路少云，王銀山，楊帥君

（天津職業(yè)技術師范大學汽車與交通學院，天津 300222）

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展，汽車行業(yè)的產(chǎn)量占據(jù)國民經(jīng)濟的比重逐年升高，隨之而來造成了嚴重的環(huán)境污染，嚴重危及到人類的健康。我國汽車污染物排放標準的發(fā)展相比美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)，起步晚且起點低。但從國一到國六，我國排放標準借鑒先進的排放要求，標準的制定日趨完善。尾氣排放得到有效控制，其治理措施及技術趨于成熟，然而目前我國的燃油蒸發(fā)排放控制工作遠不及發(fā)達國家的水準，汽車的蒸發(fā)排放比例明顯更高。因此，如何更有效地控制燃油蒸發(fā)排放，是一個需要研究和解決的重要課題。

2000年，夏云樺等[1]分析活性碳罐等的結構、活性炭的性能及其碳罐的脫附機理，并進行試驗對比提高蒸發(fā)排放控制；2010年，蔡錦榕等[2]建立油箱加油過程蒸發(fā)污染物的數(shù)學模型，通過仿真分析了加油過程中油箱內汽油的壓力、溫度及相關參數(shù)的變化對加油過程汽油蒸氣蒸發(fā)量的影響；2015年，清華大學Yang等[3]通過試驗研究得到了加油排放和晝間排放的排放因子，運用試驗結果對中國2010—2050年由于加油排放和晝間蒸發(fā)而造成的油氣VOC排放進行了預測分析；2017年，吉林大學顧王文[4]針對不同車型，通過試驗對比研究了車載加油油氣回收系統(tǒng)（on board refueling vapor recovery，ORVR）的油氣回收效率，以及不同加油速率、加油溫度和脫附工況對加油排放結果的影響，發(fā)現(xiàn)脫附工況對ORVR系統(tǒng)的油氣回收效率影響明顯?；谥T多課題的研究，目前已經(jīng)形成了適合我國國情的排放試驗及要求。此次新標準的修訂考慮到我國環(huán)境的嚴峻形勢，環(huán)境質量問題（霧霾天氣）亟待解決，并借鑒國外標準的先進內容，融合中國的本土國情，形成了適合中國實際道路行駛的新標準，即《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[5]。本文從蒸發(fā)排放試驗、加油排放試驗、車載診斷系統(tǒng)（on-board diagnostic，OBD）3個方面進行深入對比研究，理性探討新標準對排放控制的新要求，并且改善與排放控制有關零部件及試驗程序，以期更好地控制燃油系統(tǒng)的蒸發(fā)排放。

1 蒸發(fā)排放控制新標準解讀

1.1 新標準控制水平

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》分為2個階段。第1階段的國六a是過渡階段，第2階段的國六b才是真正意義上的“國六”標準。新標準六a階段污染物限值略嚴于歐6排放標準，比美國Tier3排放標準限值要求寬松；新標準六b階段污染物排放限值基本達到了美國Tier3排放標準。若考慮到測試程序、測試方法、測試要求的不同，國六標準基于國際標準制定，成為了目前世界上最嚴格的排放標準。

1.2 實施要求演變

標準研制過程中，I型試驗測試循環(huán)由新歐洲標準行駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）變?yōu)槿蚪y(tǒng)一輕型車排放測試程序（world light vehicle test procedure，WLTP）。實施要求演變如圖1所示。

圖1 實施要求演變

新標準加嚴 CO、THC、NOx、PM、PN 等污染物排放限值，增加實際行駛污染物排放（reality driving emission，RDE）測試，深入研究蒸發(fā)排放試驗，新增VII型加油過程排放試驗，采用燃油中立原則，修訂OBD系統(tǒng)的監(jiān)測項目及閾值要求。

1.2.1 試驗循環(huán)工況

國一到國五標準，我國試驗循環(huán)工況參照歐盟標準采用NEDC循環(huán)測試。NEDC測試體系中很大程度上是勻速運轉的穩(wěn)定工況，實驗室試驗所得排放數(shù)據(jù)與實際道路行駛過程中得出的實時數(shù)據(jù)有很大差距。

