不同工況下脫附流量與碳罐工作能力對蒸發(fā)排放的影響

王　凱，楊正軍，馮　馳

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津　300300）

Wang Kai，Yang Zhengjun，F(xiàn)eng Chi

?

不同工況下脫附流量與碳罐工作能力對蒸發(fā)排放的影響

王凱，楊正軍，馮馳

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

Wang Kai，Yang Zhengjun，F(xiàn)eng Chi

摘要：活性碳罐是車輛燃油蒸氣排放系統(tǒng)中的核心工作部件，不同車輛裝配的碳罐工作能力也各有不同，標(biāo)定不同的車輛在不同工況下的脫附流量會有一定差異。試驗(yàn)采用密室法，分別模擬EPA（US Environmental Protection Agency）工況和NEDC（NEW European Driving Cycle）工況進(jìn)行脫附循環(huán)，研究不同工況下碳罐工作能力與脫附流量之間的相對應(yīng)關(guān)系，以及對蒸發(fā)排放帶來的影響。

關(guān)鍵詞：脫附；活性碳罐；燃油蒸發(fā)；EPA；NEDC

0　引　言

隨著環(huán)保理念日漸深入人心，國家對車輛排放控制的標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。低排放，低油耗的車輛成為顧客及汽車制造商一致追求的目標(biāo)。由于汽車排放控制問題越來越受到關(guān)注，對汽車排放控制的各項(xiàng)研究也應(yīng)該得到更多重視。由于汽油的易揮發(fā)特性，使得在常溫狀態(tài)下汽車的燃油箱中常充滿大量的燃油蒸氣，而這一部分燃油蒸氣的泄露導(dǎo)致的排放量約占排放總量的20％，是影響車輛排放控制的一項(xiàng)重要因素。因此活性碳罐的工作能力對車輛蒸發(fā)排放的控制起到主要作用。

燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)主要依靠活性碳罐的工作能力[1]來實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)排放的控制。其工作原理為：當(dāng)汽車燃油箱中的燃油壓力超過油箱內(nèi)的燃油蒸氣閥及活性碳罐吸附閥的開啟壓力時，燃油蒸氣閥及活性碳罐吸附閥開啟，燃油蒸氣從相關(guān)路徑進(jìn)入活性碳罐內(nèi)，由于活性炭具有較強(qiáng)的吸附性，燃油蒸氣被吸附并儲存在活性碳罐中。然而活性碳罐的吸附能力是有限的，受活性碳罐的材質(zhì)、幾何特性、燃油蒸氣流量和工作溫度等因素影響，因此活性碳罐必須同時具有一定的脫附能力（又稱清洗能力），使得處于吸附飽和狀態(tài)的活性碳罐能重新恢復(fù)吸附能力。活性碳罐的脫附原理為：在一定工況下，ECU控制脫附電磁閥打開，新鮮空氣在活性碳歧管的真空吸力作用下，從底部進(jìn)入活性碳罐并經(jīng)活性碳罐上部管道進(jìn)入進(jìn)氣歧管，空氣在流經(jīng)活性碳罐內(nèi)部時，活性碳罐內(nèi)被吸附的燃油重新蒸發(fā)并跟隨空氣一起進(jìn)入進(jìn)氣歧管，碳罐重新恢復(fù)吸附能力，因此燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)不僅能降低污染物的排放，還能提高發(fā)動機(jī)的工作效率。燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的性能受到其關(guān)鍵技術(shù)部件——活性碳罐的吸附/脫附能力的影響，對燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)脫附性的檢測研究具有重要意義。現(xiàn)階段排放法規(guī)的研究是多方向的，研究不同法規(guī)的不同工況下脫附流量對碳罐工作能力的影響，反映其蒸發(fā)排放控制的效果。

