輕型車蒸發(fā)排放標準及性能表現(xiàn)分析

孫家興，秦宏宇，陳 強Sun Jiaxing，Qin Hongyu，Chen Qiang

輕型車蒸發(fā)排放標準及性能表現(xiàn)分析

孫家興，秦宏宇，陳 強
Sun Jiaxing，Qin Hongyu，Chen Qiang

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

介紹了美國和歐洲等發(fā)達國家輕型車蒸發(fā)排放標準的制定情況，并對我國輕型車蒸發(fā)排放標準發(fā)展歷程進行總結(jié)。選取我國2004～2019年蒸發(fā)排放試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析近年來整車蒸發(fā)排放性能表現(xiàn)的變化趨勢；基于世界最新的蒸發(fā)排放法規(guī)對我國未來輕型車蒸發(fā)排放控制策略進行展望。

輕型汽車；蒸發(fā)污染物；加油過程污染物；排放標準

0 引 言

2018年，我國汽車HC（碳氫化合物）排放量為326.7萬t[1]，HC是輕型汽車排放的主要污染物之一，燃油蒸發(fā)排放的主要成分為HC，約占汽車總HC排放量20%[2]。減少HC排放一直是大氣污染防治工作的重點之一。我國最新的國6蒸發(fā)排放法規(guī)規(guī)定，蒸發(fā)排放限值為0.7 g/test，相比國5法規(guī)限值加嚴了65%，此外國6借鑒了美國排放標準，增加了加油過程污染物排放測試，排放限值為0.05 g/L[3]。隨著排放標準的不斷升級，國6蒸發(fā)排放的加嚴程度已經(jīng)超過歐洲，向美國排放標準靠攏。

歸納了歐美排放標準的最新變化，針對我國輕型車蒸發(fā)排放測試標準的發(fā)展歷程進行解讀，通過分析歷年試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為未來更嚴格的蒸發(fā)排放標準制定提供參考。

1 國外輕型車蒸發(fā)排放測試技術(shù)

1.1 美國輕型車蒸發(fā)排放測試技術(shù)

美國的汽車排放標準分為CARB（California Air Resources Board，美國加利福尼亞州空氣資源局）排放法規(guī)和美國聯(lián)邦標準即EPA（Environmental Protection Agency，美國環(huán)境保護署）排放法規(guī)兩大類，CARB和EPA分別在2013年和2017年開始實施LEV 3和Tier 3，涵蓋熱浸、晝間、運行損失排放測試（運行損失是指車輛運行時，除尾氣排放外的蒸發(fā)排放）；LEV 3和Tier 3的主測試程序和排放限值皆相同，但LEV 3在熱浸和晝間排放測試中所規(guī)定的溫度高于Tier 3。針對加油污染物排放標準，EPA和CARB分別在1994年和1996年開始制定，兩者測試程序和排放標準相同。LEV 3和Tier 3所包括的測試程序及測試條件見表1。

表1 LEV 3和Tier 3的測試程序及條件

注：①BETP（Bleed Emission Test Procedure，炭罐溢出排放測試）。

相比國6，美國測試程序增加了運行損失、BETP（Bleed Emission Test Procedure，炭罐溢出排放測試）和燃油飛濺排放測試。在排放限值的嚴格程度上，美國蒸發(fā)排放限值要求超國6標準，加油排放限值與國6基本持平。

1.2 歐洲輕型車蒸發(fā)排放標準發(fā)展

2014年歐洲開始實行歐6排放標準，針對晝間排放測試，歐6a和歐6b仍采用24h制，歐6c和歐6d則改為48h制[4]。歐6d排放法規(guī)中，將測試循環(huán)由NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）改為WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle，全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)），歐6d測試程序及條件見表2。

表2 歐6d蒸發(fā)排放測試程序及條件

注：①GWC（Gasoline Working Capacity，汽油工作能力）；②BWC（Butane Working Capacity，丁烷工作能力）；③PF（Permeability Factor，滲透因子）。

歐6d中，整車需配備預(yù)處理后的炭罐進行主測試，預(yù)處理后的炭罐HC吸附能力有所減弱。此外，配備密封油箱車輛的主測試程序還包括油箱壓力沖擊條件下的BETP測試。通過燃油箱滲透排放，確定油箱PF值，廠家也可使用推薦值0.12 g代替實際試驗。歐6d排放限值為2 g，較國6寬松。與美國蒸發(fā)排放測試程序相比，歐洲排放法規(guī)一直未對整車加油排放及運行損失測試進行規(guī)定。

