汽車燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)性能研究

殷健力

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司 整車排放檢測(cè)部，重慶 401122)

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汽車燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)性能研究

殷健力

(中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司 整車排放檢測(cè)部，重慶 401122)

指出了隨著空氣污染和能源緊缺等問題日益嚴(yán)重，以及相應(yīng)排放法規(guī)的日益健全與嚴(yán)格，研究汽車燃油蒸發(fā)排放控制規(guī)律及影響因素具有重要意義。活性炭罐是燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的核心部件，在分析汽車蒸發(fā)排放產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，研究了溫度、流量和體積等因素對(duì)活性炭罐工作性能的影響。通過炭罐性能試驗(yàn)及燃油蒸發(fā)密閉室試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)在炭罐工作能力和整車蒸發(fā)污染物排放上具有更優(yōu)化的性能。

燃油蒸發(fā)排放；控制系統(tǒng)；活性炭罐；工作能力

1 引言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車污染物對(duì)城市空氣造成的影響已經(jīng)越來(lái)越嚴(yán)重。汽車污染物主要來(lái)源于尾氣的排放、燃油蒸發(fā)排放，和曲軸箱排放。其中尾氣排放約占63%，燃油蒸發(fā)排放和曲軸箱污染物排放各占20%和17%。燃油蒸發(fā)污染物的主要成分是HC，HC易形成光化學(xué)煙霧，并且本身毒性很大，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

為了幫助治理越來(lái)越嚴(yán)重的空氣污染問題，美國(guó)加利福尼亞大氣資源局于1970年制定了第一個(gè)汽車燃油蒸發(fā)污染物排放法規(guī)。隨后日本歐洲也相繼開始對(duì)燃油蒸發(fā)排放進(jìn)行控制，并頒布相應(yīng)法規(guī)。我國(guó)的燃油蒸發(fā)控制起步于20世紀(jì)90年代，檢測(cè)方法一開始為收集法，后來(lái)變?yōu)槊荛]室法，分別于2005年和2013年發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》和《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》。該法規(guī)分別檢測(cè)熱浸和24 h晝間的污染物排放，并將兩次測(cè)得的HC排放的總和做為最終結(jié)果，排放結(jié)果要求控制在2g以內(nèi)。

第六階段的排放標(biāo)準(zhǔn)大致從2019年起開始實(shí)施，從《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)征求意見稿》中可以看出，相比國(guó)五標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)里關(guān)于蒸發(fā)排放檢測(cè)無(wú)論是試驗(yàn)方法還是限值要求都有較大變化：新增ORVR試驗(yàn)，即加油污染物排放測(cè)試，主要用于控制加油時(shí)的油氣排放；并將原來(lái)的晝間排放時(shí)間延長(zhǎng)至2 d；還對(duì)蒸發(fā)排放提出了耐久性要求，即車輛的蒸發(fā)排放在16萬(wàn)km的耐久試驗(yàn)中仍然應(yīng)當(dāng)滿足限值要求；除此之外限制也進(jìn)一步加嚴(yán)，其中一類車IV型試驗(yàn)的限制或?qū)⒖s減為0.7g。由此可見，下一階段的排放標(biāo)準(zhǔn)將對(duì)車輛的燃油蒸發(fā)排放控制策略及系統(tǒng)提出了更為嚴(yán)格的要求，相關(guān)方面控制的研究很有必要。

針對(duì)蒸發(fā)排放產(chǎn)生機(jī)理，和蒸發(fā)排放控制策略方面進(jìn)行了相關(guān)研究。石磊等分析了燃油蒸發(fā)排放的主要來(lái)源，總結(jié)闡述了燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)和車載加油蒸汽回收裝置的結(jié)構(gòu)及原理[1]；李景波等以正丁烷為吸附介質(zhì)對(duì)炭罐檢測(cè)方法進(jìn)行研究，探討炭罐結(jié)構(gòu)尺寸等對(duì)炭罐脫附吸附性能的影響[2]，韋海燕等提出通過改善燃油品質(zhì)、改進(jìn)汽油箱結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等方法來(lái)達(dá)到抑制燃油蒸發(fā)產(chǎn)生的方法[3]。朱成輝等基于汽油蒸汽壓和沸點(diǎn)等相關(guān)特性的研究，提出對(duì)燃油系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到減少蒸發(fā)排放的目的[4]。

