由于燃油箱內(nèi)晝夜溫度變化引起碳?xì)浠衔锱欧诺倪^程。當(dāng)汽車靜置時，由于晝夜環(huán)境溫度的變化，油箱內(nèi)溫度會隨著環(huán)境溫度的升高而逐漸升高，油箱內(nèi)燃油蒸氣量增大，油箱內(nèi)氣壓逐漸升高，燃油蒸氣經(jīng)油箱排氣管路進(jìn)入碳罐，當(dāng)燃油蒸氣的產(chǎn)生量大于碳罐吸附能力，以及擴(kuò)散現(xiàn)象的作用，導(dǎo)致燃油蒸氣通過碳罐通大氣口排放到外界環(huán)境中；當(dāng)燃油箱內(nèi)溫度隨著環(huán)境溫度降低時，油箱內(nèi)部氣壓降低，外界氣體經(jīng)由碳罐被吸入油箱內(nèi)部，將碳罐內(nèi)吸附的燃油蒸氣吹回油箱，該過程中氣體對碳罐進(jìn)行反向脫附。以上整個過程中，油箱內(nèi)燃油蒸氣向外排出，外界空氣進(jìn)入即形成油箱的晝夜換氣排放。燃油蒸氣通過碳罐的排放路徑如圖1所示。

圖1 燃油蒸氣通過碳罐的排放路徑Fig.1 Exhaust path of fuel vapor through carbon canister

1.2 運轉(zhuǎn)蒸發(fā)排放

運轉(zhuǎn)蒸發(fā)排放指車輛在運行過程中，燃油系統(tǒng)產(chǎn)生碳?xì)浠衔锱欧诺倪^程。在發(fā)動機啟動后，油箱內(nèi)的供油泵會將燃油通過供油管輸送到發(fā)動機，而供油泵運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生一定熱量，且供油泵是浸泡在油箱內(nèi)部，靠燃油進(jìn)行冷卻，因此油箱內(nèi)的燃油溫度會隨著燃油泵的運行而升高。在燃油供給系統(tǒng)供給發(fā)動機燃油的過程中，一部分多余的燃油會通過回油管流回油箱中，這部分燃油由于是從發(fā)動機流回，所以油溫較高，會促使油箱內(nèi)燃油整體溫度升高。同時，發(fā)動機和排氣管產(chǎn)生的熱輻射，同樣會促使油箱內(nèi)燃油溫度升高。而燃油溫度升高會導(dǎo)致其蒸發(fā)量增大[3]，且車輛運行時產(chǎn)生的顛簸使油箱內(nèi)燃油產(chǎn)生擾動而加快燃油蒸氣產(chǎn)生速率，從而產(chǎn)生燃油運轉(zhuǎn)蒸發(fā)排放。

1.3 熱浸蒸發(fā)排放

熱浸蒸發(fā)排放指汽車行駛一段時間以后，靜置汽車燃油系統(tǒng)排放碳?xì)浠衔锏倪^程。汽車在運行過程中，發(fā)動機和排氣管的溫度會隨之升高，當(dāng)汽車停止運行后，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)隨之停止工作，同時行駛氣流對發(fā)動機、排氣管、油箱等部件的降溫過程停止，此時，發(fā)動機和排管的殘余熱量仍然會傳遞到油箱附近區(qū)域，使油箱及燃油溫度升高，從而引起燃油的蒸發(fā)排放。熱浸排放過程一般發(fā)生在汽車停止一小時以內(nèi)或者更短的時間。

1.4 加油蒸發(fā)排放

加油蒸發(fā)排放指汽車在加油過程中產(chǎn)生碳?xì)浠衔锱欧呕蛐孤┑倪^程。在車輛加油前，油箱內(nèi)部氣壓較大，當(dāng)打開油箱加油蓋時，油箱內(nèi)燃油蒸氣會從加油口擴(kuò)散到外界，當(dāng)加油槍向加油管注入燃油時，流入油箱內(nèi)的燃油會在油箱內(nèi)造成一定的飛濺和擾動，從而產(chǎn)生大量的燃油蒸氣，此時，部分燃油蒸氣從加油口逃逸到外界環(huán)境中，而加油過程中大量的新鮮空氣從加油口被裹入油箱中，降低了油箱內(nèi)燃油的蒸氣濃度，因此也會加劇燃油的蒸發(fā)。隨著燃油的注入，油箱內(nèi)氣體空間逐漸被壓縮，油箱內(nèi)的氣壓逐漸升高，氣體經(jīng)由排氣管路進(jìn)入碳罐，最終通過碳罐通氣口排出到外界大氣中，從而形成加油過程中的燃油蒸發(fā)排放。

