摩托車國Ⅳ循環下炭罐脫附流量的研究

張智軒林吉坤翟振宇王玉冬（1-天津內燃機研究所　天津　300072 2-天津摩托車技術中心3-天津摩托車質量監督檢驗所　-奧迪（中國）企業管理有限公司）

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摩托車國Ⅳ循環下炭罐脫附流量的研究

張智軒1，2，3林吉坤4翟振宇1，2，3王玉冬1，2，3
（1-天津內燃機研究所天津300072 2-天津摩托車技術中心
3-天津摩托車質量監督檢驗所4-奧迪（中國）企業管理有限公司）

摘要：中國摩托車排放標準（第四階段）中，對于兩輪和邊三輪摩托車Ⅰ型試驗的測試循環修改為采用全球技術法規WMTC測試循環，同時增加對炭罐初始工作能力的測試要求。需要對炭罐在實際工況下的脫附流量進行研究，對臺架測試中不同等速脫附速率的脫附效果進行對比分析，為標準中相關的試驗條件、一致性檢驗測試條件的設定等提供數據支持。

關鍵詞：燃油蒸發炭罐脫附速率

引言

在現代摩托車行業中，綠色環保、低碳的理念已經被摩托車制造商和消費者廣為接受。低排放、低油耗成為摩托車產品設計和制造的重要目標之一。其中，由燃油蒸發所導致的污染物排放，也受到了越來越大的重視。燃油蒸發污染物排放控制系統的核心部件是存儲了活性碳的炭罐，其脫附性能直接影響著整個燃油蒸發控制系統以及摩托車整體的排放性能。因此，對于炭罐脫附性能的研究則顯得十分必要和重要。

目前，《摩托車污染物排放限值及測量方法（中國第四階段）》和《輕便摩托車污染物排放限值及測量方法（中國第四階段）》（以下簡稱“國四標準”）兩個標準正在制定中。相比GB 14622 -2007和GB18176-2007兩個標準，所謂國三階段標準，國四標準的文稿將燃油蒸發污染物排放作為其中的測試項目，定義為Ⅳ型試驗。同時，兩輪和邊三輪摩托車Ⅰ型試驗的測試循環修改為采用全球技術法規No.2《裝用點燃式或壓燃式發動機的摩托車的氣體排放污染物、CO2排放物以及發動機燃油消耗的測量程序》（GTR No.2）中世界摩托車測試循環（WMTC）。

在國四排放標準中，為了加嚴對燃油蒸發污染物排放一致性的控制，標準中增加了對炭罐初始工作能力的測試要求。其中，初始工作能力指通過丁烷/氮氣的混合氣使炭罐吸附至臨界點，再通過一定量的空氣進行脫附，經過13次試驗后，測得的單位炭罐有效容積的有效吸附量。

由于測試工況循環的變化以及新增了一致性試驗內容，需要對炭罐的脫附流量進行研究，以便為標準中相關的試驗條件、一致性檢驗測試條件的設定等提供數據支持。

1國四標準中WMTC工況介紹

WMTC測試循環與我國現在執行的GB14621-2007的排放測試循環相比，WMTC的測試工況更接近摩托車實際道路的行駛特征，按照摩托車發動機的排量和最高車速的不同，將摩托車進行分類，具體如表1和圖1所示[1]。

表1　兩輪摩托車分類

圖1　兩輪摩托車分類

WMTC測試循環由三個測試部分組成，考慮到一些小排量的摩托車和踏板摩托車的最高車速達不到工況中所要求的車速，每個部分各包含一個正常測試循環和低速測試循環，每個循環持續600 s，其速度－時間曲線如圖2所示[1]。第一部分為低速部分，代表市區內道路情況；第二部分為中速部分，代表鄉村公路；第三部分為高速部分，代表高速道路情況。

