（天津內(nèi)燃機研究所 天津 300072）

引言

非道路通用小型汽油機是除車用、航空用以外，一般功率在30 kW 以內(nèi)，非道路用往復活塞式汽油發(fā)動機。由于其操作簡單、通用性強的特點，廣泛應用于農(nóng)林植保機械、園林機械、發(fā)電機組、建筑機械、搶險救援工具等諸多領域。中國是非道路通用小型汽油機產(chǎn)品全球第一生產(chǎn)大國，平均每年80%的產(chǎn)品出口海外。與此同時，隨著中國農(nóng)業(yè)機械化、林業(yè)機械化、城市綠化的推進及一批國家重點工程項目的實施、因人口老齡化問題日益嚴重而產(chǎn)生的應急備用意識的提高，中國國內(nèi)的通用小型汽油機及相關終端產(chǎn)品的使用及保有量逐步增多[1]。

1 蒸發(fā)排放的產(chǎn)生與危害

通用小型汽油機蒸發(fā)排放產(chǎn)生的主要原因是由于發(fā)動機燃油系統(tǒng)對于汽油這種揮發(fā)性燃料具有較高的滲透性，使得燃油蒸氣排入到大氣中。不同于尾氣排放，無論發(fā)動機運轉(zhuǎn)或靜置，只要燃油系統(tǒng)存有汽油，便會產(chǎn)生蒸發(fā)排放。蒸發(fā)排放的主要污染物是碳氫化合物與活性有機氣體。其中，碳氫化合物構(gòu)成人類健康風險，活性有機氣體會導致大氣中臭氧的形成。根據(jù)美國加州空氣資源委員會（California Air Resources Board，CARB）的調(diào)查統(tǒng)計，美國加州地區(qū)累計保有1 600 萬臺非道路通用小型汽油機設備，包括割草機、吹風機、草坪拖拉機、發(fā)電機等。2016年，美國加州境內(nèi)的所有非道路通用小型汽油機設備每天產(chǎn)生約45 t 活性有機氣體，這個排放量甚至超出加州地區(qū)全部加油站每天產(chǎn)生的活性有機氣體排放量[2]。

2 已在實施中的蒸發(fā)排放法規(guī)要求

針對非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放，美國環(huán)境保護署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）與CARB 分別制定了排放法規(guī)并已實施。其中，CARB 率先于2004 年7 月頒布了全球首個非道路通用小型汽油機的蒸發(fā)排放法規(guī)，并于2017 年11月再次頒布修訂版法規(guī)。EPA 在2008 年9 月4 日簽署了非道路和固定式設備蒸發(fā)排放法規(guī)，該法規(guī)涵蓋了非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放法規(guī)內(nèi)容。

表1 非手持式通用小型汽油機EPA 與CARB 蒸發(fā)排放法規(guī)要求[3-4]

非手持式通用小型汽油機通常是發(fā)動機排量為80～1 000 mL 的通用汽油機產(chǎn)品。表1 中，制造商選用經(jīng)過認證的蒸發(fā)排放零部件進行產(chǎn)品整機蒸發(fā)排放認證申請的方式稱為設計認證方式；制造商通過產(chǎn)品整機晝間排放測試數(shù)據(jù)進行認證申請的方式稱為性能認證方式。設計認證方式需要油管、油箱、碳罐等滿足法規(guī)要求，性能認證方式需要產(chǎn)品滿足晝間排放要求。目前，EPA 對于非手持通用小型汽油機的蒸發(fā)排放只有設計認證要求。CARB 要求發(fā)動機排量為80～225 mL 的手推式割草機必須使用性能認證方式，其他類別的產(chǎn)品既可以選擇設計認證方式也可以選擇性能認證方式。無論使用哪種認證方式，產(chǎn)品在CARB 抽查測試中必須滿足晝間排放限值要求。

