不同工况下脱附流量与碳罐工作能力对蒸发排放的影响

王　凯，杨正军，冯　驰

（中国汽车技术研究中心，天津　300300）

Wang Kai，Yang Zhengjun，Feng Chi



不同工况下脱附流量与碳罐工作能力对蒸发排放的影响

王凯，杨正军，冯驰

（中国汽车技术研究中心，天津300300）

Wang Kai，Yang Zhengjun，Feng Chi

摘要：活性碳罐是车辆燃油蒸气排放系统中的核心工作部件，不同车辆装配的碳罐工作能力也各有不同，标定不同的车辆在不同工况下的脱附流量会有一定差异。试验采用密室法，分别模拟EPA（US Environmental Protection Agency）工况和NEDC（NEW European Driving Cycle）工况进行脱附循环，研究不同工况下碳罐工作能力与脱附流量之间的相对应关系，以及对蒸发排放带来的影响。

关键词：脱附；活性碳罐；燃油蒸发；EPA；NEDC

0　引　言

随着环保理念日渐深入人心，国家对车辆排放控制的标准也越来越严格。低排放，低油耗的车辆成为顾客及汽车制造商一致追求的目标。由于汽车排放控制问题越来越受到关注，对汽车排放控制的各项研究也应该得到更多重视。由于汽油的易挥发特性，使得在常温状态下汽车的燃油箱中常充满大量的燃油蒸气，而这一部分燃油蒸气的泄露导致的排放量约占排放总量的20％，是影响车辆排放控制的一项重要因素。因此活性碳罐的工作能力对车辆蒸发排放的控制起到主要作用。

燃油蒸发控制系统主要依靠活性碳罐的工作能力[1]来实现对蒸发排放的控制。其工作原理为：当汽车燃油箱中的燃油压力超过油箱内的燃油蒸气阀及活性碳罐吸附阀的开启压力时，燃油蒸气阀及活性碳罐吸附阀开启，燃油蒸气从相关路径进入活性碳罐内，由于活性炭具有较强的吸附性，燃油蒸气被吸附并储存在活性碳罐中。然而活性碳罐的吸附能力是有限的，受活性碳罐的材质、几何特性、燃油蒸气流量和工作温度等因素影响，因此活性碳罐必须同时具有一定的脱附能力（又称清洗能力），使得处于吸附饱和状态的活性碳罐能重新恢复吸附能力。活性碳罐的脱附原理为：在一定工况下，ECU控制脱附电磁阀打开，新鲜空气在活性碳歧管的真空吸力作用下，从底部进入活性碳罐并经活性碳罐上部管道进入进气歧管，空气在流经活性碳罐内部时，活性碳罐内被吸附的燃油重新蒸发并跟随空气一起进入进气歧管，碳罐重新恢复吸附能力，因此燃油蒸发排放控制系统不仅能降低污染物的排放，还能提高发动机的工作效率。燃油蒸发排放控制系统的性能受到其关键技术部件——活性碳罐的吸附/脱附能力的影响，对燃油蒸发排放控制系统脱附性的检测研究具有重要意义。现阶段排放法规的研究是多方向的，研究不同法规的不同工况下脱附流量对碳罐工作能力的影响，反映其蒸发排放控制的效果。

1　试验设定

燃油蒸发排放控制系统检测的国际方法有密闭室法（Sealed Housing for Evaporative Determination，SHED）和收集法（Trap method，TRAP）2种[2]。试验参照密闭室法[3]，选定国标车和美标车各一辆进行试验，将国标和美标试验车辆置于密闭试验室，进行1昼间换气试验（1DBL），之后同一组试验车进行3昼间换气试验（3DBL）。将完成碳罐预处理的车辆推至底盘测功机，使其按照规定工况循环运行，使得试验车辆的活性碳罐在不同的循环工况下处于不同的脱附流量状态；在碳罐大气口串联体积流量计，监测脱附流量的瞬态数据，检测循环工况结束时活性碳罐的质量，并将其与昼间处理结束后的活性碳罐质量比较，计算其质量之差，了解活性碳罐在该循环工况下的脱附流量对活性碳罐质量的影响；将完成循环工况的试验车辆推回密闭室，密闭并且保温1小时，称为热浸试验。昼间换气试验即按照规定温度变化率对试验车模拟昼夜温度变化情况，使得活性碳罐处于吸附状态，大量油气分子被吸附到活性碳罐中，测量昼间换气结束后的碳罐质量并利用HC分析仪检测密闭室HC浓度变化情况，并记录昼间换气试验测得的HC质量，进而分析在国标和美标工况下的脱附流量对车辆燃油蒸发排放的影响。

