汽车燃油蒸发排放控制系统性能研究

殷健力

(中国汽车工程研究院股份有限公司 整车排放检测部，重庆 401122)



汽车燃油蒸发排放控制系统性能研究

殷健力

(中国汽车工程研究院股份有限公司 整车排放检测部，重庆 401122)

指出了随着空气污染和能源紧缺等问题日益严重，以及相应排放法规的日益健全与严格，研究汽车燃油蒸发排放控制规律及影响因素具有重要意义。活性炭罐是燃油蒸发控制系统的核心部件，在分析汽车蒸发排放产生机理的基础上，研究了温度、流量和体积等因素对活性炭罐工作性能的影响。通过炭罐性能试验及燃油蒸发密闭室试验，验证了改进后的燃油蒸发控制系统在炭罐工作能力和整车蒸发污染物排放上具有更优化的性能。

燃油蒸发排放；控制系统；活性炭罐；工作能力

1 引言

随着我国汽车工业的不断发展，汽车污染物对城市空气造成的影响已经越来越严重。汽车污染物主要来源于尾气的排放、燃油蒸发排放，和曲轴箱排放。其中尾气排放约占63%，燃油蒸发排放和曲轴箱污染物排放各占20%和17%。燃油蒸发污染物的主要成分是HC，HC易形成光化学烟雾，并且本身毒性很大，对环境造成严重污染。

为了帮助治理越来越严重的空气污染问题，美国加利福尼亚大气资源局于1970年制定了第一个汽车燃油蒸发污染物排放法规。随后日本欧洲也相继开始对燃油蒸发排放进行控制，并颁布相应法规。我国的燃油蒸发控制起步于20世纪90年代，检测方法一开始为收集法，后来变为密闭室法，分别于2005年和2013年发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》和《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》。该法规分别检测热浸和24 h昼间的污染物排放，并将两次测得的HC排放的总和做为最终结果，排放结果要求控制在2g以内。

第六阶段的排放标准大致从2019年起开始实施，从《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)征求意见稿》中可以看出，相比国五标准，国六标准里关于蒸发排放检测无论是试验方法还是限值要求都有较大变化：新增ORVR试验，即加油污染物排放测试，主要用于控制加油时的油气排放；并将原来的昼间排放时间延长至2 d；还对蒸发排放提出了耐久性要求，即车辆的蒸发排放在16万km的耐久试验中仍然应当满足限值要求；除此之外限制也进一步加严，其中一类车IV型试验的限制或将缩减为0.7g。由此可见，下一阶段的排放标准将对车辆的燃油蒸发排放控制策略及系统提出了更为严格的要求，相关方面控制的研究很有必要。

针对蒸发排放产生机理，和蒸发排放控制策略方面进行了相关研究。石磊等分析了燃油蒸发排放的主要来源，总结阐述了燃油蒸发排放控制系统和车载加油蒸汽回收装置的结构及原理[1]；李景波等以正丁烷为吸附介质对炭罐检测方法进行研究，探讨炭罐结构尺寸等对炭罐脱附吸附性能的影响[2]，韦海燕等提出通过改善燃油品质、改进汽油箱结构和材质等方法来达到抑制燃油蒸发产生的方法[3]。朱成辉等基于汽油蒸汽压和沸点等相关特性的研究，提出对燃油系统和排气系统的结构布置进优化设计，从而达到减少蒸发排放的目的[4]。

以上研究对于改善燃油蒸发控制系统性能，减少燃油蒸发排放具有积极意义，在此基础上，笔者重点研究了环境温度和流量、体积对炭罐工作性能的影响，并对改进的燃油蒸发控制装置进行试验验证。

2 汽油车燃油蒸发污染物来源分析

机动车燃油蒸发污染物除了少部分来自于内外饰中苯等物质的挥发，大部分来自于燃油供给系统受热辐射形成的燃油蒸汽。根据高温，低压的燃油蒸发性较强的原理，环境空气、排气管、汽油泵摩擦损失以及发动机回油都会对油箱进行传热，促使燃油蒸汽的蒸发；在燃油管路中，燃油由小管径流入大管径式，压力发生突变，也易使液态燃油形成蒸汽；在加油过程中由于燃油泼溅作用，也会形成燃油蒸汽逸散到大气中。

