汽車(chē)燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)檢測(cè)方法研究

張郁森， 吳明， 張耀軒

(1.開(kāi)平市恒量汽車(chē)檢測(cè)站， 廣東 江門(mén) 529328；2. 中山市道路運(yùn)輸車(chē)輛綜合性能小欖檢測(cè)站， 廣東 中山 528415；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

為防止油箱燃油蒸氣外溢污染大氣，汽油車(chē)安裝有油箱燃油蒸發(fā)排放控制系統(tǒng)，油箱上通常有蒸氣閥和活性碳罐貯存裝置等，油箱蓋上有空氣閥。若閥體密封性下降，將產(chǎn)生較大燃油蒸氣泄漏。而大多數(shù)車(chē)輛維護(hù)和保養(yǎng)容易忽略這種泄漏，有必要實(shí)施燃油蒸發(fā)檢測(cè)。

GB 18285—2018《汽油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法)》附錄E規(guī)定油箱加油口檢測(cè)采用壓力法，油箱蓋檢測(cè)采用壓力法或流量法。正如GB 18285—2018第E.3.1.2條所述，燃油蒸氣溫度變化會(huì)影響壓力測(cè)量結(jié)果，燃油蒸氣的體積會(huì)影響壓力損失測(cè)量。為消除這些檢測(cè)誤差，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行等效檢測(cè)和評(píng)價(jià)，分析和探討燃油蒸氣泄漏檢測(cè)方法。

1 相同時(shí)間內(nèi)壓力差與泄漏速率的關(guān)系

汽車(chē)油箱燃油蒸氣的氣壓不大、溫度不高，在泄漏過(guò)程中氣壓和溫度變化較小，可設(shè)定燃油蒸氣壓縮系數(shù)為1，其狀態(tài)變化近似為理想氣體狀態(tài)變化，在較短取樣時(shí)間內(nèi)的燃油蒸氣溫度變化很小，可把燃油蒸氣狀態(tài)變化近似作為等溫氣體狀態(tài)變化。

測(cè)量檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)的溫度t0、氣壓P0。 在加壓后燃油蒸氣泄漏的氣壓下降過(guò)程中，按GB 18285—2018規(guī)定取樣時(shí)間為10 s，取樣起始點(diǎn)時(shí)刻狀態(tài)的燃油蒸氣體積為V1、氣壓為P1、溫度為t1，取樣終止點(diǎn)時(shí)刻狀態(tài)的體積為V2、氣壓為P2、溫度為t2，泄漏體積ΔV=V2-V1。設(shè)定t1=t2，對(duì)于取樣起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的燃油蒸氣狀態(tài)，按等溫氣體狀態(tài)方程，有V1P1=V2P2，可得氣壓差ΔP=P1-P2=P2V2/V1-P2=[(V1+ΔV)/V1-1]P2=P2ΔV/V1。由此可知，當(dāng)ΔP和P2為定值時(shí)，ΔV與V1成正比，即絕對(duì)泄漏量ΔV與燃油蒸氣V1成正比，ΔV受V1的影響，難以測(cè)量V1，加上泄漏量與時(shí)間成正比，無(wú)法用ΔV來(lái)評(píng)價(jià)。ΔV/V1是單位體積燃油蒸氣的相對(duì)泄漏量，可用檢測(cè)規(guī)定時(shí)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)每升體積的泄漏速率來(lái)評(píng)價(jià)，這樣可無(wú)需測(cè)量V1。當(dāng)P2為已知值時(shí)，ΔV/V1與ΔP成正比，ΔP與P2都是相同的氣壓?jiǎn)挝?，ΔV/V1為無(wú)量綱系數(shù)，在計(jì)算時(shí)ΔV與V1單位相同。

為消除不同燃油蒸氣溫度對(duì)檢測(cè)的影響，評(píng)價(jià)限值應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下泄漏速率，將在規(guī)定時(shí)間內(nèi)檢側(cè)的不同壓力和溫度下泄漏量校正在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下泄漏量才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。按GB 18285—2018規(guī)定取樣時(shí)間區(qū)間為10 s，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃油蒸氣每升體積泄漏速率限值δ=Vb/10 s。設(shè)定P2為已知值，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣壓為Pb、溫度為tb，所檢測(cè)燃油蒸氣取樣終止點(diǎn)狀態(tài)的每升體積的泄漏量為V2b，按氣體狀態(tài)方程，有：

VbPb/(273+tb)=V2bP2/(273+t2)

(1)