活性碳罐的脱附流量受车辆行驶工况影响，两者之间可建立一定的函数关系；因此通过模拟不同的循环工况使活性碳罐拥有不同的脱附流量。设定国标车及美标车2组试验对象，让其分别在美标EPA（US Environmental Protection Agency）循环工况及国标循环工况下运转，其他试验参数保持一致，我国的蒸发排放控制标准参照的是欧标，文中所描述的国标循环工况即为欧标NEDC（New European Driving Cycle）循环工况。

美标EPA循环[4]，即FTP75+FTP72+ 2NYCC+FTP72，其中FTP75与FTP72为美国联邦测试循环，FTP75是在FTP72基础上增加505s热启动，NYCC是纽约城市循环，主要是模拟城市低速和频繁启停的工况。

欧标NEDC循环工况是由ECE（Economic Commission for Europe，市区运转循环）及EUDC（Extra Urban Driving Cycle，市郊运转循环）组成，NEDC循环周期为ECE+EUDC。ECE循环共780s，由4个195s循环周期组成，平均车速设定为18.7km/h，行驶里程4.052km；EUDC循环为1个400s循环周期，平均车速62.6km/h，行驶里程6.955km。

2　试验设备

试验所需仪器设备见表1。

表1　试验用仪器设备

3　试验数据

开始整车试验前，首先对试验车辆的碳罐按照HJ/T390-2007《环境保护产品技术要求汽油车燃油蒸发污染物控制系统（装置）》进行了碳罐初始工作能力试验，收集试验数据为下一步的数据分析做准备，见表2。

表2　碳罐初始工作能力

图1、图2分别为国标车与美标车在相同循环工况下的数据，由图1与图2可以明显看出美标车脱附的时间比较长，瞬时脱附流量也比较大。

图1　国标车ECE+EUDC+ECE循环工况下脱附流量与速度瞬态数据

图2　美标车ECE+EUDC+ECE循环工况下脱附流量与速度瞬态数据

根据图3国标工况1昼间试验，HC排放结果表明，美标车的HC排放稍高于国标车，说明对于国标工况1昼间蒸发试验，在满足碳罐脱附量这个条件下，最终的蒸发排放还与燃油箱渗透、油路接头渗透和内饰VOC（Volatile Organic Compounds，挥发性有机化合物）挥发有很大的关系。

图3　国标1DBL试验HC结果

由图4可知国标车与美标车在国标工况下碳罐脱附质量均大于1昼间（24h）汽油蒸气生成量，说明2台试验车的碳罐都没有被汽油蒸气击穿，碳罐并没有向外界排放HC，说明脱附质量比较小的国标车碳罐的脱附流量可以满足国标1昼间试验。

图4　1DBL碳罐脱附量与吸附量关系

图5　两车脱附流量总量

结合图4（a）、（b），图5（a）、（b）来看，美标车在NEDC工况下脱附空气的总流量是国标车的10倍，脱附掉碳罐的质量也是国标车的6倍。美标车的脱附量远超国标车，这是为了适应不同的排放法规，车辆制造厂对碳罐脱附电磁阀开启时间的标定不同。

由图6与图7可以看出，在美标工况下，国标车呈现出比较少的脱附时间，瞬时脱附量也比较小，而美标车脱附情况正常。

图6　国标车FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72循环工况下脱附流量与速度对应关系

图7　美标车FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72循环工况下脱附流量与速度对应关系

从图8（a）、（b）来看，由于国标车碳罐脱附量小于燃油箱汽油蒸气生成量，在美标3昼间试验中碳罐未起到吸附汽油蒸气的作用，碳罐直接被击穿，大量汽油蒸气未经过吸附被直接排放到密闭室内，造成蒸发排放结果很高。虽然美标3昼间蒸发试验持续时间长，温度条件比较苛刻，高温段比较多，但是由于美标车脱附流量与总脱附质量比较大，脱附量大于3昼间试验碳罐的吸附量。汽油蒸气都被碳罐吸附，没有排入密闭室内，所以HC排放很低。

