國Ⅵ車用炭罐老化試驗研究

陳 強， 邢天龍， 穆海寧， 馬國祥， 曹維維

(1.安徽江淮汽車集團股份有限公司 技術(shù)中心， 合肥 230601； 2.德安福(天津)汽車技術(shù)有限公司， 天津 301600)

蒸發(fā)排放是汽油車的主要污染之一。蒸發(fā)排放的主要污染物是碳氫化合物，其會在陽光的作用下發(fā)生一系列復雜的光化學反應(yīng)，形成光化學煙霧，過程中會生成臭氧、醛類、過氧乙酰硝酸酯等有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)會對作物和人體的健康造成極大的傷害[1-6]。GB 18352-2006簡稱國Ⅵ標準。與以往各階段排放標準相比，其對整車蒸發(fā)排放控制提出了苛刻的要求[7]。

裝備燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)可以有效降低整車蒸發(fā)排放的水平，是整車滿足排放標準的主要手段。燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的核心部件是炭罐，其作用是收集和儲存燃油蒸氣，使其不逃逸到大氣當中[8]。因此，為了應(yīng)對國Ⅵ標準新增的污染物耐久性試驗要求，研究炭罐在老化后的的工作能力至關(guān)重要。

1 炭罐工作能力

1.1 炭罐工作原理

炭罐的工作介質(zhì)是活性炭，汽車用活性炭主要分為顆粒碳和柱狀碳兩種。顆粒碳和柱狀碳在吸附工作能力上沒有區(qū)別，但柱狀碳在通氣阻力和耐久性能表現(xiàn)上均優(yōu)于顆粒碳。國Ⅴ標準沒有對燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)的耐久性要求和加油過程污染物控制要求[9]，一般選用成本較低的顆粒碳，而國Ⅵ標準炭罐則需要采用性能良好但成本較高的柱狀碳。

炭罐的活性炭表面存在大量的孔隙，當高濃度燃油蒸氣進入炭罐時，由于范德華力的作用，進入炭罐的燃油蒸氣分子會被炭罐活性炭的孔隙所吸附，這就是炭罐的吸附過程。當清潔空氣進入炭罐時，炭罐活性炭孔隙中吸附的油氣分子會擴散到清潔空氣中被帶走，這就是炭罐的脫附過程。因此，活性炭的孔隙對炭罐工作能力至關(guān)重要。

一般將活性炭孔隙分為3類：大孔隙、中等孔隙和微小孔隙。孔徑>50 nm的大孔隙吸附能力較弱，對燃油蒸氣分子進入活性炭孔起到過渡作用；孔徑 2～50 nm的孔隙為中等孔隙，有良好的吸附能力和脫附能力，是炭罐工作能力的主要來源；孔徑<2 nm的微小孔隙也可以吸附燃油蒸氣，但其很難被脫附，是造成活性炭能力老化的主要原因[10]。

1.2 炭罐的工作能力評價方法

HJ/T 390-2007標準中提供的炭罐工作能力評價方法有丁烷工作能力和汽油工作能力2種[11]。汽油蒸發(fā)污染物主要是烯烴和烷烴的多種混合物，主要成分是丁烷[12]。汽油工作能力最接近實際使用需求，但是由于汽油蒸氣混合物的特點，汽油工作能力測試結(jié)果極不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可比性差，而且汽油蒸氣的產(chǎn)生需要采用加熱的方式，危險系數(shù)極大，流量也很難控制。因此，一般采用丁烷工作能力代替汽油工作能力對炭罐進行評價。

炭罐的工作過程分為吸附過程和脫附過程，其測試過程如下：

1) 吸附過程測試在圖1所示的裝置中進行。采用50%容積丁烷和50%容積氮氣的混合氣體，以流速為40 g/h的速度對炭罐進行加載，至輔助炭罐增重 2 g 為止，吸附過程測試結(jié)束。

圖1 炭罐丁烷工作能力吸附裝置示意圖

2) 脫附過程測試在圖2所示的裝置中進行。采用干空氣按照25 L/min規(guī)定速度進行脫附，HJ/T 390-2007標準推薦的脫附流量是600倍炭罐的有效容積。

圖2 炭罐丁烷工作能力脫附裝置示意圖

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 Ⅳ型試驗與Ⅶ型試驗解析

Ⅳ型試驗和Ⅶ型試驗的測試流程都可以分為整車換油、炭罐吸附擊穿、炭罐脫附和排放測試4個階段。

1) 整車換油。整車換油的目的是將整車燃油系統(tǒng)及發(fā)動機內(nèi)的燃油替換為符合國Ⅵ測試標準的燃油。

2) 炭罐吸附擊穿。炭罐擊穿是指測試過程中需要將整車的炭罐取下在臺架上進行2 g擊穿處理，然后裝配至整車上進行后續(xù)測試。炭罐擊穿的目的是保證進行脫附過程時測試的炭罐處于吸附飽和狀態(tài)。Ⅳ型試驗流程中，炭罐吸附至2 g擊穿后需要在38 ℃環(huán)境下浸車12～36 h，此時炭罐存在擊穿狀態(tài)下繼續(xù)吸附，處于過飽和狀態(tài)。