1　試驗(yàn)設(shè)定

燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)檢測的國際方法有密閉室法（Sealed Housing for Evaporative Determination，SHED）和收集法（Trap method，TRAP）2種[2]。試驗(yàn)參照密閉室法[3]，選定國標(biāo)車和美標(biāo)車各一輛進(jìn)行試驗(yàn)，將國標(biāo)和美標(biāo)試驗(yàn)車輛置于密閉試驗(yàn)室，進(jìn)行1晝間換氣試驗(yàn)（1DBL），之后同一組試驗(yàn)車進(jìn)行3晝間換氣試驗(yàn)（3DBL）。將完成碳罐預(yù)處理的車輛推至底盤測功機(jī)，使其按照規(guī)定工況循環(huán)運(yùn)行，使得試驗(yàn)車輛的活性碳罐在不同的循環(huán)工況下處于不同的脫附流量狀態(tài)；在碳罐大氣口串聯(lián)體積流量計(jì)，監(jiān)測脫附流量的瞬態(tài)數(shù)據(jù)，檢測循環(huán)工況結(jié)束時活性碳罐的質(zhì)量，并將其與晝間處理結(jié)束后的活性碳罐質(zhì)量比較，計(jì)算其質(zhì)量之差，了解活性碳罐在該循環(huán)工況下的脫附流量對活性碳罐質(zhì)量的影響；將完成循環(huán)工況的試驗(yàn)車輛推回密閉室，密閉并且保溫1小時，稱為熱浸試驗(yàn)。晝間換氣試驗(yàn)即按照規(guī)定溫度變化率對試驗(yàn)車模擬晝夜溫度變化情況，使得活性碳罐處于吸附狀態(tài)，大量油氣分子被吸附到活性碳罐中，測量晝間換氣結(jié)束后的碳罐質(zhì)量并利用HC分析儀檢測密閉室HC濃度變化情況，并記錄晝間換氣試驗(yàn)測得的HC質(zhì)量，進(jìn)而分析在國標(biāo)和美標(biāo)工況下的脫附流量對車輛燃油蒸發(fā)排放的影響。

活性碳罐的脫附流量受車輛行駛工況影響，兩者之間可建立一定的函數(shù)關(guān)系；因此通過模擬不同的循環(huán)工況使活性碳罐擁有不同的脫附流量。設(shè)定國標(biāo)車及美標(biāo)車2組試驗(yàn)對象，讓其分別在美標(biāo)EPA（US Environmental Protection Agency）循環(huán)工況及國標(biāo)循環(huán)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，其他試驗(yàn)參數(shù)保持一致，我國的蒸發(fā)排放控制標(biāo)準(zhǔn)參照的是歐標(biāo)，文中所描述的國標(biāo)循環(huán)工況即為歐標(biāo)NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)工況。

美標(biāo)EPA循環(huán)[4]，即FTP75+FTP72+ 2NYCC+FTP72，其中FTP75與FTP72為美國聯(lián)邦測試循環(huán)，F(xiàn)TP75是在FTP72基礎(chǔ)上增加505s熱啟動，NYCC是紐約城市循環(huán)，主要是模擬城市低速和頻繁啟停的工況。

歐標(biāo)NEDC循環(huán)工況是由ECE（Economic Commission for Europe，市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）及EUDC（Extra Urban Driving Cycle，市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）組成，NEDC循環(huán)周期為ECE+EUDC。ECE循環(huán)共780s，由4個195s循環(huán)周期組成，平均車速設(shè)定為18.7km/h，行駛里程4.052km；EUDC循環(huán)為1個400s循環(huán)周期，平均車速62.6km/h，行駛里程6.955km。

2　試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所需儀器設(shè)備見表1。

表1　試驗(yàn)用儀器設(shè)備

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)

開始整車試驗(yàn)前，首先對試驗(yàn)車輛的碳罐按照HJ/T390-2007《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）》進(jìn)行了碳罐初始工作能力試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)為下一步的數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備，見表2。

表2　碳罐初始工作能力

圖1、圖2分別為國標(biāo)車與美標(biāo)車在相同循環(huán)工況下的數(shù)據(jù)，由圖1與圖2可以明顯看出美標(biāo)車脫附的時間比較長，瞬時脫附流量也比較大。

圖1　國標(biāo)車ECE+EUDC+ECE循環(huán)工況下脫附流量與速度瞬態(tài)數(shù)據(jù)

圖2　美標(biāo)車ECE+EUDC+ECE循環(huán)工況下脫附流量與速度瞬態(tài)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3國標(biāo)工況1晝間試驗(yàn)，HC排放結(jié)果表明，美標(biāo)車的HC排放稍高于國標(biāo)車，說明對于國標(biāo)工況1晝間蒸發(fā)試驗(yàn)，在滿足碳罐脫附量這個條件下，最終的蒸發(fā)排放還與燃油箱滲透、油路接頭滲透和內(nèi)飾VOC（Volatile Organic Compounds，揮發(fā)性有機(jī)化合物）揮發(fā)有很大的關(guān)系。

