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方法解析與優(yōu)化為例

文/孟海栗

隨著汽車數量的持續(xù)增加，汽車排放對大氣環(huán)境的污染也越來越嚴重。汽車的主要污染物來自尾氣，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氫化合物（HC），約占汽車總HC排放量的20%。為了改善空氣質量，世界各國都制定了越來越嚴格的汽車蒸發(fā)污染物排放法規(guī)。

一、新標準的技術挑戰(zhàn)

隨著我國對環(huán)境保護重視程度的不斷增加，機動車環(huán)保標準GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》已經發(fā)布，而其中燃油蒸發(fā)和加油排放的試驗方法向更為嚴格的美國標準方向靠攏，試驗難度大大增加。但同時也將促進企業(yè)加快推出新的控制燃油蒸發(fā)排放污染物控制裝置，更會對檢測機構的技術人員和設備提出更加嚴苛的考驗。

活性碳罐作為對汽車蒸發(fā)污染物排放控制的關鍵附件，主要用于車輛靜止、運行時以及加油過程中的油蒸汽吸附，其性能直接影響蒸發(fā)污染物排放控制的好壞，同時對GB 18352.6-2016中燃油密閉蒸發(fā)和加油排放的實驗結果造成直接影響，而碳罐性能測試方法則主要根據HJ/T 390-2007《環(huán)境保護產品技術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”。本文主要討論在該試驗過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，通過問題剖析、試驗、驗證，最終完善該試驗步驟，得到精確的試驗結果，相應提高新車認證試驗的可靠性，為后續(xù)碳罐開發(fā)工作提供有效的數據支撐。

二、碳罐的基本工作原理

根據碳罐的基本工作原理（見圖1），碳罐能有效儲存燃油系統(tǒng)中多余的油蒸汽，其吸附口與油箱直接連接，當汽車處于靜止狀態(tài)或行駛狀態(tài)時，油箱內的燃油隨著外界熱量傳遞升溫而不斷揮發(fā)，油蒸汽通過管路從吸附口進入碳罐并被收集；為防止輕型汽車在加油過程中，油蒸汽從加油口溢出，對其加油口與油槍接合處進行特殊密封設計。這樣多余的油蒸汽會經過吸附口進入碳罐。車輛行駛過程中，通過通氣口進入碳罐的新鮮空氣，會將碳罐吸附的油蒸汽通過脫附口帶入車輛發(fā)動機進行燃燒。整個過程既防止了多余的油蒸汽直接進入大氣污染環(huán)境，同時收集并再次進入發(fā)動機燃燒，對能源進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方法關鍵步驟

1. 試驗方法關鍵步驟

碳罐初始工作能力試驗主要反應碳罐對燃油蒸發(fā)物的吸附能力，測試過程分為吸附與脫附兩個部分。經過數個試驗循環(huán)，計算碳罐吸附擊穿后的質量與脫附完成后的質量差來計算有效吸附量，作為工作能力。

按照吸附介質的不同，試驗可以分為油蒸汽吸附法（GWC）和50%丁烷與50%氮氣混合吸附法（BWC）。按照測量試驗碳罐擊穿方式不同，試驗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%氮氣混合氣作為吸附介質，同時采用輔助碳罐測量試驗碳罐擊穿的試驗方法。

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

① 使用50%容積丁烷和50%容積氮氣的混合氣對樣品碳罐進行吸附，直至臨界點（以輔助碳罐增長2 g作為臨界點）；

② 樣品碳罐稱重，W1（單位：g）；

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

④ 樣品碳罐稱重，W2（單位：g）；

⑤ 計算樣品碳罐重量變化，記為W3=W1-W2；

⑥ 重復步驟1至步驟5，總計進行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試主要設備

根據試驗方法，進行碳罐初始工作能力試驗需運用到碳罐綜合試驗系統(tǒng)（CANISTER LOAD UNIT），其中包括：電子天平、流量控制系統(tǒng)（控制丁烷、氮氣、空氣流量對樣品碳罐和輔助碳罐的脫附與吸附的流量）。

四、測試過程中存在的數據變異分析

按照HJ/T 390-2007的碳罐初始工作能力試驗方法，通過對樣品碳罐反復吸附（流量為40 g/h丁烷與氮氣1:1的混合氣）和脫附（流量為25 L/min的干燥空氣），計算出碳罐初始工作能力。

