新标准下轻型汽车燃油蒸发排放控制对比研究

路少云，王银山，杨帅君

（天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222）

随着我国经济不断发展，汽车行业的产量占据国民经济的比重逐年升高，随之而来造成了严重的环境污染，严重危及到人类的健康。我国汽车污染物排放标准的发展相比美国、日本、欧洲等发达国家和地区，起步晚且起点低。但从国一到国六，我国排放标准借鉴先进的排放要求，标准的制定日趋完善。尾气排放得到有效控制，其治理措施及技术趋于成熟，然而目前我国的燃油蒸发排放控制工作远不及发达国家的水准，汽车的蒸发排放比例明显更高。因此，如何更有效地控制燃油蒸发排放，是一个需要研究和解决的重要课题。

2000年，夏云桦等[1]分析活性碳罐等的结构、活性炭的性能及其碳罐的脱附机理，并进行试验对比提高蒸发排放控制；2010年，蔡锦榕等[2]建立油箱加油过程蒸发污染物的数学模型，通过仿真分析了加油过程中油箱内汽油的压力、温度及相关参数的变化对加油过程汽油蒸气蒸发量的影响；2015年，清华大学Yang等[3]通过试验研究得到了加油排放和昼间排放的排放因子，运用试验结果对中国2010—2050年由于加油排放和昼间蒸发而造成的油气VOC排放进行了预测分析；2017年，吉林大学顾王文[4]针对不同车型，通过试验对比研究了车载加油油气回收系统（on board refueling vapor recovery，ORVR）的油气回收效率，以及不同加油速率、加油温度和脱附工况对加油排放结果的影响，发现脱附工况对ORVR系统的油气回收效率影响明显。基于诸多课题的研究，目前已经形成了适合我国国情的排放试验及要求。此次新标准的修订考虑到我国环境的严峻形势，环境质量问题（雾霾天气）亟待解决，并借鉴国外标准的先进内容，融合中国的本土国情，形成了适合中国实际道路行驶的新标准，即《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[5]。本文从蒸发排放试验、加油排放试验、车载诊断系统（on-board diagnostic，OBD）3个方面进行深入对比研究，理性探讨新标准对排放控制的新要求，并且改善与排放控制有关零部件及试验程序，以期更好地控制燃油系统的蒸发排放。

1 蒸发排放控制新标准解读

1.1 新标准控制水平

《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》分为2个阶段。第1阶段的国六a是过渡阶段，第2阶段的国六b才是真正意义上的“国六”标准。新标准六a阶段污染物限值略严于欧6排放标准，比美国Tier3排放标准限值要求宽松；新标准六b阶段污染物排放限值基本达到了美国Tier3排放标准。若考虑到测试程序、测试方法、测试要求的不同，国六标准基于国际标准制定，成为了目前世界上最严格的排放标准。

1.2 实施要求演变

标准研制过程中，I型试验测试循环由新欧洲标准行驶循环（new European driving cycle，NEDC）变为全球统一轻型车排放测试程序（world light vehicle test procedure，WLTP）。实施要求演变如图1所示。

图1 实施要求演变

新标准加严 CO、THC、NOx、PM、PN 等污染物排放限值，增加实际行驶污染物排放（reality driving emission，RDE）测试，深入研究蒸发排放试验，新增VII型加油过程排放试验，采用燃油中立原则，修订OBD系统的监测项目及阈值要求。

1.2.1 试验循环工况

国一到国五标准，我国试验循环工况参照欧盟标准采用NEDC循环测试。NEDC测试体系中很大程度上是匀速运转的稳定工况，实验室试验所得排放数据与实际道路行驶过程中得出的实时数据有很大差距。

相比国五稳态工况，新标准采用更为严格的WLTP循环测试。该测试能够对车辆的排放进行全面考核，增加了超高速测试、工况覆盖的转速以及负荷范围，更贴近实际路况。

1.2.2 排放限值变化

国六标准与国五标准相比，各污染物排放限值要求变化如表1所示。

表1 各污染物排放限值要求变化

国六a阶段相比国五标准CO排放限值要求更为严格，且新增了N2O检测，其他检测项目均无变化；国六b阶段相比国五标准限值除了PN项以外，各项检测指标均有所下降。

1.2.3 IV型试验

新标准从试验条件及要求上加严了蒸发排放控制，该试验参考美国蒸发排放测试流程，提高车辆运行过程中的热浸温度，循环工况由NEDC稳定工况变为WLTP瞬态工况，昼间排放时间由1昼夜（24 h）延长到2昼夜（48 h），排放限值要求更加严格。

