汽車燃油蒸發排放控制系統性能研究

殷健力

(中國汽車工程研究院股份有限公司 整車排放檢測部，重慶 401122)

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汽車燃油蒸發排放控制系統性能研究

殷健力

(中國汽車工程研究院股份有限公司 整車排放檢測部，重慶 401122)

指出了隨著空氣污染和能源緊缺等問題日益嚴重，以及相應排放法規的日益健全與嚴格，研究汽車燃油蒸發排放控制規律及影響因素具有重要意義。活性炭罐是燃油蒸發控制系統的核心部件，在分析汽車蒸發排放產生機理的基礎上，研究了溫度、流量和體積等因素對活性炭罐工作性能的影響。通過炭罐性能試驗及燃油蒸發密閉室試驗，驗證了改進后的燃油蒸發控制系統在炭罐工作能力和整車蒸發污染物排放上具有更優化的性能。

燃油蒸發排放；控制系統；活性炭罐；工作能力

1 引言

隨著我國汽車工業的不斷發展，汽車污染物對城市空氣造成的影響已經越來越嚴重。汽車污染物主要來源于尾氣的排放、燃油蒸發排放，和曲軸箱排放。其中尾氣排放約占63%，燃油蒸發排放和曲軸箱污染物排放各占20%和17%。燃油蒸發污染物的主要成分是HC，HC易形成光化學煙霧，并且本身毒性很大，對環境造成嚴重污染。

為了幫助治理越來越嚴重的空氣污染問題，美國加利福尼亞大氣資源局于1970年制定了第一個汽車燃油蒸發污染物排放法規。隨后日本歐洲也相繼開始對燃油蒸發排放進行控制，并頒布相應法規。我國的燃油蒸發控制起步于20世紀90年代，檢測方法一開始為收集法，后來變為密閉室法，分別于2005年和2013年發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》和《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》。該法規分別檢測熱浸和24 h晝間的污染物排放，并將兩次測得的HC排放的總和做為最終結果，排放結果要求控制在2g以內。

第六階段的排放標準大致從2019年起開始實施，從《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)征求意見稿》中可以看出，相比國五標準，國六標準里關于蒸發排放檢測無論是試驗方法還是限值要求都有較大變化：新增ORVR試驗，即加油污染物排放測試，主要用于控制加油時的油氣排放；并將原來的晝間排放時間延長至2 d；還對蒸發排放提出了耐久性要求，即車輛的蒸發排放在16萬km的耐久試驗中仍然應當滿足限值要求；除此之外限制也進一步加嚴，其中一類車IV型試驗的限制或將縮減為0.7g。由此可見，下一階段的排放標準將對車輛的燃油蒸發排放控制策略及系統提出了更為嚴格的要求，相關方面控制的研究很有必要。

針對蒸發排放產生機理，和蒸發排放控制策略方面進行了相關研究。石磊等分析了燃油蒸發排放的主要來源，總結闡述了燃油蒸發排放控制系統和車載加油蒸汽回收裝置的結構及原理[1]；李景波等以正丁烷為吸附介質對炭罐檢測方法進行研究，探討炭罐結構尺寸等對炭罐脫附吸附性能的影響[2]，韋海燕等提出通過改善燃油品質、改進汽油箱結構和材質等方法來達到抑制燃油蒸發產生的方法[3]。朱成輝等基于汽油蒸汽壓和沸點等相關特性的研究，提出對燃油系統和排氣系統的結構布置進優化設計，從而達到減少蒸發排放的目的[4]。

以上研究對于改善燃油蒸發控制系統性能，減少燃油蒸發排放具有積極意義，在此基礎上，筆者重點研究了環境溫度和流量、體積對炭罐工作性能的影響，并對改進的燃油蒸發控制裝置進行試驗驗證。

2 汽油車燃油蒸發污染物來源分析

機動車燃油蒸發污染物除了少部分來自于內外飾中苯等物質的揮發，大部分來自于燃油供給系統受熱輻射形成的燃油蒸汽。根據高溫，低壓的燃油蒸發性較強的原理，環境空氣、排氣管、汽油泵摩擦損失以及發動機回油都會對油箱進行傳熱，促使燃油蒸汽的蒸發；在燃油管路中，燃油由小管徑流入大管徑式，壓力發生突變，也易使液態燃油形成蒸汽；在加油過程中由于燃油潑濺作用，也會形成燃油蒸汽逸散到大氣中。