图8　美标3DBL试验HC结果

图9　3DBL脱附量与吸附量关系

根据图9（a）、（b）中的数据，美标车在FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72工况下其碳罐脱附质量125.98g，美标车脱附总流量是国标车的6倍。美标3昼间试验脱附循环工况是FTP75+FTP72+2NYCC+FTP72，车辆运行时间接近2个小时。从持续时间来看，美标工况脱附强度应远大于国标工况，脱附情况应该更好；但国标车碳罐的质量不但没有减少反而增加了14.27g。对于国标车，由于标定问题，脱附流量不够，而且车辆在工况运行过程中燃油箱升温产生的大量汽油蒸气进入碳罐，虽然脱附工况持续时间长，但是碳罐的质量并没有下降反而上升，说明国标车的脱附量小于脱附试验过程中燃油箱的汽油蒸气生成量。

在美标3昼间试验中碳罐至少要有吸附50g汽油蒸气的能力。表2显示，国标车的碳罐吸附能力只有24.84g，不具备完成美标3昼间蒸发试验的条件，而脱附流量主要取决于车辆厂家对碳罐脱附电磁阀开启时间的标定。对于美标蒸发排放试验，碳罐的大小与脱附能力是决定性因素，对于国标车来说，碳罐脱附电磁阀开启时间的标定不适于美标蒸发试验，同时碳罐的吸附能力也是不够的。

从图5（a）来看，国标车的脱附总量远远小于美标车，对碳罐的脱附不完全。这也验证了为了适应不同的排放法规，车辆制造厂对碳罐脱附电磁阀开启时间的标定不同。

4　结论分析

1）对比国标车与美标车2组试验结果，美标车运行美标3昼间循环工况后活性碳罐质量差为125.98g，其3昼间所检测到的HC排放质量分别为0.344g、0.263g和0.254g。国标车运行美标3昼间循环工况后活性碳罐质量差为-14g，其3昼间检测HC排放质量分别为5.868g、8.917g和9.969g。美标车美标3昼间工况下脱附总量为1209.66L，国标车美标3昼间工况下脱附总量为200.17L。由试验数据可知在美标3昼间工况下，试验车辆的脱附流量越大，碳罐脱附的越彻底，其蒸发排放控制效果也越好。

2）国标车由于碳罐脱附电磁阀开启时间的标定不适于美标3昼间工况，碳罐的脱附量小于燃油箱蒸气生成量，碳罐反而增加质量。在3昼间试验中起不到吸附汽油蒸气的作用，造成蒸发排放结果很高。

3）国标车的碳罐初始工作能力只有24.83g，而美标车在完成美标3昼间试验后碳罐增加质量50g，国标车的碳罐吸附能力小于美标车在3昼间试验中碳罐的吸附量，说明单从碳罐初始工作能力看，国标车碳罐不能够满足美标3昼间蒸发试验。

4）美标车在国标1昼间循环工况试验后活性碳罐质量差为96.34g，其1昼间检测HC排放质量为0.439g。国标车在国标1昼间循环工况试验后活性碳罐质量差为15.91g，其1昼间检测HC排放质量为0.339g。美标车在国标1昼间工况下脱附总量为545.17L，国标车在国标1昼间工况下脱附总量为51.34L。分析试验数据可知，国标1昼间循环工况下的脱附流量大并不表示蒸发排放控制效果佳，而是说明对于国标1昼间试验来说，脱附量并不是影响最终结果的主要因素，在脱附总量和脱附流量足够的情况下，最终的蒸发排放结果还与燃油箱、油管渗透和内饰VOC挥发有很大的关系。

综上可知，对于美标3昼间试验，碳罐的工作能力与脱附量对蒸发排放控制都有很大影响，整车厂不仅要与碳罐厂家解决碳罐初始工作能力方面的问题，还要在研发过程中考虑到对碳罐脱附电磁阀开启时间的标定，蒸发排放试验除了考虑碳罐工作能力与脱附量外还应综合考虑其他因素。

参考文献

[1]夏云铧，袁银南，钱裕尧.汽油车燃油蒸发污染物的控制系统研究[J].汽车工程，2000，22（5）：354-357.

[2]J.E.Urbanic，E.S.Oswald，N.J.Wager et al.Factors Affecting the Design and Breakthrough Performance of Evaporative Loss Control Systems for Current and Future Emission Standards[J].Sae Transactions，1989（98）：316-326.

[3]Uniform Provisions Concerning the Approval of Vehicles with Regard to the Emission of Pollutants According to Engine Fuel Requirements[S].ECE R83（06）—2011.

[4]Control of Emissions from New and In-use Highway Vehicles and Engines；Subpart B[S].40CFR：Part 86.

收稿日期：2015-10-22

文章编号：1002-4581（2016）02-0042-05

中图分类号：U464.149

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.012