HC追蹤器對(duì)排放性能和進(jìn)氣性能影響的研究

廉巨龍，王玥

(1.華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧沈陽 110141；2.沈陽市方譽(yù)鏈輪廠，遼寧沈陽 110141)

0 引言

隨著國家汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃，輕型汽車國六標(biāo)準(zhǔn)排放法規(guī)的發(fā)布可有效地改善由汽車尾氣排放帶來的污染。結(jié)合我國大氣污染防治的需要，在歐盟標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，同時(shí)融合美國排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，因而發(fā)布了機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)第六階段的要求[1-2]。

2007年，美國對(duì)排放要求提出了最嚴(yán)格的限制：零排放標(biāo)準(zhǔn)，定義了24 h的測試循環(huán)，這樣整車不能釋放超過0.35 g的HC(碳?xì)浠衔?，燃油相關(guān)的排放必須少于0.05 g的HC。近期，我國發(fā)布了國六的蒸發(fā)排放標(biāo)準(zhǔn)，提出Ⅳ型試驗(yàn)(蒸發(fā)排放污染物試驗(yàn))，對(duì)于第一類車要求大幅度降低機(jī)動(dòng)車的排放量，即Ⅳ型的排放要求小于0.7 g/test(48 h)[3]。對(duì)于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)而言，主要功用是過濾空氣中的雜質(zhì)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)吸入清潔的空氣[4]。但為了應(yīng)對(duì)國六Ⅳ型蒸發(fā)排放的法規(guī)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后整車的HC排放量要求小于某一限值，考慮在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加HC吸附追蹤器來吸附HC的排放。

對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)而言，HC排放物來源于兩部分：一部分是由于發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后進(jìn)氣閥門仍然保持著部分開啟，來自氣缸中未燃燒的燃油逃逸到大氣中；另一部分是由于HC殘留物在進(jìn)氣系統(tǒng)管道內(nèi)，長時(shí)間的蒸發(fā)導(dǎo)致其緩慢地通過進(jìn)氣管路向管口揮發(fā)出去。為了防止蒸發(fā)排放物通過進(jìn)氣系統(tǒng)逃逸到大氣中，需要在進(jìn)氣系統(tǒng)HC逃逸的路徑上增加一個(gè)吸附過濾裝置，稱之為HC追蹤器，HC逃逸的進(jìn)氣系統(tǒng)路徑如圖1所示。

圖1 HC逃逸的進(jìn)氣系統(tǒng)路徑

1 HC追蹤器的工作原理及裝置類型

1.1 HC追蹤器的工作原理

(1)吸附過程。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，其進(jìn)氣歧管、氣缸及進(jìn)氣管路內(nèi)殘留的HC通過進(jìn)氣管路向大氣蒸發(fā)，經(jīng)過空濾殼體時(shí)，被殼體上的活性炭吸附。

(2)脫附過程。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過空濾進(jìn)入的新鮮空氣將活性炭上的HC帶入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒。

1.2 HC追蹤器裝置類型

HC追蹤器的吸附依賴于活性炭的特性，就好像給進(jìn)氣系統(tǒng)披上了一層外衣一樣[5]。目前國內(nèi)汽車市場上，在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加HC追蹤器的裝置應(yīng)用鮮有報(bào)道，但在國際上，已有HC追蹤器應(yīng)用于進(jìn)氣系統(tǒng)中的案例，其裝置如圖1所示。圖2(a)是在進(jìn)氣系統(tǒng)空濾出口上增加活性炭罐式HC追蹤裝置，這種裝置相當(dāng)于在管道的路徑增加過濾網(wǎng)，HC吸附效果好，但是對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力影響較大。在進(jìn)氣系統(tǒng)阻力有較大余量的情況下，可以考慮用該裝置來追蹤吸附HC。圖2(b)是在進(jìn)氣系統(tǒng)中增加一種可吸附HC顆粒的碳紙，2007款某車型中應(yīng)用了這種裝置，該裝置可安裝在空氣濾清器干凈側(cè)的壁面上，也可以貼附在干凈空氣管的內(nèi)壁上，它對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力影響較小，對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量增加較少，HC吸附效果也比較明顯，但是對(duì)該產(chǎn)品的工程化要求比較高，其焊接工藝一般采用超聲波焊接，這就對(duì)空濾殼體的焊接面提出了較高的要求。圖2(c)是在空濾中濾芯的干凈側(cè)增加一層由HC顆粒填充的纖維網(wǎng)，該裝置利用活性炭的吸附和脫附原理可有效地吸附逃逸的HC，但是對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力有較大的影響，由于濾芯是一種耗材，工作一定里程后需要更換，這種后期的頻繁拆裝會(huì)對(duì)HC追蹤器的可靠性帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 各種HC追蹤器裝置

