非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放法規(guī)研究

（天津大學(xué)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(fù)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(yīng)用于農(nóng)林植保機械及園林機械、發(fā)電機組、建筑機械及搶險救援工具等諸多領(lǐng)域。中國是非道路通用小型汽油機產(chǎn)品出口大國，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，2017 年我國非道路通用小型汽油機及配套終端產(chǎn)品產(chǎn)量約2500 萬臺，約占全球產(chǎn)量的41.7%，是全球第一大生產(chǎn)國，產(chǎn)品銷售額約為250 億元人民幣，產(chǎn)品80%以上出口海外[1]。

1 蒸發(fā)排放的產(chǎn)生與危害

非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放是指從燃油系統(tǒng)中排放到大氣中的碳氫化合物與活性有機氣體。蒸發(fā)排放產(chǎn)生的原因主要是由于發(fā)動機燃料零部件如油管、油箱對于揮發(fā)性燃料通常具有較高的滲透性。具體來講，蒸發(fā)排放的產(chǎn)生主要來自以下5 個類別：

1）晝間損失。由每天的環(huán)境溫度變化導(dǎo)致。隨著一天當(dāng)中溫度變暖，油箱中的液體燃料溫度隨之上升，這會導(dǎo)致油箱內(nèi)的蒸汽壓力增大，迫使燃油蒸汽逸出到大氣中。

2）滲透。燃料分子浸透油管、油箱等零部件，向空氣中產(chǎn)生相對恒定速率的排放。

3）運轉(zhuǎn)損失。類似于晝間損失，所不同的是運轉(zhuǎn)損失是由于設(shè)備運轉(zhuǎn)中發(fā)動機產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致燃油溫度上升所產(chǎn)生出的蒸發(fā)排放。

4）熱浸。當(dāng)設(shè)備停止運轉(zhuǎn)后，發(fā)動機余熱在一段時間內(nèi)仍會迫使燃料汽化產(chǎn)生的蒸發(fā)。

5）燃料加注。當(dāng)為油箱添加液體燃料時，油箱內(nèi)的部分燃油蒸汽被排出所產(chǎn)生。

不同于尾氣排放，蒸發(fā)排放無論是在發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中還是在發(fā)動機靜置狀態(tài)下均會產(chǎn)生活性有機氣體和有毒空氣污染物?；钚杂袡C氣體會導(dǎo)致大氣中臭氧的形成，有毒空氣污染物構(gòu)成人類健康風(fēng)險。根據(jù)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(shè)備，其中包括割草機、吹風(fēng)機、草坪拖拉機及發(fā)電機等。2016 年加州境內(nèi)的所有非道路通用小型汽油機設(shè)備每天預(yù)計產(chǎn)生約45 000 kg 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 當(dāng)前實施的蒸發(fā)排放法規(guī)介紹

目前EPA 與CARB 已對非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放制定了法規(guī)并且已在實施中。其中，CARB 在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)，并在2017 年11 月批準(zhǔn)了修訂版法規(guī)。EPA 在2008 年9 月4 日簽署了非道路和固定式設(shè)備蒸發(fā)排放法規(guī)，該法規(guī)中涵蓋了非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。截止當(dāng)前，全球其他國家與地區(qū)尚未頒布相應(yīng)法規(guī)。

2.1 EPA 蒸發(fā)排放法規(guī)

表1 為非道路通用小型汽油機EPA 蒸發(fā)排放法規(guī)實施時間與排放要求。

表1 非道路通用小型汽油機EPA 蒸發(fā)排放法規(guī)實施時間與排放要求

關(guān)于油箱滲透排放要求，EPA 法規(guī)對于金屬油箱是豁免的。前提需要滿足以下任意條件：

1）配備金屬油箱蓋與金屬密封墊。

2）配備由低滲透材料制作的油箱蓋與密封墊。

3）安裝到油箱上的油箱蓋的表面積不超過油箱總內(nèi)表面積的3%；密封墊暴露面積不超過油箱總內(nèi)表面積的0.25%。

2.2 CARB 蒸發(fā)排放法規(guī)

表2 為非道路通用小型汽油機CARB 蒸發(fā)排放法規(guī)實施時間與排放要求。

表2 非道路通用小型汽油機CARB 蒸發(fā)排放法規(guī)實施時間與排放要求

CARB 對于非手持式通用小型汽油機的認證方式給予性能認證與設(shè)計認證兩種方式。選擇性能認證方式需要產(chǎn)品滿足表2 中的晝間排放要求；選擇設(shè)計認證方式需要油管、油箱、碳罐滿足表2 中的對應(yīng)排放要求。需要注意的是目前對于發(fā)動機排量在80 mL 至225 mL 之間的手推式割草機，必須使用性能認證方式。

