国六排放标准中汽车蒸发污染物排放过程分析

秦 睿，姜晓明，沙 涛，丁长龙，贾 楠，付 豪，赵与冬

（考泰斯（长春）塑料技术有限公司，吉林 长春 130102）

0 引言

随着现代工业的发展，地球环境已受到严重的破坏，生态系统以及人类的可持续发展也受到巨大威胁。汽车作为现代工业产品的代表，其使用过程中产生的污染物排放，对环境的污染非常严重。为防治污染，保护和改善生态环境，保障人体健康，2016年环境保护部与国家质量监督检验检疫总局联合发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB18352.6—2016），并从2020年7月1日起，该标准替代原国五标准，开始实施。

目前，汽车污染物排放来源主要有三个方面：汽车尾气排放、曲轴箱污染物排放、蒸发污染物排放。其中，蒸发污染物排放的主要成分为碳氢化合物（HC），约占汽车总HC排放量的20%[1]。因此对于蒸发污染物排放过程以及国六标准较国五标准的差异研究十分必要，各汽车厂商及相关零部件的供应商应从原理上认识蒸发污染物排放过程，并针对该过程提出各类解决方案，以降低蒸发污染物排放，减少环境污染。

1 汽车蒸发污染物排放

汽车蒸发污染物排放是指除汽车排气管排放以外，从汽车燃料（汽油）系统损失碳氢化合物蒸气的过程。此外，由于汽油比柴油的挥发性要高，所以汽车的蒸发污染物排放主要来源于以汽油为燃料的车辆。而按照汽车引起蒸发污染物排放的原因又可以分为：昼夜换气蒸发排放、运转蒸发排放、热浸蒸发排放、加油蒸发排放、渗透及迁移排放[2]。

1.1 昼夜换气蒸发排放

昼夜换气蒸发排放指由于燃油箱内昼夜温度变化引起碳氢化合物排放的过程。当汽车静置时，由于昼夜环境温度的变化，油箱内温度会随着环境温度的升高而逐渐升高，油箱内燃油蒸气量增大，油箱内气压逐渐升高，燃油蒸气经油箱排气管路进入碳罐，当燃油蒸气的产生量大于碳罐吸附能力，以及扩散现象的作用，导致燃油蒸气通过碳罐通大气口排放到外界环境中；当燃油箱内温度随着环境温度降低时，油箱内部气压降低，外界气体经由碳罐被吸入油箱内部，将碳罐内吸附的燃油蒸气吹回油箱，该过程中气体对碳罐进行反向脱附。以上整个过程中，油箱内燃油蒸气向外排出，外界空气进入即形成油箱的昼夜换气排放。燃油蒸气通过碳罐的排放路径如图1所示。

图1 燃油蒸气通过碳罐的排放路径Fig.1 Exhaust path of fuel vapor through carbon canister

1.2 运转蒸发排放

运转蒸发排放指车辆在运行过程中，燃油系统产生碳氢化合物排放的过程。在发动机启动后，油箱内的供油泵会将燃油通过供油管输送到发动机，而供油泵运转过程中会产生一定热量，且供油泵是浸泡在油箱内部，靠燃油进行冷却，因此油箱内的燃油温度会随着燃油泵的运行而升高。在燃油供给系统供给发动机燃油的过程中，一部分多余的燃油会通过回油管流回油箱中，这部分燃油由于是从发动机流回，所以油温较高，会促使油箱内燃油整体温度升高。同时，发动机和排气管产生的热辐射，同样会促使油箱内燃油温度升高。而燃油温度升高会导致其蒸发量增大[3]，且车辆运行时产生的颠簸使油箱内燃油产生扰动而加快燃油蒸气产生速率，从而产生燃油运转蒸发排放。

