不同脱附工况下加油排放的试验研究

付铁强，戴春蓓，仲崇智，顾王文，吴 可，张泰钰

(中国汽车技术研究中心,天津 300300)



不同脱附工况下加油排放的试验研究

付铁强，戴春蓓，仲崇智，顾王文，吴 可，张泰钰

(中国汽车技术研究中心,天津 300300)

本文中对同一辆带有车载加油蒸气回收(ORVR)系统的汽车分别进行3次EPA法规和国六法规的加油排放试验(预处理工况分别为FTP和WLTC)，并采集脱附工况下的炭罐脱附流量和加油排放量。结果表明，FTP工况的炭罐脱附总量(981.89，993.25和987.54L)大于WLTC工况(867.88，881.31和876.8L)，且EPA加油排放结果(0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L)远小于国六试验(0.111，0.103和0.107g/L)。说明在FTP工况下车辆的脱附效果较好，加油试验前车辆富余的炭罐工作能力越大，越能有效控制加油排放。

车载加油蒸气回收系统；挥发性有机物；加油排放；炭罐脱附

前言

近年来，雾霾等恶劣天气越来越影响人们的生活，危害人们的健康。而导致雾霾的重要污染物挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOC)也越来越受到人们的重视。汽车尾气和蒸发排放的HC是VOC污染的重要来源，随着尾气排放限值越来越严格，汽车蒸发的HC排放量已经超过尾气排放[1]，并且我国每年由于加油蒸发排放造成约0.26%的燃油损耗[2]。2016年5月，环保部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》征求意见稿[3]，其最大的改动之一是增加了VII型加油排放污染物试验的要求，规定加油排放不超过0.05g/L。国六征求意见稿中的加油排放污染物试验主要是借鉴了美国EPA法规的加油排放规定[4]，并结合实际进行了完善。国六征求意见稿与EPA加油排放试验的总体框架相同，主要的差异是两者的预处理工况，EPA使用了FTP75+UDDS+NYCC的工况组合，而国六则采用了WLTC组合工况。其他测试条件，如程序、加油温度、速率、加油量要求、加油枪规格和测试设备基本一致。

为应对国六法规，车辆燃油系统需升级为车载加油油气回收系统[5](onboard refueling vapor recovery，ORVR)，主要需在燃油系统设计、炭罐脱附标定和热管理保护等方面进行研发升级[6]。炭罐作为ORVR系统的核心部件，其工作能力有限，必须在一定条件下对其进行脱附清洗，使其恢复足够的吸附能力[7-8]。然而，目前国内外几乎没有对于WLTC工况的ORVR炭罐脱附流量标定的研究。

为研究ORVR系统在不同脱附行驶工况下的加油排放控制效果，本文中针对同一辆带有ORVR的车辆分别进行EPA法规和国六法规的加油排放试验，预处理工况分别为FTP和WLTC，采集脱附工况下的炭罐脱附流量，研究不同脱附工况对加油排放试验的影响。

1 试验方案

1.1 测试流程

对同一辆带有ORVR的美标车(美国生产，满足EPA Tier II法规的车辆)，分别参照美标EPA法规和国六征求意见稿中规定的加油排放试验规定，进行加油排放试验，主要试验流程如表1所示。

表1 加油排放试验流程

由表1可知，两个法规的测试流程基本一致，主要区别在于预处理行驶工况。

1.2 脱附工况分析

加油排放试验中，车辆有两次预处理行驶。在第2次预处理之前，进行2g加载击穿的炭罐预处理，使炭罐处于吸附饱和状态。第2次预处理行驶能对饱和炭罐进行脱附吹扫，使炭罐恢复其吸附能力。美标加油排放测试的第2次预处理行驶工况为“FTP75+UDDS+2min怠速+2*NYCC+2min怠速+UDDS+2min怠速”，预处理运转时间为6 770s，约为113min。脱附工况如图 1所示。

图1 EPA第2次预处理工况

国六征求意见稿中，针对加油排放试验规定了3次预处理行驶。在第2次预处理行驶之前，进行了2g加载击穿的炭罐预处理。这样，后面两次预处理行驶都对吸附饱和炭罐进行了脱附吹扫，但是在第2次预处理行驶之后，经过了12h的浸车过程才进行第3次预处理行驶。国六加油试验第2次预处理行驶的工况为“WLTC组合(低速+中速+高速+超高速)”，运转时间为1 800s，即30min。国六加油试验第3次预处理行驶的工况为“WLTC组合(低速+中速+高速+超高速+低速+低速+中速+低速)”，运转时间为4 000s，约67min。两次脱附工况如图2和图3所示。