1.5 滲透及遷移排放

滲透及遷移排放指在汽車燃油系統(tǒng)中由于滲透及遷移擴(kuò)散作用而排放碳?xì)浠衔锏倪^程。燃油分子會在油箱箱體、燃油管、管路接頭、密封件等位置逐漸滲透到外界大氣中，這種滲透作用排放碳?xì)浠衔锏乃俾屎艿?，但只要燃油系統(tǒng)中存在燃油即會發(fā)生滲透排放，所以其引起的碳?xì)浠衔锱欧帕恳廊缓艽蟆?/p>

2 蒸發(fā)污染物在燃油系統(tǒng)排放途徑

晝夜換氣、運轉(zhuǎn)、熱浸、加油蒸發(fā)排放主要是通過碳罐排氣口向外界排放污染物，但加油蒸發(fā)排放除通過碳罐排氣口排放外，同時還會在加油口向外界進(jìn)行污染物排放，而滲透及遷移排放則是通過燃油系統(tǒng)中與燃油或燃油蒸氣相接觸的零部件本體向外界排放，以及通過燃油系統(tǒng)各密封點向外界排放。因此，燃油蒸發(fā)污染物在燃油系統(tǒng)中向外排放的途徑有四種：通過碳罐排氣口向外界排放；通過加油口向外界排放；通過燃油系統(tǒng)中與燃油或燃油蒸氣相接觸的零部件本體向外界排放；通過燃油系統(tǒng)各密封點向外界排放（見圖2）。

圖2 蒸發(fā)污染物排放路徑Fig.2 Evaporative pollutant discharge path

3 汽車蒸發(fā)污染物相關(guān)的國六排放標(biāo)準(zhǔn)

目前，新發(fā)布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB18352.6—2016）標(biāo)準(zhǔn)中涉及蒸發(fā)污染物排放的試驗有兩項，分別是Ⅳ型試驗（蒸發(fā)污染物排放試驗）和Ⅶ型試驗（加油過程污染物排放試驗）。國六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定除單一氣體燃料車外，所有裝用點燃式發(fā)動機的汽車都要進(jìn)行這兩項實驗，而使用兩種燃料汽車的汽油部分和裝用汽油機的混合動力電動汽車同樣要進(jìn)行Ⅳ型試驗和Ⅶ型試驗[4]。

3.1 國六標(biāo)準(zhǔn)適用范圍

對于國六標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圍包括以點燃式發(fā)動機或壓燃式發(fā)動機為動力、最大設(shè)計車速大于或等于50 km/h 的輕型汽車（包括混合動力電動汽車）。輕型汽車是指最大設(shè)計總質(zhì)量不超過3 500 kg 的M1類、M2類和N1類汽車。M1類、M2類和N1類汽車具體描述見表1。

表1 輕型汽車描述情況Tab.1 M1，M2 and N1 cars

3.2 Ⅳ型試驗

3.2.1 Ⅳ型試驗過程

Ⅳ型試驗（蒸發(fā)污染物排放試驗），試驗過程包括四個階段：（1）放油和40%加油過程，和Ⅰ型試驗測試循環(huán)（WLTC循環(huán)）中的低速、中速和2次高速組成的車輛預(yù)處理循環(huán)及碳罐2 g擊穿處理；（2）高溫浸車以及Ⅰ型試驗測試循環(huán)（WLTC循環(huán)）中的低速、中速和2次高速組成的車輛高溫測試循環(huán)；（3）測定熱浸排放量；（4）測定晝夜換氣排放量。

熱浸試驗和晝夜換氣試驗均在密閉室內(nèi)進(jìn)行，試驗時測量密閉室內(nèi)碳?xì)浠衔锏臐舛菴HC、溫度T、大氣壓力P的初始值和終了值，最后通過計算得出碳?xì)浠衔锏呐欧刨|(zhì)量。

熱浸試驗時，密閉室起始溫度要求為38℃±2℃，測試過程中溫度要求為33～41℃，試驗時間為60 min ± 0.5 min。

晝夜換氣試驗時，密閉室起始溫度要求為20℃，最高溫度為35℃，試驗時間為48 h ± 6 min，試驗車輛在密閉室內(nèi)按20℃至35℃再到20℃的溫度變化經(jīng)歷2個循環(huán)，分2天記錄試驗數(shù)據(jù)，即在試驗開始后24 h ± 6 min時要取一次試驗數(shù)據(jù)，48 h ±6 min時再取一次試驗數(shù)據(jù)。

