滿足國六法規的蒸發排放系統開發

王 巍 趙佳佳 王永建 黃偉山 鐘 軍 劉義強

（寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

2018 年6 月，國務院發布“打贏藍天保衛戰三年行動計劃”，明確提出：大幅減少主要大氣污染物排放總量。汽車作為大氣污染的主要貢獻者之一，面臨越來越嚴格的排放及能耗法規，部分城市已經于2019 年7 月提前實施輕型汽車國六標準。

不容忽視的是，汽油車蒸發產生的HC 化合物已經超過了尾氣排放，而且具有更高的光化學活性，容易增加大氣氧化性，形成二次PM2.5。因此控制汽油車蒸發排放，對于降低PM2.5 濃度，改善大氣質量具有十分重要的意義[1]。

汽油車蒸發排放主要包括晝間蒸發排放和加油排放2 大類，國六法規（GB18352.6-2016）中對于這2 類排放有著明確的規定及限值要求。蒸發污染物排放試驗（IV 型試驗）結果應為熱浸試驗測得的HC 和2d 晝夜排放測試中測得的較高的一天的HC 質量相加，計算結果經過劣化修正后，不超過0.7 g/test。加油污染物排放試驗（VII 型試驗）結果應為加油試驗HC 排放質量除以輸送燃油的總體積數，計算結果經過劣化修正后，不超過0.05 g/L[2]。

1 蒸發排放系統硬件設計

眾所周知傳統燃油蒸發排放控制系統的結構主要由活性炭罐、炭罐電磁閥以及相應管路組成，其主要作用是炭罐吸附燃油蒸汽，發動機工作時適時打開炭罐電磁閥，將蒸汽導入發動機參與燃燒，同時炭罐得到脫附，這里不再贅述。國六階段蒸發排放限值大幅降低，約為國五階段的1/3，而且增加了加油排放的要求。因此為了應對國六階段法規，蒸發系統設計的主要關注點為炭罐、車載加油蒸汽回收（ORVR）系統、壓力油箱、油箱隔離閥（FTIV）以及蒸發泄漏診斷模塊（ELCM/DMTL/DTESK/NVLD）等。

1.1 炭罐

炭罐是對蒸發排放控制貢獻最大的部件，而炭罐設計的主要技術參數就是初始工作能力和炭罐有效容積，炭罐初始工作能力分為汽油工作能力（GWC）和丁烷工作能力（BWC），其定義為每100 mL有效容積的有效吸附量，主要取決于炭粉型號、炭罐結構，以及燃油蒸汽加載速率。在初始工作能力確定的前提下，有效容積越大，其可吸附的燃油蒸汽越多，蒸發排放相對越少。但炭罐的有效容積也無需一味追求過大，一是會增加蒸發排放系統的壓力損失，二是使其生產成本無意義增加。在設計炭罐的有效容積時，以下經驗公式可供參考。

對于加油排放：

式中：1.1 為設計安全系數。油氣蒸發率取1.5 g/L。炭罐汽油工作能力應該為汽油蒸汽加載速率在38 L/min條件下的工作能力值，也可以由炭粉廠家提供經驗值。

對于晝間蒸發排放：

晝間蒸發排放，一般與油箱內燃油量關系不大，而與燃油液面表面積[3]和溫度場直接相關。由于油箱的布局使得其幾何結構非常復雜，為了更準確地計算炭罐容積，可結合油箱SHED 試驗數據來確定蒸發排放量。

式中：2 個1.1 分別為控制運行蒸發排放所增加的系數以及設計安全系數。蒸發排放量按照上文所述。炭罐汽油工作能力可以由炭粉廠家提供經驗值，也可以按照HJ/T 390—2007 推薦的方法進行測試得出。

在進行國六車型炭罐全新開發時，可以取上述2個計算值的較大者作為初始設計，然后進行驗證。另外需要指出的是，炭罐的長徑比以及內部結構的設計對初始工作能力也有一定影響，長徑比越大，內部氣體越易擴散平衡，初始工作能力越大。