圖3　國標(biāo)1DBL試驗(yàn)HC結(jié)果

由圖4可知國標(biāo)車與美標(biāo)車在國標(biāo)工況下碳罐脫附質(zhì)量均大于1晝間（24h）汽油蒸氣生成量，說明2臺試驗(yàn)車的碳罐都沒有被汽油蒸氣擊穿，碳罐并沒有向外界排放HC，說明脫附質(zhì)量比較小的國標(biāo)車碳罐的脫附流量可以滿足國標(biāo)1晝間試驗(yàn)。

圖4　1DBL碳罐脫附量與吸附量關(guān)系

圖5　兩車脫附流量總量

結(jié)合圖4（a）、（b），圖5（a）、（b）來看，美標(biāo)車在NEDC工況下脫附空氣的總流量是國標(biāo)車的10倍，脫附掉碳罐的質(zhì)量也是國標(biāo)車的6倍。美標(biāo)車的脫附量遠(yuǎn)超國標(biāo)車，這是為了適應(yīng)不同的排放法規(guī)，車輛制造廠對碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定不同。

由圖6與圖7可以看出，在美標(biāo)工況下，國標(biāo)車呈現(xiàn)出比較少的脫附時間，瞬時脫附量也比較小，而美標(biāo)車脫附情況正常。

圖6　國標(biāo)車FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72循環(huán)工況下脫附流量與速度對應(yīng)關(guān)系

圖7　美標(biāo)車FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72循環(huán)工況下脫附流量與速度對應(yīng)關(guān)系

從圖8（a）、（b）來看，由于國標(biāo)車碳罐脫附量小于燃油箱汽油蒸氣生成量，在美標(biāo)3晝間試驗(yàn)中碳罐未起到吸附汽油蒸氣的作用，碳罐直接被擊穿，大量汽油蒸氣未經(jīng)過吸附被直接排放到密閉室內(nèi)，造成蒸發(fā)排放結(jié)果很高。雖然美標(biāo)3晝間蒸發(fā)試驗(yàn)持續(xù)時間長，溫度條件比較苛刻，高溫段比較多，但是由于美標(biāo)車脫附流量與總脫附質(zhì)量比較大，脫附量大于3晝間試驗(yàn)碳罐的吸附量。汽油蒸氣都被碳罐吸附，沒有排入密閉室內(nèi)，所以HC排放很低。

圖8　美標(biāo)3DBL試驗(yàn)HC結(jié)果

圖9　3DBL脫附量與吸附量關(guān)系

根據(jù)圖9（a）、（b）中的數(shù)據(jù)，美標(biāo)車在FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72工況下其碳罐脫附質(zhì)量125.98g，美標(biāo)車脫附總流量是國標(biāo)車的6倍。美標(biāo)3晝間試驗(yàn)脫附循環(huán)工況是FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72，車輛運(yùn)行時間接近2個小時。從持續(xù)時間來看，美標(biāo)工況脫附強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)大于國標(biāo)工況，脫附情況應(yīng)該更好；但國標(biāo)車碳罐的質(zhì)量不但沒有減少反而增加了14.27g。對于國標(biāo)車，由于標(biāo)定問題，脫附流量不夠，而且車輛在工況運(yùn)行過程中燃油箱升溫產(chǎn)生的大量汽油蒸氣進(jìn)入碳罐，雖然脫附工況持續(xù)時間長，但是碳罐的質(zhì)量并沒有下降反而上升，說明國標(biāo)車的脫附量小于脫附試驗(yàn)過程中燃油箱的汽油蒸氣生成量。

在美標(biāo)3晝間試驗(yàn)中碳罐至少要有吸附50g汽油蒸氣的能力。表2顯示，國標(biāo)車的碳罐吸附能力只有24.84g，不具備完成美標(biāo)3晝間蒸發(fā)試驗(yàn)的條件，而脫附流量主要取決于車輛廠家對碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定。對于美標(biāo)蒸發(fā)排放試驗(yàn)，碳罐的大小與脫附能力是決定性因素，對于國標(biāo)車來說，碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定不適于美標(biāo)蒸發(fā)試驗(yàn)，同時碳罐的吸附能力也是不夠的。

