輕型汽油車蒸發(fā)排放特征及溫度對蒸發(fā)排放的影響

岳婷婷, 王鳴宇, 黃志輝, 王學中, 王志強，王博文, 張樂軒, 王紹博

1.中國環(huán)境科學研究院, 國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室， 北京 100012

2.中國環(huán)境科學研究院機動車排污監(jiān)控中心, 北京 100012

3.中國環(huán)境科學研究院大氣環(huán)境研究所, 北京 100012

4.山西大學環(huán)境與資源學院, 山西 太原 030006

5.北京城市學院, 北京 101399

車輛蒸發(fā)排放是車輛內(nèi)部燃油蒸汽〔主要是VOCs(揮發(fā)性有機物)〕從車輛逃離進入外界大氣環(huán)境造成的[1-3]. 尾氣排放只有在車輛啟動后才會產(chǎn)生污染，而蒸發(fā)排放無時無刻不在發(fā)生. 汽油比柴油的揮發(fā)性高，蒸發(fā)排放主要來自以汽油為燃料的車輛. 蒸發(fā)排放按來源的不同分為五類，分別為熱浸、晝間損失、駐車損失、運行損失和加油排放[1-3].

車輛熄火后的1 h內(nèi)，發(fā)動機艙殘留的高溫作用使得進氣系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的燃油蒸汽從輸油管路及進氣閥等各部件的連接處逃逸進入外界環(huán)境，這種蒸發(fā)排放稱為熱浸. 日間外界溫度升高，引起停駛車輛的油箱內(nèi)燃油溫度升高、油箱上方油氣量增加，當油氣的產(chǎn)生速率超過炭罐的吸附速率或當油氣量超過炭罐的吸附能力時，多余的油氣就會逃逸進入外界環(huán)境，這種蒸發(fā)排放稱為晝間損失. 當外界溫度降低或比較穩(wěn)定時，停駐車輛內(nèi)部的燃油蒸汽在油路及各部件連接處等發(fā)生的遷移擴散或燃油的泄露、滲透，這種蒸發(fā)排放稱為滲透損失(或駐車損失). 運行損失是指車輛運行時，燃油系統(tǒng)的燃油再循環(huán)返回至油箱使得油箱內(nèi)油溫升高，導致油氣量增加從而產(chǎn)生的蒸發(fā)排放，以及運行的發(fā)動機產(chǎn)生的高溫使進氣系統(tǒng)內(nèi)部燃油蒸汽量增加，這些油氣從輸油管路、各部件連接處等逃逸進入外界環(huán)境產(chǎn)生的蒸發(fā)排放. 車輛加油時新注入的燃油會將車輛油箱內(nèi)原有油氣置換進入大氣環(huán)境造成蒸發(fā)排放，其被稱為加油排放[4-7].

近年來，我國以霧霾和臭氧污染為代表的區(qū)域性大氣復(fù)合污染問題凸顯. 大氣環(huán)境中的VOCs既是近地面臭氧生成的重要前體物[8-9]，又對二次有機氣溶膠的形成有重要影響[9-11]，二次有機氣溶膠和二次無機氣溶膠是造成霧霾的直接原因[12-15]. 機動車排放是城市地區(qū)VOCs的重要人為污染源[16-18]. 關(guān)于機動車尾氣排放的VOCs特征，自2000年以來已有大量研究，包括汽油車和柴油車尾氣排放VOCs組分特征譜研究[19-22]，燃料組成、車輛執(zhí)行標準及底盤測功機不同行駛工況等因素對尾氣排放VOCs的影響研究[23-26]，以及實際道路行駛時機動車尾氣排放的VOCs組分特征研究等[27-29]，以上研究成果加深了對尾氣排放VOCs特征的科學認識，對排放清單構(gòu)建、源解析結(jié)果的準確性及大氣化學反應(yīng)機理等有重要意義. 然而，關(guān)于車輛蒸發(fā)排放VOCs特征的研究較為鮮見[4,6-7,30]. 2015年LIU等[4]研究發(fā)現(xiàn)，我國車輛每年蒸發(fā)排放的VOCs是美國車輛的4倍. 隨著汽車排放標準和汽油標準的加嚴，車輛的蒸發(fā)排放水平會發(fā)生變化. 2017年1月1日起國五排放標準在全國范圍開始實施，2019年1月1日起在全國范圍內(nèi)開始實施國Ⅵ(A)車用汽油標準. 但是，近年來對于采用滿足國Ⅵ(A)標準汽油的國五汽車蒸發(fā)排放的研究較少，造成動態(tài)化機動車排放清單編制時，缺少足夠的本地化排放因子數(shù)據(jù)的支持.