2樣車選擇

圖2　 WMTC測試循環的構成

通常情況下，炭罐的大小會根據樣車油箱容積進行選擇，脫附流量也應根據發動機的排量、燃燒狀態等因素進行合理的設定。不同的樣車采用不同的炭罐和不同的脫附流量，但炭罐和脫附流量與摩托車發動機的排量具有相關性。因此，本文以發動機的排量為基礎，選擇典型樣車作為研究對象。根據中國2007年至2012年全國摩托車的產量[2]，按照不同的排量進行分類，統計數據結果如表2所示。

從表2可以看出，對于兩輪摩托車產量最大的排量段為111 mL～125 mL這一排量段，排在第二位的是101 mL～110 mL排量段的摩托車。因此，為了針對適合中國摩托車行業的實際情況，本次研究選取這兩個排量段的摩托車樣車作為對象。同時，考慮到典型的車輛類別，選擇1輛排量為125 mL的騎式車、1輛排量為125 mL的踏板和1輛排量為110 mL的彎梁車作為測試對象進行研究。

表2　中國摩托車產量統計表

3試驗方法及設備

3.1試驗方法

1）對所選擇的三輛被測試樣車，根據樣車分類原則，選取對應的WMTC工況，研究炭罐在摩托車上實際脫附的工作狀態，測試炭罐在實際循環下的脫附流量和脫附總量。

2）分別測試炭罐在實際循環下脫附質量以及不同穩定脫附流量下炭罐的脫附質量。

3.2測試設備介紹

根據試驗方法，摩托車按照WMTC工況運行對應的工況，需要用具有道路行駛阻力模擬功能的底盤測功機；測量摩托車運轉過程中炭罐脫附的實時流量，需要用氣體質量流量計；測量摩托車炭罐吸附前、后，脫附前、后等狀態下的炭罐的質量，需要用電子天平；使炭罐單獨進行吸附和脫附，需要用炭罐綜合測試系統。因此，本次研究需要用的主要設備如表3所示。

4測試過程和結果

4.1三輛樣車WMTC工況下炭罐脫附流量的測試

4.1.1測試過程

1）根據每輛被測試樣車的基準質量，按照GB14622-2007中C.5條款中使用行駛阻力表設定底盤測功機的方法，對底盤測功機進行相應的設定；

表3　主要設備一覽表

2）根據GTR No.2中關于樣車的分類以及對應的工況循環，準備好三輛樣車對應的測試工況。

3）將三輛樣車分別置于同一臺底盤測功機上，將氣體質量流量計串聯接入炭罐的脫附管路；

4）連接好后，按照WMTC排放工況進行每輛樣車的運轉試驗，測量炭罐脫附流量的實時數據。每輛樣車分別測試常溫下起動以及熱車狀態下起動，這兩種狀態下的脫附流量數據。

4.1.2測試結果

三輛測試樣車的瞬時脫附流量如圖3至圖5所示。

根據三輛被測樣車炭罐脫附流量的模態數據，計算進行一次WMTC工況運轉后炭罐的脫附總量以及脫附流量的平均值，試驗結果如表4所示。

圖3　騎式車WMTC工況下脫附流量模態圖

圖4　踏板車WMTC工況下脫附流量模態圖

圖5　彎梁車WMTC工況下脫附流量模態圖

表4　三輛樣車的脫附量測試結果

4.1.3數據分析

1）相同排量下，踏板車脫附總量大于騎式車。由于被測試樣車都為化油器供油方式，炭罐脫附閥是否開啟與進氣負壓成正比關系；在相同條件下，負壓的大小與車輛節氣門開度有直接的關系，踏板車采用自動離合方式，因此使得節氣門在運行工況過程中多處于較大的開度狀態，使炭罐處于較高的脫附流量。

2）本次研究的彎梁車，排量小于騎式車和踏板車；彎梁車也多采用3L至4L的油箱容積，因此此種樣車多采用了較小的炭罐。通過表4的結果可以看到，彎梁車相應的脫附總量和脫附流量的平均值都較小。