從產生的時間過程來看，燃油蒸發的來源主要有以下幾個方面：①運行損失。指汽車在運行過程中，由于發動機產生的熱量等導致形成的燃油蒸汽的排放。②熱浸損失。指在車輛發動機停止運轉后的一段時間內，燃油系統具有較高溫度，此時冷卻風扇停止運行，迎風冷卻停止，這將導致形成較大量的燃油蒸發排放。③晝間換氣損失。是由于晝夜環境溫度的變化，引起燃油系統也隨之周期性地被加熱冷卻，導致的燃油蒸汽排放。④加油損失。指在加油過程中，由油滴飛濺作用導致的燃油蒸汽排放。

3 降低燃油蒸發排放策略及汽車燃油蒸發控制系統

通過減少蒸發排放源，可以有效降低汽車的燃油蒸發排放。揮發性是影響燃油蒸發的一項重要特性，一般用飽和蒸汽壓(RVP)參數來表征。RVP越大，燃油的揮發性越強。由于柴油的RVP要比汽油小的多，柴油車的燃油蒸發污染物排放量都比較小，所以一般沒有配備燃油蒸發排放控制系統。通過降低RVP值來改變燃油特性，從而減少蒸發污染物排放的方法目前還處于實驗室階段，難以向市場推廣。

油箱是HC的主要排放源，理論上通過減少油箱排出的HC，可以降低整車的蒸發排放量。研究發現，HC的蒸發量與油箱內的裝油量和汽油表面積有關，裝油量越少，燃油表面積越大，蒸發排放越大。采用塑料或者隔熱的油箱，比采用金屬材質的油箱，具有更低的蒸發排放，特別是在熱浸階段的實驗數據中，可以得出兩種材質的油箱對于蒸發排放的影響差異較大。采用無回油式的發動機供油方式，也可以降低油箱內燃油溫度，達到降低蒸發排放的目的。通過合理選用密封材料和密封設計可以增加燃油系統的密閉性，從而減少燃油蒸發泄露，具體方法有：減少燃油系統連接件的數目，減少用于連接的橡膠管的長度等。

目前主要采用燃油蒸發控制系統來對汽車蒸發排放污染物進行減排控制。燃油蒸發控制系統由油箱、活性炭罐、吸附閥、脫附閥及相關管路構成。其中活性炭罐起到儲存燃油蒸汽的作用，是整個控制系統中最重要的部分，吸附閥和脫附閥對整個系統起到協調控制的作用。燃油蒸發控制系統的原理為：當油箱內燃油蒸汽壓力升高，大于吸附閥的開啟壓力時，燃油蒸汽通過管路進入炭罐并儲存在其中，炭罐內部的活性炭具有吸附并儲存燃油蒸汽的能力。在適當的工況下，當ECU控制炭罐脫附閥開啟，發動機進氣歧管內將形成負壓，氣流通過炭罐的大氣口進入炭罐，并將儲存在炭罐中的燃油蒸汽吹掃到發動機缸內燃燒掉[5]。

4 活性炭罐工作性能的改善研究

體現炭罐性能的參數主要是有效吸附量、初始工作能力、終了工作能力、通氣阻力、脫附殘存量等。國家環境保護總局頒發的HJ/T 390-2007文件中，要求炭罐的汽油初始工作能力應大于等于6.5g/100 mL，汽油終了工作能力應大于等于5.2g/100 mL。在炭罐臺架測試系統中進行炭罐工作能力試驗，探討炭罐吸附脫附過程中，環境溫度、流量和體積等因素對其工作能力的影響。

為了研究吸附速率對炭罐工作能力的影響，在同一環境條件下，先用干空氣對一個有效容積為1200 mL的炭罐進行脫附，脫附流量為25 L/min，脫附體積為600個炭罐有效容積。然后采用50%容積的丁烷和50%氮氣的混合氣，分別以40 g/h、60 g/h、100 g/h、150 g/h丁烷的速率對炭罐進行吸附，直至到臨界點，即炭罐吸附飽和后從通大氣口逸出2 g碳氫化合物的時刻[6]，測量吸附前后炭罐的質量差。每個吸附速率試驗中，重復進行6次脫附/吸附循環，并取結果的平均值，試驗結果見表1。結果表明：在同樣達到飽和的終了狀態下，吸附速率越高，炭罐所能貯存的燃油蒸汽越少，從而工作能力越低。其中采用40g/L的吸附速率比采用150g/L的吸附速率時，炭罐的工作能力提高了19.3%。一方面是因為部分小分子HC與活性炭之間的范德華力較弱，而當吸附氣體的流量變大，可能使得這部分汽油蒸汽分子掙脫活性炭的吸附而從炭孔中脫附出來；另一方面，由于相比高的吸附速率，低吸附速率的吸附過程時間變長，使得炭罐與周圍環境空氣交換更多的熱量，更有利于增強炭罐吸附能力。

