中国市售非手持式通用小型汽油机蒸发排放研究

（天津内燃机研究所 天津 300072）

引言

非道路通用小型汽油机是除车用、航空用以外，一般功率在30 kW 以内，非道路用往复活塞式汽油发动机。由于其操作简单、通用性强的特点，广泛应用于农林植保机械、园林机械、发电机组、建筑机械、抢险救援工具等诸多领域。中国是非道路通用小型汽油机产品全球第一生产大国，平均每年80%的产品出口海外。与此同时，随着中国农业机械化、林业机械化、城市绿化的推进及一批国家重点工程项目的实施、因人口老龄化问题日益严重而产生的应急备用意识的提高，中国国内的通用小型汽油机及相关终端产品的使用及保有量逐步增多[1]。

1 蒸发排放的产生与危害

通用小型汽油机蒸发排放产生的主要原因是由于发动机燃油系统对于汽油这种挥发性燃料具有较高的渗透性，使得燃油蒸气排入到大气中。不同于尾气排放，无论发动机运转或静置，只要燃油系统存有汽油，便会产生蒸发排放。蒸发排放的主要污染物是碳氢化合物与活性有机气体。其中，碳氢化合物构成人类健康风险，活性有机气体会导致大气中臭氧的形成。根据美国加州空气资源委员会（California Air Resources Board，CARB）的调查统计，美国加州地区累计保有1 600 万台非道路通用小型汽油机设备，包括割草机、吹风机、草坪拖拉机、发电机等。2016年，美国加州境内的所有非道路通用小型汽油机设备每天产生约45 t 活性有机气体，这个排放量甚至超出加州地区全部加油站每天产生的活性有机气体排放量[2]。

2 已在实施中的蒸发排放法规要求

针对非道路通用小型汽油机蒸发排放，美国环境保护署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）与CARB 分别制定了排放法规并已实施。其中，CARB 率先于2004 年7 月颁布了全球首个非道路通用小型汽油机的蒸发排放法规，并于2017 年11月再次颁布修订版法规。EPA 在2008 年9 月4 日签署了非道路和固定式设备蒸发排放法规，该法规涵盖了非道路通用小型汽油机蒸发排放法规内容。

表1 非手持式通用小型汽油机EPA 与CARB 蒸发排放法规要求[3-4]

非手持式通用小型汽油机通常是发动机排量为80～1 000 mL 的通用汽油机产品。表1 中，制造商选用经过认证的蒸发排放零部件进行产品整机蒸发排放认证申请的方式称为设计认证方式；制造商通过产品整机昼间排放测试数据进行认证申请的方式称为性能认证方式。设计认证方式需要油管、油箱、碳罐等满足法规要求，性能认证方式需要产品满足昼间排放要求。目前，EPA 对于非手持通用小型汽油机的蒸发排放只有设计认证要求。CARB 要求发动机排量为80～225 mL 的手推式割草机必须使用性能认证方式，其他类别的产品既可以选择设计认证方式也可以选择性能认证方式。无论使用哪种认证方式，产品在CARB 抽查测试中必须满足昼间排放限值要求。

3 测试发动机与测试程序

国产通用小型汽油机具有价格便宜、经济耐用等特点，使其在当前国内在用通用小型汽油机市场中占据主导地位。中国通用小型汽油机行业地域产业集中度较高，在国内集中分布于山东、江苏、浙江、上海、福建、广东和重庆。其中，山东以手持式发动机为主；重庆以排量为80 mL 以上的非手持式发动机为主[1]。为了让测试具有更高的代表性，选择了重庆某品牌产品作为测试样机。该品牌产品在国内市场上销量居前，已投入国内市场超过10 年，曾获得重庆市著名商标，国内销售服务网络覆盖全国31 个省、市、自治区。在产品设备类型选择方面，考虑到通用小型汽油机的终端产品在我国国内的用途统计中，发电机、水泵、插秧机、油锯、微耕机、割灌机等具有较高的比率。根据中国内燃机工业协会小型汽油机分会公布的信息，截至2019 年1 月，在中国点燃式移动机械的各种用途占比中，发电机/发电机组占32.36%，排名第1 位，水泵占10.88%，排名第2 位[5]。在发动机选择方面，168F-2 与188F 属于四冲程发动机典型产品，无论在国内市场还是出口市场，都有较高的市场占有率。因此，在市场上选购了168F-2水泵用发动机与188F 发电机用发动机作为测试样机。测试样机主要技术参数如表2 所示。

表2 测试发动机主要技术参数

在测试设备方面，选用符合CARB 法规要求的AVL-SHED（sealed housing evaporative determination）蒸发密闭实验室。在测试程序方面，参照CARB 法规TP-902 测试程序，分别对2 台样机进行昼间排放测试。由于时间原因，将140 d 预处理步骤跳过。测试程序见表3。

表3 蒸发排放测试程序

在24 小时昼间排放测试中，蒸发密闭实验室舱内每1 h 的温度设定参照CARB 法规TP-902，见表4。

表4 24 h 昼间排放温度设定[6]

4 测试结果与分析

4.1 测试结果

测试结果如表5 所示。

表5 24 h 昼间排放结果

4.2 分析

通过测试结果与CARB 排放限值对比，可以看出，2 台样机的昼间蒸发排放均远超出CARB 排放限值。考虑到测试没有对样机进行140 d 预处理，可以推断，2 台样机的实际蒸发排放水平比测试结果还要略高一些。因为，预处理的目的是使发动机燃油系统更彻底地被燃油浸透。按照设计认证的思路，对样机的蒸发零部件逐一进行分析，找出排放超标的原因。

1）油管方面。2 台样机与当前我国市场大多数产品一样，配备的是普通橡胶油管。而美国市场上的通用汽油机产品由于有EPA 与CARB 法规的管控，配备的是经过特殊工艺的低渗透油管，如氟化阻隔油管、多层塑料油管。经过特殊工艺处理的低渗透油管，其燃油渗透率能够比普通丁晴橡胶油管低大约90%。因此，油管是测试时排放超标的一个重要原因。

2）油箱方面。2 台样机均采用金属油箱，这也是大多数非手持通用小型汽油机常用的油箱。金属材料的燃油渗透率远比普通塑料橡胶材料低，EPA 将金属视为低渗透材料，只要油箱盖与密封圈满足一定的尺寸要求，金属油箱可以享受EPA 认证豁免。因此，油箱对于测试结果的影响相对有限。

3）运转损失控制方面。碳罐是活性碳贮存装置，其作用是吸附油箱内的燃油蒸气。通常，油箱燃油蒸气被引入碳罐，再被送至发动机进气系统，通过进气系统参与燃烧，以防止燃油蒸气挥发到大气中。目前，对于非手持式通用小型汽油机，CARB 要求必须配备碳罐，EPA 只要求将油箱燃油蒸气引入发动机进气系统。2 台样机与当前国内绝大多数市售产品一样，既没有设计将油箱燃油蒸气引入进气系统的管路，也没有安装碳罐，这是测试时排放超标的另一重要原因。

5 结论

本文通过选取当前在中国市场上极具代表性的国产非手持式通用小型汽油机产品进行昼间蒸发排放测试，可以看出，当前，我国在用的通用小型汽油机蒸发排放水平远比美国高。随着我国通用小型汽油机国内持有量不断增长，国家对其蒸发排放量一定会更加重视。接下来，中国非道路通用小型汽油机第三阶段排放法规势必增加蒸发排放限值的要求，届时，我国的通用小型汽油机蒸发排放量将逐步得到有效控制。