满足国六法规的蒸发排放系统开发

王 巍 赵佳佳 王永建 黄伟山 钟 军 刘义强

（宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336）

引言

2018 年6 月，国务院发布“打赢蓝天保卫战三年行动计划”，明确提出：大幅减少主要大气污染物排放总量。汽车作为大气污染的主要贡献者之一，面临越来越严格的排放及能耗法规，部分城市已经于2019 年7 月提前实施轻型汽车国六标准。

不容忽视的是，汽油车蒸发产生的HC 化合物已经超过了尾气排放，而且具有更高的光化学活性，容易增加大气氧化性，形成二次PM2.5。因此控制汽油车蒸发排放，对于降低PM2.5 浓度，改善大气质量具有十分重要的意义[1]。

汽油车蒸发排放主要包括昼间蒸发排放和加油排放2 大类，国六法规（GB18352.6-2016）中对于这2 类排放有着明确的规定及限值要求。蒸发污染物排放试验（IV 型试验）结果应为热浸试验测得的HC 和2d 昼夜排放测试中测得的较高的一天的HC 质量相加，计算结果经过劣化修正后，不超过0.7 g/test。加油污染物排放试验（VII 型试验）结果应为加油试验HC 排放质量除以输送燃油的总体积数，计算结果经过劣化修正后，不超过0.05 g/L[2]。

1 蒸发排放系统硬件设计

众所周知传统燃油蒸发排放控制系统的结构主要由活性炭罐、炭罐电磁阀以及相应管路组成，其主要作用是炭罐吸附燃油蒸汽，发动机工作时适时打开炭罐电磁阀，将蒸汽导入发动机参与燃烧，同时炭罐得到脱附，这里不再赘述。国六阶段蒸发排放限值大幅降低，约为国五阶段的1/3，而且增加了加油排放的要求。因此为了应对国六阶段法规，蒸发系统设计的主要关注点为炭罐、车载加油蒸汽回收（ORVR）系统、压力油箱、油箱隔离阀（FTIV）以及蒸发泄漏诊断模块（ELCM/DMTL/DTESK/NVLD）等。

1.1 炭罐

炭罐是对蒸发排放控制贡献最大的部件，而炭罐设计的主要技术参数就是初始工作能力和炭罐有效容积，炭罐初始工作能力分为汽油工作能力（GWC）和丁烷工作能力（BWC），其定义为每100 mL有效容积的有效吸附量，主要取决于炭粉型号、炭罐结构，以及燃油蒸汽加载速率。在初始工作能力确定的前提下，有效容积越大，其可吸附的燃油蒸汽越多，蒸发排放相对越少。但炭罐的有效容积也无需一味追求过大，一是会增加蒸发排放系统的压力损失，二是使其生产成本无意义增加。在设计炭罐的有效容积时，以下经验公式可供参考。

对于加油排放：

式中：1.1 为设计安全系数。油气蒸发率取1.5 g/L。炭罐汽油工作能力应该为汽油蒸汽加载速率在38 L/min条件下的工作能力值，也可以由炭粉厂家提供经验值。

对于昼间蒸发排放：

昼间蒸发排放，一般与油箱内燃油量关系不大，而与燃油液面表面积[3]和温度场直接相关。由于油箱的布局使得其几何结构非常复杂，为了更准确地计算炭罐容积，可结合油箱SHED 试验数据来确定蒸发排放量。

式中：2 个1.1 分别为控制运行蒸发排放所增加的系数以及设计安全系数。蒸发排放量按照上文所述。炭罐汽油工作能力可以由炭粉厂家提供经验值，也可以按照HJ/T 390—2007 推荐的方法进行测试得出。

在进行国六车型炭罐全新开发时，可以取上述2个计算值的较大者作为初始设计，然后进行验证。另外需要指出的是，炭罐的长径比以及内部结构的设计对初始工作能力也有一定影响，长径比越大，内部气体越易扩散平衡，初始工作能力越大。

1.2 车载加油蒸汽回收（ORVR）系统

为了满足法规对于加油排放的要求，国六车型必须设计ORVR 系统。其主要结构原理是对加油口进行密封，并将油箱内的燃油蒸汽顺利导向炭罐。密封方式有机械式和液封式2 种，机械式为物理密封件，长期使用易失效。液封式为利用燃油在经过改进的加油管内的流动形成液封，阻止燃油蒸汽外溢，结构简单成本低。另外，炭罐布置应尽量靠近油箱，且管路直径需要增加，以求燃油蒸汽顺畅流向炭罐。