1.2.4 VII型试验

采用车载加油油气回收系统ORVR控制排放[6]。此系统最先由美国实施，由于加油过程中油箱总成压力增大或密封性等问题，收集从油箱中挥发出来的燃油蒸汽。未装有ORVR系统的车辆，需要根据新标准要求重新调整燃油系统，使得加油枪在高速加油时，各零部件能够相互配合，尽可能迅速将燃油蒸汽储存在碳罐中。

1.2.5 OBD车辆诊断系统

（1）对国五标准中已有的相关监测项，实际监测频率（in-use performance ratio，IUPR）比率限值要求更为严格，由0.1的过渡限值提高到0.336；对新标准添加的监测项，IUPR比率限值采用0.1的过渡限值，并且每一项规定了相应的放松限值，符合我国实际情况。

（2）增加了混合动力汽车（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）检测项目至 15 项，对 CO、HC、NO、PM限值更加严格，发现车辆排放故障时，点亮故障指示灯并及时汇报给车主。

2 燃油系统排放控制方案

汽车整车排放主要分为3类：蒸发排放、加油排放和尾气排放。对尾气排放的相关控制很早就已开始研究，并且制定了相对成熟的法律法规以及相对完善的治理措施。与汽车燃油系统排放有关的还有蒸发排放和加油排放。事实上，新标准对燃油系统的影响主要体现在3个方面。

（1）IV型试验：蒸发污染物排放试验[7-8]，目的是加强对汽车油气蒸发量的控制。

（2）VII型试验：控制加油过程中污染物的排放[9]。

（3）OBD系统：在线实时诊断车辆是否存在排放问题并做出相应指示。

2.1 蒸发污染物排放IV型试验

2.1.1 国六试验阶段

（1）I型试验测试循环中预处理行驶，是由WLTP的低速、中速、高速和超高速组成并用丁烷预处理碳罐。

（2）高温测试循环由高温浸车和I型试验测试循环中WLTP的低速、中速、高速和超高速组成。

（3）测定热浸损失。

（4）测定昼夜换气损失。

（5）汽车碳氢化合物蒸发排放总质量的计算由热浸损失跟昼夜换气损失测得的HC质量相加所得。

热浸试验：

昼间换气试验：

汽车碳氢化合物蒸发排放总质量：

2.1.2 蒸发排放试验流程对比

国六标准与国五标准对比，蒸发排放试验流程变化如表2所示。

表2 蒸发排放试验流程变化

（1）国五标准试验要求汽车运行采用欧盟标准NEDC循环，NEDC测试体系测试的路况多为稳定工况，而实际路况行驶所得到的数据变化范围更大，故与实验室所得数据差距甚大；采用24 h昼夜换气试验+热浸试验测昼间碳氢化合物排放，严重低估了汽车的实际蒸发排放量；热浸试验温度范围23℃～31℃，排放限值要求是2 g/test。

（2）国六标准试验要求汽车运行采用全球统一的WLTP循环，相比于NEDC，更加复杂和实际，缩小了“应试”与实际的差距；采用48 h昼夜换气试验+热浸试验测昼间碳氢化合物排放，加强了蒸发排放量的监控；提高了汽车运行热浸温度范围，其温度范围为33℃～41℃，排放要求比国五加严65%[10]。

2.1.3 新标准零部件的等效测试

（1）油箱总成测试

（i）实验过程中要对车辆进行38℃、12 h的浸置，若是操作不当或者直接省略，最终会造成HSL测试结果翻倍。

（ii）48h昼夜排放测试开始前，要对车辆进行20℃的常温浸车，若是温度不符合要求（过高或过低），最终会导致昼夜呼吸损失（diurnalbreathingloss，DBL），测试结果相差30 mg以上。

（iii）进行IV型试验时碳罐的加载及脱附处理不能过长，否则会造成系统测试结果偏高。

（2）供油尼龙管测试

在测试过程中，油管灌满汽油这个测试条件是不充分的，还应模拟实际工况，施加一定的压力保持。例如在某供油管的油泵输出压力已知的情况下，在测试时供油管应施加同等压力，以确保试验结果的准确性。

2.2 加油排放控制试验对比

为防止加油时油气从机动车加油管进入到大气，燃油系统依据新标准应进行相应的设计改进，国五、国六车载加油油气系统结构包括阀门、燃油箱、碳罐、加油管等。燃油系统各部件采用低HC渗透设计方案，减少因材料原因引起的HC渗透，通过调整各部件材质和进行表面处理，提升部件的可靠性和耐用性，以满足整车160 000 km耐久要求。国五、国六车载加油油气系统分别如图2和图3所示。