1.2 車載加油蒸汽回收（ORVR）系統

為了滿足法規對于加油排放的要求，國六車型必須設計ORVR 系統。其主要結構原理是對加油口進行密封，并將油箱內的燃油蒸汽順利導向炭罐。密封方式有機械式和液封式2 種，機械式為物理密封件，長期使用易失效。液封式為利用燃油在經過改進的加油管內的流動形成液封，阻止燃油蒸汽外溢，結構簡單成本低。另外，炭罐布置應盡量靠近油箱，且管路直徑需要增加，以求燃油蒸汽順暢流向炭罐。

1.3 壓力油箱

對于插電式混合動力汽車（PHEV），考慮到有些用戶會外接充電當做純電動汽車來使用，因此會存在炭罐存儲的燃油蒸汽長時間得不到脫附的情況。這就需要在設計上保證晝間蒸發排放不能或者不能無限制地進入炭罐，從而導致炭罐吸附飽和而產生溢出，造成蒸發排放加劇。因此通常的設計是PHEV匹配壓力油箱，并在油箱蒸汽通往炭罐的管路上增加油箱隔離閥（FTIV），此閥通常是關閉狀態，以此保證油箱是密封狀態，油箱產生的燃油蒸汽基本都封閉在油箱內，也因油箱內是高壓狀態，在一定程度上會抑制燃油蒸汽的產生。在駕駛員按加油按鈕后，FTIV 會打開，釋放油箱壓力，當油箱壓力接近大氣壓時，油箱蓋才能允許打開。一般壓力油箱的耐壓范圍為-15～+35 kPa，主要取決于油箱材料及結構設計。

當然，壓力油箱也不是必須，有的PHEV 車型就沒有匹配壓力油箱，此類車型為了滿足蒸發排放，通常需要在軟件控制策略上增加識別車輛加油后請求起動發動機進行炭罐沖洗的功能。

1.4 蒸發系統泄漏診斷

由于國六法規新增加蒸發系統泄漏診斷的要求，因此需要增加相應診斷模塊。通常的方案有DMTL、ELCM、DTESK、NVLD。其中DMTL 和ELCM為主動診斷，停機時診斷，DMTL 為正壓，ELCM 為負壓，該2 種方案診斷比較可靠，診斷率高，同時成本也較高。DTESK 和NVLD 為被動診斷，DTESK 為怠速時診斷，對燃油品質及駕駛循環敏感，不適用于帶起停的系統，NVLD 為停機時診斷，對燃油品質及外部環境溫度敏感。

綜上所述，我們開發的平臺化蒸發排放控制系統為：炭罐容積為2.5 L，具備ORVR 功能，PHEV 車型采用壓力油箱，其余車型采用普通油箱，診斷模塊選取ELCM。

2 蒸發排放控制策略及標定

前文已述，炭罐吸附的燃油蒸汽需要適時地導入發動機參與燃燒。然而，這部分沖洗氣流為空氣與燃油蒸汽的混合氣，且在導入之前，混合氣濃度未知，這部分混合氣的導入，勢必會影響發動機的燃燒，對怠速穩定性及空燃比的控制帶來一定的沖擊。因此，如何更加精確地控制炭罐沖洗氣流，以及盡可能減小其對發動機燃燒的影響，保證既要滿足蒸發排放及加油排放的法規要求，又要滿足炭罐沖洗對駕駛性無惡劣影響的要求，成為軟件控制及標定需要解決的重點和難點。

2.1 沖洗氣流質量流量

在炭罐沒有進行沖洗的時候，發動機燃燒室內的新鮮空氣全部流經節氣門。當炭罐電磁閥打開，進行炭罐沖洗的時候，相當于有一部分額外的混合氣進入燃燒室參與燃燒。這一部分沖洗氣流的導入會引起進氣量的增多，需要進行相應的補償，以保證炭罐沖洗時，進入燃燒室的新鮮空氣質量與期望的量保持一致，避免發動機負荷非期望的突變。因此，軟件設計需要實現計算炭罐沖洗氣流質量流量的功能。