1.3 压力油箱

对于插电式混合动力汽车（PHEV），考虑到有些用户会外接充电当做纯电动汽车来使用，因此会存在炭罐存储的燃油蒸汽长时间得不到脱附的情况。这就需要在设计上保证昼间蒸发排放不能或者不能无限制地进入炭罐，从而导致炭罐吸附饱和而产生溢出，造成蒸发排放加剧。因此通常的设计是PHEV匹配压力油箱，并在油箱蒸汽通往炭罐的管路上增加油箱隔离阀（FTIV），此阀通常是关闭状态，以此保证油箱是密封状态，油箱产生的燃油蒸汽基本都封闭在油箱内，也因油箱内是高压状态，在一定程度上会抑制燃油蒸汽的产生。在驾驶员按加油按钮后，FTIV 会打开，释放油箱压力，当油箱压力接近大气压时，油箱盖才能允许打开。一般压力油箱的耐压范围为-15～+35 kPa，主要取决于油箱材料及结构设计。

当然，压力油箱也不是必须，有的PHEV 车型就没有匹配压力油箱，此类车型为了满足蒸发排放，通常需要在软件控制策略上增加识别车辆加油后请求起动发动机进行炭罐冲洗的功能。

1.4 蒸发系统泄漏诊断

由于国六法规新增加蒸发系统泄漏诊断的要求，因此需要增加相应诊断模块。通常的方案有DMTL、ELCM、DTESK、NVLD。其中DMTL 和ELCM为主动诊断，停机时诊断，DMTL 为正压，ELCM 为负压，该2 种方案诊断比较可靠，诊断率高，同时成本也较高。DTESK 和NVLD 为被动诊断，DTESK 为怠速时诊断，对燃油品质及驾驶循环敏感，不适用于带起停的系统，NVLD 为停机时诊断，对燃油品质及外部环境温度敏感。

综上所述，我们开发的平台化蒸发排放控制系统为：炭罐容积为2.5 L，具备ORVR 功能，PHEV 车型采用压力油箱，其余车型采用普通油箱，诊断模块选取ELCM。

2 蒸发排放控制策略及标定

前文已述，炭罐吸附的燃油蒸汽需要适时地导入发动机参与燃烧。然而，这部分冲洗气流为空气与燃油蒸汽的混合气，且在导入之前，混合气浓度未知，这部分混合气的导入，势必会影响发动机的燃烧，对怠速稳定性及空燃比的控制带来一定的冲击。因此，如何更加精确地控制炭罐冲洗气流，以及尽可能减小其对发动机燃烧的影响，保证既要满足蒸发排放及加油排放的法规要求，又要满足炭罐冲洗对驾驶性无恶劣影响的要求，成为软件控制及标定需要解决的重点和难点。

2.1 冲洗气流质量流量

在炭罐没有进行冲洗的时候，发动机燃烧室内的新鲜空气全部流经节气门。当炭罐电磁阀打开，进行炭罐冲洗的时候，相当于有一部分额外的混合气进入燃烧室参与燃烧。这一部分冲洗气流的导入会引起进气量的增多，需要进行相应的补偿，以保证炭罐冲洗时，进入燃烧室的新鲜空气质量与期望的量保持一致，避免发动机负荷非期望的突变。因此，软件设计需要实现计算炭罐冲洗气流质量流量的功能。

通常流经炭罐电磁阀的冲洗气流与电磁阀开度及电磁阀两端压差直接相关，因此基础流量可以设计成以这2 个变量作为坐标输入的MAP。进行流量标定时，在冲洗管路上串接空气质量流量计，调整电磁阀开度及两端压差，逐点确定质量流量。

2.2 喷油补偿

炭罐冲洗气流中含有一定比例的燃油蒸汽，这部分混合气导入发动机参与燃烧，将会对空燃比预控带来偏差。因此，在软件控制策略上需要设计相应的功能，以实现对混合气浓度的计算，通常的思路是利用空燃比闭环控制值作为冲洗气流中燃油浓度计算的依据。空燃比控制准确时，空燃比闭环控制等于1。当炭罐冲洗时，系统计算基础喷油量是将炭罐冲洗流量全部按照新鲜空气对待来计算的，因此如果冲洗气流中含有燃油蒸汽，则缸内混合气会偏浓，系统通过空燃比闭环控制实现减稀，其减稀的程度也就反映了冲洗气流中燃油蒸汽的浓度，反之亦然。因此，系统在计算时采用根据空燃比闭环控制量，不断迭代计算出新的燃油蒸汽浓度。得到了燃油蒸汽浓度，结合上节计算出的冲洗气流质量流量，进而可以计算出冲洗气流中燃油的质量，作为喷油补偿的修正。

这种以空燃比的反馈作为计算燃油蒸汽浓度的方式，虽然成本低，但存在计算延迟，精度差等方面不足。为了更加精确地获取冲洗气流的燃油蒸汽浓度，已有公司开始研究一种测定HC 浓度的传感器，目标是安装在炭罐脱附管路上测量燃油蒸汽浓度，目前尚未批产。