溫度是影響車輛蒸發(fā)排放的重要因素. 研究[31]發(fā)現(xiàn)，95 ℉(35 ℃)環(huán)境中熱浸排放比在70 ℉(21 ℃)、82 ℉(28 ℃)環(huán)境中分別高68%、34%，晝間損失蒸發(fā)排放在75～105 ℉(24～41 ℃)環(huán)境中比在60～90 ℉(16～32 ℃)環(huán)境中增長了4.3倍. 以往關(guān)于我國車輛蒸發(fā)排放特征的試驗中，熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放分別是在25和20～35 ℃下進行的. 而在我國四川省、福建省、廣東省等南方地區(qū)，夏季高溫時段車輛的實際蒸發(fā)排放水平往往要高于在25和20～35 ℃下獲取的熱浸和晝間蒸發(fā)排放因子. 所以，目前獲取的汽車蒸發(fā)排放因子水平，相對于我國南方地區(qū)夏季高溫時的車輛實際蒸發(fā)排放量可能存在較大差距，不利于精細化排放清單的編制.

該研究通過選取國五標準的代表性輕型汽油車，采用滿足國Ⅵ(A)標準的汽油，在蒸發(fā)排放密閉艙開展試驗，獲取我國現(xiàn)階段代表性車輛的蒸發(fā)排放因子. 另外, 通過設(shè)計2種不同試驗溫度，考察溫度對熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放的影響，以期為動態(tài)化、精細化排放清單的編制及汽油標準的加嚴提供數(shù)據(jù)支持.

1 試驗方法

1.1 試驗車輛

該研究共選取滿足國五排放標準的6輛輕型汽油車(車輛編號為A～F)分別開展試驗. 車輛的行駛里程在1.9×104～4.4×104km之間，生產(chǎn)年份為2014—2017年. 試驗車輛信息如表1所示. 試驗前檢查車身、發(fā)動機、尾氣后處理裝置和蒸發(fā)排放控制裝置等外觀，排除事故、故障車輛，核實發(fā)動機等關(guān)鍵部件為車輛原裝且可正常使用，記錄車輛信息并拍照.

表1 試驗車輛信息

1.2 試驗汽油主要指標

試驗汽油的主要指標如表2所示. 由表2可見，試驗汽油各項指標均滿足GB 17930—2016《車用汽油》標準國Ⅵ(A)的要求.

表2 試驗汽油的主要指標

1.3 試驗流程

蒸發(fā)排放試驗是在一個氣密性良好的矩形密閉艙內(nèi)進行的. 整體試驗流程按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》[32]中的規(guī)定進行. 蒸發(fā)排放試驗測試流程如圖1所示. 蒸發(fā)排放試驗開始前，需要對車輛的炭罐進行預(yù)處理，以保證試驗開始時所有車輛的炭罐起始狀態(tài)一致. 預(yù)處理方法是在車輛炭罐的下游連接一個放置在稱重計上的輔助炭罐，采用50%丁烷和50%氮氣的混合氣，以40 gh的流量使炭罐吸附，當輔助炭罐的碳氫化合物(HC)排放量達2 g時停止通混合氣，此時汽車炭罐的預(yù)處理完成. 將車輛炭罐重新連接好，恢復(fù)至正常運轉(zhuǎn)狀態(tài). 炭罐的預(yù)處理結(jié)束后，按照圖1中蒸發(fā)排放試驗的測定流程，對車輛放油和加油，將車放置在底盤測功機上預(yù)處理運行，浸車區(qū)浸車，以及蒸發(fā)系統(tǒng)預(yù)處理等操作依次完成后，開展熱浸和晝間損失試驗. 為研究溫度對熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放的影響，車輛首先分別在25 ℃(熱浸)、18～33 ℃(晝間損失)的密閉艙溫度條件下開展試驗，然后按照炭罐預(yù)處理、放油和加油、蒸發(fā)系統(tǒng)預(yù)處理等流程依次操作完后，開展車輛熱浸(38 ℃)、晝間損失(23～38 ℃)蒸發(fā)排放試驗，獲取車輛在熱浸和晝間損失兩種試驗溫度下的蒸發(fā)排放結(jié)果.

