汽油車蒸發(fā)污染物排放控制
——以汽車碳罐初始工作能力的試驗(yàn)方法解析與優(yōu)化為例

文/孟海栗

隨著汽車數(shù)量的持續(xù)增加，汽車排放對(duì)大氣環(huán)境的污染也越來(lái)越嚴(yán)重。汽車的主要污染物來(lái)自尾氣，其次是曲軸箱泄漏和燃料供給系統(tǒng)中燃油的蒸發(fā)。燃油蒸發(fā)排放的主要成分為碳?xì)浠衔铮℉C），約占汽車總HC排放量的20%。為了改善空氣質(zhì)量，世界各國(guó)都制定了越來(lái)越嚴(yán)格的汽車蒸發(fā)污染物排放法規(guī)。

一、新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的不斷增加，機(jī)動(dòng)車環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》已經(jīng)發(fā)布，而其中燃油蒸發(fā)和加油排放的試驗(yàn)方法向更為嚴(yán)格的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)方向靠攏，試驗(yàn)難度大大增加。但同時(shí)也將促進(jìn)企業(yè)加快推出新的控制燃油蒸發(fā)排放污染物控制裝置，更會(huì)對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的技術(shù)人員和設(shè)備提出更加嚴(yán)苛的考驗(yàn)。

活性碳罐作為對(duì)汽車蒸發(fā)污染物排放控制的關(guān)鍵附件，主要用于車輛靜止、運(yùn)行時(shí)以及加油過(guò)程中的油蒸汽吸附，其性能直接影響蒸發(fā)污染物排放控制的好壞，同時(shí)對(duì)GB 18352.6-2016中燃油密閉蒸發(fā)和加油排放的實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成直接影響，而碳罐性能測(cè)試方法則主要根據(jù)HJ/T 390-2007《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）》中“蒸氣貯存裝置初始工作能力試驗(yàn)”。本文主要討論在該試驗(yàn)過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題剖析、試驗(yàn)、驗(yàn)證，最終完善該試驗(yàn)步驟，得到精確的試驗(yàn)結(jié)果，相應(yīng)提高新車認(rèn)證試驗(yàn)的可靠性，為后續(xù)碳罐開發(fā)工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

二、碳罐的基本工作原理

根據(jù)碳罐的基本工作原理（見圖1），碳罐能有效儲(chǔ)存燃油系統(tǒng)中多余的油蒸汽，其吸附口與油箱直接連接，當(dāng)汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)或行駛狀態(tài)時(shí)，油箱內(nèi)的燃油隨著外界熱量傳遞升溫而不斷揮發(fā)，油蒸汽通過(guò)管路從吸附口進(jìn)入碳罐并被收集；為防止輕型汽車在加油過(guò)程中，油蒸汽從加油口溢出，對(duì)其加油口與油槍接合處進(jìn)行特殊密封設(shè)計(jì)。這樣多余的油蒸汽會(huì)經(jīng)過(guò)吸附口進(jìn)入碳罐。車輛行駛過(guò)程中，通過(guò)通氣口進(jìn)入碳罐的新鮮空氣，會(huì)將碳罐吸附的油蒸汽通過(guò)脫附口帶入車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒。整個(gè)過(guò)程既防止了多余的油蒸汽直接進(jìn)入大氣污染環(huán)境，同時(shí)收集并再次進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，對(duì)能源進(jìn)行了充分合理的利用。

圖1 汽車碳罐的基本工作原理

三、 碳罐初始工作能力試驗(yàn)方法關(guān)鍵步驟

1. 試驗(yàn)方法關(guān)鍵步驟

碳罐初始工作能力試驗(yàn)主要反應(yīng)碳罐對(duì)燃油蒸發(fā)物的吸附能力，測(cè)試過(guò)程分為吸附與脫附兩個(gè)部分。經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，計(jì)算碳罐吸附擊穿后的質(zhì)量與脫附完成后的質(zhì)量差來(lái)計(jì)算有效吸附量，作為工作能力。