以上研究對(duì)于改善燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)性能，減少燃油蒸發(fā)排放具有積極意義，在此基礎(chǔ)上，筆者重點(diǎn)研究了環(huán)境溫度和流量、體積對(duì)炭罐工作性能的影響，并對(duì)改進(jìn)的燃油蒸發(fā)控制裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 汽油車燃油蒸發(fā)污染物來(lái)源分析

機(jī)動(dòng)車燃油蒸發(fā)污染物除了少部分來(lái)自于內(nèi)外飾中苯等物質(zhì)的揮發(fā)，大部分來(lái)自于燃油供給系統(tǒng)受熱輻射形成的燃油蒸汽。根據(jù)高溫，低壓的燃油蒸發(fā)性較強(qiáng)的原理，環(huán)境空氣、排氣管、汽油泵摩擦損失以及發(fā)動(dòng)機(jī)回油都會(huì)對(duì)油箱進(jìn)行傳熱，促使燃油蒸汽的蒸發(fā)；在燃油管路中，燃油由小管徑流入大管徑式，壓力發(fā)生突變，也易使液態(tài)燃油形成蒸汽；在加油過程中由于燃油潑濺作用，也會(huì)形成燃油蒸汽逸散到大氣中。

從產(chǎn)生的時(shí)間過程來(lái)看，燃油蒸發(fā)的來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：①運(yùn)行損失。指汽車在運(yùn)行過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量等導(dǎo)致形成的燃油蒸汽的排放。②熱浸損失。指在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)后的一段時(shí)間內(nèi)，燃油系統(tǒng)具有較高溫度，此時(shí)冷卻風(fēng)扇停止運(yùn)行，迎風(fēng)冷卻停止，這將導(dǎo)致形成較大量的燃油蒸發(fā)排放。③晝間換氣損失。是由于晝夜環(huán)境溫度的變化，引起燃油系統(tǒng)也隨之周期性地被加熱冷卻，導(dǎo)致的燃油蒸汽排放。④加油損失。指在加油過程中，由油滴飛濺作用導(dǎo)致的燃油蒸汽排放。

3 降低燃油蒸發(fā)排放策略及汽車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)

通過減少蒸發(fā)排放源，可以有效降低汽車的燃油蒸發(fā)排放。揮發(fā)性是影響燃油蒸發(fā)的一項(xiàng)重要特性，一般用飽和蒸汽壓(RVP)參數(shù)來(lái)表征。RVP越大，燃油的揮發(fā)性越強(qiáng)。由于柴油的RVP要比汽油小的多，柴油車的燃油蒸發(fā)污染物排放量都比較小，所以一般沒有配備燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)。通過降低RVP值來(lái)改變?nèi)加吞匦裕瑥亩鴾p少蒸發(fā)污染物排放的方法目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，難以向市場(chǎng)推廣。

油箱是HC的主要排放源，理論上通過減少油箱排出的HC，可以降低整車的蒸發(fā)排放量。研究發(fā)現(xiàn)，HC的蒸發(fā)量與油箱內(nèi)的裝油量和汽油表面積有關(guān)，裝油量越少，燃油表面積越大，蒸發(fā)排放越大。采用塑料或者隔熱的油箱，比采用金屬材質(zhì)的油箱，具有更低的蒸發(fā)排放，特別是在熱浸階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，可以得出兩種材質(zhì)的油箱對(duì)于蒸發(fā)排放的影響差異較大。采用無(wú)回油式的發(fā)動(dòng)機(jī)供油方式，也可以降低油箱內(nèi)燃油溫度，達(dá)到降低蒸發(fā)排放的目的。通過合理選用密封材料和密封設(shè)計(jì)可以增加燃油系統(tǒng)的密閉性，從而減少燃油蒸發(fā)泄露，具體方法有：減少燃油系統(tǒng)連接件的數(shù)目，減少用于連接的橡膠管的長(zhǎng)度等。

