摩托车燃油蒸发排放污染及其控制技术研究

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1、摩托车燃油蒸发排放污染及其控制技术研究 摘要： 制定并实施严格的车辆排放标准， 是促进污染控制技术发展的动力， 控制车辆排放污 染的根本途径是成熟的污染控制技术。 因此， 在制定国家标准时， 应充分考虑标准制定的适 时性， 结合国家有关环境保护的长远规划、行业技术水平、技术实施可行性、经济合理性等 诸多因素，避免技术壁垒。我国摩托车工业近年来持续发展， 随着政府管理力度的不断加强和完善， 摩托车行业已逐步 迈向规范、有序的发展阶段，法规逐步健全。摩托车燃油蒸发排放污染相对于整个车辆的 HC 排放来说，虽然只占一小部分，但仍然不可小觑，制定并执行摩托车燃油蒸发排放标准 的工作已经展开，争取从源头

2、上控制污染源。1. 蒸发污染生成机理分析 摩托车燃油蒸发排放量的大小主要依赖于摩托车发动机的设计和应用， 一般有 5 种情形易导 致摩托车燃油蒸发排放：1）日间：燃油箱受热使汽油蒸汽排放量增大；2）运行损失：发动机和排气系统的高温引发汽油蒸发；3）热浸：发动机停机后仍要保持一定时间的高温，造成燃油蒸发，这对化油器摩托车来说更 加明显；4）燃料补给： 由于燃油箱中总是存在汽油蒸汽， 因此在添加燃油时这些蒸汽会从油箱中逸散 到大气；5）渗透：汽油分子可渗透塑料油箱和橡胶油管，导致相对恒定的排放率。 在上述因素中，影响排放率的主要因素是：1）燃料供给 （电喷或化油器 ）；2）燃油管路和油箱的加工材料

3、；3）燃油箱与排气系统或其它热源的接近程度；4）燃油系统是否密封，燃油蒸汽压力是否排泄；5）油箱容积；6）车辆存放场所。 另外，燃料添加量和燃油蒸汽压力也是重要影响因素，但这 2 个因素不是车辆的设计参数。1.1 日间和运行损失排放 燃油温度增加时，燃油蒸汽平衡压力增加，一些燃油空气混合气从油箱排出，即日间排放； 燃油温度下降时，燃油蒸汽压力减小，混合气收缩，新鲜空气从通风口吸入，当燃油再次被 加热时， 再产生下一个日间排放循环。 尽管可以采取尽快使燃油箱保持根本平衡状态的措施 来减缓燃油蒸发，但此过程并非是一个可限制速率的过程。发动机开始运行时， 油箱中的液体燃油体积逐渐减小， 空气进入油箱

4、补充燃油减小的容积量， 随着发动机运转，这种现象持续发生。关闭发动机后，如果夜间将车辆存放，燃油蒸汽压力 会随燃油温度的降低而降低，会在油箱内产生一个较小负压，导致空气吸入直至压力平衡。 随着次日燃油温度增加， 燃油蒸汽压力随之增大， 油箱内部产生一正压， 使燃油蒸汽和空气 混合气从油箱中散出。 日间蒸发排放变化量是燃油蒸汽压、 油箱容积、 燃油充量及日间温度 变化等的函数。1.2 热浸排放热浸排放主要发生在发动机停机后 （尤其是发动机温度上升后 ），存留在化油器浮子室、发动 机其它部件上的塑料或橡胶燃油管等中的剩余燃油引发的排放现象。1.3 燃料补给排放 燃料补给排放主要发生在油箱添加燃油时

5、，油箱内的燃油蒸汽被挤压出来，逸散到大气中。在给定温度情况下， 燃料补给排放量与添加到油箱中的燃油体积成正比， 当油箱接近全空时， 燃料补给排放量最大。 燃料补给排放受添加燃油和剩余液体温度的影响， 蒸汽压缩或膨胀主 要来源于 2 种相关液体温差及燃油蒸汽压差。1.4 渗透对于聚合材料制成的非金属油箱和油管， 该材料具有像汽油一样的化学成分， 长期和汽油液 体或蒸汽接触时，会不断吸收燃油，然后排放到空气中。如不考虑在用车辆或装置的数量及存放地点， 虽燃油渗透量相对来说较低， 但是排放却始终 以相对固定的速率产生。 如果将所有与渗透有关的排放叠加， 占全部排放的比例也相当惊人。2. 部分国家和地

6、区燃油蒸发排放法规及测量方法2.1 欧洲燃油蒸发排放法规动向欧洲在执行欧川法规前， 没有摩托车燃油蒸发排放限值要求，但在欧W标准草案中已提出了该限制要求，主要内容包括：1）预计 2009 年 1 月 1 日起实施；2）蒸发排放限值为 2g/test；3）试验方法拟采用与台湾省、泰国相同的试验方法（SHED 法或 Trap 法）；4）燃油蒸发排放总量计算公式为：M=MDBL MHS式中：M 燃油蒸发排放的HC总量，gMDBL 昼间换气排放的 HC 总量， gMHS 热浸损失排放的 HC总量，g2.2 美国加州标准美国加州 1975年 4月 16日首次颁布了适用于 1983 年及以后生产的新型摩托