图2 国六第2次预处理工况

图3 国六第3次预处理工况

1.3 试验样车

试验样车为一辆美标车，其基本参数见表2。

1.4 油品参数

两次加油试验均使用国六法规中的试验基准汽油，其基本参数见表3。

表2 试验样车基本参数

表3 试验汽油基本参数

1.5 试验设备

试验过程中所用的主要设备见表4。

2 试验结果与分析

2.1 炭罐工作能力试验分析

车辆ORVR系统升级后，最显著的变化之一就是使用了体积更大、工作能力更强的炭罐。为了解试验车辆炭罐的工作能力，试验之前先按照HJT 390—2007的技术要求，对该炭罐进行丁烷工作能力(butaneworking capacity，BWC)的测试。具体方法是用50%丁烷/50%氮气的混合气，以丁烷40g/h的速率对炭罐吸附至2g临界点，之后用干空气以25L/min的速率对炭罐进行600倍有效容积的脱附吹扫，试验过程炭罐质量变化如图4所示。

表4 试验所用设备

图4 炭罐BWC工作能力测试

计算第5和第6次循环中炭罐吸附后质量和脱附后质量之差，除以炭罐有效容积即可得到炭罐BWC工作能力。测试结果见表5，结果为7.02g/100mL。此炭罐的工作能力要大大优于普通国五车辆炭罐的BWC工作能力(5g/100mL左右)。

表5 炭罐BWC测试结果

2.2 脱附流量数据与分析

加油排放试验中，车辆在运行炭罐脱附工况时，在炭罐大气口连接气体流量计，测量炭罐脱附时的瞬时数据。由于气体流量计标定的原因，流量计的零点标定略有偏移。测量结束以后，对测得的实时数据进行零点修正。实时车速变化、实测和修正的流量数据见图5～图13。

由图5～图7可见，美标车在EPA脱附工况的整个时间段内，均有瞬时脱附流量，仅在少量时段内没有脱附流量，而且出现的脱附流量大小比较均衡，脱附流量值集中在30L/min，整个脱附过程脱附流量较大，脱附效果充分。

图6 EPA加油试验B-美标车脱附流量数据

图7 EPA加油试验C-美标车脱附流量数据

图8 国六加油试验D-美标车第1次脱附流量数据

图9 国六加油试验D-美标车第2次脱附流量数据

图10 国六加油试验E-美标车第1次脱附流量数据

图11 国六加油试验E-美标车第2次脱附流量数据

图12 国六加油试验F-美标车第1次脱附流量数据

图13 国六加油试验F-美标车第2次脱附流量数据

由图8～图13可见，美标车在WLTC组合工况下的脱附流量也较大，但瞬时脱附流量的密集程度明显不如图5～图7中在美标脱附工况下的流量。说明美标车对于美标脱附工况的适应性要优于WLTC组合工况。这与对炭罐脱附电磁阀开启时间的标定有一定的关系。

对修正后的瞬时脱附流量进行数学统计和积分处理，获得最终的总脱附体积。脱附流量的数据处理结果见表6。

由表6可知，EPA脱附工况的运转时间为6 770s，大于国六两次脱附工况运转的时间之和(5 800s)。两者的最大脱附流量和平均脱附流量基本接近。总脱附体积对比如图14所示。由图14可见：在总脱附体积方面，EPA总共的脱附量分别为981.89，993.25和987.54L，3次EPA试验总脱附体积平均值为987.56L；而国六两次脱附量的总和分别为867.88，881.31和876.8L，3次国六试验总脱附体积平均值为875.33L，且国六两次的脱附运转之间还有12h的浸车间隔，浸车期间炭罐又会有一定程度的吸附作用。由此可见，美标车在EPA脱附工况下的脱附效果要优于国六的WLTC组合工况。

2.3 加油排放试验结果分析

参照EPA法规和国六草案进行了加油试验预处理和炭罐脱附流量测试之后，将整车推至SHED内，连接加油小车后，设定同样的SHED温度、加油温度和速率，进行加油排放试验。设定的加油试验条件见表7。

连接加油小车后，在开始加油之前对SHED进行一次HC取样分析，加油枪自动跳枪之后，再次对SHED取样分析。取两次HC质量浓度之差，除以试验的加油量，即为加油排放的结果。

表6 不同ORVR脱附工况脱附流量结果

图14 总脱附体积对比

试验条件数值SHED温度/℃27加油温度/℃19.4加油速率/(L·min-1)37.1

由表2可知，样车油箱容积为58L。加油排放试验加油量至少为油箱标称容积的85%，即为49.3L，试验加油量如图15所示。由图可见，EPA试验和国六试验的加油量均大于49.3L，满足加油排放试验对于加油量至少85%的要求。