按照吸附介質(zhì)的不同，試驗(yàn)可以分為油蒸汽吸附法（GWC）和50%丁烷與50%氮?dú)饣旌衔椒ǎ˙WC）。按照測(cè)量試驗(yàn)碳罐擊穿方式不同，試驗(yàn)又可以分為輔助碳罐法和密閉室法。本文主要討論以50%丁烷與50%氮?dú)饣旌蠚庾鳛槲浇橘|(zhì)，同時(shí)采用輔助碳罐測(cè)量試驗(yàn)碳罐擊穿的試驗(yàn)方法。

按照HJ/T 390-2007的要求，“蒸氣貯存裝置初始工作能力試驗(yàn)”方法主要有以下步驟:

① 使用50%容積丁烷和50%容積氮?dú)獾幕旌蠚鈱?duì)樣品碳罐進(jìn)行吸附，直至臨界點(diǎn)（以輔助碳罐增長(zhǎng)2 g作為臨界點(diǎn)）；

② 樣品碳罐稱重，W1（單位：g）；

③ 以（25±5）℃的干空氣對(duì)樣品碳罐進(jìn)行脫附，脫附流量為（25±1）L/min，直至臨界點(diǎn)（以脫附氣體總量為樣品碳罐有效容積的600倍時(shí)作為臨界點(diǎn)）；

④ 樣品碳罐稱重，W2（單位：g）；

⑤ 計(jì)算樣品碳罐重量變化，記為W3=W1-W2；

⑥ 重復(fù)步驟1至步驟5，總計(jì)進(jìn)行6次循環(huán)；

⑦ 取循環(huán)5中W3與循環(huán)6中W3的平均值，并除以樣品碳罐有效容積L，記為該樣品碳罐初始工作能力；

2. 碳罐初始工作能力測(cè)試主要設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)方法，進(jìn)行碳罐初始工作能力試驗(yàn)需運(yùn)用到碳罐綜合試驗(yàn)系統(tǒng)（CANISTER LOAD UNIT），其中包括：電子天平、流量控制系統(tǒng)（控制丁烷、氮?dú)?、空氣流量?duì)樣品碳罐和輔助碳罐的脫附與吸附的流量）。

四、測(cè)試過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)變異分析

按照HJ/T 390-2007的碳罐初始工作能力試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)樣品碳罐反復(fù)吸附（流量為40 g/h丁烷與氮?dú)?:1的混合氣）和脫附（流量為25 L/min的干燥空氣），計(jì)算出碳罐初始工作能力。

根據(jù)該試驗(yàn)要求，對(duì)某樣品進(jìn)行的試驗(yàn)，其中單個(gè)試驗(yàn)循環(huán)數(shù)據(jù)曲線（見圖2）：

圖2 碳罐初始工作能力試驗(yàn)單循環(huán)數(shù)據(jù)圖

從圖2可看出，吸附環(huán)節(jié)自試驗(yàn)開始至8 000 s左右，使用50%容積丁烷和50%容積氮?dú)獾奈交旌蠚鈱?duì)樣品碳罐進(jìn)行吸附，樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量持續(xù)上升，上升幅度較大；當(dāng)樣品碳罐接近飽和后，樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量上升幅度減小，輔助碳罐相對(duì)質(zhì)量開始持續(xù)上升。當(dāng)輔助碳罐相對(duì)質(zhì)量上升2 g時(shí)，停止吸附混合氣供應(yīng)，作吸附臨界點(diǎn)，記錄樣品碳罐質(zhì)量W1；

脫附環(huán)節(jié)自吸附臨界擊點(diǎn)開始至試驗(yàn)結(jié)束，當(dāng)吸附臨界點(diǎn)記錄樣品W1以后，應(yīng)立刻采用（25±5）℃干空氣對(duì)樣品碳罐進(jìn)行脫附，脫附流量為（25±1）L/min。此時(shí)，樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量持續(xù)下降，下降幅度非常大。當(dāng)脫附干空氣總流量為樣品碳罐有效容積的600倍時(shí)，停止脫附干空氣供應(yīng)，作脫附臨界點(diǎn)，記錄樣品W2。

