基于蒸發(fā)排放試驗和混動車型蒸發(fā)控制方式的炭罐研究

摘 要：近年來，混合動力車型的銷量趨勢呈現(xiàn)出強勁的增長勢頭，但混動車型與傳統(tǒng)燃油車型的蒸發(fā)排放控制方法存在差異。本文分析了各國法規(guī)的蒸發(fā)排放試驗方法以及混動車型的蒸發(fā)控制方法，并通過實驗對炭罐的吸附能力和有效容積進行了研究。得到了混動車輛的炭罐吸附能力應滿足加油和炭罐老化的要求，且有效容積應盡可能減小的結論。

關鍵詞：炭罐 蒸發(fā)排放試驗 混合動力

機動車排放污染物是大氣環(huán)境的主要污染源之一，主要來源是機動車尾氣排放和蒸發(fā)排放兩個方面。隨著各國法規(guī)的排放限值不斷加嚴，機動車的尾氣排放水平已經得到了有效提升，蒸發(fā)排放的排放量已逐漸超過尾氣排放[1]。機動車的蒸發(fā)排放已成為環(huán)境大氣污染的重要來源，提高機動車蒸發(fā)排放的控制水平是改善大氣環(huán)境和保護公眾健康的重要方法。

機動車蒸發(fā)排放的控制方法主要是通過燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（EVAP）實現(xiàn)的。EVPA系統(tǒng)主要由活性炭罐、控制電磁閥、蒸氣分離閥及相應的管路組成。其主要功能是在燃油箱內蒸汽壓力超過預定值時，能夠使油氣進入并吸附在活性炭罐內，并在發(fā)動機運行時，通過控制炭罐電磁閥開閉，使油氣從活性炭罐脫附到發(fā)動機進行燃燒，從而最大限度地減少油氣從燃油箱釋放到大氣中。

然而，由于混動車型在低速情況下長期處于電驅動工況，這種條件下其炭罐的脫附效率與傳統(tǒng)車型存在著一定差距。因此，炭罐作為EVPA系統(tǒng)中用來儲存燃油蒸汽的核心零部件，分析研究炭罐的工作能力對提升混動車型的蒸發(fā)排放性能有著重要意義。

1 蒸發(fā)排放試驗

1.1 國VI標準的蒸發(fā)污染物試驗

蒸發(fā)排放是機動車燃油系統(tǒng)損失的燃油蒸汽釋放到環(huán)境造成的，蒸發(fā)污染物的主要化學成分是碳氫化合物。蒸發(fā)排放試驗就是基于排放標準規(guī)定的試驗程序，測量蒸發(fā)污染物排放量的試驗。

中國第六階段輕型汽車污染物排放限值及測量方法（國VI標準）[2]中根據車輛EVAP控制方式的不同分成了兩種測試流程，分別為“整體及非整體式控制系統(tǒng)”及“非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)（NIRCO）”。二者的主要區(qū)別在于前者活性炭罐既對加油排放進行控制也對晝夜換氣排放進行控制，而后者活性碳罐主要用于吸附加油時產生的油氣，其他非加油過程產生的油氣均儲存在油箱或排放到發(fā)動機燃燒。

國VI標準規(guī)定蒸發(fā)污染物排放試驗的流程包括以下階段：由預處理循環(huán)和用丁烷預處理試驗車輛和炭罐；高溫浸車和高溫測試循環(huán)；測定熱浸損失；測定晝夜換氣損失這四個階段，具體試驗流程如圖1所示。

1.2 歐美蒸發(fā)污染物試驗

通過解讀各國國際法規(guī)中蒸發(fā)排放的相關試驗要求，根據蒸發(fā)污染物的來源情況，蒸發(fā)試驗的主要內容可以分為運行排放、熱浸排放、晝間排放和加油排放四種類型。按照以上試驗內容的分類，對比中美歐的蒸發(fā)排放法規(guī)，其蒸發(fā)排放試驗的主要區(qū)別在于，美國標準相比于國VI標準增加了運行排放和BETP試驗，歐VI d法規(guī)相比于國VI標準則增加了炭罐老化測試、油箱壓力沖擊條件下的BETP測試[3]。

美國第三階段機動車排放及燃料標準（Tier3）與國VI標準對比，在整車蒸發(fā)排放試驗的流程中不僅增加了冷啟動排放試驗和熱啟動排放試驗，還增加了運行排放試驗用于測定車輛在運行過程中的蒸發(fā)排放。Tier3的晝間試驗也采用了較中歐法規(guī)更長的72小時試驗時長。除了整車的試驗外，Tier3針對炭罐還增加了零部件級的BETP試驗（炭罐逸出排放試驗），用于測定炭罐的蒸發(fā)污染物逸出情況。

歐盟法規(guī)中，歐Ⅵd法規(guī)相比于國VI標準的蒸發(fā)試驗，對于炭罐增加了包含有溫度循環(huán)老化、振動老化和GWC燃油蒸氣老化的預處理要求。對于裝備NIROC系統(tǒng)的車輛在試驗流程中則是增加了炭罐減壓呼氣損失測試來模擬碳罐內的加載質量。此外，歐Ⅵd還有油箱滲透因子測試，目的是將油箱滲透產生的蒸發(fā)排放也計算到試驗結果中。