图15 加油排放试验加油量

加油排放试验结果如图16所示。由图可见:EPA加油排放试验的结果分别为0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L，满足EPA法规0.053g/L的限值要求，并且远远小于国六加油排放的试验结果；国六加油排放试验的结果为0.111，0.103和0.107g/L，约为EPA加油排放的3倍。

图16 加油排放试验结果

2.4 炭罐脱附对加油排放的影响

对比图14中的总脱附体积可知，3次EPA试验总脱附体积平均值为987.56L；而3次国六试验总脱附体积平均值为875.33L，考虑到国六两次的脱附运转之间还有至少12h的常温浸车，在此期间，由于油箱内又会产生部分油气，炭罐还会有一定程度的吸附作用，从而减弱了炭罐的脱附效果。由此可见，在EPA试验条件下，炭罐获得了更充分的脱附清洗，炭罐恢复的吸附能力更高。因而在密闭室的加油排放试验中，EPA试验的加油排放更低，并满足EPA 0.053g/L的限值要求。而国六加油试验由于预处理阶段炭罐脱附不够充分，导致炭罐脱附能力不足，使之在加油排放阶段排放值超标约1倍。但相对于没有ORVR系统的车辆约为1g/L的加油排放，该车ORVR系统对于加油排放控制还是有明显的控制效果。

3 结论

(1)FTP工况组合下的炭罐瞬时脱附流量明显比WLTC组合工况更加密集，且集中在30L/min。FTP工况组合下的总脱附量平均值为987.56L，而WLTC组合工况总和的平均值仅为875.33L，车辆在FTP工况组合下的脱附效果要优于国六的WLTC组合工况。

(2)EPA和国六加油排放试验的加油排放量相近。EPA的结果分别为0.033 1，0.036 7和0.039 6g/L，国六的结果分别为0.111，0.103和0.107g/L，约是EPA加油排放的3倍。在EPA的FTP工况组合下，炭罐脱附更加充分，富余的吸附能力足够大，更能有效地控制加油排放。

(3)在加油排放试验中，炭罐的脱附清洗至关重要，在车辆行驶时，炭罐脱附总体积越大，炭罐脱附效果越好，对于加油排放的控制效果越佳。

综上可知，对于加油排放控制，不仅要考虑ORVR系统的炭罐工作能力，还应该在研发过程中考虑到对炭罐脱附电磁阀开启时间的标定，应对不同的脱附工况进行针对性的标定，保证在车辆行驶时对炭罐进行充分的脱附吹扫，使炭罐恢复足够的吸附能力，从而在车辆加油时能更有效地控制加油排放。

[1] LIU H, MAN H, TSCHANTZ M, et al. VOC from vehicular evaporation emissions: status and control strategy[J]. Environmental Science Technology, 2015, 49(24).

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[3] 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)征求意见稿[S]. 2016.

[4] Control of emissions from new and in-use highway vehicles and engines；subpart B [S]. 40CFR：Part 86.

[5] 蔡锦榕, 何仁, 韦海燕. 控制轿车加油排放的 ORVR 技术综述[J]. 车用发动机, 2009, 2(1): 5.

[6] 杜建波, 方茂东, 陆红雨, 等. 加油排放试验程序的设计和车载油气回收系统开发的建议[J]. 汽车工程, 2014, 36(5): 537-541.

[7] 王凯, 杨正军, 冯驰. 不同工况下脱附流量与碳罐工作能力对蒸发排放的影响[J]. 北京汽车, 2016(2).

[8] 谢辰阳. 车载加油蒸气回收 ORVR 技术[J]. 现代经济信息, 2016(12).

An Experimental Study on Refueling Emissions with Different Purge Conditions

Fu Tieqiang, Dai Chunbei, Zhong Chongzhi, Gu Wangwen, Wu Ke & Zhang Taiyu

ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300300

In this paper, the same vehicle with onboard refueling vapor recovery (ORVR) system is used to conduct three refueling emissions tests with both EPA and China VI regulation and precondition of FTP and WLTC respectively, and canister purge flow and refueling emissions are collected. The results show that the canister purge flows with FTP condition (981.89, 993.25 and 987.54L) are larger than that with WLTC condition (867.88, 881.31 and 876.8L), and the refueling emissions with EPA-OPVR (0.033 1,0.036 7 and 0.039 6g/L) are less than that with China VI-ORVR(0.111,0.103 and 0.107 g/L), demonstrating that the purge with FTP cycle can get better results, and the vehicle with larger spare canister work capacity before refueling test can more effectively control refueling emission.

ORVR；VOC； refueling emissions；canister purge

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.07.011

仲崇智，硕士，E-mail：zhongchongzhi@catanc.ac.cn。

原稿收到日期为2016年11月26日，修改稿收到日期为2017年2月21日。