通過(guò)實(shí)際操作結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，我們發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中樣品碳罐的相對(duì)質(zhì)量存在兩個(gè)突變點(diǎn)，分別位于吸附臨界點(diǎn)與脫附臨界點(diǎn)。產(chǎn)生相對(duì)質(zhì)量突變的主要原因是由于停止吸附混合氣供應(yīng)和脫附干空氣供應(yīng)，氣路對(duì)樣品碳罐應(yīng)力瞬間變化所造成的。計(jì)算碳罐初始工作能力的樣品碳罐質(zhì)量取樣點(diǎn)正好位于吸附臨界點(diǎn)與脫附臨界點(diǎn)，若不考慮應(yīng)力變化造成的質(zhì)量數(shù)據(jù)突變，則會(huì)影響最終試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

五、碳罐初始工作能力試驗(yàn)方法的優(yōu)化

為了避免試驗(yàn)過(guò)程中由于氣路對(duì)樣品碳罐應(yīng)力瞬間變化導(dǎo)致質(zhì)量數(shù)據(jù)突變對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的影響，需要對(duì)碳罐初始工作能力試驗(yàn)方法和取樣邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

在吸附環(huán)節(jié)，樣品碳罐吸附混合氣相對(duì)質(zhì)量持續(xù)上升；當(dāng)觸發(fā)吸附臨界點(diǎn)，停止混合氣供應(yīng)，氣路對(duì)樣品碳罐應(yīng)力發(fā)生變化，樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量發(fā)生突變。由于沒(méi)有吸附混合氣通過(guò)樣品碳罐，故此時(shí)樣品碳罐絕對(duì)質(zhì)量并不發(fā)生變化，增加靜置時(shí)間T后，等待氣路應(yīng)力逐漸減小直至樣品碳罐絕對(duì)重量數(shù)值不再變化、樣品碳罐不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，此時(shí)記錄樣品W1。

在脫附環(huán)節(jié)，樣品碳罐受到干空氣脫附，相對(duì)質(zhì)量尺寸下降；當(dāng)觸發(fā)脫附臨界點(diǎn)，停止干空氣供應(yīng)，氣路對(duì)樣品碳罐應(yīng)力發(fā)生變化，樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量發(fā)生突變。由于沒(méi)有干空氣通過(guò)樣品碳罐，故此時(shí)樣品碳罐質(zhì)量并不發(fā)生變化，增加靜置時(shí)間T后等待氣路應(yīng)力逐漸減小直至樣品碳罐絕對(duì)重量數(shù)值不再變化，樣品碳罐不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，此時(shí)記錄樣品碳罐質(zhì)量W2。

為了確認(rèn)合適的靜置時(shí)間T，分別對(duì)不同質(zhì)量樣品碳罐應(yīng)力變化消除時(shí)間進(jìn)行3次統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示：

表1 不同質(zhì)量樣品碳罐應(yīng)力變化消除時(shí)間s

根據(jù)表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，最終選擇將靜置時(shí)間設(shè)置為180 s。由于樣品碳罐應(yīng)力變化消除時(shí)間受到設(shè)備結(jié)構(gòu)影響較大，建議在不同試驗(yàn)設(shè)備操作時(shí)，收集各重量樣品碳罐應(yīng)力消除時(shí)間作為靜置時(shí)間設(shè)置依據(jù)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的試驗(yàn)流程如下：

使用50%容積的丁烷和50%容積的氮?dú)獾幕旌蠚鈱?duì)樣品碳罐進(jìn)行吸附，直至臨界點(diǎn)（以輔助碳罐增長(zhǎng)2 g作為臨界點(diǎn)）；對(duì)樣品碳罐靜置時(shí)間180 s；樣品碳罐稱重，W1；以（25±5）℃的干空氣對(duì)樣品碳罐進(jìn)行脫附，脫附流量（25±1）L/min，直至臨界點(diǎn)（以脫附氣體總量為樣品碳罐有效容積的600倍時(shí)作為臨界點(diǎn)）；對(duì)樣品碳罐靜置時(shí)間180 s；對(duì)樣品碳罐稱重，W2。其他步驟同。

六、總 結(jié)

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)方法和取樣邏輯的優(yōu)化，保證了樣品碳罐相對(duì)質(zhì)量W1與W2取樣時(shí)，樣品碳罐保持絕對(duì)質(zhì)量不變化、不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，有效地消除了氣路應(yīng)力對(duì)取樣數(shù)據(jù)造成的影響，同時(shí)，符合HJ/T 390-2007碳罐初始工作能力試驗(yàn)方法要求，確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。