从产生的时间过程来看，燃油蒸发的来源主要有以下几个方面：①运行损失。指汽车在运行过程中，由于发动机产生的热量等导致形成的燃油蒸汽的排放。②热浸损失。指在车辆发动机停止运转后的一段时间内，燃油系统具有较高温度，此时冷却风扇停止运行，迎风冷却停止，这将导致形成较大量的燃油蒸发排放。③昼间换气损失。是由于昼夜环境温度的变化，引起燃油系统也随之周期性地被加热冷却，导致的燃油蒸汽排放。④加油损失。指在加油过程中，由油滴飞溅作用导致的燃油蒸汽排放。

3 降低燃油蒸发排放策略及汽车燃油蒸发控制系统

通过减少蒸发排放源，可以有效降低汽车的燃油蒸发排放。挥发性是影响燃油蒸发的一项重要特性，一般用饱和蒸汽压(RVP)参数来表征。RVP越大，燃油的挥发性越强。由于柴油的RVP要比汽油小的多，柴油车的燃油蒸发污染物排放量都比较小，所以一般没有配备燃油蒸发排放控制系统。通过降低RVP值来改变燃油特性，从而减少蒸发污染物排放的方法目前还处于实验室阶段，难以向市场推广。

油箱是HC的主要排放源，理论上通过减少油箱排出的HC，可以降低整车的蒸发排放量。研究发现，HC的蒸发量与油箱内的装油量和汽油表面积有关，装油量越少，燃油表面积越大，蒸发排放越大。采用塑料或者隔热的油箱，比采用金属材质的油箱，具有更低的蒸发排放，特别是在热浸阶段的实验数据中，可以得出两种材质的油箱对于蒸发排放的影响差异较大。采用无回油式的发动机供油方式，也可以降低油箱内燃油温度，达到降低蒸发排放的目的。通过合理选用密封材料和密封设计可以增加燃油系统的密闭性，从而减少燃油蒸发泄露，具体方法有：减少燃油系统连接件的数目，减少用于连接的橡胶管的长度等。

目前主要采用燃油蒸发控制系统来对汽车蒸发排放污染物进行减排控制。燃油蒸发控制系统由油箱、活性炭罐、吸附阀、脱附阀及相关管路构成。其中活性炭罐起到储存燃油蒸汽的作用，是整个控制系统中最重要的部分，吸附阀和脱附阀对整个系统起到协调控制的作用。燃油蒸发控制系统的原理为：当油箱内燃油蒸汽压力升高，大于吸附阀的开启压力时，燃油蒸汽通过管路进入炭罐并储存在其中，炭罐内部的活性炭具有吸附并储存燃油蒸汽的能力。在适当的工况下，当ECU控制炭罐脱附阀开启，发动机进气歧管内将形成负压，气流通过炭罐的大气口进入炭罐，并将储存在炭罐中的燃油蒸汽吹扫到发动机缸内燃烧掉[5]。

4 活性炭罐工作性能的改善研究

体现炭罐性能的参数主要是有效吸附量、初始工作能力、终了工作能力、通气阻力、脱附残存量等。国家环境保护总局颁发的HJ/T 390-2007文件中，要求炭罐的汽油初始工作能力应大于等于6.5g/100 mL，汽油终了工作能力应大于等于5.2g/100 mL。在炭罐台架测试系统中进行炭罐工作能力试验，探讨炭罐吸附脱附过程中，环境温度、流量和体积等因素对其工作能力的影响。

为了研究吸附速率对炭罐工作能力的影响，在同一环境条件下，先用干空气对一个有效容积为1200 mL的炭罐进行脱附，脱附流量为25 L/min，脱附体积为600个炭罐有效容积。然后采用50%容积的丁烷和50%氮气的混合气，分别以40 g/h、60 g/h、100 g/h、150 g/h丁烷的速率对炭罐进行吸附，直至到临界点，即炭罐吸附饱和后从通大气口逸出2 g碳氢化合物的时刻[6]，测量吸附前后炭罐的质量差。每个吸附速率试验中，重复进行6次脱附/吸附循环，并取结果的平均值，试验结果见表1。结果表明：在同样达到饱和的终了状态下，吸附速率越高，炭罐所能贮存的燃油蒸汽越少，从而工作能力越低。其中采用40g/L的吸附速率比采用150g/L的吸附速率时，炭罐的工作能力提高了19.3%。一方面是因为部分小分子HC与活性炭之间的范德华力较弱，而当吸附气体的流量变大，可能使得这部分汽油蒸汽分子挣脱活性炭的吸附而从炭孔中脱附出来；另一方面，由于相比高的吸附速率，低吸附速率的吸附过程时间变长，使得炭罐与周围环境空气交换更多的热量，更有利于增强炭罐吸附能力。