相比國五穩(wěn)態(tài)工況，新標準采用更為嚴格的WLTP循環(huán)測試。該測試能夠對車輛的排放進行全面考核，增加了超高速測試、工況覆蓋的轉速以及負荷范圍，更貼近實際路況。

1.2.2 排放限值變化

國六標準與國五標準相比，各污染物排放限值要求變化如表1所示。

表1 各污染物排放限值要求變化

國六a階段相比國五標準CO排放限值要求更為嚴格，且新增了N2O檢測，其他檢測項目均無變化；國六b階段相比國五標準限值除了PN項以外，各項檢測指標均有所下降。

1.2.3 IV型試驗

新標準從試驗條件及要求上加嚴了蒸發(fā)排放控制，該試驗參考美國蒸發(fā)排放測試流程，提高車輛運行過程中的熱浸溫度，循環(huán)工況由NEDC穩(wěn)定工況變?yōu)閃LTP瞬態(tài)工況，晝間排放時間由1晝夜（24 h）延長到2晝夜（48 h），排放限值要求更加嚴格。

1.2.4 VII型試驗

采用車載加油油氣回收系統(tǒng)ORVR控制排放[6]。此系統(tǒng)最先由美國實施，由于加油過程中油箱總成壓力增大或密封性等問題，收集從油箱中揮發(fā)出來的燃油蒸汽。未裝有ORVR系統(tǒng)的車輛，需要根據(jù)新標準要求重新調整燃油系統(tǒng)，使得加油槍在高速加油時，各零部件能夠相互配合，盡可能迅速將燃油蒸汽儲存在碳罐中。

1.2.5 OBD車輛診斷系統(tǒng)

（1）對國五標準中已有的相關監(jiān)測項，實際監(jiān)測頻率（in-use performance ratio，IUPR）比率限值要求更為嚴格，由0.1的過渡限值提高到0.336；對新標準添加的監(jiān)測項，IUPR比率限值采用0.1的過渡限值，并且每一項規(guī)定了相應的放松限值，符合我國實際情況。

（2）增加了混合動力汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）檢測項目至 15 項，對 CO、HC、NO、PM限值更加嚴格，發(fā)現(xiàn)車輛排放故障時，點亮故障指示燈并及時匯報給車主。

2 燃油系統(tǒng)排放控制方案

汽車整車排放主要分為3類：蒸發(fā)排放、加油排放和尾氣排放。對尾氣排放的相關控制很早就已開始研究，并且制定了相對成熟的法律法規(guī)以及相對完善的治理措施。與汽車燃油系統(tǒng)排放有關的還有蒸發(fā)排放和加油排放。事實上，新標準對燃油系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在3個方面。