1.3 热浸蒸发排放

热浸蒸发排放指汽车行驶一段时间以后，静置汽车燃油系统排放碳氢化合物的过程。汽车在运行过程中，发动机和排气管的温度会随之升高，当汽车停止运行后，发动机的冷却系统随之停止工作，同时行驶气流对发动机、排气管、油箱等部件的降温过程停止，此时，发动机和排管的残余热量仍然会传递到油箱附近区域，使油箱及燃油温度升高，从而引起燃油的蒸发排放。热浸排放过程一般发生在汽车停止一小时以内或者更短的时间。

1.4 加油蒸发排放

加油蒸发排放指汽车在加油过程中产生碳氢化合物排放或泄漏的过程。在车辆加油前，油箱内部气压较大，当打开油箱加油盖时，油箱内燃油蒸气会从加油口扩散到外界，当加油枪向加油管注入燃油时，流入油箱内的燃油会在油箱内造成一定的飞溅和扰动，从而产生大量的燃油蒸气，此时，部分燃油蒸气从加油口逃逸到外界环境中，而加油过程中大量的新鲜空气从加油口被裹入油箱中，降低了油箱内燃油的蒸气浓度，因此也会加剧燃油的蒸发。随着燃油的注入，油箱内气体空间逐渐被压缩，油箱内的气压逐渐升高，气体经由排气管路进入碳罐，最终通过碳罐通气口排出到外界大气中，从而形成加油过程中的燃油蒸发排放。

1.5 渗透及迁移排放

渗透及迁移排放指在汽车燃油系统中由于渗透及迁移扩散作用而排放碳氢化合物的过程。燃油分子会在油箱箱体、燃油管、管路接头、密封件等位置逐渐渗透到外界大气中，这种渗透作用排放碳氢化合物的速率很低，但只要燃油系统中存在燃油即会发生渗透排放，所以其引起的碳氢化合物排放量依然很大。

2 蒸发污染物在燃油系统排放途径

昼夜换气、运转、热浸、加油蒸发排放主要是通过碳罐排气口向外界排放污染物，但加油蒸发排放除通过碳罐排气口排放外，同时还会在加油口向外界进行污染物排放，而渗透及迁移排放则是通过燃油系统中与燃油或燃油蒸气相接触的零部件本体向外界排放，以及通过燃油系统各密封点向外界排放。因此，燃油蒸发污染物在燃油系统中向外排放的途径有四种：通过碳罐排气口向外界排放；通过加油口向外界排放；通过燃油系统中与燃油或燃油蒸气相接触的零部件本体向外界排放；通过燃油系统各密封点向外界排放（见图2）。

图2 蒸发污染物排放路径Fig.2 Evaporative pollutant discharge path

3 汽车蒸发污染物相关的国六排放标准

目前，新发布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB18352.6—2016）标准中涉及蒸发污染物排放的试验有两项，分别是Ⅳ型试验（蒸发污染物排放试验）和Ⅶ型试验（加油过程污染物排放试验）。国六标准中规定除单一气体燃料车外，所有装用点燃式发动机的汽车都要进行这两项实验，而使用两种燃料汽车的汽油部分和装用汽油机的混合动力电动汽车同样要进行Ⅳ型试验和Ⅶ型试验[4]。

3.1 国六标准适用范围

对于国六标准，其适用范围包括以点燃式发动机或压燃式发动机为动力、最大设计车速大于或等于50 km/h 的轻型汽车（包括混合动力电动汽车）。轻型汽车是指最大设计总质量不超过3 500 kg 的M1类、M2类和N1类汽车。M1类、M2类和N1类汽车具体描述见表1。

表1 轻型汽车描述情况Tab.1 M1，M2 and N1 cars

3.2 Ⅳ型试验

3.2.1 Ⅳ型试验过程

Ⅳ型试验（蒸发污染物排放试验），试验过程包括四个阶段：（1）放油和40%加油过程，和Ⅰ型试验测试循环（WLTC循环）中的低速、中速和2次高速组成的车辆预处理循环及碳罐2 g击穿处理；（2）高温浸车以及Ⅰ型试验测试循环（WLTC循环）中的低速、中速和2次高速组成的车辆高温测试循环；（3）测定热浸排放量；（4）测定昼夜换气排放量。