3) 炭罐脫附。炭罐脫附是指利用整車行駛過程中發(fā)動機運行進氣所產(chǎn)生的負壓將炭罐吸附的油氣運送到發(fā)動機中進行燃燒，使得炭罐能夠反復使用。在脫附總時間上，Ⅶ型試驗有5 800 s，遠高于Ⅳ型試驗的2 412 s，說明Ⅶ型試驗相對Ⅳ型試驗有更多時間來完成炭罐的脫附；在脫附溫度上，Ⅳ型試驗是38 ℃±2 ℃，高于Ⅶ型試驗的23 ℃±5 ℃，脫附的效果更好[13]；Ⅶ型試驗的行駛車速全面覆蓋低速、中速、高速和超高速，而Ⅳ型試驗僅覆蓋低速、中速、高速。因此，在進行臺架模擬試驗時，Ⅶ型試驗的脫附流量設(shè)定一般選擇300倍炭罐有效容積，而Ⅳ型試驗的脫附流量設(shè)定一般選擇200倍炭罐有效容積。

4) 排放測試。Ⅳ型試驗測試的是1 h熱浸試驗和2晝夜換氣試驗的蒸發(fā)排放試驗結(jié)果，而Ⅶ型試驗測試加油過程中的蒸發(fā)排放。

通過對Ⅳ型試驗和Ⅶ型試驗的試驗流程進行分析，Ⅳ型試驗的炭罐在過飽和狀態(tài)下進行了不充分脫附，重點考查的是炭罐不充分脫附狀態(tài)下的吸附能力；Ⅶ型試驗進行了充分脫附，重點考查加油過程的吸附能力。

2.2 Ⅴ型試驗解析

Ⅴ型試驗是針對燃油蒸發(fā)污染控制系統(tǒng)的耐久試驗，即需要車輛行駛一定里程數(shù)量后再按2.1節(jié)所述測試Ⅳ型試驗和Ⅶ型試驗，并達成標準規(guī)定的指標。Ⅴ型試驗分為2個階段，國6a階段的耐久里程是16萬km，國6b階段的耐久里程為20萬km。

2.3 測試方法

結(jié)合上述對比分析，炭罐需要同時滿足Ⅳ型試驗、Ⅴ型試驗和Ⅶ型試驗的要求。因此，通過對比分析炭罐的脫附流量，選擇采用較少的Ⅳ型試驗的200倍炭罐有效容積作為脫附總量；通過對比分析Ⅳ型試驗和Ⅶ型試驗脫附過程，脫附速度也選擇22.5 L/min；模擬Ⅴ型試驗，將連續(xù)進行炭罐丁烷工作能力測試吸附過程和脫附過程視為一個循環(huán)，進行200次循環(huán)的試驗。

試驗對象選擇某廠家生產(chǎn)的炭罐，采用1.58 L BAX1500活性炭和0.3 L BAX1100活性炭的組合設(shè)計，炭罐結(jié)構(gòu)為兩腔式結(jié)構(gòu)，腔室比例2∶1。

2.4 試驗結(jié)果及分析

炭罐吸附增重試驗結(jié)果如圖3所示。200次循環(huán)的試驗過程中，炭罐首次吸附增重非常突出，達到132 g，然后炭罐吸附增重數(shù)據(jù)圍繞80 g波動，并存在緩慢上升趨勢。

圖3 炭罐吸附增重試驗結(jié)果

炭罐脫附減重試驗結(jié)果如圖4所示。炭罐脫附減重數(shù)據(jù)也始終圍繞80 g波動，并存在緩慢上升趨勢。

圖4 炭罐脫附減重試驗結(jié)果

去除第1次循環(huán)的數(shù)據(jù)，將炭罐吸附增重與脫附減重的數(shù)據(jù)做差值處理，結(jié)果如圖5所示。數(shù)據(jù)均值為0.085 g，接近于0，趨勢線為水平直線。

圖5 炭罐吸附增重與脫附減重的差值圖

通過對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析可知，炭罐首次吸附的炭罐增重數(shù)據(jù)是132 g，體現(xiàn)了新炭罐的吸附能力。隨后的炭罐脫附減重與吸附增重都維持在80 g左右，說明200倍炭罐有效容積脫附流量能夠釋放的炭罐工作能力是80 g。炭罐吸附的吸附增重與脫附減重存在上升趨勢，可能是在老化過程中一部分首次吸附殘留的HC被釋放，也說明了丁烷沒有起到阻塞微小孔隙的老化作用。因此，炭罐的臺架老化的介質(zhì)依然應(yīng)該選擇汽油，但是在過程階段性評價和老化結(jié)束的評價方式需要選擇丁烷工作能力。

3 結(jié)束語

通過對200次循環(huán)的炭罐丁烷老化試驗研究，說明了汽油在炭罐老化過程中的不可替代性。提出炭罐老化評價的新方法，為炭罐老化性能的檢測提供參考。