通常流經炭罐電磁閥的沖洗氣流與電磁閥開度及電磁閥兩端壓差直接相關，因此基礎流量可以設計成以這2 個變量作為坐標輸入的MAP。進行流量標定時，在沖洗管路上串接空氣質量流量計，調整電磁閥開度及兩端壓差，逐點確定質量流量。

2.2 噴油補償

炭罐沖洗氣流中含有一定比例的燃油蒸汽，這部分混合氣導入發動機參與燃燒，將會對空燃比預控帶來偏差。因此，在軟件控制策略上需要設計相應的功能，以實現對混合氣濃度的計算，通常的思路是利用空燃比閉環控制值作為沖洗氣流中燃油濃度計算的依據。空燃比控制準確時，空燃比閉環控制等于1。當炭罐沖洗時，系統計算基礎噴油量是將炭罐沖洗流量全部按照新鮮空氣對待來計算的，因此如果沖洗氣流中含有燃油蒸汽，則缸內混合氣會偏濃，系統通過空燃比閉環控制實現減稀，其減稀的程度也就反映了沖洗氣流中燃油蒸汽的濃度，反之亦然。因此，系統在計算時采用根據空燃比閉環控制量，不斷迭代計算出新的燃油蒸汽濃度。得到了燃油蒸汽濃度，結合上節計算出的沖洗氣流質量流量，進而可以計算出沖洗氣流中燃油的質量，作為噴油補償的修正。

這種以空燃比的反饋作為計算燃油蒸汽濃度的方式，雖然成本低，但存在計算延遲，精度差等方面不足。為了更加精確地獲取沖洗氣流的燃油蒸汽濃度，已有公司開始研究一種測定HC 濃度的傳感器，目標是安裝在炭罐脫附管路上測量燃油蒸汽濃度，目前尚未批產。

2.3 脫附流量標定

為了避免炭罐吸附的燃油蒸汽從大氣端溢出，脫附流量的標定目標就是盡可能多地進行炭罐沖洗，但要保證對怠速及空燃比控制沒有惡劣影響。另外，脫附流量也不可能無限制地追求過大，需要結合發動機進氣量及噴油器最小噴油時刻來綜合考慮。本文開發了一款計算工具，基于發動機當前工況噴油時刻及最小噴油時刻，計算出炭罐沖洗油量占比，作為炭罐沖洗需求流量計算的基礎。在精細標定過程中，需求流量還要經過燃油壓力、水溫等的修正。

另外炭罐的沖洗與空燃比的自適應通常需要交替進行，這就需要在標定階段，對二者做一個完美的折中處理，既要滿足沖洗流量的要求，又要滿足空燃比自適應充分并且及時的要求。

3 試驗研究

為了驗證蒸發排放系統的性能及標定數據可靠性，本文在一款裝備非整體僅控制加油排放炭罐系統（NIRCO）[2]的混合動力汽車上，按照國六標準進行了蒸發排放及加油排放的試驗測試研究，分析炭罐脫附性能、蒸發排放產生規律及其控制重點。

3.1 蒸發排放測試

炭罐的脫附能力，直接影響其吸收燃油蒸汽的能力。蒸發排放測試規程中，炭罐能夠得到脫附的2個重要步驟就是“炭罐脫附”和“高溫行駛”。本文按照國六法規蒸發排放測定規程進行試驗，其中“炭罐脫附”步驟為在炭罐試驗臺上以25 L/min 的空氣流量對炭罐進行脫附，脫附氣量為300 倍炭罐有效容積，在本文研究中，脫附空氣總量為761 L，最終炭罐脫附質量為177 g。

