基于國六法規的碳罐脫附流量對蒸發排放性能的影響

周祥云　張磊　黃敬鋒　肖亮

摘 要：國內整車排放不斷加嚴，對燃油系統的開發帶來了極大的挑戰。為了應對國VI法規對蒸發排放性能的要求，文章以某一車型蒸發排放試驗超過限值為引入點，詳細分析了影響蒸發排放性能的各個因素，總結出在開發過程中控制蒸發排放性能的方法。關鍵詞：國VI法規;碳罐脫附流量;燃油系統;蒸發排放中圖分類號：X-652? 文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）02-78-03

Abstract： The increasing regulations of vehicle emission in China have posed great challenges to the development of fuel system. In order to meet the requirements of China VI regulations on evaporation emission performance， this paper takes a vehicle evaporation emission as the introduction point， analyses in detail the various factors affecting the evaporation emission performance， and summarizes the methods of controlling the evaporation emission performance in the development process.Keywords： China VI regulations; Purge flow of carbon canister; Fuel system; EVAP EmissionCLC NO.： X-652 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-78-03

前言

隨著我國政府對空氣質量的日益重視，由國家環保部制定并發布的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》法規也已經于2019年7月1日在我國大部分省市實施。其中，國VI法規相較與原國V法規在蒸發排放限值方面加嚴到0.7g/test。蒸發排放的污染物主要來自車輛的內外飾、油液、輪胎等非燃油系統和燃油系統兩部分。對于目前國六車型，非燃油系統所產生的CH污染物較為穩定，燃油系統所產生的CH污染物變動較大，碳罐是燃油蒸發排放系統的核心工作部件^[1]，而碳罐脫附流量的多少在燃油系統污染物排放中起主要作用。為此，我們進行了一系列探究分析。

1 蒸發排放性能問題

1.1 問題背景

在某車型開發中，選用經過3000Km磨合過的國六車，參照國VI法規中規定的蒸發排放試驗流程，選用密閉室法進行試驗。試驗中選用搭載3000Km磨合的老化碳罐，碳罐容積為3500ml，碳罐工作能力為6.2g/100ml，試驗中高溫行駛時的碳罐脫附流量為375L，脫附量比為107BV（375L/3.5L =107BV），試驗結果值為810mg高于國VI法規中要求的700mg/test，未能滿足國VI法規要求。為探究碳罐脫附流量對蒸發排放結果的影響，我們使用同一輛車，重新進行試驗，區別在于試驗中在熱浸試驗之前，高溫行駛之后，把碳罐更換為相同型號的同樣搭載過3000Km磨合的老化碳罐，但是對該碳罐先加載到2g擊穿，再進行了300BV沖洗脫附，其他試驗條件不變。此次實驗結果值為235mg，符合國VI法規要求。試驗結果如表1所示：

1.2 結果分析

該車實驗前做過72h烘烤處理，非燃油系統所產生的CH污染物排放趨于穩定，根據前期試驗測得其值在100mg/test左右。對比兩次試驗，1h熱浸排放差別不大，主要差別在48h晝間排放，通過分析可以得到首次試驗高溫行駛時碳罐脫附流量不足，碳罐未能完全再生，雖然在車輛熱浸的時候仍可發揮部分作用，但在48h晝間測試的時候碳罐已被擊穿，CH污染物從碳罐通大氣口大量溢出造成第一次排放結果超過法規限值。而第二次試驗碳罐進行了300BV的脫附之后，碳罐工作能力有了較大的再生，48h晝間測試時可以有效吸附油箱中逸出的油氣，保證了試驗結果低于國VI法規限值。對比兩次結果我們不難得到，碳罐脫附流量的大小直接影響到蒸發排放試驗的結果優劣。

1.3 拓展分析

根據相關試驗數據表明，碳罐的再生工作能力與碳罐的脫附量存在正相關關系。相同的結構，相同的碳粉配比體積，相同的吸脫附速率下，碳罐脫附流量越大，碳罐被脫附掉的CH污染物就越多，碳罐再生能力越好。碳罐再生能力在100BV處存在一個突變，小于100BV，再生能力迅速降低，如圖1。

根據碳罐的工作原理和國VI法規中所規定的蒸發排放試驗流程，我們得出在高溫行駛時的碳罐脫附流量越大，碳罐脫附的越徹底，其蒸發排放控制越好^[2]，對試驗后面的1h熱浸和兩晝間排放結果越有利。但是脫附流量過大會造成碳罐中的油氣大量進入發動機進氣歧管，導致混合氣過濃，影響發動機燃燒，從而對整車尾氣放造成負面影響，導致國VI法規要求的常溫下冷啟動后排氣污染物排放試驗的結果值超過法規限值，嚴重的還會導致發動機熄火。因此在國VI車型的開發過程中我們需要平衡碳罐脫附流量的大小、尾氣排放及發動機燃燒穩定性三者之間的關系。根據對我司前期不同車型已通過國VI公告的試驗結果的分析，統計結果如表2。我們總結出當國VI蒸發排放試驗中高溫行駛中的碳罐脫附流量在150BV-200BV左右時，國VI蒸發排放性能、尾氣排放及發動機燃燒穩定性都維持在一個較好的狀態。