3.2.2 Ⅳ型試驗結(jié)果計算

熱浸試驗和晝夜換氣試驗計算公式相同，根據(jù)試驗測量的數(shù)據(jù)分別帶入下列公式計算對應(yīng)的試驗結(jié)果，其公式為：

式中：MHC為碳?xì)浠衔镔|(zhì)量，g；MHC，出為用定容積密閉室進(jìn)行試驗時，從密閉室排出的碳?xì)浠衔镔|(zhì)量，g；MHC，入為用定容積密閉室進(jìn)行試驗時，進(jìn)入密閉室的碳?xì)浠衔镔|(zhì)量，g；CHC為密閉室內(nèi)碳?xì)浠衔餄舛?，ppm（容積）C1當(dāng)量；V為經(jīng)過汽車容積（車窗和行李箱打開）校正后的密閉室凈容積，如未定汽車容積，則減去1.42 m3；T為密閉室內(nèi)的環(huán)境溫度，K；P為大氣壓，kPa；k為系數(shù)，其取值為1.2×（12+H/C），其中H/C為氫碳比，晝夜換氣試驗時H/C取2.33，熱浸試驗時H/C取2.20；i為初始讀數(shù)下標(biāo)；f為終了讀數(shù)下標(biāo)。

Ⅳ型試驗結(jié)果，即汽車蒸發(fā)污染物排放碳?xì)浠衔锟偭浚溆嬎愎綖椋?/p>

式中：M總為汽車蒸發(fā)排放碳?xì)浠衔锟傎|(zhì)量，g；MDI為晝夜換氣試驗碳?xì)浠衔锱欧刨|(zhì)量（計算時取2天實驗中排放量較大的一天排放值作為MDI），g；MHS為熱浸試驗碳?xì)浠衔锱欧刨|(zhì)量，g。

3.2.3 Ⅳ型試驗排放限值要求

Ⅳ型試驗結(jié)果采用劣化修正值加和校正后的污染物排放量結(jié)果應(yīng)小于表2限值要求。國六標(biāo)準(zhǔn)在Ⅴ型試驗（污染控制裝置耐久性試驗）中給出的Ⅳ型試驗劣化修正值為0.06 g/test，或者也可根據(jù)Ⅴ型試驗要求進(jìn)行劣化修正值實測。表2中第一類車是指包括駕駛員座位在內(nèi)座位數(shù)不超過六座，且最大設(shè)計總質(zhì)量不超過2 500 kg 的M1類汽車；第二類車是指國六標(biāo)準(zhǔn)適用范圍內(nèi)，除第一類車以外的其他所有汽車。

表2 Ⅳ型試驗排放限值Tab.2 Type Ⅳ test emission limit

3.3 Ⅶ型試驗

3.3.1 Ⅶ型試驗過程

Ⅶ型試驗（加油過程污染物排放試驗），試驗過程包括三個階段：（1）車輛預(yù)處理階段，包括車輛放油及加油、浸車、預(yù)處理行駛、預(yù)處理碳罐，其中預(yù)處理行駛由Ⅰ型試驗測試循環(huán)（WLTC循環(huán)）中的低速、中速、高速及超高速組成；（2）Ⅰ型試驗和加油控制系統(tǒng)處理行駛階段，包括Ⅰ型試驗測試循環(huán)（WLTC循環(huán)）行駛、加油控制系統(tǒng)處理行駛、放油和加油、浸車；（3）加油排放測試，在密閉室內(nèi)進(jìn)行加油過程污染物排放量測量。

加油排放試驗時測量密閉室內(nèi)碳?xì)浠衔锏臐舛菴HC、溫度T、大氣壓力P的初始值和終了值，以及輸油量VD，最后通過計算得出碳?xì)浠衔锏呐欧刨|(zhì)量。加油排放試驗時，密閉室溫度要求為23℃±3℃，燃油溫度為20℃±1℃，試驗過程中加油速率要保持在37 L/min ± 1 L/min，加油量為至少85%±0.5 L的標(biāo)稱油箱容積。

3.3.2 Ⅶ型試驗結(jié)果計算

Ⅶ型試驗中碳?xì)浠衔镔|(zhì)量MHC的計算公式與Ⅳ型試驗中熱浸試驗和晝夜換氣試驗的計算公式相同，使用公式（1）求得碳?xì)浠衔镔|(zhì)量MHC，計算時H/C（氫碳比）取2.33。Ⅶ型試驗的最終結(jié)果計算公式為：

式中：RE為加油過程中污染物排放量，g/L；MHC為碳?xì)浠衔镔|(zhì)量，g；VD為輸油量，L。

3.3.3 Ⅶ型試驗排放限值要求

Ⅶ型試驗結(jié)果采用劣化修正值加和校正后的污染物排放量結(jié)果應(yīng)小于0.05 g/L。國六標(biāo)準(zhǔn)在Ⅴ型試驗（污染控制裝置耐久性試驗）中給出的Ⅶ型試驗劣化修正值為0.01 g/L，或者也可根據(jù)Ⅴ型試驗要求進(jìn)行劣化修正值實測。

