非道路通用小型汽油机蒸发排放法规研究

（天津大学内燃机研究所 天津 300072）

引言

非道路通用小型汽油机是除车用、航空用以外，一般功率在30 kW 以内，非道路用往复活塞式汽油发动机。由于其操作简单，通用性强的特点广泛应用于农林植保机械及园林机械、发电机组、建筑机械及抢险救援工具等诸多领域。中国是非道路通用小型汽油机产品出口大国，据行业统计，2017 年我国非道路通用小型汽油机及配套终端产品产量约2500 万台，约占全球产量的41.7%，是全球第一大生产国，产品销售额约为250 亿元人民币，产品80%以上出口海外[1]。

1 蒸发排放的产生与危害

非道路通用小型汽油机蒸发排放是指从燃油系统中排放到大气中的碳氢化合物与活性有机气体。蒸发排放产生的原因主要是由于发动机燃料零部件如油管、油箱对于挥发性燃料通常具有较高的渗透性。具体来讲，蒸发排放的产生主要来自以下5 个类别：

1）昼间损失。由每天的环境温度变化导致。随着一天当中温度变暖，油箱中的液体燃料温度随之上升，这会导致油箱内的蒸汽压力增大，迫使燃油蒸汽逸出到大气中。

2）渗透。燃料分子浸透油管、油箱等零部件，向空气中产生相对恒定速率的排放。

3）运转损失。类似于昼间损失，所不同的是运转损失是由于设备运转中发动机产生的热量导致燃油温度上升所产生出的蒸发排放。

4）热浸。当设备停止运转后，发动机余热在一段时间内仍会迫使燃料汽化产生的蒸发。

5）燃料加注。当为油箱添加液体燃料时，油箱内的部分燃油蒸汽被排出所产生。

不同于尾气排放，蒸发排放无论是在发动机运转过程中还是在发动机静置状态下均会产生活性有机气体和有毒空气污染物。活性有机气体会导致大气中臭氧的形成，有毒空气污染物构成人类健康风险。根据CARB 的调查统计，美国加州地区累计保有1 600万台非道路通用小型汽油机设备，其中包括割草机、吹风机、草坪拖拉机及发电机等。2016 年加州境内的所有非道路通用小型汽油机设备每天预计产生约45 000 kg 活性有机气体，这个排放量甚至超出加州地区全部加油站每天产生的活性有机气体排放量[2]。

2 当前实施的蒸发排放法规介绍

目前EPA 与CARB 已对非道路通用小型汽油机蒸发排放制定了法规并且已在实施中。其中，CARB 在2004 年7 月颁布了全球首个非道路通用小型汽油机的蒸发排放法规，并在2017 年11 月批准了修订版法规。EPA 在2008 年9 月4 日签署了非道路和固定式设备蒸发排放法规，该法规中涵盖了非道路通用小型汽油机蒸发排放标准内容。截止当前，全球其他国家与地区尚未颁布相应法规。

2.1 EPA 蒸发排放法规

表1 为非道路通用小型汽油机EPA 蒸发排放法规实施时间与排放要求。

表1 非道路通用小型汽油机EPA 蒸发排放法规实施时间与排放要求

关于油箱渗透排放要求，EPA 法规对于金属油箱是豁免的。前提需要满足以下任意条件：

1）配备金属油箱盖与金属密封垫。

2）配备由低渗透材料制作的油箱盖与密封垫。

3）安装到油箱上的油箱盖的表面积不超过油箱总内表面积的3%；密封垫暴露面积不超过油箱总内表面积的0.25%。

2.2 CARB 蒸发排放法规

表2 为非道路通用小型汽油机CARB 蒸发排放法规实施时间与排放要求。

表2 非道路通用小型汽油机CARB 蒸发排放法规实施时间与排放要求

CARB 对于非手持式通用小型汽油机的认证方式给予性能认证与设计认证两种方式。选择性能认证方式需要产品满足表2 中的昼间排放要求；选择设计认证方式需要油管、油箱、碳罐满足表2 中的对应排放要求。需要注意的是目前对于发动机排量在80 mL 至225 mL 之间的手推式割草机，必须使用性能认证方式。

3 CARB 蒸发排放法规修订后的主要变化内容

CARB 从2016 年9 月开始对原法规进行修订，2017 年11 月13 日获得美国加利福尼亚州行政法案办公室批准，修订后的法规从2018 年1 月1 日正式生效，并对2020 开始的型式年产品执行本法规要求。

3.1 新增保证金要求

修订后的法规要求申请2020 型式年及以后型式年非道路通用小型汽油机CARB 认证需要满足保证金要求。保证金以每台发动机单价500 美元计算，保证金最低起付金额是50 万美元。对于产量小于1 000 台并且在过去5 年连续持证期间没有出现违反法规要求或者抽查测试不达标的制造商，最低保证金额度可以降至2.5 万美元；保证金上限封顶金额1 000 万美元。对于在过去10 年连续持证期间没有出现违反法规要求或者抽查测试不达标的制造商，保证金上限封顶金额可减至300 万美元。制造商缴纳保证金后，如果产品在加州的实际销量超出现有保证金额度，制造商需要在90 天内补缴超出的保证金。