（1）IV型試驗：蒸發(fā)污染物排放試驗[7-8]，目的是加強對汽車油氣蒸發(fā)量的控制。

（2）VII型試驗：控制加油過程中污染物的排放[9]。

（3）OBD系統(tǒng)：在線實時診斷車輛是否存在排放問題并做出相應指示。

2.1 蒸發(fā)污染物排放IV型試驗

2.1.1 國六試驗階段

（1）I型試驗測試循環(huán)中預處理行駛，是由WLTP的低速、中速、高速和超高速組成并用丁烷預處理碳罐。

（2）高溫測試循環(huán)由高溫浸車和I型試驗測試循環(huán)中WLTP的低速、中速、高速和超高速組成。

（3）測定熱浸損失。

（4）測定晝夜換氣損失。

（5）汽車碳氫化合物蒸發(fā)排放總質量的計算由熱浸損失跟晝夜換氣損失測得的HC質量相加所得。

熱浸試驗：

晝間換氣試驗：

汽車碳氫化合物蒸發(fā)排放總質量：

2.1.2 蒸發(fā)排放試驗流程對比

國六標準與國五標準對比，蒸發(fā)排放試驗流程變化如表2所示。

表2 蒸發(fā)排放試驗流程變化

（1）國五標準試驗要求汽車運行采用歐盟標準NEDC循環(huán)，NEDC測試體系測試的路況多為穩(wěn)定工況，而實際路況行駛所得到的數(shù)據(jù)變化范圍更大，故與實驗室所得數(shù)據(jù)差距甚大；采用24 h晝夜換氣試驗+熱浸試驗測晝間碳氫化合物排放，嚴重低估了汽車的實際蒸發(fā)排放量；熱浸試驗溫度范圍23℃～31℃，排放限值要求是2 g/test。

（2）國六標準試驗要求汽車運行采用全球統(tǒng)一的WLTP循環(huán)，相比于NEDC，更加復雜和實際，縮小了“應試”與實際的差距；采用48 h晝夜換氣試驗+熱浸試驗測晝間碳氫化合物排放，加強了蒸發(fā)排放量的監(jiān)控；提高了汽車運行熱浸溫度范圍，其溫度范圍為33℃～41℃，排放要求比國五加嚴65%[10]。

2.1.3 新標準零部件的等效測試

（1）油箱總成測試

（i）實驗過程中要對車輛進行38℃、12 h的浸置，若是操作不當或者直接省略，最終會造成HSL測試結果翻倍。

（ii）48h晝夜排放測試開始前，要對車輛進行20℃的常溫浸車，若是溫度不符合要求（過高或過低），最終會導致晝夜呼吸損失（diurnalbreathingloss，DBL），測試結果相差30 mg以上。

（iii）進行IV型試驗時碳罐的加載及脫附處理不能過長，否則會造成系統(tǒng)測試結果偏高。

（2）供油尼龍管測試

在測試過程中，油管灌滿汽油這個測試條件是不充分的，還應模擬實際工況，施加一定的壓力保持。例如在某供油管的油泵輸出壓力已知的情況下，在測試時供油管應施加同等壓力，以確保試驗結果的準確性。

2.2 加油排放控制試驗對比

為防止加油時油氣從機動車加油管進入到大氣，燃油系統(tǒng)依據(jù)新標準應進行相應的設計改進，國五、國六車載加油油氣系統(tǒng)結構包括閥門、燃油箱、碳罐、加油管等。燃油系統(tǒng)各部件采用低HC滲透設計方案，減少因材料原因引起的HC滲透，通過調整各部件材質和進行表面處理，提升部件的可靠性和耐用性，以滿足整車160 000 km耐久要求。國五、國六車載加油油氣系統(tǒng)分別如圖2和圖3所示。

圖2 國五車載加油油氣系統(tǒng)結構

圖3 國六車載加油油氣系統(tǒng)結構

2.2.1 燃油系統(tǒng)管路

（1）加油管管口 管口直徑減少到25 mm，由于管路直徑變小且加油槍加油速度快，在高速流的作用下在管徑末端形成液體密封；加油管底部加裝加油口止回閥（ICV閥門），防止汽車上坡時汽油倒流，同時還可以防止加油時油氣回流。

（2）蒸發(fā)管路 為了保證系統(tǒng)蒸發(fā)的油氣順利通向碳罐，油箱連接碳罐的蒸發(fā)管路的直徑要比回氣管路大，以確保燃油蒸氣能夠快速流向碳罐。

（3）蒸汽回氣管 把原有的限壓閥改為蒸氣回氣管，降低燃油蒸氣量。

2.2.2 燃油箱（包括閥門）

（1）油箱 因為加工材料等問題，塑料燃油箱可能存在殼體蒸發(fā)排放的問題，而金屬燃油箱殼體則不存在此類問題。為了更好地控制油箱壓力及回收蒸發(fā)的油氣，可以將加油截止閥（FLVV閥）、ICV閥置于金屬油箱內部。