對于標定來講，影響蒸發排放結果的最重要的步驟就是“高溫行駛”，在該步驟的測試中，炭罐脫附質量的多少將直接影響蒸發排放結果。在本文研究中，“高溫行駛”步驟試驗概況如圖1 所示：環境溫度38 ℃，測試循環為：低速+2 min 怠速+中速+2 min怠速+高速+2 min 怠速+高速+2min 怠速，累計沖洗氣流質量419.3 g，炭罐脫附質量62.8 g。由圖中可以明顯看出，脫附流量增長最快的2 個區間為高速段的加速階段，這主要得益于該階段發動機負荷大，且運行工況較穩定，能夠允許炭罐以最大流量進行沖洗，標定要利用好這2 個階段，及時且充分地對炭罐進行脫附。

圖1 高溫行駛試驗概況

在“高溫行駛”循環中，炭罐的脫附特性如圖2所示，其特性曲線近似公式為

圖2 高溫行駛炭罐脫附特性

可以看到，隨著脫附的進行，累計沖洗氣流質量不斷增加，炭罐脫附速度逐漸減慢，這說明脫附特性不僅與沖洗氣流相關，還與炭罐內剩余燃油蒸汽量有關。炭罐內所吸附的燃油蒸汽質量逐漸減少導致的影響一方面脫附比例減小，另一方面脫附難度增加。Hata，H.等人在研究歸納炭罐脫附特性時將炭罐所含蒸汽質量考慮了進去[4]。

在“高溫行駛”結束后7 min 之內，將試驗車輛移進密閉室（SHED），開始進行持續1 h 的“熱浸試驗”，期間蒸發排放的模態數據如圖3 所示。

圖3 熱浸試驗HC 模態圖

在熱浸時間內，HC 濃度由6.228 × 10-6增加到9.292×10-6，蒸發排放物質量0.186 g。由模態數據還可以看出，在最初的15 min 內，HC 濃度上升最快，在隨后的時間里，HC 濃度上升逐漸減慢。可見熱浸排放的主要原因在于車輛停止后，散熱效果變差，整車熱輻射使得炭罐通風以及燃油系統滲透、進氣系統滲透釋放的HC 增多。

“熱浸試驗”后，經過6～36 h 的20℃常溫浸車，然后將車輛再次移入密閉室，開始“48 h 晝夜換氣測試”，期間蒸發排放的模態數據如圖4 所示。

圖4 48h 晝夜換氣測試HC 模態圖

密閉室初始HC 濃度為6.198×10-6，第一個24 h增加到9.161×10-6，第二個24 h 增加到10.714×10-6，2 d 換氣排放質量分別為0.181 g 和0.095 g。

按照國六標準計算，蒸發排放檢驗結果為熱浸結果與2d 結果較大者相加，并經過劣化修正，即0.186+0.181+0.06=0.427 g，滿足法規標準要求，占法規標準限值的61%。由圖還可以看出，2 d 排放趨勢基本一致，前4 h 溫度低且溫升較慢，HC 釋放也較慢。隨后7 h 溫升快，最高溫度達到35 ℃，HC 釋放也快，濃度急劇上升。在接下來的4 h 內，雖然溫度下降較快，但仍然處于30 ℃以上，HC 釋放速度仍然很快。在后續的9 h 內，環境溫度較低且處于下降趨勢，HC 以很緩慢的速度釋放，濃度略有增加。H.Man 等人應用4 種不同組分汽油進行的研究結果[5]也發現了同樣的規律。

3.2 加油排放測試

加油排放的試驗規程在國六法規里面有詳細的描述，本文不再贅述。值得關注的一點是，其中“I 型試驗行駛”這一步驟需要滿足國六I 型排放試驗限值要求。這個步驟的測試與I 型試驗的差異點是，I型試驗不要求炭罐狀態。而加油排放中的“I 型試驗行駛”這一步驟，是在炭罐經過2 g 擊穿后，經過一個WLTC 預處理，再浸車12～36 h 后進行的。也就是說，一個飽和的炭罐僅經過一個預處理過程，然后浸車過程還要有一定程度的吸附，在這個炭罐處于半飽和的狀態下，標定需要保證炭罐的沖洗不能引起I型排放的惡化。