從圖5（a）來看，國標(biāo)車的脫附總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于美標(biāo)車，對碳罐的脫附不完全。這也驗(yàn)證了為了適應(yīng)不同的排放法規(guī)，車輛制造廠對碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定不同。

4　結(jié)論分析

1）對比國標(biāo)車與美標(biāo)車2組試驗(yàn)結(jié)果，美標(biāo)車運(yùn)行美標(biāo)3晝間循環(huán)工況后活性碳罐質(zhì)量差為125.98g，其3晝間所檢測到的HC排放質(zhì)量分別為0.344g、0.263g和0.254g。國標(biāo)車運(yùn)行美標(biāo)3晝間循環(huán)工況后活性碳罐質(zhì)量差為-14g，其3晝間檢測HC排放質(zhì)量分別為5.868g、8.917g和9.969g。美標(biāo)車美標(biāo)3晝間工況下脫附總量為1209.66L，國標(biāo)車美標(biāo)3晝間工況下脫附總量為200.17L。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知在美標(biāo)3晝間工況下，試驗(yàn)車輛的脫附流量越大，碳罐脫附的越徹底，其蒸發(fā)排放控制效果也越好。

2）國標(biāo)車由于碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定不適于美標(biāo)3晝間工況，碳罐的脫附量小于燃油箱蒸氣生成量，碳罐反而增加質(zhì)量。在3晝間試驗(yàn)中起不到吸附汽油蒸氣的作用，造成蒸發(fā)排放結(jié)果很高。

3）國標(biāo)車的碳罐初始工作能力只有24.83g，而美標(biāo)車在完成美標(biāo)3晝間試驗(yàn)后碳罐增加質(zhì)量50g，國標(biāo)車的碳罐吸附能力小于美標(biāo)車在3晝間試驗(yàn)中碳罐的吸附量，說明單從碳罐初始工作能力看，國標(biāo)車碳罐不能夠滿足美標(biāo)3晝間蒸發(fā)試驗(yàn)。

4）美標(biāo)車在國標(biāo)1晝間循環(huán)工況試驗(yàn)后活性碳罐質(zhì)量差為96.34g，其1晝間檢測HC排放質(zhì)量為0.439g。國標(biāo)車在國標(biāo)1晝間循環(huán)工況試驗(yàn)后活性碳罐質(zhì)量差為15.91g，其1晝間檢測HC排放質(zhì)量為0.339g。美標(biāo)車在國標(biāo)1晝間工況下脫附總量為545.17L，國標(biāo)車在國標(biāo)1晝間工況下脫附總量為51.34L。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，國標(biāo)1晝間循環(huán)工況下的脫附流量大并不表示蒸發(fā)排放控制效果佳，而是說明對于國標(biāo)1晝間試驗(yàn)來說，脫附量并不是影響最終結(jié)果的主要因素，在脫附總量和脫附流量足夠的情況下，最終的蒸發(fā)排放結(jié)果還與燃油箱、油管滲透和內(nèi)飾VOC揮發(fā)有很大的關(guān)系。

綜上可知，對于美標(biāo)3晝間試驗(yàn)，碳罐的工作能力與脫附量對蒸發(fā)排放控制都有很大影響，整車廠不僅要與碳罐廠家解決碳罐初始工作能力方面的問題，還要在研發(fā)過程中考慮到對碳罐脫附電磁閥開啟時間的標(biāo)定，蒸發(fā)排放試驗(yàn)除了考慮碳罐工作能力與脫附量外還應(yīng)綜合考慮其他因素。

參考文獻(xiàn)

[1]夏云鏵，袁銀南，錢裕堯.汽油車燃油蒸發(fā)污染物的控制系統(tǒng)研究[J].汽車工程，2000，22（5）：354-357.

[2]J.E.Urbanic，E.S.Oswald，N.J.Wager et al.Factors Affecting the Design and Breakthrough Performance of Evaporative Loss Control Systems for Current and Future Emission Standards[J].Sae Transactions，1989（98）：316-326.

[3]Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Emission of Pollutants According to Engine Fuel Requirements[S].ECE R83（06）—2011.

[4]Control of Emissions from New and In-use Highway Vehicles and Engines；Subpart B[S].40CFR：Part 86.

收稿日期：2015-10-22

文章編號：1002-4581（2016）02-0042-05

中圖分類號：U464.149

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.012