圖1 蒸發(fā)排放試驗測試流程Fig.1 Evaporative emissions test procedures

1.4 樣品采集和數(shù)據(jù)處理

帶有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的氫火焰離子化型(FID)分析儀從蒸發(fā)排放密閉室的側(cè)面抽取樣氣，以每分鐘一次的頻度分析記錄密閉室內(nèi)φ(VOCs). 密閉室內(nèi)有2個溫度傳感器、1個壓力傳感器，同時測量室內(nèi)2個位置的溫度，以每分鐘一次的頻度記錄測量數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)同樣以每分鐘一次的頻度記錄蒸發(fā)排放試驗區(qū)內(nèi)的大氣壓力和密閉室內(nèi)部壓力的壓力差，維持壓力差在±500 Pa以內(nèi).

熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放過程中每一時刻的VOCs排放量，可由這一時刻的φ(VOCs)、密閉室溫度、壓力以及密閉室的凈容積計算得出，計算公式：

(1)

式中：MVOCs為VOCs質(zhì)量，g；k為1.2×(12+HC)，HC為氫碳比，對于晝間損失試驗HC取2.33，對于熱浸試驗HC取2.20；V為蒸發(fā)排放密閉室凈容積，m3；CVOCs為密閉室內(nèi)φ(VOCs)，10-6(以碳數(shù)計)；T為密閉室內(nèi)溫度，K；P為大氣壓力，kPa.

2 結(jié)果與討論

2.1 熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放特征

2.1.1熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子

車輛25 ℃熱浸和18～33 ℃晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子如圖2所示. 由圖2可見，6輛車熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子在0.01～0.10 gh之間，晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子在0.09～1.49 gd之間，晝間損失蒸發(fā)排放的VOCs遠遠超過熱浸. 按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(中國第五階段)[32]中規(guī)定，車輛熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放的VOCs之和不能超過2 gtest. 該研究中車輛A～F的熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放的VOCs之和在0.11～1.59 gtest之間，均滿足國家標準要求.

《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》(中國第Ⅲ、Ⅳ階段)[33]中對國四車輛蒸發(fā)排放的限值要求與第五階段排放標準[32]中對國五車輛的要求一致，該研究中國五車輛的熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放平均值低于LIU等[17,34]研究結(jié)果，可能與不同品牌車輛自身的設(shè)計及不同研究所采用的汽油指標差異有關(guān). 總體來說，相比于Darlington等研究中20世紀80年代生產(chǎn)的輕型汽油車研究結(jié)果[31,35]，LIU等[17,34,36-37]研究中2010年以后生產(chǎn)車輛的熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放因子明顯降低，這有可能與車輛蒸發(fā)排放控制技術(shù)的進步、汽油品質(zhì)的提升有直接關(guān)系. 表3為該研究與其他研究中車輛熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子的對比. 由表3可見，其他研究中熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子均低于晝間損失，與該研究結(jié)果一致，說明相對于熱浸，晝間損失決定了車輛的蒸發(fā)排放水平.

注: 熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子單位為gh, 晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子單位為gd.

表3 該研究與其他研究中熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子對比

注：1) 熱浸+晝間損失為熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子與晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子之和. 2) Tier 2為美國Tier 2標準.

2.1.2熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化特征

2.1.2.1熱浸蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化特征

圖3為密閉艙內(nèi)溫度設(shè)定為25 ℃時，在60 min的熱浸蒸發(fā)排放過程中車輛A～F密閉艙內(nèi)VOCs變化特征. 由圖3可見，在熱浸開始的幾分鐘，密閉艙內(nèi)的溫度出現(xiàn)小幅上升，隨后溫度逐漸回落至設(shè)定值25 ℃并保持穩(wěn)定. 剛熄火的車輛被推入密閉艙后，發(fā)動機的殘余熱量可能是造成密閉艙內(nèi)溫度出現(xiàn)小幅上升的直接原因. 車輛A～F熱浸蒸發(fā)排放密閉艙內(nèi)VOCs均呈近似線性增加的趨勢(見圖3)，說明車輛A～F在整個熱浸蒸發(fā)排放過程中均以相對穩(wěn)定的速率蒸發(fā)排放VOCs. Haskew等[1]研究發(fā)現(xiàn)，熱浸開始的前10 min，密閉艙內(nèi)VOCs以相對較快的速率增加，隨后增長速率減慢，密閉艙內(nèi)VOCs以相對穩(wěn)定的速率近似線性增長，與該研究結(jié)果不太一致. Haskew等[1]研究發(fā)現(xiàn)，熱浸開始時，剛熄火車輛發(fā)動機艙的殘余高溫造成最開始的10 min蒸發(fā)排放速率較快，隨著發(fā)動機艙漸漸冷卻到室溫，熱浸蒸發(fā)排放速率減慢并達到相對穩(wěn)定. 該研究中，6輛車熱浸蒸發(fā)排放過程均以相對穩(wěn)定的速率排放VOCs，均沒有呈先迅速后緩慢的增長特征，這可能與蒸發(fā)排放控制技術(shù)的進步有關(guān). 如進氣系統(tǒng)中各連接處密閉性的改善或采用了低滲透性的連接材料等，其大大降低了發(fā)動機艙殘余高溫產(chǎn)生的熱量對進氣系統(tǒng)燃油油氣的蒸發(fā)作用，降低了最初10 min的熱浸蒸發(fā)排放，但仍需經(jīng)過進一步研究證實.