表1 不同吸附速率下炭罐的工作能力

為了研究不同脫附體積和脫附流量對炭罐工作能力的影響，在同一環境條件下，分別用不同體積和不同流量下的空氣對炭罐進行脫附，然后用50%容積的丁烷和50%氮氣的混合氣，以150 g/L丁烷的速率將炭罐吸附到飽和狀態，檢測炭罐工作能力，結果如圖1所示。圖1的結果表明：提高脫附體積可以增加炭罐工作能力，但當脫附空氣體積達到300倍炭罐有效容積后，炭罐工作能力的增加趨勢變得很緩慢。而在脫附空氣體積一定的情況下，增加脫附流量，可以提高炭罐工作能力。這是由于活性炭微孔與HC直徑比較接近時，范德華力較大，這些HC分子難以被脫附從而殘留在活性炭中，而較大流量和流速的空氣可以克服較大的吸附力，從而減少炭罐的脫附殘存量。

圖1 不同脫附體積和脫附流量對炭罐工作能力的影響

根據熱力學原理，HC分子與活性炭的吸附是放熱過程，脫附時吸熱過程，所以理論上降低環境溫度更有利于炭罐的吸附，而升高環境溫度更有利于炭罐的脫附。對同一臺汽車分別設計3種燃油蒸發控制裝置方案，并按照GB18352.5-2013標準中關于蒸發排放試驗的要求，進行密閉室蒸發排放試驗[6]。其中方案二、三與方案一中采用的燃油蒸發控制系統基本不變，但在方案二中，從汽車排氣口處安裝導熱設備，將脫附過程中汽車尾氣的熱量傳遞到炭罐附近，對炭罐脫附過程中的環境空氣進行加熱。方案三在方案二的基礎上，將原來的塑料碳罐殼體更換為導熱性能更好的金屬殼體，用于增強吸附過程中的散熱，降低炭罐溫度。試驗數據如表2所示。由此得出，炭罐吸附和脫附過程中的環境溫度對炭罐工作性能和整車蒸發排放結果影響較大，通過降低吸附時炭罐周圍的環境溫度，增加脫附時的溫度，可以達到減少燃油蒸發排放的目的。

圖2 吸附脫附環境溫度對蒸發排放試驗結果的影響

5 結語

活性炭罐是燃油蒸發排放控制系統中最關鍵的組成部分，其吸附脫附性能直接影響蒸發排放控制系統的性能和整車蒸發排放試驗的結果。在分析炭罐吸附與脫附機理的基礎上，提出一種通過加熱炭罐脫附過程的環境溫度，降低炭罐吸附過程中的溫度的改進措施。通過炭罐性能測試試驗，和整車密閉室蒸發排放試驗，驗證了改進后的燃油蒸發控制系統對于改善炭罐工作性能和降低整車蒸發排放具有明顯效果，為蒸發控制系統的改善提供了參考。

[1]石 磊. 汽車燃油蒸發排放控制系統[J]. 汽車工程師. 2013(1):50～52.

[2]李景波. 汽油車用炭罐的性能測試方法及性能研究[D]. 北京：清華大學， 2004.

[3]韋海燕. 汽油車燃油蒸發污染物控制技術探討[J]. 農機化研究. 2008(1):196～199.

[4]朱成輝. 燃油蒸發排放控制的對策與實踐[C]∥河南省汽車工程學會. 河南省汽車工程學會第八屆科研學術研討會.鄭州：河南省汽車工程學會，2015：122～124.

[5]何彥彬. 淺析汽車燃油蒸發控制系統[J]. 汽車使用技術， 2015(3): 11～13.

[6]國家環境保護總局. 環境保護產品技術要求汽油車燃油蒸發污染物控制系統(裝置)[S]. 北京：國家環境保護總局，2007.

[7]國家環境保護總局. 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S]. 北京：國家環境保護總局，2013.

2016-09-01

殷健力(1989—)，男，工程師，主要從事整車污染物排放控制和整車環境模擬方向的研究工作。

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1674-9944(2016)18-0088-03