2 蒸發排放超標的解決方案

針對蒸發排放試驗超標的問題，目前主要可以從三個方面進行優化：

2.1 調整碳罐容積

容積小的碳罐吸附的CH污染物少，容易在試驗中被擊穿，較易恢復工作能力。容積大的碳罐能吸附更多的CH污染物，但同時需要更多的脫附量才能恢復工作能力。如果碳罐開發之初設計的過小，碳罐沒有足夠的吸附污染物的能力，導致蒸發污染物排放超標，那么我們就需要增大碳罐的容積來滿足法規要求。由于碳罐脫附流量和整車布置空間的限制，碳罐容積不能無限制的加大，根據油箱的大小，國六車型所搭載的碳罐容積一般在2L-4L之間。由于碳罐脫附能力的限制，在相同碳罐脫附能力的情況下，適當的減小碳罐的容積會增強碳罐的再生能力，反而可以有利于蒸發排放。同時我們還需注意，更改碳罐的容積會導致碳罐重新設計開發，需重新進行各種性能試驗，重新搭載路試，重新進行公告申報，更改周期長，花費成本高，并且不利于零部件的通用化。

2.2 調整碳粉配比

碳罐工作能力主要取決于碳罐所使用的活性碳的工作能力和不同種類活性碳的配比。在相同的碳罐容積下可以通過使用工作能力更大的碳粉或增加工作能力大的碳粉的比例來增大碳罐工作能力。目前各種類的活性碳的工作能力是BAX 1700>BAX1500>BAX1100，但是具有更大工作能力的活性碳的價格會更高，提高碳罐中工作能力強的活性碳粉的配比，會增加碳罐的成本。另外調整碳罐中活性碳的空間布置，把再生率高的活性碳，如BAX1100，布置在碳罐通大氣口處，能降低碳罐的溢出排放。

2.3 增大碳罐脫附流量

通過增大高溫行駛中的碳罐脫附流量，使碳罐脫附的更徹底，盡可能大的恢復碳罐工作能力，避免碳罐在兩晝間排放過程中被擊穿。碳罐脫附流量的大小主要由脫附管的負壓和碳罐控制閥的開啟所決定。通過增大脫附管的負壓來增大碳罐脫附流量，目前國內主要采用兩種設計方案來增大脫附管的負壓：一種是增加文丘里管部件，利用文丘里特性增大脫附管的負壓，從而增大碳罐脫附流量;另外一種是利用沖洗泵，造一個恒定的負壓，從而增大碳罐脫附流量。碳罐控制閥是占空比控制閥，通過銜鐵的吸合來實現關閉，只有全開和全關兩種狀態。碳罐控制閥的工作是通過ECU控制碳罐控制閥的占空比來進行驅動的，改變占空比的大小可以控制碳罐控制閥的開度，因此，可以通過修改標定數據調整對占空比的周期控制來調整碳罐脫附流量。這種方法花費時間短，成本低，結果可靠。

綜上分析，對我司蒸發排放超過限制的車型的標定數據進行調整，把碳罐脫附流量增大到150BV-200BV之間。重新安排蒸發排放試驗，試驗中高溫行駛時的碳罐脫附流量為553L，脫附量比為158BV，試驗結果值為350mg，滿足國VI法規要求。

3 結論

蒸發排放受多方面的影響，燃油系統開發之前規劃好碳罐脫附的形式，碳罐的容積和碳粉的配比，選擇合適的碳罐，避免蒸發排放公告試驗無法通過時再去對碳罐進行結構調整，影響項目進度。碳罐脫附流量對蒸發排放有著關鍵作用，盡量在前期標定時就明確碳罐脫附流量的最低限值，在不影響尾氣排放及發動機性能的情況下盡量增大碳罐脫附流量。在蒸發排放試驗超過限制時，可優先通過調整標定數據增大碳罐脫附流量，來降低蒸發試驗中CH污染物排放值。

參考文獻

[1] 馬春悅.燃油蒸發排放控制系統的碳罐結構優化[J].汽車實用技術， 2017（24）：30-32.

[2] 王凱，楊正軍，馮馳.不同工況下脫附流量與碳罐工作能力對蒸發排放的影響[J].北京汽車，2016（02）：42-46.