表1 不同吸附速率下炭罐的工作能力

为了研究不同脱附体积和脱附流量对炭罐工作能力的影响，在同一环境条件下，分别用不同体积和不同流量下的空气对炭罐进行脱附，然后用50%容积的丁烷和50%氮气的混合气，以150 g/L丁烷的速率将炭罐吸附到饱和状态，检测炭罐工作能力，结果如图1所示。图1的结果表明：提高脱附体积可以增加炭罐工作能力，但当脱附空气体积达到300倍炭罐有效容积后，炭罐工作能力的增加趋势变得很缓慢。而在脱附空气体积一定的情况下，增加脱附流量，可以提高炭罐工作能力。这是由于活性炭微孔与HC直径比较接近时，范德华力较大，这些HC分子难以被脱附从而残留在活性炭中，而较大流量和流速的空气可以克服较大的吸附力，从而减少炭罐的脱附残存量。

图1 不同脱附体积和脱附流量对炭罐工作能力的影响

根据热力学原理，HC分子与活性炭的吸附是放热过程，脱附时吸热过程，所以理论上降低环境温度更有利于炭罐的吸附，而升高环境温度更有利于炭罐的脱附。对同一台汽车分别设计3种燃油蒸发控制装置方案，并按照GB18352.5-2013标准中关于蒸发排放试验的要求，进行密闭室蒸发排放试验[6]。其中方案二、三与方案一中采用的燃油蒸发控制系统基本不变，但在方案二中，从汽车排气口处安装导热设备，将脱附过程中汽车尾气的热量传递到炭罐附近，对炭罐脱附过程中的环境空气进行加热。方案三在方案二的基础上，将原来的塑料碳罐壳体更换为导热性能更好的金属壳体，用于增强吸附过程中的散热，降低炭罐温度。试验数据如表2所示。由此得出，炭罐吸附和脱附过程中的环境温度对炭罐工作性能和整车蒸发排放结果影响较大，通过降低吸附时炭罐周围的环境温度，增加脱附时的温度，可以达到减少燃油蒸发排放的目的。

图2 吸附脱附环境温度对蒸发排放试验结果的影响

5 结语

活性炭罐是燃油蒸发排放控制系统中最关键的组成部分，其吸附脱附性能直接影响蒸发排放控制系统的性能和整车蒸发排放试验的结果。在分析炭罐吸附与脱附机理的基础上，提出一种通过加热炭罐脱附过程的环境温度，降低炭罐吸附过程中的温度的改进措施。通过炭罐性能测试试验，和整车密闭室蒸发排放试验，验证了改进后的燃油蒸发控制系统对于改善炭罐工作性能和降低整车蒸发排放具有明显效果，为蒸发控制系统的改善提供了参考。

[1]石 磊. 汽车燃油蒸发排放控制系统[J]. 汽车工程师. 2013(1):50～52.

[2]李景波. 汽油车用炭罐的性能测试方法及性能研究[D]. 北京：清华大学， 2004.

[3]韦海燕. 汽油车燃油蒸发污染物控制技术探讨[J]. 农机化研究. 2008(1):196～199.

[4]朱成辉. 燃油蒸发排放控制的对策与实践[C]∥河南省汽车工程学会. 河南省汽车工程学会第八届科研学术研讨会.郑州：河南省汽车工程学会，2015：122～124.

[5]何彦彬. 浅析汽车燃油蒸发控制系统[J]. 汽车使用技术， 2015(3): 11～13.

[6]国家环境保护总局. 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)[S]. 北京：国家环境保护总局，2007.

[7]国家环境保护总局. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S]. 北京：国家环境保护总局，2013.

2016-09-01

殷健力(1989—)，男，工程师，主要从事整车污染物排放控制和整车环境模拟方向的研究工作。

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1674-9944(2016)18-0088-03