圖3 車輛熱浸密閉艙內(nèi)VOCs變化特征Fig.3 The variation characteristics of VOCs from hot soak for vehicles in sealed housing for evaporative detection

2.1.2.2晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化特征

圖4為車輛A～F晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs的變化特征. 由圖4可見：當溫度開始上升約1 h后，密閉艙內(nèi)VOCs隨溫度升高而迅速增加；當溫度開始下降約1 h后，密閉艙內(nèi)VOCs的增長速率明顯減緩；隨著溫度的逐漸降低，密閉艙內(nèi)VOCs以相對穩(wěn)定的速率緩慢平穩(wěn)增加. 溫度下降時，密閉艙內(nèi)VOCs的增加速率明顯低于溫度升高時. 該研究晝間損失過程中密閉艙內(nèi)VOCs呈先快后慢的增長特征，這與Haskew等[1]的研究結(jié)果一致. 溫度升高，油箱中汽油溫度逐漸上升，油箱內(nèi)部上方，油箱內(nèi)部上方壓力變大，油氣量增加，導致蒸發(fā)排放；當溫度下降，油箱及管路中汽油的溫度隨之下降，汽油的油氣蒸發(fā)速率逐漸降低，油箱上方和油管內(nèi)的油氣擴散逃逸速率也降低，這時密閉艙內(nèi)增加的VOCs主要來自油管、油箱或部件連接處的油氣滲透.

圖4 車輛晝間損失蒸發(fā)排放過程中VOCs變化特征Fig.4 The variation characteristics of VOCs from diurnal loss in sealed housing for evaporative determination

由圖3、4可見，車輛A和F熱浸、晝間損失蒸發(fā)排放VOCs的增長速率均明顯高于其余4輛車. 這兩輛車為同款車型(大眾朗逸)，雖然車輛炭罐的工作能力(60 g)高于另外4輛車(見表1)，但熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放均明顯較高，這可能與此款車型車輛自身設(shè)計有關(guān).

2.2 溫度對車輛蒸發(fā)排放的影響

2.2.1溫度對熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子的影響

圖5 25和38 ℃下車輛熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子Fig.5 VOCs evaporative emission factors from hot soak at 25 ℃ and 38 ℃

圖6 18～33和23～38 ℃下車輛晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子Fig.6 VOCs evaporative emission factors from diurnal loss at 18-33 ℃ and 23-38 ℃

圖5為25和38 ℃下車輛熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子. 圖6為18～33和23～38 ℃下車輛晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子. 由圖5、6可見：溫度升高后，所有車輛的熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放VOCs均增加. 相比于25 ℃，38 ℃時6輛車熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子分別增加214.6%、241.1%、533.9%、259.2%、36.0%和163.1%； 試驗溫度從18～33 ℃升至23～38 ℃時，6輛車晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子分別增加26.7%、106.2%、64.1%、29.6%、16.7%和42.3%. 溫度升高后，熱浸蒸發(fā)排放增加比例最高的車輛，其晝間損失蒸發(fā)排放增加比例未必最高，這與熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放的機理不同相關(guān)[1-2,4-7].