3.2 限定零部件证书有效期

修订后的法规将油管、油箱与碳罐的证书有效期，由原先的无明确年限改为4 年有效期。

3.3 新增产量报告要求

修订后的法规新增了年度产量报告与最终产量报告要求。其中，要求制造商在年度结束的90 天内向CARB 提交年度产量报告，要求制造商在年度结束的270 天内向CARB 提交最终产量报告。如果制造商未在指定时间内提交年度产量报告或最终产量报告，则将被视为违规。如果提交CARB 的年度产量报告中存在错误信息，制造商可以在最终产量报告中进行更正。产量报告中需要列出产品型式年、发动机排量类别、发动机系族名称、蒸发系族名称、终端设备类型、油箱标称容积、加州产量及美国产量等详细信息。

3.4 豁免条款的变化

修订后的法规要求自2020 型式年开始，用于发动机排量小于等于80 mL 设备上的低渗透油箱不再享有豁免。包括金属油箱、多层共挤油箱及整体式尼龙油箱。

3.5 新增零部件安装要求

1）自2020 型式年开始，蒸发排放控制系统中的碳罐必须以防止碳暴露于水或液体燃料的方式安装[3]。

2）自2020 型式年开始，所有燃油管路必须牢固连接，以防止在蒸发排放控制系统的使用寿命期间发生燃油泄漏。燃料管路装配测试应按照ANSI/OPEI B71.10-2013 第5.4 节中的燃料管路装配拉伸试验进行[3]。

3.6 测试燃油的变化

对于测试汽油，修订后的法规将原先不含乙醇的加州二阶段燃油更换为含有10%乙醇的LEV III燃油，该燃油亦被称为加州三阶段燃油。

3.7 抽查测试要求

修订后的法规明确了CARB 抽查测试的样品最低数量。油管、油箱及碳罐的抽查测试样本数量至少5 个，发动机或整机的抽查测试样本数量至少1 个。如果抽查测试的发动机或整机出现可见的汽油渗漏，并且没有合理的理由证明汽油渗漏是由于运输过程中损坏导致，则被认定为抽查测试失败。

3.8 关于证书暂停或吊销的制造商

对于证书被暂停或者吊销的制造商，必须提交所有发动机排量在80 mL 以上的整机蒸发系族昼间排放测试数据，具体情况如下[3]：

1）第1 次被发现不合规，提交1 个型式年的全部发动机排量在80 mL 以上的整机蒸发系族昼间排放测试数据。

2）第2 次被发现不合规，提交5 个型式年的全部发动机排量在80 mL 以上的整机蒸发系族昼间排放测试数据。

3）第3 次被发现不合规，提交10 个型式年的全部发动机排量在80 mL 以上的整机蒸发系族昼间排放测试数据。

4 EPA 法规与CARB 法规的差异与分析

4.1 蒸发排放控制方式

对于非手持式发动机，EPA 法规要求制造商配备经过EPA 认证的油管、油箱和符合要求的运转损失控制方式进行蒸发排放认证，从而实现油管渗透、油箱渗透和运转损失的蒸发排放控制。因此EPA 属于零部件蒸发排放控制方式；CARB 法规既允许制造商选用类似EPA 这种配备认证零部件的设计认证方式，也允许制造商通过整机昼间排放测试数据进行认证申请的性能认证方式。无论使用哪种认证方式，产品在CARB 抽查测试中必须满足昼间排放要求。因此CARB 对于非手持发动机实际是整机蒸发排放控制方式。其次，对于非手持发动机的运转损失排放控制，CARB 相比EPA 多出了碳罐的要求。

4.2 油箱渗透排放限值要求

对于非道路通用小型汽油机的油箱渗透排放要求，在相同的测试温度下CARB 法规限值比EPA 法规限值更低。详见表3 所示。

表3 非道路通用小型汽油机油箱渗透排放限值[3-4]

另外，本文2.1 章节已介绍EPA 对于满足特定条件的金属油箱给予豁免，而CARB 则无此豁免条款。

4.3 保证金要求

修订后的CARB 法规新增了保证金要求。相比已经实施多年的EPA 保证金要求，CARB 对于1 台非道路通用小型汽油机的保证金额度要求远高于EPA 法规要求。详见表4 所示。

表4 非道路通用小型汽油机保证金要求[3-4]

5 结论

通过CARB 非道路通用小型汽油机蒸发排放法规修订内容来看，无论是新增的保证金要求、产量报告要求及零部件证书有效期要求，还是取消原先的油箱豁免条款等内容，均体现出CARB 法规提高美国加州市场准入门槛与加严加州地区排放监管的趋势。对比EPA 法规与CARB 法规的差异分析得到的结论是：首先，在排放控制方式上CARB 比EPA 更严格，更体现排放控制的最终目的；其次，在排放控制要求上CARB 比EPA 对于油箱渗透与运转损失有着更高的控制要求；最后，在排放监管上，CARB相比EPA 设定了更高的市场准入门槛，更严格的监管措施与更高昂的排放违规成本。