目前主要采用燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)汽車蒸發(fā)排放污染物進(jìn)行減排控制。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)由油箱、活性炭罐、吸附閥、脫附閥及相關(guān)管路構(gòu)成。其中活性炭罐起到儲(chǔ)存燃油蒸汽的作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)中最重要的部分，吸附閥和脫附閥對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到協(xié)調(diào)控制的作用。燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)的原理為：當(dāng)油箱內(nèi)燃油蒸汽壓力升高，大于吸附閥的開啟壓力時(shí)，燃油蒸汽通過管路進(jìn)入炭罐并儲(chǔ)存在其中，炭罐內(nèi)部的活性炭具有吸附并儲(chǔ)存燃油蒸汽的能力。在適當(dāng)?shù)墓r下，當(dāng)ECU控制炭罐脫附閥開啟，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)將形成負(fù)壓，氣流通過炭罐的大氣口進(jìn)入炭罐，并將儲(chǔ)存在炭罐中的燃油蒸汽吹掃到發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒掉[5]。

4 活性炭罐工作性能的改善研究

體現(xiàn)炭罐性能的參數(shù)主要是有效吸附量、初始工作能力、終了工作能力、通氣阻力、脫附殘存量等。國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局頒發(fā)的HJ/T 390-2007文件中，要求炭罐的汽油初始工作能力應(yīng)大于等于6.5g/100 mL，汽油終了工作能力應(yīng)大于等于5.2g/100 mL。在炭罐臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行炭罐工作能力試驗(yàn)，探討炭罐吸附脫附過程中，環(huán)境溫度、流量和體積等因素對(duì)其工作能力的影響。

為了研究吸附速率對(duì)炭罐工作能力的影響，在同一環(huán)境條件下，先用干空氣對(duì)一個(gè)有效容積為1200 mL的炭罐進(jìn)行脫附，脫附流量為25 L/min，脫附體積為600個(gè)炭罐有效容積。然后采用50%容積的丁烷和50%氮?dú)獾幕旌蠚猓謩e以40 g/h、60 g/h、100 g/h、150 g/h丁烷的速率對(duì)炭罐進(jìn)行吸附，直至到臨界點(diǎn)，即炭罐吸附飽和后從通大氣口逸出2 g碳?xì)浠衔锏臅r(shí)刻[6]，測(cè)量吸附前后炭罐的質(zhì)量差。每個(gè)吸附速率試驗(yàn)中，重復(fù)進(jìn)行6次脫附/吸附循環(huán)，并取結(jié)果的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表1。結(jié)果表明：在同樣達(dá)到飽和的終了狀態(tài)下，吸附速率越高，炭罐所能貯存的燃油蒸汽越少，從而工作能力越低。其中采用40g/L的吸附速率比采用150g/L的吸附速率時(shí)，炭罐的工作能力提高了19.3%。一方面是因?yàn)椴糠中》肿親C與活性炭之間的范德華力較弱，而當(dāng)吸附氣體的流量變大，可能使得這部分汽油蒸汽分子掙脫活性炭的吸附而從炭孔中脫附出來(lái)；另一方面，由于相比高的吸附速率，低吸附速率的吸附過程時(shí)間變長(zhǎng)，使得炭罐與周圍環(huán)境空氣交換更多的熱量，更有利于增強(qiáng)炭罐吸附能力。