2 混動車型的蒸發(fā)控制方法

2.1 非整體僅控制加油排放的炭罐系統(tǒng)

根據國VI標準中蒸發(fā)排放的試驗流程，采用整體式蒸發(fā)控制系統(tǒng)的車輛需要先將炭罐吸附到擊穿臨界的狀態(tài)下，然后再通過高溫行駛對炭罐進行脫附。如果車輛炭罐在高溫行駛階段無法得到足夠的脫附，在后續(xù)的熱浸和晝夜氣試驗中，將導致大量油氣擊穿炭罐排放到大氣中，從而對試驗結果產生嚴重影響。

在實際的國VI蒸發(fā)試驗中，混動車型在預處理試驗后處于電量保持模式，在這種模式下車輛能夠在起步時使用純電力進行驅動，并且在怠速和低速的狀態(tài)下也可以保持純電行駛。這就造成了混動車型在高溫行駛的過程中發(fā)動機的啟動時長與傳統(tǒng)燃油車有著較大的差距，炭罐脫附時長不足而無法得到有效脫附。所以為了滿足蒸發(fā)排放的要求，混合動力車輛的蒸發(fā)控制系統(tǒng)普遍采用了非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)（NIRCO）。在NIRCO系統(tǒng)中，活性炭罐僅用來吸附加油過程中產生的油氣，其他非加油過程中產生的油氣則是通過高壓油箱控制技術儲存在具有高壓密閉功能的油箱內部，從而減少燃油箱呼吸產生的油氣進入炭罐，降低炭罐的脫附需求。

2.2 其他蒸發(fā)排放控制技術

使用NIRCO系統(tǒng)可以有效解決混動車型的蒸發(fā)排放控制問題，但混動車型脫附能力不足的問題依然存在。隨著汽車技術的進步，為了解決混動車型的蒸發(fā)排放問題，許多提高炭罐脫附水平和控制油氣產生的技術已經得到了應用。

從炭罐脫附的角度出發(fā)，通過控制脫附電磁閥開度和發(fā)動機空燃比，增加炭罐脫附時的脫附速率是最直接有效的技術手段。申立影[4]等人通過研究發(fā)現(xiàn)混合動力汽車可以通過提高中高速行駛階段脫附速率來彌補脫附時長不足。然而，炭罐的脫附策略能夠對發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性產生影響，相同工況下發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性隨著脫附速率的增加而降低[5]。

提高混動車型炭罐的脫附能力，還可以通過增加脫附時長的控制技術來實現(xiàn)。如比亞迪公司基于DM-i串并聯(lián)架構開發(fā)的油氣排放控制技術，實現(xiàn)了發(fā)動機和車輪的解耦，能夠根據環(huán)境和車輛狀態(tài)判斷炭罐的吸附量，在炭罐吸附量接近飽和前，短時將電動模式切換到混動模式，從而在低中速階段也能夠啟動發(fā)動機對炭罐進行脫附[6]。

以上這些蒸發(fā)控制技術都是基于炭罐系統(tǒng)，通過處理已經產生的蒸發(fā)污染物實現(xiàn)的。除此之外，有些控制方法是通過減少油箱內油氣產生，從控制污染物來源角度實現(xiàn)的。如帶隔離閥的多腔體油箱，它能夠根據油箱內的汽油量改變容積，減少油箱內的汽油表面積和蒸氣體積，從而降低油氣的產生。還有油箱溫度控制系統(tǒng)，通過在油箱內增加蒸發(fā)器，使車載空調能夠對油箱進行溫度控制，依靠降低油箱內的溫度和壓力實現(xiàn)控制油氣產生的目的[7]。

3 炭罐性能研究

活性炭罐是EVAP系統(tǒng)的關鍵零部件，其最主要的功能就是貯存車輛使用過程中產生的燃油蒸氣。經由炭罐產生的蒸發(fā)排放主要包含兩種方式：第一種是炭罐吸附量達到臨界點后，油氣擊穿炭罐產生的排放（Breakthrough）；第二種則是炭罐飽和前，由于環(huán)境變化炭罐內油氣逸出產生的排放（Bleed Emissions）。結合這兩種方式，本文對炭罐的有效吸附量和容積進行了研究分析。

3.1 有效吸附量

蒸發(fā)排放試驗中必須避免Breakthrough的發(fā)生，因此炭罐需要具有足夠的有效吸附量。為了確定炭罐有效吸附量的大小是否會對蒸發(fā)試驗的結果產生影響，我們選用兩個有效吸附量分別在180g和230g的炭罐，經過600倍有效容積的有效脫附后，先后安裝在同一車輛，在相同試驗條件下進行了48小時的晝間試驗，試驗信息如表2所示。最終，從圖2的試驗結果能夠看出，兩個炭罐的兩次試驗均未發(fā)生Breakthrough現(xiàn)象。在這種情況下，炭罐有效吸附量大小對蒸發(fā)排放的試驗結果不會產生顯著的影響。因此，炭罐的有效吸附量的設定只需要保證在蒸發(fā)排放的試驗過程中不會發(fā)生Breakthrough情況。