3 CARB 蒸發(fā)排放法規(guī)修訂后的主要變化內(nèi)容

CARB 從2016 年9 月開始對原法規(guī)進行修訂，2017 年11 月13 日獲得美國加利福尼亞州行政法案辦公室批準(zhǔn)，修訂后的法規(guī)從2018 年1 月1 日正式生效，并對2020 開始的型式年產(chǎn)品執(zhí)行本法規(guī)要求。

3.1 新增保證金要求

修訂后的法規(guī)要求申請2020 型式年及以后型式年非道路通用小型汽油機CARB 認證需要滿足保證金要求。保證金以每臺發(fā)動機單價500 美元計算，保證金最低起付金額是50 萬美元。對于產(chǎn)量小于1 000 臺并且在過去5 年連續(xù)持證期間沒有出現(xiàn)違反法規(guī)要求或者抽查測試不達標(biāo)的制造商，最低保證金額度可以降至2.5 萬美元；保證金上限封頂金額1 000 萬美元。對于在過去10 年連續(xù)持證期間沒有出現(xiàn)違反法規(guī)要求或者抽查測試不達標(biāo)的制造商，保證金上限封頂金額可減至300 萬美元。制造商繳納保證金后，如果產(chǎn)品在加州的實際銷量超出現(xiàn)有保證金額度，制造商需要在90 天內(nèi)補繳超出的保證金。

3.2 限定零部件證書有效期

修訂后的法規(guī)將油管、油箱與碳罐的證書有效期，由原先的無明確年限改為4 年有效期。

3.3 新增產(chǎn)量報告要求

修訂后的法規(guī)新增了年度產(chǎn)量報告與最終產(chǎn)量報告要求。其中，要求制造商在年度結(jié)束的90 天內(nèi)向CARB 提交年度產(chǎn)量報告，要求制造商在年度結(jié)束的270 天內(nèi)向CARB 提交最終產(chǎn)量報告。如果制造商未在指定時間內(nèi)提交年度產(chǎn)量報告或最終產(chǎn)量報告，則將被視為違規(guī)。如果提交CARB 的年度產(chǎn)量報告中存在錯誤信息，制造商可以在最終產(chǎn)量報告中進行更正。產(chǎn)量報告中需要列出產(chǎn)品型式年、發(fā)動機排量類別、發(fā)動機系族名稱、蒸發(fā)系族名稱、終端設(shè)備類型、油箱標(biāo)稱容積、加州產(chǎn)量及美國產(chǎn)量等詳細信息。

3.4 豁免條款的變化

修訂后的法規(guī)要求自2020 型式年開始，用于發(fā)動機排量小于等于80 mL 設(shè)備上的低滲透油箱不再享有豁免。包括金屬油箱、多層共擠油箱及整體式尼龍油箱。

3.5 新增零部件安裝要求

1）自2020 型式年開始，蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)中的碳罐必須以防止碳暴露于水或液體燃料的方式安裝[3]。

2）自2020 型式年開始，所有燃油管路必須牢固連接，以防止在蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的使用壽命期間發(fā)生燃油泄漏。燃料管路裝配測試應(yīng)按照ANSI/OPEI B71.10-2013 第5.4 節(jié)中的燃料管路裝配拉伸試驗進行[3]。