7、车燃油蒸发排 放标准。限值如表 1 所示。2.3 美国联邦标准2003 年 12 月 23 日， EPA 颁布了新的排放法规， 规定从 2008 年起控制摩托车燃油蒸发排放， 主要控制油箱 （非金属 ）和燃油配管等部件的渗透蒸发量，标准限值及油箱试验方法如表2、表 3 所示，燃油配管试验方法按照 SAE J30 进行。2.4 泰国摩托车燃油蒸发排放标准限值泰国摩托车排放标准也是采用欧洲体系。 从 1999 年起， 泰国加严了摩托车污染物排放控制， 燃油蒸发排放标准如表 4 所示。2.5 台湾省燃油蒸发标准限值台湾省作为全世界摩托车人均密度最高的地区， 已建立了世界上最严格的车辆排放法规。 从

8、1991 年起，就开始采用 SHED 法或炭罐收集法 （Trap） 测量 HC 蒸发排放量，限值为 2g/test。2.6 燃油蒸发排放试验方法蒸发排放试验主要包括更换燃料、预调节、冷浸、更换燃料、昼间换气损失、运行损失（冷起动排气试验 ）、热起动排气试验和热浸损失试验等步骤，试验方法对比如表5 所示。3. 燃油蒸发排放控制技术3.1 油箱设计及材料、工艺的选择油箱盖设有直接与大气连接的通气孔， 油箱内的蒸汽压力增加时， 燃油蒸汽直接从通气口排 向大气。因此应改变油箱盖的设计，控制燃油蒸汽直接排向大气。目前，国内普遍使用金属油箱，随着金属材料价格上涨和非金属吹模成型技术的日渐成熟， 价格低廉的

9、聚合材料代替金属材料已成为一种发展趋势，但非金属材料油箱有燃油渗透现 象，这也是它的致命缺陷。 在汽车应用领域， 非渗透性油箱的制造主要是采用混合挤压工艺 在两层聚乙烯间利用吹模形成一层乙烯基醇或尼龙层， 但通常情况下至少需要 5 层，工艺复 杂，成本相对较高。另一种混合挤压工艺是将一种低渗透性树脂和高密度聚乙烯混合挤压， 利用树脂的低渗透性 来改善油箱的渗透率； 再就是利用氟化或硫化技术进行塑料油箱表面处理， 形成保护层， 使 用这 2 种技术可减少燃油渗透量达 95以上。3.2 油管 目前，低渗透性油管的制造主要有 2种方法， 即给油管增加一低渗透层， 或使用低渗透性混 合材料。利用低渗透

10、性热塑性塑料层，渗透排放可减少 95 以上，热塑性塑料层厚度仅为0.10.2mm，不会影响油管的柔韧性。在汽车应用领域，通常使用含氟聚化物制成的多层 塑料油管， 优点是传导性能阻止静电产生， 渗透性更优于带有屏障层的油管， 但缺点是韧性 差，必须根据每款摩托车设计的特殊形状浇铸，达不到企业 “油管的柔韧性要满足各种设计 思路、要具有抗振动、简化连接和安装 ”要求。3.3 改善发动机及油路的密封性发动机及相关油路部件密封不严，导致燃油渗漏，可通过以下途径减小燃油蒸发排放量：1）改善发动机各个连接部位的密封性； 2）提高化油器各个部件的加工制造工艺及装配水平，对在用车， 任何时候， 化油器浮子室中

11、的剩余燃油都是造成热浸损失蒸发排放的主要来源，因此，必须改善化油器本身的密封性； 3）改善油管与其它部件间连接部位的密封性。3.4 加装活性炭罐活性炭罐的主要作用是利用活性炭的吸附作用， 将燃油蒸汽收集起来并送到发动机燃烧， 从 而防止燃油蒸汽挥发到大气中， 但炭罐容量有限， 活性炭必须连续再生。发动机运行时，空 气通过活性炭罐再进入发动机，来自炭罐的约 1浓度的燃油蒸汽进入吸入的空气，会改变 空燃比约 20，这意味着进入发动机的燃油蒸汽必须加以控制，以确保低排放和良好的驾 驶性。 因此，发动机管理系统必须依据发动机负荷、转速参数得到相应曲线并存入程序，通 过控制再生阀 （脱附阀 ），在炭罐脱

12、附阀工作范围内较好地控制流量。而在某些运行条件下， 炭罐脱附阀不是处于关闭状态 （怠速 ）就是保持无效状态 （如全负荷时， 节气阀前后压力差不足 时）。对于闭环控制系统，脱附阀工作时，入控制系统连续监测混合气成分，以保证满足规定限值，如果该阀导致混合气过浓，就减少脱附流量，保证驾驶性和排放处于最佳状态。4. 对制定摩托车燃油蒸发污染物排放标准的建议4.1 HC 排放分担情况分析HC 排放污染源主要有 “固定污染源 ”和 “移动污染源 ”2种，其中固定污染源包括加油站、炼 油厂、燃油储备工厂及各种溶剂的使用等， 移动污染源包括车辆废气排放、 燃油蒸发排放等。 我国目前缺乏对各种污染源的认识和调研

13、工作， 对各种污染源 HC 的分担率没有一个定量的 认识，多为盲目的分头治理， 因此随着国家对经济增长与环境保护工作协调发展工作的高度 重视， 尽快开展对我国环境污染指数、固定污染源和移动污染源 HC 的分担率、摩托车蒸发 排放因子及对大气污染分担率等方面全面掌控和分析，着手建立各种车辆实时监控系统， 正确评价摩托车各污染源的污染指数。4.2 燃油蒸发排放标准制定并实施一项科学标准， 是能否实现环境保护和技术进步协调发展的根本举措。 我国标准 的制定基本采用欧洲标准体系， 所以应全面了解和掌握欧洲法律、 法规动态， 借鉴国外先进 经验和技术，准确分析执行新法规给产品带来的成本效益，以免阻滞行业技术发展。