大部分混動車型由于采用了NIRCO系統(tǒng)，炭罐的有效吸附量不需考慮晝間和熱浸過程，僅需要滿足試驗中加油過程的油氣吸附。根據經驗，加油過程產生的排放大約在1.1～1.5g/L之間，需要根據實際的油箱容積進行計算。此外，采用NIRCO系統(tǒng)的車型還需要考慮高壓密閉油箱在加油前的泄壓過程，這個過程產生的油氣同樣需要由炭罐進行吸附。按照袁衛(wèi)[8]等人的研究，高壓泄壓過程中的炭罐吸附量約為加油過程中炭罐吸附量的0.6倍。

炭罐的老化對炭罐的吸附能力也有著重要的影響。按照國VI標準，蒸發(fā)排放試驗需要進行3000km行駛的老化，歐美法規(guī)標準對炭罐也是有著相應的老化要求。根據李哲[9]等人研究，經過歐VI D法規(guī)老化后的炭罐比VI標準要求的炭罐工作能力更低。因此，炭罐的有效吸附能力需要在吸附量的基礎上乘以相應的老化系數。

綜上所述，混動車型的炭罐有效吸附量的確定需要同時對加油過程排放量、油箱泄壓過程排放量和炭罐老化的劣化系數進行考慮計算。

3.2 有效容積

炭罐的活性炭表面存在著大量微小的孔道和孔隙，有機分子可以在這些空隙中被物理吸附。這種物理吸附是可逆的，吸附的同時也有著解吸的現(xiàn)象發(fā)生，解吸的污染物逸出炭罐，就產生了炭罐的逸出排放。炭罐脫附過程不徹底，剩余的油氣在試驗過程中解吸逸出，會造成蒸發(fā)排放結果的升高。TIRE3中的BETP試驗就是為了檢測蒸發(fā)過程中的炭罐逸出排放。

炭罐的脫附量通常是由炭罐脫附倍數表示的，脫附倍數的定義是總脫附氣體體積與炭罐有效容積的比值。林志昌[10]等人通過簡化的BETP試驗得到了炭罐逸出排放與脫附倍數呈負冪函數關系的結論，即隨著脫附倍數的減少，逸出排放會急劇增加。在此基礎上，我們也對炭罐脫附量與脫附倍數進行了試驗研究。研究方法是選取6組參數如表3所示的炭罐，使用丁烷和氮氣混合氣將這些炭罐加載至飽和狀態(tài)，然后以600倍脫附倍數（600BE）的脫附氣體量和25L/min的脫附速率進行脫附。最后，對脫附結果進行整理，發(fā)現(xiàn)炭罐吸附量隨著脫附倍數的變化關系也呈現(xiàn)了一個冪函數的變化趨勢，如圖3所示。由此，我們推斷增大炭罐脫附時的脫附倍數，能夠有效提高炭罐的脫附質量，從而降低試驗中的炭罐逸出排放。

基于上述推斷能夠提出假設，混動車型在脫附氣體量無法有效提高的前提下，可以通過減小炭罐有效容積，實現(xiàn)增大脫附倍數、提高炭罐的脫附能力的目的。為了驗證這一假設，我們再次選取兩個吸附量為200g左右、有效容積分別為3.1L和2.4L的炭罐，以同樣25L/min的速率進行時長為40分鐘的脫附。結果如圖4所示，在相同的脫附氣體量的條件下，有效容積為2.4L的炭罐明顯能夠得到更為有效的脫附。因此，我們確定減小炭罐的有效容積能夠降低炭罐的逸出排放，提高車輛的蒸發(fā)排放控制水平。

4 結論

隨著機動車尾氣排放水平的提高，蒸發(fā)排放造成的環(huán)境污染愈發(fā)顯著，各國對于蒸發(fā)排放的試驗要求也越來越嚴格。在這樣的背景下，混動車型為了解決脫附流量不足的問題，普遍采用了NIRCO系統(tǒng)。以此為條件，本文對炭罐的有效吸附量和有效容積進行了分析研究，得到如下結論。

炭罐的有效吸附量應保證在蒸發(fā)排放試驗過程中不會被污染物擊穿，但過剩的有效吸附量對蒸發(fā)排放的試驗結果不會產生大的影響，反而可能因為炭罐脫附不完全造成逸出排放的增加。采用NIRCO系統(tǒng)的混動車型，其炭罐的有效吸附量設計需要計算加油和油箱泄壓過程的吸附要求，還應對炭罐的老化情況進行考慮。在有效吸附量和脫附能力確定的情況下，可以通過采用降低炭罐有效容積的方式，改善車輛的炭罐逸出排放，提高其蒸發(fā)排放水平。

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