式(1)中除V2b為未知量外，其他參數(shù)均為測(cè)量值和已知值，可計(jì)算得到V2b。δ限值對(duì)應(yīng)的氣壓差ΔP=P2V2b，P1=P2+P2V2b，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下δ限值對(duì)應(yīng)的ΔP隨燃油蒸氣溫度的不同而變化，從而消除燃油蒸氣溫度的影響。

2 實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值的檢測(cè)方法

油箱蓋泄漏通常是直接排入大氣造成污染。油箱泄漏通常是進(jìn)入活性碳罐被活性炭吸附，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃油分子會(huì)被吸回發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，只是發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，如果蒸氣閥泄漏過(guò)大，容易造成活性炭過(guò)早失效或當(dāng)活性炭吸附飽和后，剩余的泄漏量排入大氣造成污染。

根據(jù)污染程度不同，通常可對(duì)加油口和油箱蓋檢測(cè)規(guī)定不同的δ限值，按GB 18285—2018的規(guī)定，油箱蓋的δ限值偏小，加油口的δ限值偏大。由于ΔV/V1與ΔP成正比，油箱蓋的氣壓差偏小，加油口的氣壓差偏大。

2.1 油箱蓋限值的等效壓力差

按GB 18285—2018第E.3.4.2條，燃油蒸氣體積V1=1 000 mL時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)泄漏速率在壓力差為7 500 Pa條件下不應(yīng)超過(guò)60 mL/(1 000 mL·min)=0.01 mL/(mL·10 s)，即每分鐘標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)泄漏量不大于6%。按ΔP=P2ΔV/V1，設(shè)P2=Pb+(7.5-1.1)=101.35+6.4=107.75 kPa，對(duì)應(yīng)氣壓差ΔP=107.75×0.01=1.078 kPa=1 078 Pa，P1=P2+ΔP=107.75+1.078=108.828 kPa。

假設(shè)GB 18285—2018規(guī)定的“初始?jí)毫Σ顬? 000 Pa，在接下來(lái)的10s內(nèi)，壓力損失不應(yīng)超過(guò)1 500 Pa”是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的要求，ΔP=P2ΔV/V1，P2=Pb+(7.0-1.5)=101.35+5.5=106.85 kPa，δ=ΔV/V1=1.5/106.85=0.014 04 mL/(mL·10 s)=84.24 mL/(L·min)，即每分鐘標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下泄漏量不大于8.42%。相對(duì)流量法要求的誤差為(84.24-60)/60=40.4%，壓力法的泄漏速率限值過(guò)大，宜采用流量法檢測(cè)的泄漏速率來(lái)評(píng)價(jià)。

2.2 油箱加油口壓力差的等效δ限值

按GB 18285—2018第E.3.3.3條進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè)，假設(shè)也是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下要求的壓力差，ΔP=1 250 Pa，P1=101.35+3.5=104.85 kPa，P2=104.85-1.25=103.6 kPa，δ=ΔV/V1=1.25/103.6=0.012 066 mL/(mL·10 s)=72.4 mL/(L·min)≈72 mL/(L·min)。

根據(jù)不同的污染程度要求，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下油箱蓋的δ限值為60 mL/(L·min)，加油口的δ限值允許增大20%，為1.2×60=72 mL/(L·min)。以每分鐘標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)燃油蒸氣每升體積泄漏速率限值δ來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)，定量且直觀(guān)。

3 以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)泄漏速率限值δ來(lái)檢測(cè)評(píng)價(jià)

3.1 檢測(cè)評(píng)價(jià)方法

測(cè)量檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)的溫度t0、氣壓P0，取樣時(shí)間為10 s，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氣壓Pb=101.35 kPa，溫度tb=23 ℃。檢測(cè)時(shí)以P1點(diǎn)作為取樣起始點(diǎn)時(shí)刻，設(shè)取樣終止點(diǎn)時(shí)刻狀態(tài)的氣壓為Pj、每升體積的泄漏量為Vjb，氣壓差ΔPj=PjVjb，Vjb=ΔPj/Pj，限值的氣壓差ΔP=P2V2b，V2b=ΔP/P2。當(dāng)Pj≥P2時(shí)，ΔPj/Pj≤ΔP/P2，則Vjb≤V2b，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃油蒸氣每升體積泄漏速率δj≤δ限值，檢測(cè)合格；反之，當(dāng)Pjδ限值，檢測(cè)不合格。

當(dāng)所檢油箱或油箱蓋的氣壓差ΔPj=PjVjb時(shí)，得到Vjb=ΔPj/Pj，按氣體狀態(tài)方程，VbPb/(273+tb)=VjPjb/(273+tj)(Pj、tj分別為檢測(cè)所得取樣終止點(diǎn)時(shí)刻狀態(tài)的燃油蒸氣氣壓、溫度)，從而得到檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃油蒸氣每升體積泄漏量Vb和泄漏速率δj。