4.2騎式車不同脫附方式的測試

4.2.1不同脫附條件下的炭罐脫附情況的測試

此項測試，在排量為125 mL的騎式車上進行。采用三種不同的脫附條件對炭罐進行脫附處理，分別測試在三種方式下的脫附效果。三種不同的脫附方式為：

1）運行一次完整的WMTC工況；

2）以（24±1）L/min的速率，400倍床容積進行脫附；

3）以（2±1）L/min的速率，400倍床容積進行脫附。

每種脫附條件的試驗前，都采用GB20998-2007 中C.5.1.6條款的方法“用丁烷使炭罐吸附至臨界點”，并稱量此時炭罐的質量，作為吸附后（脫附前）的質量；采用不同的脫附條件對炭罐進行脫附；稱量脫附后炭罐的質量，作為脫附后的質量。

4.2.2測試結果

三種不同脫附條件下，炭罐脫附能力的測試結果如表5所示。

表5　炭罐不同脫附條件下的測試結果

4.2.3數據分析

從表5中可以看出，對于相同炭罐在相同脫附空氣總量的條件下，采用不同的等速脫附流量，（24± 1）L/min的脫附速率可以使炭罐得到更加充分的脫附。由于流速越大壓強越小的原理，較高的流速使得碳粉表面的壓力降低，因此增大了碳粉縫隙與表面的壓力差，把碳粉中吸附的碳氫分子從縫隙中吸了出來，從而達到脫附的效果。

5　結論

由于試驗工況的變化，摩托車制造廠可以根據樣車的實際運轉狀態，考慮發動機的排量以及油箱容積的大小，來選擇炭罐的有效容積，合理地設定脫附速率。從而達到既能控制燃油蒸發污染物排放，又能充分利用炭罐的效果，以節省企業的生產成本，避免浪費。

同時對于炭罐臺架測試，采用較高的脫附流量可以使炭罐得到充分的脫附，提高其工作能力，同時又提高了試驗的效率，節省測試成本。

參考文獻

1環境保護部. GB 14622-2007摩托車污染物排放限值及測量方法（工況法，中國第Ⅲ階段）[S].北京：中國環境科學出版社，2007

2環境保護部. GB 18176-2007輕便摩托車污染物排放限值及測量方法（工況法，中國第Ⅲ階段）[S].北京：中國環境科學出版社，2007

3全球技術法規No.2《裝用點燃式或壓燃式發動機的摩托車的氣體排放污染物、CO2排放物以及發動機燃油消耗的測量程序》[EB/OL]. http://wenku.baidu.com，2015-03-20

4 Japan Automobile Manufacturers Association. World motor vehicle statistics[J]. Motorcycle Statistics，2014，13：200

5環境保護部. GB 20998-2007摩托車和輕便摩托車燃油蒸發污染物排放限值及測量方法[S].北京：中國環境科學出版社，2007

Study on the Canister Purging Flow under Testing Cycle of China StageⅣ Zhang Zhixuan1，2，3，Lin Jikun4，Zhai Zhenyu1，2，3，Wang Yudong1，2，3
1- Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

2- Tianjin Motorcycle Technical Center 3- Tianjin Motorcycle Quality Supervisory &

Testing Institute 4- Audi（China）Enterprise Management Co.，Ltd.

Abstract：In China motorcycle emission standards（StageⅣ），the Word Motorcycle Test Cycle(WMTC) was accepted as the exhaust emission test cycle for motorcycle with two-wheels or with sidecar. At the same time, the canister initial butane working capacity（BWC）need be the test. The purging rate of canister in real driving cycle should be studied, and the purging effective of different purging rate under bench test should be analyzed to propose the testing conditions and setting of the COP test in ChinaⅣ.

Keywords：Evaporation，Canister，Purging rate

收稿日期：（2015-03-18）

文章編號：2095-8234（2015）03-0044-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：U483

作者簡介：張智軒（1983-），男，工程師，主要研究方向為摩托車檢測技術。