中國市售非手持式通用小型汽油機(jī)蒸發(fā)排放研究

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

非道路通用小型汽油機(jī)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(dòng)機(jī)。由于其操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)林植保機(jī)械、園林機(jī)械、發(fā)電機(jī)組、建筑機(jī)械、搶險(xiǎn)救援工具等諸多領(lǐng)域。中國是非道路通用小型汽油機(jī)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(shí)，隨著中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化、林業(yè)機(jī)械化、城市綠化的推進(jìn)及一批國家重點(diǎn)工程項(xiàng)目的實(shí)施、因人口老齡化問題日益嚴(yán)重而產(chǎn)生的應(yīng)急備用意識(shí)的提高，中國國內(nèi)的通用小型汽油機(jī)及相關(guān)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(jī)蒸發(fā)排放產(chǎn)生的主要原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)對(duì)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或靜置，只要燃油系統(tǒng)存有汽油，便會(huì)產(chǎn)生蒸發(fā)排放。蒸發(fā)排放的主要污染物是碳?xì)浠衔锱c活性有機(jī)氣體。其中，碳?xì)浠衔飿?gòu)成人類健康風(fēng)險(xiǎn)，活性有機(jī)氣體會(huì)導(dǎo)致大氣中臭氧的形成。根據(jù)美國加州空氣資源委員會(huì)（California Air Resources Board，CARB）的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，美國加州地區(qū)累計(jì)保有1 600 萬臺(tái)非道路通用小型汽油機(jī)設(shè)備，包括割草機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、草坪拖拉機(jī)、發(fā)電機(jī)等。2016年，美國加州境內(nèi)的所有非道路通用小型汽油機(jī)設(shè)備每天產(chǎn)生約45 t 活性有機(jī)氣體，這個(gè)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(jī)氣體排放量[2]。

2 已在實(shí)施中的蒸發(fā)排放法規(guī)要求

針對(duì)非道路通用小型汽油機(jī)蒸發(fā)排放，美國環(huán)境保護(hù)署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）與CARB 分別制定了排放法規(guī)并已實(shí)施。其中，CARB 率先于2004 年7 月頒布了全球首個(gè)非道路通用小型汽油機(jī)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(shè)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(jī)蒸發(fā)排放法規(guī)內(nèi)容。

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

3 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)與測(cè)試程序

國產(chǎn)通用小型汽油機(jī)具有價(jià)格便宜、經(jīng)濟(jì)耐用等特點(diǎn)，使其在當(dāng)前國內(nèi)在用通用小型汽油機(jī)市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。中國通用小型汽油機(jī)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(dòng)機(jī)為主；重慶以排量為80 mL 以上的非手持式發(fā)動(dòng)機(jī)為主[1]。為了讓測(cè)試具有更高的代表性，選擇了重慶某品牌產(chǎn)品作為測(cè)試樣機(jī)。該品牌產(chǎn)品在國內(nèi)市場(chǎng)上銷量居前，已投入國內(nèi)市場(chǎng)超過10 年，曾獲得重慶市著名商標(biāo)，國內(nèi)銷售服務(wù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國31 個(gè)省、市、自治區(qū)。在產(chǎn)品設(shè)備類型選擇方面，考慮到通用小型汽油機(jī)的終端產(chǎn)品在我國國內(nèi)的用途統(tǒng)計(jì)中，發(fā)電機(jī)、水泵、插秧機(jī)、油鋸、微耕機(jī)、割灌機(jī)等具有較高的比率。根據(jù)中國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)小型汽油機(jī)分會(huì)公布的信息，截至2019 年1 月，在中國點(diǎn)燃式移動(dòng)機(jī)械的各種用途占比中，發(fā)電機(jī)/發(fā)電機(jī)組占32.36%，排名第1 位，水泵占10.88%，排名第2 位[5]。在發(fā)動(dòng)機(jī)選擇方面，168F-2 與188F 屬于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)典型產(chǎn)品，無論在國內(nèi)市場(chǎng)還是出口市場(chǎng)，都有較高的市場(chǎng)占有率。因此，在市場(chǎng)上選購了168F-2水泵用發(fā)動(dòng)機(jī)與188F 發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)作為測(cè)試樣機(jī)。測(cè)試樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在測(cè)試設(shè)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(shí)驗(yàn)室。在測(cè)試程序方面，參照CARB 法規(guī)TP-902 測(cè)試程序，分別對(duì)2 臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行晝間排放測(cè)試。由于時(shí)間原因，將140 d 預(yù)處理步驟跳過。測(cè)試程序見表3。

表3 蒸發(fā)排放測(cè)試程序

在24 小時(shí)晝間排放測(cè)試中，蒸發(fā)密閉實(shí)驗(yàn)室艙內(nèi)每1 h 的溫度設(shè)定參照CARB 法規(guī)TP-902，見表4。

表4 24 h 晝間排放溫度設(shè)定[6]

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)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(cè)試結(jié)果與CARB 排放限值對(duì)比，可以看出，2 臺(tái)樣機(jī)的晝間蒸發(fā)排放均遠(yuǎn)超出CARB 排放限值?？紤]到測(cè)試沒有對(duì)樣機(jī)進(jìn)行140 d 預(yù)處理，可以推斷，2 臺(tái)樣機(jī)的實(shí)際蒸發(fā)排放水平比測(cè)試結(jié)果還要略高一些。因?yàn)椋A(yù)處理的目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)更徹底地被燃油浸透。按照設(shè)計(jì)認(rèn)證的思路，對(duì)樣機(jī)的蒸發(fā)零部件逐一進(jìn)行分析，找出排放超標(biāo)的原因。

1）油管方面。2 臺(tái)樣機(jī)與當(dāng)前我國市場(chǎng)大多數(shù)產(chǎn)品一樣，配備的是普通橡膠油管。而美國市場(chǎng)上的通用汽油機(jī)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(cè)試時(shí)排放超標(biāo)的一個(gè)重要原因。

2）油箱方面。2 臺(tái)樣機(jī)均采用金屬油箱，這也是大多數(shù)非手持通用小型汽油機(jī)常用的油箱。金屬材料的燃油滲透率遠(yuǎn)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(rèn)證豁免。因此，油箱對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響相對(duì)有限。

3）運(yùn)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(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，通過進(jìn)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(duì)于非手持式通用小型汽油機(jī)，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(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。2 臺(tái)樣機(jī)與當(dāng)前國內(nèi)絕大多數(shù)市售產(chǎn)品一樣，既沒有設(shè)計(jì)將油箱燃油蒸氣引入進(jìn)氣系統(tǒng)的管路，也沒有安裝碳罐，這是測(cè)試時(shí)排放超標(biāo)的另一重要原因。

5 結(jié)論

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