2 一種新型的HC追蹤吸附裝置

設(shè)計(jì)的HC追蹤器必須能夠抵抗各種惡劣的條件，需要能夠抵抗高溫和振動(dòng)的影響；HC追蹤器的可靠性能必須能滿足一個(gè)整車的生命周期。并且，HC追蹤器布置需盡量減少對(duì)進(jìn)氣阻力和聲學(xué)性能的影響。

為了應(yīng)對(duì)蒸發(fā)排放的要求，結(jié)合當(dāng)前某車進(jìn)氣系統(tǒng)的空濾殼體內(nèi)部較多的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)及進(jìn)氣阻力的限制，采用了一種工藝涂敷更靈活的HC吸附涂層，將其噴涂在空濾殼體內(nèi)部來吸附發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)后逃逸的HC。

2.1 空濾殼體噴涂的制備

對(duì)某國五車型上的空氣濾清器進(jìn)行優(yōu)化，圖3(a)是在空濾的后蓋上噴涂HC顆粒，涂敷量為9 g；圖3(b)是空濾殼體下殼體的涂敷范圍可以根據(jù)后期整車的測試結(jié)果進(jìn)行增加或減少。涂敷的位置盡量選擇氣流流過面積較大的區(qū)域。這種HC追蹤顆粒的噴涂區(qū)域擺脫了其他HC追蹤器只能布置在干凈側(cè)的限制。

圖3 空濾殼體噴涂圖

在蒸發(fā)排放試驗(yàn)前，需要對(duì)制備的樣件在未噴涂前進(jìn)行老化處理，即在40 ℃的環(huán)境溫度下，老化48 h。老化后的結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果中質(zhì)量減少的部分可以認(rèn)為是空濾殼體中VOC的殘量，除去稱重的誤差，可以看到空濾后蓋的VOC含量可以忽略不計(jì)，而體積較大的下殼體的VOC含量較高。因此，在蒸發(fā)排放的測試時(shí)，僅更換空濾后蓋，來保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 空濾老化后的測試結(jié)果 g

2.2 空濾臺(tái)架排放測試

對(duì)原態(tài)和優(yōu)化后的涂敷碳顆粒的樣件進(jìn)行進(jìn)氣系統(tǒng)臺(tái)架排放試驗(yàn)，通過丁烷工作能力BWC(Butane Working Capacity)來判定進(jìn)氣系統(tǒng)的吸附性能。樣件的測試結(jié)果如表2所示。由表可知，增加了HC涂敷碳涂層的樣件將BWC的性能提高了745 mg。因此，HC追蹤器的應(yīng)用可有效阻止HC從進(jìn)氣系統(tǒng)向大氣中逃逸。

表2 BWC工作能力測試結(jié)果 mg

3 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能的影響

3.1 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能的對(duì)比分析

進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要考慮的是氣動(dòng)性能，進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的大小對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能影響較大，在滿足氣動(dòng)性能的條件下才會(huì)具有較好的聲學(xué)性能。因此，對(duì)原樣件及經(jīng)過涂覆碳涂層的樣件在進(jìn)氣系統(tǒng)臺(tái)架上測試進(jìn)氣阻力。

進(jìn)氣阻力臺(tái)架測試的環(huán)境溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為62%。進(jìn)氣系統(tǒng)臺(tái)架測試如圖4所示。

圖4 進(jìn)氣系統(tǒng)臺(tái)架測試

進(jìn)氣阻力的測試結(jié)果如表3所示。由此可見，考慮到臺(tái)架的測量誤差及精度影響，優(yōu)化后樣件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力基本無影響。

表3 進(jìn)氣阻力臺(tái)架測試結(jié)果 kPa

3.2 對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的對(duì)比分析

為了探討增加HC追蹤裝置對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能的影響，在原態(tài)及涂敷碳涂層的基礎(chǔ)上增加碳紙材料，由于殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，貼紙的區(qū)域如圖5所示。由圖可知，A為原態(tài)，B為涂敷碳粉顆粒，C為貼附碳紙。

將3種狀態(tài)樣件搭載整車進(jìn)行整車進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣口噪聲測試，全階次的測試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，B、C樣件全階次進(jìn)氣口噪聲在局部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)略好于A。B與C方案聲學(xué)效果相當(dāng)。由此可見，增加HC吸附材料對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲影響不大。

圖5 空濾后蓋優(yōu)化后樣件

圖6 進(jìn)氣口噪聲測試曲線

4 結(jié)束語

(1)通過空濾臺(tái)架排放測試驗(yàn)證了一種新型的HC追蹤器，能將BWC的性能提高745 mg，可有效地吸附HC排放物，阻止HC從進(jìn)氣系統(tǒng)向大氣中逃逸。

(2)涂覆碳粉涂層的樣件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力和聲學(xué)性能基本無影響；貼附碳紙樣件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能影響不大。