表4為該研究與其他研究不同溫度下熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子對比. 由表4可見：溫度升高后，車輛熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子均增加. 該研究中熱浸溫度從25 ℃升至38 ℃時，VOCs蒸發(fā)排放因子平均值從0.04 gh增至0.13 gh，增長2.4倍，高于Darlington等[31]研究中溫度從70 ℉(21 ℃)升至95 ℉(35 ℃)時熱浸排放增長倍數(shù)(0.68)； 晝間損失溫度從18～33 ℃升至23～38 ℃時，VOCs蒸發(fā)排放因子平均值從0.55 gd升至0.77 gd，增長0.5倍，低于Darlington等[31]研究中溫度從60～90 ℉(16～32 ℃)升至75～105 ℉(24～41 ℃)晝間損失排放增長倍數(shù)(4.3). 另外，該研究中較高溫度下熱浸(38 ℃)和晝間損失(23～38 ℃)VOCs蒸發(fā)排放因子均低于Darlington等[31]研究中較低溫度下熱浸(70 ℉)和晝間損失(60～90 ℉)的蒸發(fā)排放因子水平，這與車輛蒸發(fā)排放控制技術(shù)的進步密切相關(guān).

表4 該研究與其他研究不同溫度下熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子對比

注: 1) 熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子單位為gh, 晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子單位為gd.

2.2.2溫度對熱浸和晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化特征的影響

圖7為車輛A～F在25和38 ℃下熱浸蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化情況. 由圖7可見，在25和38 ℃下，6輛車熱浸蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs均隨時間呈近似線性增長特征. 相比于25 ℃，38 ℃時6輛車熱浸蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)單位時間增加的VOCs均增多，說明溫度升高使車輛熱浸蒸發(fā)排放速率加快. 因此，溫度從25 ℃升至38 ℃后，6輛車熱浸蒸發(fā)排放量均明顯增加(見圖5).

圖8為6輛車在18～33和23～38 ℃下晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs變化情況. 由圖8可見，在18～33和23～38 ℃范圍下，6輛車晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs均呈先快后慢的增長特征. 相比于18～33 ℃，在23～38 ℃晝間損失的升溫階段，密閉艙內(nèi)VOCs單位時間的增加量均增多，說明在較高溫度范圍(23～38 ℃)的升溫階段，可能相對較多的油氣從油箱逃逸造成了晝間損失蒸發(fā)排放量增加. 而在試驗溫度下降過程中，兩種溫度范圍下密閉艙內(nèi)VOCs增長速率無明顯差別. 由圖7、8可見，在38 ℃熱浸和23～38 ℃晝間損失蒸發(fā)排放過程中，除了蒸發(fā)排放量相對于25 ℃熱浸和18～33 ℃晝間均分別增加外，溫度升高后也會導致蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs的絕對量升高.

圖7 25和38 ℃熱浸蒸發(fā)排放過程中車輛A～F密閉艙內(nèi)VOCs變化特征Fig.7 The variation characteristics of VOCs from hot soak for vehicles A-F in sealed housing for evaporative determination at 25 and 38 ℃

圖8 18～33和23～38 ℃晝間損失蒸發(fā)排放過程中車輛A～F密閉艙內(nèi)VOCs變化特征Fig.8 The variation characteristics of VOCs from diurnal loss for vehicles A-F in sealed housing for evaporative determination at 18-33 and 23-38 ℃

3 結(jié)論

a) 該研究中，滿足國五排放標準的輕型汽油車熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子在0.01～0.10 gh之間，晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子在0.09～1.49 gd之間，低于已有研究中國四或國三車輛的蒸發(fā)排放水平. 晝間損失蒸發(fā)排放的VOCs遠超過熱浸，是決定車輛蒸發(fā)排放水平的主要部分.

b) 熱浸蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs呈近似線性增長. 晝間損失蒸發(fā)排放過程中密閉艙內(nèi)VOCs呈先快后慢的增長特征；溫度開始上升約1 h后，密閉艙內(nèi)VOCs隨溫度升高快速增加；溫度開始下降約1 h后，密閉艙內(nèi)VOCs增長速率明顯減緩.

c) 試驗溫度升高，所有車輛熱浸和晝間損失VOCs蒸發(fā)排放均增加.試驗溫度由25 ℃升至38 ℃后，熱浸VOCs蒸發(fā)排放因子增加36.0%～533.9%；試驗溫度從18～33 ℃升至23～38 ℃后，晝間損失VOCs蒸發(fā)排放因子增加16.7%～106.2%.

d) 熱浸試驗溫度由25 ℃升至38 ℃，密閉艙內(nèi)單位時間增加的VOCs增多，溫度升高使車輛熱浸蒸發(fā)排放速率加快. 晝間損失試驗溫度由18～33 ℃升至23～38 ℃，升溫階段密閉艙內(nèi)單位時間VOCs增加量增多，蒸發(fā)排放速率加快；而兩種溫度下的晝間損失降溫階段蒸發(fā)排放速率差別不大.