热浸试验和昼夜换气试验均在密闭室内进行，试验时测量密闭室内碳氢化合物的浓度CHC、温度T、大气压力P的初始值和终了值，最后通过计算得出碳氢化合物的排放质量。

热浸试验时，密闭室起始温度要求为38℃±2℃，测试过程中温度要求为33～41℃，试验时间为60 min ± 0.5 min。

昼夜换气试验时，密闭室起始温度要求为20℃，最高温度为35℃，试验时间为48 h ± 6 min，试验车辆在密闭室内按20℃至35℃再到20℃的温度变化经历2个循环，分2天记录试验数据，即在试验开始后24 h ± 6 min时要取一次试验数据，48 h ±6 min时再取一次试验数据。

3.2.2 Ⅳ型试验结果计算

热浸试验和昼夜换气试验计算公式相同，根据试验测量的数据分别带入下列公式计算对应的试验结果，其公式为：

式中：MHC为碳氢化合物质量，g；MHC，出为用定容积密闭室进行试验时，从密闭室排出的碳氢化合物质量，g；MHC，入为用定容积密闭室进行试验时，进入密闭室的碳氢化合物质量，g；CHC为密闭室内碳氢化合物浓度，ppm（容积）C1当量；V为经过汽车容积（车窗和行李箱打开）校正后的密闭室净容积，如未定汽车容积，则减去1.42 m3；T为密闭室内的环境温度，K；P为大气压，kPa；k为系数，其取值为1.2×（12+H/C），其中H/C为氢碳比，昼夜换气试验时H/C取2.33，热浸试验时H/C取2.20；i为初始读数下标；f为终了读数下标。

Ⅳ型试验结果，即汽车蒸发污染物排放碳氢化合物总量，其计算公式为：

式中：M总为汽车蒸发排放碳氢化合物总质量，g；MDI为昼夜换气试验碳氢化合物排放质量（计算时取2天实验中排放量较大的一天排放值作为MDI），g；MHS为热浸试验碳氢化合物排放质量，g。

3.2.3 Ⅳ型试验排放限值要求

Ⅳ型试验结果采用劣化修正值加和校正后的污染物排放量结果应小于表2限值要求。国六标准在Ⅴ型试验（污染控制装置耐久性试验）中给出的Ⅳ型试验劣化修正值为0.06 g/test，或者也可根据Ⅴ型试验要求进行劣化修正值实测。表2中第一类车是指包括驾驶员座位在内座位数不超过六座，且最大设计总质量不超过2 500 kg 的M1类汽车；第二类车是指国六标准适用范围内，除第一类车以外的其他所有汽车。

表2 Ⅳ型试验排放限值Tab.2 Type Ⅳ test emission limit

3.3 Ⅶ型试验

3.3.1 Ⅶ型试验过程

Ⅶ型试验（加油过程污染物排放试验），试验过程包括三个阶段：（1）车辆预处理阶段，包括车辆放油及加油、浸车、预处理行驶、预处理碳罐，其中预处理行驶由Ⅰ型试验测试循环（WLTC循环）中的低速、中速、高速及超高速组成；（2）Ⅰ型试验和加油控制系统处理行驶阶段，包括Ⅰ型试验测试循环（WLTC循环）行驶、加油控制系统处理行驶、放油和加油、浸车；（3）加油排放测试，在密闭室内进行加油过程污染物排放量测量。

加油排放试验时测量密闭室内碳氢化合物的浓度CHC、温度T、大气压力P的初始值和终了值，以及输油量VD，最后通过计算得出碳氢化合物的排放质量。加油排放试验时，密闭室温度要求为23℃±3℃，燃油温度为20℃±1℃，试验过程中加油速率要保持在37 L/min ± 1 L/min，加油量为至少85%±0.5 L的标称油箱容积。