根據該試驗要求，對某樣品進行的試驗，其中單個試驗循環(huán)數據曲線（見圖2）：

圖2 碳罐初始工作能力試驗單循環(huán)數據圖

從圖2可看出，吸附環(huán)節(jié)自試驗開始至8 000 s左右，使用50%容積丁烷和50%容積氮氣的吸附混合氣對樣品碳罐進行吸附，樣品碳罐相對質量持續(xù)上升，上升幅度較大；當樣品碳罐接近飽和后，樣品碳罐相對質量上升幅度減小，輔助碳罐相對質量開始持續(xù)上升。當輔助碳罐相對質量上升2 g時，停止吸附混合氣供應，作吸附臨界點，記錄樣品碳罐質量W1；

脫附環(huán)節(jié)自吸附臨界擊點開始至試驗結束，當吸附臨界點記錄樣品W1以后，應立刻采用（25±5）℃干空氣對樣品碳罐進行脫附，脫附流量為（25±1）L/min。此時，樣品碳罐相對質量持續(xù)下降，下降幅度非常大。當脫附干空氣總流量為樣品碳罐有效容積的600倍時，停止脫附干空氣供應，作脫附臨界點，記錄樣品W2。

通過實際操作結合試驗數據曲線，我們發(fā)現(xiàn)試驗過程中樣品碳罐的相對質量存在兩個突變點，分別位于吸附臨界點與脫附臨界點。產生相對質量突變的主要原因是由于停止吸附混合氣供應和脫附干空氣供應，氣路對樣品碳罐應力瞬間變化所造成的。計算碳罐初始工作能力的樣品碳罐質量取樣點正好位于吸附臨界點與脫附臨界點，若不考慮應力變化造成的質量數據突變，則會影響最終試驗結果的準確度。

五、碳罐初始工作能力試驗方法的優(yōu)化

為了避免試驗過程中由于氣路對樣品碳罐應力瞬間變化導致質量數據突變對最終試驗結果的影響，需要對碳罐初始工作能力試驗方法和取樣邏輯進行優(yōu)化。

在吸附環(huán)節(jié)，樣品碳罐吸附混合氣相對質量持續(xù)上升；當觸發(fā)吸附臨界點，停止混合氣供應，氣路對樣品碳罐應力發(fā)生變化，樣品碳罐相對質量發(fā)生突變。由于沒有吸附混合氣通過樣品碳罐，故此時樣品碳罐絕對質量并不發(fā)生變化，增加靜置時間T后，等待氣路應力逐漸減小直至樣品碳罐絕對重量數值不再變化、樣品碳罐不受到額外氣路應力的狀態(tài)，此時記錄樣品W1。

在脫附環(huán)節(jié)，樣品碳罐受到干空氣脫附，相對質量尺寸下降；當觸發(fā)脫附臨界點，停止干空氣供應，氣路對樣品碳罐應力發(fā)生變化，樣品碳罐相對質量發(fā)生突變。由于沒有干空氣通過樣品碳罐，故此時樣品碳罐質量并不發(fā)生變化，增加靜置時間T后等待氣路應力逐漸減小直至樣品碳罐絕對重量數值不再變化，樣品碳罐不受到額外氣路應力的狀態(tài)，此時記錄樣品碳罐質量W2。

為了確認合適的靜置時間T，分別對不同質量樣品碳罐應力變化消除時間進行3次統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如表1所示：

表1 不同質量樣品碳罐應力變化消除時間s

根據表1數據統(tǒng)計，最終選擇將靜置時間設置為180 s。由于樣品碳罐應力變化消除時間受到設備結構影響較大，建議在不同試驗設備操作時，收集各重量樣品碳罐應力消除時間作為靜置時間設置依據。經過優(yōu)化后的試驗流程如下：

使用50%容積的丁烷和50%容積的氮氣的混合氣對樣品碳罐進行吸附，直至臨界點（以輔助碳罐增長2 g作為臨界點）；對樣品碳罐靜置時間180 s；樣品碳罐稱重，W1；以（25±5）℃的干空氣對樣品碳罐進行脫附，脫附流量（25±1）L/min，直至臨界點（以脫附氣體總量為樣品碳罐有效容積的600倍時作為臨界點）；對樣品碳罐靜置時間180 s；對樣品碳罐稱重，W2。其他步驟同。

六、總 結

經過上述試驗方法和取樣邏輯的優(yōu)化，保證了樣品碳罐相對質量W1與W2取樣時，樣品碳罐保持絕對質量不變化、不受到額外氣路應力的狀態(tài)，有效地消除了氣路應力對取樣數據造成的影響，同時，符合HJ/T 390-2007碳罐初始工作能力試驗方法要求，確保了試驗數據的準確性。