2 我國輕型車蒸發(fā)排放標準

2.1 國1～國6蒸發(fā)污染物排放測試技術(shù)

1993年，GB/T 14763—1993《汽油車燃油蒸發(fā)污染物測量收集方法》中規(guī)定利用收集法測量蒸發(fā)污染物的排放量。2001年，在GB 18352.1—2001《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（I）》中規(guī)定Ⅳ型蒸發(fā)試驗等效采用歐1標準中的測試程序，可選擇使用密閉室法或收集法進行試驗[5]，主要包括熱浸、晝間排放測試及預(yù)處理行駛。國2標準中規(guī)定使用密閉室法進行蒸發(fā)排放試驗，不再采用收集法。

在我國輕型車蒸發(fā)排放測試法規(guī)中，國1、國2可視為同一階段，國3、國4、國5可視為同一階段，國6為一個階段，國6在國5基礎(chǔ)上進行了較大改動。表3為國1～國6蒸發(fā)排放測試條件對比。

表3 國1～國6蒸發(fā)排放控制條件對比

注：①NIRCO（Non-Integrated Refueling Canister-Only，非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)）；②油箱溫度變化公式，為時間，0為起始溫度，為實時溫度；③晝間排放結(jié)果取第1晝間和第2晝間結(jié)果的最大值。

2.2 國6加油過程污染物排放測試技術(shù)

國6增加了加油過程污染物排放限值0.05 g/L，推薦的劣化系數(shù)為0.01 g/L[3]。Ⅶ型試驗的車速覆蓋WLTC循環(huán)中低、中、高、超高速度段，Ⅶ型試驗進行充分脫附，重點考察加油過程的吸附能力。

針對預(yù)處理行駛，配備非整體及NIRCO（Non-Integrated Refueling Canister-Only，非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)）系統(tǒng)的車輛，采用重復(fù)運行WLTC至最多消耗燃油箱標稱容量的85%；與此相比，整體控制系統(tǒng)的車輛僅按WLTC中低、低、中、低速段順序進行一次行駛。非整體及NIRCO測試程序中，針對炭罐的脫附更加充分。

3 我國整車蒸發(fā)排放及加油排放性能分析

3.1 整車蒸發(fā)污染物排放性能分析

2004～2019年，在滿足相應(yīng)階段限值要求的蒸發(fā)排放試驗結(jié)果中，每年選取20輛車進行整車蒸發(fā)污染物排放性能分析，所選車輛來自不同生產(chǎn)廠家，涵蓋國企、外企、合資企業(yè)。表4為各階段法規(guī)頒布及實施的時間節(jié)點，各企業(yè)一般會在正式頒布前一年收到征求意見稿。

表4 各階段法規(guī)頒布及實施時間

如圖1所示，2004～2017年所選試驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的測試程序皆為一晝間蒸發(fā)排放，結(jié)合表3可看出，符合國3～國5階段法規(guī)要求，這些階段的法規(guī)蒸發(fā)排放測試程序、排放限值皆相同。2018年為國5、國6法規(guī)過渡階段，選取國5和國6階段試驗數(shù)據(jù)各20份；2019年選取的20份國6階段試驗數(shù)據(jù)皆為兩晝間蒸發(fā)排放。試驗數(shù)據(jù)具體分布如圖1所示，其中國6階段的數(shù)值為測試結(jié)果與劣化修正值0.06 g/test之和。

圖1 2004～2019年整車蒸發(fā)排放試驗結(jié)果

由于國6（0.7 g/test）與國3～國5（2 g/test）的蒸發(fā)排放限值不同，選用EPR（Emissions Performance Ratio，排放性能比）在相同的測試基礎(chǔ)上對不同年份整車蒸發(fā)排放性能表現(xiàn)進行比較，EPR=（測試結(jié)果+劣化修正值）/標準排放限值[6]。雖然不同階段的排放測試程序會有所變化，但相應(yīng)的整車蒸發(fā)排放控制技術(shù)也會隨之調(diào)整，因此EPR的使用有助于對近年來整車蒸發(fā)排放性能表現(xiàn)進行分析。2004～2019年EPR平均值變化情況如圖2所示。