3.3.2 Ⅶ型试验结果计算

Ⅶ型试验中碳氢化合物质量MHC的计算公式与Ⅳ型试验中热浸试验和昼夜换气试验的计算公式相同，使用公式（1）求得碳氢化合物质量MHC，计算时H/C（氢碳比）取2.33。Ⅶ型试验的最终结果计算公式为：

式中：RE为加油过程中污染物排放量，g/L；MHC为碳氢化合物质量，g；VD为输油量，L。

3.3.3 Ⅶ型试验排放限值要求

Ⅶ型试验结果采用劣化修正值加和校正后的污染物排放量结果应小于0.05 g/L。国六标准在Ⅴ型试验（污染控制装置耐久性试验）中给出的Ⅶ型试验劣化修正值为0.01 g/L，或者也可根据Ⅴ型试验要求进行劣化修正值实测。

4 蒸发污染物国五与国六排放标准对比

对于汽车蒸发污染物相关的排放实验要求，国六标准与国五标准相比有较大变化，其变化主要体现在型式试验项目、试验程序、排放限值三个方面。

4.1 型式试验项目变化

Ⅶ型试验是国六标准中新增加的型式试验项目，原国五标准中没有对加油过程污染物排放的型式试验和排放限值做出要求。而Ⅳ型试验在国六与国五标准中都有该试验项目[5]。

4.2 型式试验程序变化

对于Ⅳ型试验，国五与国六标准中试验规程的主要差异有：

（1）对于车辆预处理行驶，国五标准中采用NEDC循环的1部+2次2部组成，而国六标准中采用WLTC循环的低速+中速+2次高速组成；

（2）对于浸车，国五标准中要求汽车停泊在环境温度为20～30 ℃的浸车区12 h～36 h，而国六标准中要求汽车停泊的环境温度为38℃±2℃，即高温浸车，而停泊时间仍然为12～36 h；

（3）对于底盘测功机试验，国五标准中称作Ⅰ型试验行驶+蒸发系统预处理行驶，即NEDC循环的1部+2部，在发动机熄火后2 min内再进行一次1部。试验起始温度为20～30℃，国六标准中称作高温行驶试验，由WLTC循环的低速+中速+2次高速组成，每个速度段结束后都加2 min 怠速，共计8 min 怠速，且要求试验环境温度为38℃±2℃；

（4）对于热浸试验，国五标准中要求试验环境温度为23～31℃，而国六标准中要求的试验环境温度为33～41℃；

（5）对于昼夜换气试验，国五标准中要求试验时间为24 h，而国六标准中要求的试验时间为48 h。

由上述对比可见，国六标准中Ⅳ型试验在试验过程中的要求较国五标准更加严格（见表3）。

表3 Ⅳ型试验程序国五与国六主要差异对比Tab.3 Comparison of main differences of type Ⅳ test procedure between China 5 and China 6 emission standards

4.3 排放限值变化

对于Ⅳ型试验，国六标准按车型和被测车辆质量对排放限值分别进行要求，而国五标准对所有轻型汽车的排放限值都为2.0 g/test，见表4。

表4 Ⅳ型试验排放限值国六与国五对比Tab.4 Comparison of emission limit of type Ⅳ test between China 5 and China 6 emission standards

目前，轻型汽车中占比量最大的为第一类车，该类车国六排放限值为0.70 g/test，并对排放限值增加了劣化修正值加和校正要求，从限值上比国五标准加严了68%[6]。而国六标准的试验程序更加严格，因此就Ⅳ型试验来说，国六较国五标准加严程度在68%以上。

5 结语

综上所述，新实施的国六标准不仅增加了加油过程污染物排放试验，对原蒸发污染物排放试验的试验过程和排放限值的要求也变得更为严苛。因此，各汽车厂商及相关零部件供应商应从蒸发污染物排放产生的原因上，控制燃油蒸气的产生量，同时从排放的途径上降低污染物从碳罐排气口、加油口、燃油系统各密封点以及燃油系统中与燃油或燃油蒸气相接触的零部件本体四个途径向外界的排放量。以达到降低污染物排放、减少环境污染的目的。