（2）FLVV閥 該閥是安裝在油箱上的重要閥門，代替原加油回氣嘴，連接至碳罐。不僅能夠保證排放滲透值，還能保證當油箱內汽油液面達到一定高度或油箱內壓力過高時，加油槍自動跳槍控制油箱的加油量。

（3）油箱壓力傳感器 能夠感受油箱壓力信號的變化，并將壓力信號轉變?yōu)榭捎秒娦盘杺鹘oCPU，檢測燃油蒸氣是否泄露。

2.2.3 碳罐

（1）調整碳罐總成[11-12]與油箱的相對位置，碳罐安裝在相對密封的位置，防止碳罐呼吸口被灰塵泥巴堵住，從而降低碳罐吸附蒸氣的能力。

（2）碳罐總成體積在原有基礎上加大2～3倍，滿足加油過程中HC呼出限值要求。

（3）碳罐中活性炭的種類由顆粒狀替換成球狀或大顆粒，可以更好地接觸吸附燃油蒸氣。

（4）碳罐吸附晝間控制由國五的24 h變?yōu)樾聵藴?2 h監(jiān)測。

2.3 OBD車載試驗

OBD系統(tǒng)[13]主要功能是實時監(jiān)測車輛行駛過程中與排放有關的零部件信息，通過電子控制單元（electronic control unit，ECU）檢測和分析與排放有關部件的故障功能。若故障被診斷出來，則故障指示燈閃爍。

2.3.1 試驗流程

OBD試驗流程如圖4所示。

2.3.2 試驗描述

（1）試驗車輛 可以是累積里程高的車輛+故障件，或者是新車+老化件（催化器、氧傳感器）+故障件。

（2）樣車前處理 替換老化件，進行基礎排放試驗，需滿足I型排放限值。

（3）預處理 植入故障后優(yōu)先采用WLTP對車輛進行預處理。

（4）試驗過程 在驗證測試過程或排放測試過程中可以點亮故障指示燈（malfunction indicator lamp，MIL），排放測試采用路況變化率更多樣性的WLTP循環(huán)。

2.3.3 OBD對蒸發(fā)排放系統(tǒng)的監(jiān)控

氧傳感器能夠檢測到空燃比的變化，混合氣濃度變化與氧傳感器電壓變化呈正比例關系[14]。當蒸發(fā)排放系統(tǒng)正常工作時，碳罐脫附電磁閥開啟，混合氣濃度上升，氧傳感器監(jiān)測到混合氣濃度上升，其電壓也會隨之上升；當蒸氣排放系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，即使碳罐電磁閥開啟，混合氣濃度也不會上升，氧傳感器監(jiān)測不到混合氣體濃度的變化，電壓就不會發(fā)生變化。因此，可以把混合氣體濃度的變化當作一個重要的參數(shù)來檢測燃油蒸氣排放系統(tǒng)是否泄露。

圖4 OBD試驗流程

3 結語

本文從蒸發(fā)排放控制試驗、加油排放控制試驗、OBD車載診斷3個方面，從理論上對新標準下的汽車燃油系統(tǒng)的排放控制進行了研究。新標準借鑒了國外排放標準，結合中國的本土情況進行了諸多改進和創(chuàng)新，形成了適合中國國情的汽車排放標準體系。

考慮到我國汽車的本土情況，在安裝ORVR系統(tǒng)時需進行全面系統(tǒng)的改進，特別是涉及碳罐電磁閥開啟、碳罐容積與油箱總成相對位置等方面需進行深入研究，以達到新標準要求。若與排放有關的零部件出現(xiàn)故障時，故障指示燈被點亮，由于僅是一個提示性信號，駕駛員并不會積極響應配合維修，造成了相應的排放問題。為解決這一問題產(chǎn)生了更為先進OBD-Ⅲ，OBD-Ⅲ在解決排放問題的同時，還能夠對不遵循指令要求的駕駛員實施禁行要求。本項目的開展對推動我國輕型車燃油排放控制領域的研究具有重要意義，同時為打破國外技術壟斷，提升國內企業(yè)在該領域的自主研發(fā)能力提供了有力支撐。