3.6 測試燃油的變化

對于測試汽油，修訂后的法規(guī)將原先不含乙醇的加州二階段燃油更換為含有10%乙醇的LEV III燃油，該燃油亦被稱為加州三階段燃油。

3.7 抽查測試要求

修訂后的法規(guī)明確了CARB 抽查測試的樣品最低數(shù)量。油管、油箱及碳罐的抽查測試樣本數(shù)量至少5 個，發(fā)動機或整機的抽查測試樣本數(shù)量至少1 個。如果抽查測試的發(fā)動機或整機出現(xiàn)可見的汽油滲漏，并且沒有合理的理由證明汽油滲漏是由于運輸過程中損壞導(dǎo)致，則被認定為抽查測試失敗。

3.8 關(guān)于證書暫?；虻蹁N的制造商

對于證書被暫?；蛘叩蹁N的制造商，必須提交所有發(fā)動機排量在80 mL 以上的整機蒸發(fā)系族晝間排放測試數(shù)據(jù)，具體情況如下[3]：

1）第1 次被發(fā)現(xiàn)不合規(guī)，提交1 個型式年的全部發(fā)動機排量在80 mL 以上的整機蒸發(fā)系族晝間排放測試數(shù)據(jù)。

2）第2 次被發(fā)現(xiàn)不合規(guī)，提交5 個型式年的全部發(fā)動機排量在80 mL 以上的整機蒸發(fā)系族晝間排放測試數(shù)據(jù)。

3）第3 次被發(fā)現(xiàn)不合規(guī)，提交10 個型式年的全部發(fā)動機排量在80 mL 以上的整機蒸發(fā)系族晝間排放測試數(shù)據(jù)。

4 EPA 法規(guī)與CARB 法規(guī)的差異與分析

4.1 蒸發(fā)排放控制方式

對于非手持式發(fā)動機，EPA 法規(guī)要求制造商配備經(jīng)過EPA 認證的油管、油箱和符合要求的運轉(zhuǎn)損失控制方式進行蒸發(fā)排放認證，從而實現(xiàn)油管滲透、油箱滲透和運轉(zhuǎn)損失的蒸發(fā)排放控制。因此EPA 屬于零部件蒸發(fā)排放控制方式；CARB 法規(guī)既允許制造商選用類似EPA 這種配備認證零部件的設(shè)計認證方式，也允許制造商通過整機晝間排放測試數(shù)據(jù)進行認證申請的性能認證方式。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要求。因此CARB 對于非手持發(fā)動機實際是整機蒸發(fā)排放控制方式。其次，對于非手持發(fā)動機的運轉(zhuǎn)損失排放控制，CARB 相比EPA 多出了碳罐的要求。

4.2 油箱滲透排放限值要求

對于非道路通用小型汽油機的油箱滲透排放要求，在相同的測試溫度下CARB 法規(guī)限值比EPA 法規(guī)限值更低。詳見表3 所示。

表3 非道路通用小型汽油機油箱滲透排放限值[3-4]

另外，本文2.1 章節(jié)已介紹EPA 對于滿足特定條件的金屬油箱給予豁免，而CARB 則無此豁免條款。

4.3 保證金要求

修訂后的CARB 法規(guī)新增了保證金要求。相比已經(jīng)實施多年的EPA 保證金要求，CARB 對于1 臺非道路通用小型汽油機的保證金額度要求遠高于EPA 法規(guī)要求。詳見表4 所示。

表4 非道路通用小型汽油機保證金要求[3-4]

5 結(jié)論

通過CARB 非道路通用小型汽油機蒸發(fā)排放法規(guī)修訂內(nèi)容來看，無論是新增的保證金要求、產(chǎn)量報告要求及零部件證書有效期要求，還是取消原先的油箱豁免條款等內(nèi)容，均體現(xiàn)出CARB 法規(guī)提高美國加州市場準(zhǔn)入門檻與加嚴(yán)加州地區(qū)排放監(jiān)管的趨勢。對比EPA 法規(guī)與CARB 法規(guī)的差異分析得到的結(jié)論是：首先，在排放控制方式上CARB 比EPA 更嚴(yán)格，更體現(xiàn)排放控制的最終目的；其次，在排放控制要求上CARB 比EPA 對于油箱滲透與運轉(zhuǎn)損失有著更高的控制要求；最后，在排放監(jiān)管上，CARB相比EPA 設(shè)定了更高的市場準(zhǔn)入門檻，更嚴(yán)格的監(jiān)管措施與更高昂的排放違規(guī)成本。