表1 不同吸附速率下炭罐的工作能力

為了研究不同脫附體積和脫附流量對(duì)炭罐工作能力的影響，在同一環(huán)境條件下，分別用不同體積和不同流量下的空氣對(duì)炭罐進(jìn)行脫附，然后用50%容積的丁烷和50%氮?dú)獾幕旌蠚猓?50 g/L丁烷的速率將炭罐吸附到飽和狀態(tài)，檢測(cè)炭罐工作能力，結(jié)果如圖1所示。圖1的結(jié)果表明：提高脫附體積可以增加炭罐工作能力，但當(dāng)脫附空氣體積達(dá)到300倍炭罐有效容積后，炭罐工作能力的增加趨勢(shì)變得很緩慢。而在脫附空氣體積一定的情況下，增加脫附流量，可以提高炭罐工作能力。這是由于活性炭微孔與HC直徑比較接近時(shí)，范德華力較大，這些HC分子難以被脫附從而殘留在活性炭中，而較大流量和流速的空氣可以克服較大的吸附力，從而減少炭罐的脫附殘存量。

圖1 不同脫附體積和脫附流量對(duì)炭罐工作能力的影響

根據(jù)熱力學(xué)原理，HC分子與活性炭的吸附是放熱過程，脫附時(shí)吸熱過程，所以理論上降低環(huán)境溫度更有利于炭罐的吸附，而升高環(huán)境溫度更有利于炭罐的脫附。對(duì)同一臺(tái)汽車分別設(shè)計(jì)3種燃油蒸發(fā)控制裝置方案，并按照GB18352.5-2013標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于蒸發(fā)排放試驗(yàn)的要求，進(jìn)行密閉室蒸發(fā)排放試驗(yàn)[6]。其中方案二、三與方案一中采用的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)基本不變，但在方案二中，從汽車排氣口處安裝導(dǎo)熱設(shè)備，將脫附過程中汽車尾氣的熱量傳遞到炭罐附近，對(duì)炭罐脫附過程中的環(huán)境空氣進(jìn)行加熱。方案三在方案二的基礎(chǔ)上，將原來(lái)的塑料碳罐殼體更換為導(dǎo)熱性能更好的金屬殼體，用于增強(qiáng)吸附過程中的散熱，降低炭罐溫度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由此得出，炭罐吸附和脫附過程中的環(huán)境溫度對(duì)炭罐工作性能和整車蒸發(fā)排放結(jié)果影響較大，通過降低吸附時(shí)炭罐周圍的環(huán)境溫度，增加脫附時(shí)的溫度，可以達(dá)到減少燃油蒸發(fā)排放的目的。

圖2 吸附脫附環(huán)境溫度對(duì)蒸發(fā)排放試驗(yàn)結(jié)果的影響

5 結(jié)語(yǔ)

活性炭罐是燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分，其吸附脫附性能直接影響蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的性能和整車蒸發(fā)排放試驗(yàn)的結(jié)果。在分析炭罐吸附與脫附機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出一種通過加熱炭罐脫附過程的環(huán)境溫度，降低炭罐吸附過程中的溫度的改進(jìn)措施。通過炭罐性能測(cè)試試驗(yàn)，和整車密閉室蒸發(fā)排放試驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)后的燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)對(duì)于改善炭罐工作性能和降低整車蒸發(fā)排放具有明顯效果，為蒸發(fā)控制系統(tǒng)的改善提供了參考。

[1]石 磊. 汽車燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)[J]. 汽車工程師. 2013(1):50～52.

[2]李景波. 汽油車用炭罐的性能測(cè)試方法及性能研究[D]. 北京：清華大學(xué)， 2004.

[3]韋海燕. 汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制技術(shù)探討[J]. 農(nóng)機(jī)化研究. 2008(1):196～199.

[4]朱成輝. 燃油蒸發(fā)排放控制的對(duì)策與實(shí)踐[C]∥河南省汽車工程學(xué)會(huì). 河南省汽車工程學(xué)會(huì)第八屆科研學(xué)術(shù)研討會(huì).鄭州：河南省汽車工程學(xué)會(huì)，2015：122～124.

[5]何彥彬. 淺析汽車燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)[J]. 汽車使用技術(shù)， 2015(3): 11～13.

[6]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)(裝置)[S]. 北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2007.

[7]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)[S]. 北京：國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2013.

2016-09-01

殷健力(1989—)，男，工程師，主要從事整車污染物排放控制和整車環(huán)境模擬方向的研究工作。

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1674-9944(2016)18-0088-03