圖2 2004～2019年整車蒸發(fā)排放EPR平均值

由圖2可知，2004～2015年EPR值在57%～71%范圍內(nèi)上下浮動；受2016年國家環(huán)保部頒布更為嚴格的國6蒸發(fā)排放測試法規(guī)影響，2016～2018年，按照國5測試程序進行的蒸發(fā)排放型式檢驗EPR值有所下降，最低降至43.4%；由于國6排放限值由2 g/test降為0.7 g/test，且增加了劣化修正值，導(dǎo)致2018年和2019年EPR值持續(xù)升高至60%左右。總體來說，隨著蒸發(fā)排放測試程序變化，整車蒸發(fā)排放控制技術(shù)也會相應(yīng)做出改動，車輛的EPR值在50%～71%范圍內(nèi)浮動。為分析當前國6法規(guī)控制條件下，熱浸、晝間、劣化修正值占標準限值的平均比例，以及可用于法規(guī)繼續(xù)加嚴的空間，對2018年及2019年國6試驗數(shù)據(jù)進行計算。各部分測試結(jié)果占總排放限值平均百分比如圖3所示。

圖3 2018、2019年蒸發(fā)污染物各部分占標準限值平均百分比

由圖3可知，2018年和2019年熱浸試驗結(jié)果占比分別為15.1%、14.8%，晝間排放試驗結(jié)果為熱浸試驗結(jié)果2倍有余，占比分別為34.5%、41.1%，總排放測試結(jié)果占比分別為49.6%、55.9%；劣化修正值占比為8.6%；可用于繼續(xù)加嚴控制的空間分別為41.8%、35.5%，這為后續(xù)法規(guī)制定提供借鑒。

3.2 整車加油過程污染物排放性能分析

為分析國6法規(guī)頒布后加油污染物排放性能，選取2018年和2019年滿足排放限值要求的各20輛車的試驗數(shù)據(jù)，并計算出EPR平均值，如圖4和圖5所示。圖4中縱坐標數(shù)值為測試結(jié)果與劣化修正值0.01 g/L之和。

圖4 2018、2019年整車加油排放試驗結(jié)果

圖5 2018、2019年整車加油排放EPR平均值

由圖4中試驗結(jié)果可看出，2019年整車加油污染物排放控制效果優(yōu)于2018年，圖5中2018年EPR值為44%，2019年EPR值為34.4%，EPR平均值處于下降趨勢?？傮w來講，隨著加油排放控制技術(shù)提高和研發(fā)投入不斷增加，加油排放污染物在減少。2018年、2019年加油排放、劣化修正值、可加嚴空間占標準限值的平均百分比如圖6所示。

圖6 2018、2019年加油過程污染物各部分占標準限值平均百分比

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，2018年、2019年加油排放測試結(jié)果占比分別為24%、14.4%，低于蒸發(fā)排放（熱浸+晝間）的這一數(shù)值；劣化修正值占比20%，超過蒸發(fā)排放的這一數(shù)值；可用于繼續(xù)加嚴控制的空間分別為56%、65.6%，超過蒸發(fā)排放的這一數(shù)值。通過排放限值或測試程序的調(diào)整，可對加油排放控制進一步加嚴。

4 蒸發(fā)排放控制的未來思路

（1）針對炭罐預(yù)處理測試程序，最新的歐6d標準中，炭罐高低溫循環(huán)、振動、GWC老化等試驗可以有效評估其耐久特性，降低炭罐長時間使用失效導(dǎo)致HC排放量增加的可能性。

（2）針對排放限值，美國LEV 3階段排放標準為目前最嚴格的蒸發(fā)排放測試標準，其排放限值為0.3 g/test；我國輕型車排放限值為0.7 g/test，較為寬松。

（3）針對炭罐溢出排放測試，歐6d和美國LEV 3/ Tier 3都對炭罐的溢出排放值進行了限定，我國目前未做相關(guān)要求。

（4）運行損失排放測試可有效控制車輛在實際道路上的HC排放，美國早已對其進行了規(guī)定，我國尚處于空白階段。

（5）針對測試循環(huán)工況，目前國6使用WLTC，其由聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會牽頭制定，與我國實際工況存在差異，只有使用符合我國實際情況的測試工況才更利于節(jié)能減排。

（6）2004～2019年蒸發(fā)排放的EPR值普遍控制在50%～71%，2018、2019年加油排放的EPR值分別為44%、34.4%，則2018、2019年蒸發(fā)排放加嚴空間分別為41.8%、35.5%，加油排放加嚴空間分別為56%、65.6%。

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