3.2 油箱加油口泄漏檢測(cè)舉例

δ限值=72 mL/(L·min)。檢測(cè)環(huán)境氣壓P0=101.1 kPa，燃油蒸氣溫度t2=t1=45 ℃，取樣終止點(diǎn)時(shí)刻氣壓P2=P0+(3.5-1.2)=101.1+2.3=103.4 kPa，根據(jù)式(1)，0.012×101.35/(273+23)=V2b×103.4/(273+45)，得V2b=0.012 636。δ限值對(duì)應(yīng)檢測(cè)氣壓差ΔP=P2V2b=103.4×0.012 636=1.307 kPa，P1=103.4+1.307=104.707 kPa，得到該燃油蒸氣溫度和氣壓下等效δ對(duì)應(yīng)的P1、P2。

以所檢油箱的燃油蒸氣氣壓P1=104.707 kPa點(diǎn)作為取樣起始點(diǎn)時(shí)刻，取樣終止點(diǎn)時(shí)刻的燃油蒸氣氣壓Pj=103.5 kPa>P2=103.4 kPa，檢測(cè)合格。

Vjb=ΔPj/Pj=(104.707-103.5)/103.5=0.011 662，根據(jù)式(1)，Vb×101.35/(273+23)=0.011 662×103.5/(273+45)，得Vb=0.011 085 mL/(mL·10 s)=66.54 mL/(L·min)<δ限值=72 mL/(L·min)，檢測(cè)合格。

3.3 油箱蓋泄漏檢測(cè)舉例

δ限值=60 mL/(L·min)。檢測(cè)環(huán)境氣壓P0=101.8 kPa，燃油蒸氣溫度t2=15 ℃，取樣終止點(diǎn)時(shí)刻氣壓P2=P0+(7.0-1.0)=101.8+6.0=107.8 kPa，根據(jù)式(1)，0.01×101.35/(273+23)=V2b×107.8/(273+15)，得V2b=0.009 148。δ限值對(duì)應(yīng)氣壓差ΔP=P2V2b=107.8×0.009 148=0.986 1 kPa，P1=107.8+0.986=108.79 kPa。從P1開(kāi)始測(cè)量，Pj=107.7 kPa

Vjb=ΔPj/Pj=(108.79-107.7)/107.7=0.010 121，根據(jù)式(1)，Vjb×101.35/(273+23)=0.010 121×107.7/(273+15)，得Vjb=0.011 054 mL/(mL·10 s)=66.32 mL/(L·min)>δ限值=60 mL/(L·min)，檢測(cè)不合格。

4 檢測(cè)操作步驟

檢測(cè)氣壓小于蒸氣閥的設(shè)計(jì)開(kāi)啟氣壓、大于空氣閥的設(shè)計(jì)開(kāi)啟氣壓，測(cè)量檢測(cè)環(huán)境氣壓P0，從油箱口對(duì)油箱的燃油蒸氣加壓，對(duì)油箱蓋和附加試驗(yàn)油箱的燃油蒸氣加壓，達(dá)到一定氣壓后斷開(kāi)加壓源，使油箱或油箱蓋形成密閉的空間，加壓后燃油蒸氣溫度為t1?？稍O(shè)t2=t1、P2為已知值，先計(jì)算所檢燃油蒸氣限值δ等效的對(duì)應(yīng)氣壓差ΔP，計(jì)算得到P1，記錄氣壓下降檢測(cè)過(guò)程中燃油蒸氣同一時(shí)刻的時(shí)間、氣壓、溫度。當(dāng)t2與t1相差較大時(shí)，可按t2重新計(jì)算δ等效的對(duì)應(yīng)氣壓差ΔP和P1，從氣壓等于P1點(diǎn)開(kāi)始取樣計(jì)時(shí)，記錄10 s后的氣壓值Pj。若Pj≥P2，則檢測(cè)合格；若Pj

5 結(jié)語(yǔ)

釆用每分鐘標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)燃油蒸氣每升體積泄漏速率限值δ來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)消除了燃油蒸氣溫度變化對(duì)檢測(cè)的影響，每升體積泄漏消除了燃油蒸氣體積對(duì)檢測(cè)的影響。不考慮燃油蒸氣狀態(tài)采用統(tǒng)一的氣壓差測(cè)量，會(huì)造成有差異的不同檢測(cè)和評(píng)價(jià)結(jié)果。而采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)限值，隨燃油蒸氣狀態(tài)不同計(jì)算不同的氣壓差，可大幅提高檢測(cè)和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。