4 蒸發(fā)污染物國五與國六排放標(biāo)準(zhǔn)對比

對于汽車蒸發(fā)污染物相關(guān)的排放實驗要求，國六標(biāo)準(zhǔn)與國五標(biāo)準(zhǔn)相比有較大變化，其變化主要體現(xiàn)在型式試驗項目、試驗程序、排放限值三個方面。

4.1 型式試驗項目變化

Ⅶ型試驗是國六標(biāo)準(zhǔn)中新增加的型式試驗項目，原國五標(biāo)準(zhǔn)中沒有對加油過程污染物排放的型式試驗和排放限值做出要求。而Ⅳ型試驗在國六與國五標(biāo)準(zhǔn)中都有該試驗項目[5]。

4.2 型式試驗程序變化

對于Ⅳ型試驗，國五與國六標(biāo)準(zhǔn)中試驗規(guī)程的主要差異有：

（1）對于車輛預(yù)處理行駛，國五標(biāo)準(zhǔn)中采用NEDC循環(huán)的1部+2次2部組成，而國六標(biāo)準(zhǔn)中采用WLTC循環(huán)的低速+中速+2次高速組成；

（2）對于浸車，國五標(biāo)準(zhǔn)中要求汽車停泊在環(huán)境溫度為20～30 ℃的浸車區(qū)12 h～36 h，而國六標(biāo)準(zhǔn)中要求汽車停泊的環(huán)境溫度為38℃±2℃，即高溫浸車，而停泊時間仍然為12～36 h；

（3）對于底盤測功機試驗，國五標(biāo)準(zhǔn)中稱作Ⅰ型試驗行駛+蒸發(fā)系統(tǒng)預(yù)處理行駛，即NEDC循環(huán)的1部+2部，在發(fā)動機熄火后2 min內(nèi)再進(jìn)行一次1部。試驗起始溫度為20～30℃，國六標(biāo)準(zhǔn)中稱作高溫行駛試驗，由WLTC循環(huán)的低速+中速+2次高速組成，每個速度段結(jié)束后都加2 min 怠速，共計8 min 怠速，且要求試驗環(huán)境溫度為38℃±2℃；

（4）對于熱浸試驗，國五標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗環(huán)境溫度為23～31℃，而國六標(biāo)準(zhǔn)中要求的試驗環(huán)境溫度為33～41℃；

（5）對于晝夜換氣試驗，國五標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗時間為24 h，而國六標(biāo)準(zhǔn)中要求的試驗時間為48 h。

由上述對比可見，國六標(biāo)準(zhǔn)中Ⅳ型試驗在試驗過程中的要求較國五標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格（見表3）。

表3 Ⅳ型試驗程序國五與國六主要差異對比Tab.3 Comparison of main differences of type Ⅳ test procedure between China 5 and China 6 emission standards

4.3 排放限值變化

對于Ⅳ型試驗，國六標(biāo)準(zhǔn)按車型和被測車輛質(zhì)量對排放限值分別進(jìn)行要求，而國五標(biāo)準(zhǔn)對所有輕型汽車的排放限值都為2.0 g/test，見表4。

表4 Ⅳ型試驗排放限值國六與國五對比Tab.4 Comparison of emission limit of type Ⅳ test between China 5 and China 6 emission standards

目前，輕型汽車中占比量最大的為第一類車，該類車國六排放限值為0.70 g/test，并對排放限值增加了劣化修正值加和校正要求，從限值上比國五標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了68%[6]。而國六標(biāo)準(zhǔn)的試驗程序更加嚴(yán)格，因此就Ⅳ型試驗來說，國六較國五標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)程度在68%以上。

5 結(jié)語

綜上所述，新實施的國六標(biāo)準(zhǔn)不僅增加了加油過程污染物排放試驗，對原蒸發(fā)污染物排放試驗的試驗過程和排放限值的要求也變得更為嚴(yán)苛。因此，各汽車廠商及相關(guān)零部件供應(yīng)商應(yīng)從蒸發(fā)污染物排放產(chǎn)生的原因上，控制燃油蒸氣的產(chǎn)生量，同時從排放的途徑上降低污染物從碳罐排氣口、加油口、燃油系統(tǒng)各密封點以及燃油系統(tǒng)中與燃油或燃油蒸氣相接觸的零部件本體四個途徑向外界的排放量。以達(dá)到降低污染物排放、減少環(huán)境污染的目的。