此處的預處理和“I 型試驗行駛”，以及后續的“加油控制系統處理行駛”這3 個步驟的炭罐脫附量，將成為標定控制的重點，炭罐的脫附效果直接影響加油排放的結果。預處理和“I 型試驗行駛”過程的試驗概況分別如圖5、6 所示。

圖5 預處理行駛試驗概況

圖6 I 型試驗行駛試驗概況

預處理累計沖洗氣流質量253.6 g，炭罐脫附質量114.9 g。“I 型試驗行駛”累計沖洗氣流質量327.2 g，炭罐脫附質量54.3 g。總體來看，脫附流量較大的區間為高速及超高速的加速和穩速階段，這依然是得益于發動機負荷較大且工況穩定，而且不存在發動機停機，炭罐控制能夠實現以較大的流量連續進行脫附。

預處理過程由于炭罐處于飽和狀態，受限于其對駕駛性的沖擊，脫附流量需要通過標定加以限制，因此其脫附流量小于“I 型試驗行駛”。但由于其所吸附的燃油蒸汽已經達到飽和狀態，因此脫附速度明顯更快，導致最終炭罐脫附質量較大。2 個測試過程的脫附特性如圖7、8 所示，這里也可以清晰地看出，預處理過程炭罐脫附效率較高，主要原因還是在于其所含燃油蒸汽更多，脫附更加容易。

圖7 預處理行駛炭罐脫附特性

此處需要說明的是，對于整體式和非整體式炭罐系統，國六法規里面“加油控制系統處理行駛”這一步驟是有區別的。整體式為在“I 型試驗行駛”結束后的2 min 內，進行一個低速+低速+中速+低速的WLTC 組合。而對于非整體式系統，可由車企自主選擇循環數重復進行低速+中速+高速+超高速，但燃油消耗量最多不能超過85%油箱標稱容量。也就是說，對于非整體式炭罐系統，可以不必關心前2 個循環的炭罐脫附量，因為在“加油控制系統處理行駛”這一步，有足夠的機會把炭罐脫附干凈。

在“加油控制系統處理行駛”結束后，按照國六法規要求，依次進行斷開炭罐、放油、10%加油，然后浸車6～36 h。在試驗室準備完畢后，重新連接炭罐，將車輛移進密閉室，進行加油排放試驗，如圖9 所示。

圖9 加油排放測試

本研究加油排放試驗總計加油量44.03 L，密閉室HC 排放量0.663 g，計算得到加油排放結果為0.015 g/L，經過劣化校正后的最終排放結果為0.025 g/L，滿足法規0.05 g/L 的限值要求。可見，本文所述蒸發排放系統可以有效控制加油過程的污染物排放，試驗結果僅為國六法規限值的50%。

4 結論

1）國六法規蒸發排放限值大幅降低，并新增了加油排放的要求。汽車混合動力化進一步壓縮了炭罐脫附的時間，這些都對蒸發排放系統以及炭罐脫附提出了更高的要求。

2）本文研究開發了一套全新的蒸發排放系統，并經過精細設計及標定優化，按照國六法規要求對某型混合動力汽車分別進行了蒸發排放及加油排放試驗測試，結果完全滿足國六法規要求。本系統同樣適用于傳統燃油汽車。

3）分析了蒸發排放和加油排放規程中各個循環炭罐脫附特性、蒸發排放產生規律以及標定重點，為國六階段蒸發排放系統開發提供借鑒。

“科技攻關要堅持問題導向，奔著最緊急、最緊迫的問題去。”

——習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話