图2 国五车载加油油气系统结构

图3 国六车载加油油气系统结构

2.2.1 燃油系统管路

（1）加油管管口 管口直径减少到25 mm，由于管路直径变小且加油枪加油速度快，在高速流的作用下在管径末端形成液体密封；加油管底部加装加油口止回阀（ICV阀门），防止汽车上坡时汽油倒流，同时还可以防止加油时油气回流。

（2）蒸发管路 为了保证系统蒸发的油气顺利通向碳罐，油箱连接碳罐的蒸发管路的直径要比回气管路大，以确保燃油蒸气能够快速流向碳罐。

（3）蒸汽回气管 把原有的限压阀改为蒸气回气管，降低燃油蒸气量。

2.2.2 燃油箱（包括阀门）

（1）油箱 因为加工材料等问题，塑料燃油箱可能存在壳体蒸发排放的问题，而金属燃油箱壳体则不存在此类问题。为了更好地控制油箱压力及回收蒸发的油气，可以将加油截止阀（FLVV阀）、ICV阀置于金属油箱内部。

（2）FLVV阀 该阀是安装在油箱上的重要阀门，代替原加油回气嘴，连接至碳罐。不仅能够保证排放渗透值，还能保证当油箱内汽油液面达到一定高度或油箱内压力过高时，加油枪自动跳枪控制油箱的加油量。

（3）油箱压力传感器 能够感受油箱压力信号的变化，并将压力信号转变为可用电信号传给CPU，检测燃油蒸气是否泄露。

2.2.3 碳罐

（1）调整碳罐总成[11-12]与油箱的相对位置，碳罐安装在相对密封的位置，防止碳罐呼吸口被灰尘泥巴堵住，从而降低碳罐吸附蒸气的能力。

（2）碳罐总成体积在原有基础上加大2～3倍，满足加油过程中HC呼出限值要求。

（3）碳罐中活性炭的种类由颗粒状替换成球状或大颗粒，可以更好地接触吸附燃油蒸气。

（4）碳罐吸附昼间控制由国五的24 h变为新标准72 h监测。

2.3 OBD车载试验

OBD系统[13]主要功能是实时监测车辆行驶过程中与排放有关的零部件信息，通过电子控制单元（electronic control unit，ECU）检测和分析与排放有关部件的故障功能。若故障被诊断出来，则故障指示灯闪烁。

2.3.1 试验流程

OBD试验流程如图4所示。

2.3.2 试验描述

（1）试验车辆 可以是累积里程高的车辆+故障件，或者是新车+老化件（催化器、氧传感器）+故障件。

（2）样车前处理 替换老化件，进行基础排放试验，需满足I型排放限值。

（3）预处理 植入故障后优先采用WLTP对车辆进行预处理。

（4）试验过程 在验证测试过程或排放测试过程中可以点亮故障指示灯（malfunction indicator lamp，MIL），排放测试采用路况变化率更多样性的WLTP循环。

2.3.3 OBD对蒸发排放系统的监控

氧传感器能够检测到空燃比的变化，混合气浓度变化与氧传感器电压变化呈正比例关系[14]。当蒸发排放系统正常工作时，碳罐脱附电磁阀开启，混合气浓度上升，氧传感器监测到混合气浓度上升，其电压也会随之上升；当蒸气排放系统出现问题时，即使碳罐电磁阀开启，混合气浓度也不会上升，氧传感器监测不到混合气体浓度的变化，电压就不会发生变化。因此，可以把混合气体浓度的变化当作一个重要的参数来检测燃油蒸气排放系统是否泄露。

图4 OBD试验流程

3 结语

本文从蒸发排放控制试验、加油排放控制试验、OBD车载诊断3个方面，从理论上对新标准下的汽车燃油系统的排放控制进行了研究。新标准借鉴了国外排放标准，结合中国的本土情况进行了诸多改进和创新，形成了适合中国国情的汽车排放标准体系。

考虑到我国汽车的本土情况，在安装ORVR系统时需进行全面系统的改进，特别是涉及碳罐电磁阀开启、碳罐容积与油箱总成相对位置等方面需进行深入研究，以达到新标准要求。若与排放有关的零部件出现故障时，故障指示灯被点亮，由于仅是一个提示性信号，驾驶员并不会积极响应配合维修，造成了相应的排放问题。为解决这一问题产生了更为先进OBD-Ⅲ，OBD-Ⅲ在解决排放问题的同时，还能够对不遵循指令要求的驾驶员实施禁行要求。本项目的开展对推动我国轻型车燃油排放控制领域的研究具有重要意义，同时为打破国外技术垄断，提升国内企业在该领域的自主研发能力提供了有力支撑。