3 測試發(fā)動機與測試程序

國產(chǎn)通用小型汽油機具有價格便宜、經(jīng)濟耐用等特點，使其在當前國內(nèi)在用通用小型汽油機市場中占據(jù)主導地位。中國通用小型汽油機行業(yè)地域產(chǎn)業(yè)集中度較高，在國內(nèi)集中分布于山東、江蘇、浙江、上海、福建、廣東和重慶。其中，山東以手持式發(fā)動機為主；重慶以排量為80 mL 以上的非手持式發(fā)動機為主[1]。為了讓測試具有更高的代表性，選擇了重慶某品牌產(chǎn)品作為測試樣機。該品牌產(chǎn)品在國內(nèi)市場上銷量居前，已投入國內(nèi)市場超過10 年，曾獲得重慶市著名商標，國內(nèi)銷售服務網(wǎng)絡覆蓋全國31 個省、市、自治區(qū)。在產(chǎn)品設備類型選擇方面，考慮到通用小型汽油機的終端產(chǎn)品在我國國內(nèi)的用途統(tǒng)計中，發(fā)電機、水泵、插秧機、油鋸、微耕機、割灌機等具有較高的比率。根據(jù)中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會小型汽油機分會公布的信息，截至2019 年1 月，在中國點燃式移動機械的各種用途占比中，發(fā)電機/發(fā)電機組占32.36%，排名第1 位，水泵占10.88%，排名第2 位[5]。在發(fā)動機選擇方面，168F-2 與188F 屬于四沖程發(fā)動機典型產(chǎn)品，無論在國內(nèi)市場還是出口市場，都有較高的市場占有率。因此，在市場上選購了168F-2水泵用發(fā)動機與188F 發(fā)電機用發(fā)動機作為測試樣機。測試樣機主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 測試發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

在測試設備方面，選用符合CARB 法規(guī)要求的AVL-SHED（sealed housing evaporative determination）蒸發(fā)密閉實驗室。在測試程序方面，參照CARB 法規(guī)TP-902 測試程序，分別對2 臺樣機進行晝間排放測試。由于時間原因，將140 d 預處理步驟跳過。測試程序見表3。

表3 蒸發(fā)排放測試程序

在24 小時晝間排放測試中，蒸發(fā)密閉實驗室艙內(nèi)每1 h 的溫度設定參照CARB 法規(guī)TP-902，見表4。

表4 24 h 晝間排放溫度設定[6]

4 測試結(jié)果與分析

4.1 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表5 所示。

表5 24 h 晝間排放結(jié)果

4.2 分析

通過測試結(jié)果與CARB 排放限值對比，可以看出，2 臺樣機的晝間蒸發(fā)排放均遠超出CARB 排放限值。考慮到測試沒有對樣機進行140 d 預處理，可以推斷，2 臺樣機的實際蒸發(fā)排放水平比測試結(jié)果還要略高一些。因為，預處理的目的是使發(fā)動機燃油系統(tǒng)更徹底地被燃油浸透。按照設計認證的思路，對樣機的蒸發(fā)零部件逐一進行分析，找出排放超標的原因。

1）油管方面。2 臺樣機與當前我國市場大多數(shù)產(chǎn)品一樣，配備的是普通橡膠油管。而美國市場上的通用汽油機產(chǎn)品由于有EPA 與CARB 法規(guī)的管控，配備的是經(jīng)過特殊工藝的低滲透油管，如氟化阻隔油管、多層塑料油管。經(jīng)過特殊工藝處理的低滲透油管，其燃油滲透率能夠比普通丁晴橡膠油管低大約90%。因此，油管是測試時排放超標的一個重要原因。

2）油箱方面。2 臺樣機均采用金屬油箱，這也是大多數(shù)非手持通用小型汽油機常用的油箱。金屬材料的燃油滲透率遠比普通塑料橡膠材料低，EPA 將金屬視為低滲透材料，只要油箱蓋與密封圈滿足一定的尺寸要求，金屬油箱可以享受EPA 認證豁免。因此，油箱對于測試結(jié)果的影響相對有限。

3）運轉(zhuǎn)損失控制方面。碳罐是活性碳貯存裝置，其作用是吸附油箱內(nèi)的燃油蒸氣。通常，油箱燃油蒸氣被引入碳罐，再被送至發(fā)動機進氣系統(tǒng)，通過進氣系統(tǒng)參與燃燒，以防止燃油蒸氣揮發(fā)到大氣中。目前，對于非手持式通用小型汽油機，CARB 要求必須配備碳罐，EPA 只要求將油箱燃油蒸氣引入發(fā)動機進氣系統(tǒng)。2 臺樣機與當前國內(nèi)絕大多數(shù)市售產(chǎn)品一樣，既沒有設計將油箱燃油蒸氣引入進氣系統(tǒng)的管路，也沒有安裝碳罐，這是測試時排放超標的另一重要原因。

5 結(jié)論

本文通過選取當前在中國市場上極具代表性的國產(chǎn)非手持式通用小型汽油機產(chǎn)品進行晝間蒸發(fā)排放測試，可以看出，當前，我國在用的通用小型汽油機蒸發(fā)排放水平遠比美國高。隨著我國通用小型汽油機國內(nèi)持有量不斷增長，國家對其蒸發(fā)排放量一定會更加重視。接下來，中國非道路通用小型汽油機第三階段排放法規(guī)勢必增加蒸發(fā)排放限值的要求，屆時，我國的通用小型汽油機蒸發(fā)排放量將逐步得到有效控制。