2.3 脱附流量标定

为了避免炭罐吸附的燃油蒸汽从大气端溢出，脱附流量的标定目标就是尽可能多地进行炭罐冲洗，但要保证对怠速及空燃比控制没有恶劣影响。另外，脱附流量也不可能无限制地追求过大，需要结合发动机进气量及喷油器最小喷油时刻来综合考虑。本文开发了一款计算工具，基于发动机当前工况喷油时刻及最小喷油时刻，计算出炭罐冲洗油量占比，作为炭罐冲洗需求流量计算的基础。在精细标定过程中，需求流量还要经过燃油压力、水温等的修正。

另外炭罐的冲洗与空燃比的自适应通常需要交替进行，这就需要在标定阶段，对二者做一个完美的折中处理，既要满足冲洗流量的要求，又要满足空燃比自适应充分并且及时的要求。

3 试验研究

为了验证蒸发排放系统的性能及标定数据可靠性，本文在一款装备非整体仅控制加油排放炭罐系统（NIRCO）[2]的混合动力汽车上，按照国六标准进行了蒸发排放及加油排放的试验测试研究，分析炭罐脱附性能、蒸发排放产生规律及其控制重点。

3.1 蒸发排放测试

炭罐的脱附能力，直接影响其吸收燃油蒸汽的能力。蒸发排放测试规程中，炭罐能够得到脱附的2个重要步骤就是“炭罐脱附”和“高温行驶”。本文按照国六法规蒸发排放测定规程进行试验，其中“炭罐脱附”步骤为在炭罐试验台上以25 L/min 的空气流量对炭罐进行脱附，脱附气量为300 倍炭罐有效容积，在本文研究中，脱附空气总量为761 L，最终炭罐脱附质量为177 g。

对于标定来讲，影响蒸发排放结果的最重要的步骤就是“高温行驶”，在该步骤的测试中，炭罐脱附质量的多少将直接影响蒸发排放结果。在本文研究中，“高温行驶”步骤试验概况如图1 所示：环境温度38 ℃，测试循环为：低速+2 min 怠速+中速+2 min怠速+高速+2 min 怠速+高速+2min 怠速，累计冲洗气流质量419.3 g，炭罐脱附质量62.8 g。由图中可以明显看出，脱附流量增长最快的2 个区间为高速段的加速阶段，这主要得益于该阶段发动机负荷大，且运行工况较稳定，能够允许炭罐以最大流量进行冲洗，标定要利用好这2 个阶段，及时且充分地对炭罐进行脱附。

图1 高温行驶试验概况

在“高温行驶”循环中，炭罐的脱附特性如图2所示，其特性曲线近似公式为

图2 高温行驶炭罐脱附特性

可以看到，随着脱附的进行，累计冲洗气流质量不断增加，炭罐脱附速度逐渐减慢，这说明脱附特性不仅与冲洗气流相关，还与炭罐内剩余燃油蒸汽量有关。炭罐内所吸附的燃油蒸汽质量逐渐减少导致的影响一方面脱附比例减小，另一方面脱附难度增加。Hata，H.等人在研究归纳炭罐脱附特性时将炭罐所含蒸汽质量考虑了进去[4]。

在“高温行驶”结束后7 min 之内，将试验车辆移进密闭室（SHED），开始进行持续1 h 的“热浸试验”，期间蒸发排放的模态数据如图3 所示。

图3 热浸试验HC 模态图

在热浸时间内，HC 浓度由6.228 × 10-6增加到9.292×10-6，蒸发排放物质量0.186 g。由模态数据还可以看出，在最初的15 min 内，HC 浓度上升最快，在随后的时间里，HC 浓度上升逐渐减慢。可见热浸排放的主要原因在于车辆停止后，散热效果变差，整车热辐射使得炭罐通风以及燃油系统渗透、进气系统渗透释放的HC 增多。

“热浸试验”后，经过6～36 h 的20℃常温浸车，然后将车辆再次移入密闭室，开始“48 h 昼夜换气测试”，期间蒸发排放的模态数据如图4 所示。

图4 48h 昼夜换气测试HC 模态图

密闭室初始HC 浓度为6.198×10-6，第一个24 h增加到9.161×10-6，第二个24 h 增加到10.714×10-6，2 d 换气排放质量分别为0.181 g 和0.095 g。

按照国六标准计算，蒸发排放检验结果为热浸结果与2d 结果较大者相加，并经过劣化修正，即0.186+0.181+0.06=0.427 g，满足法规标准要求，占法规标准限值的61%。由图还可以看出，2 d 排放趋势基本一致，前4 h 温度低且温升较慢，HC 释放也较慢。随后7 h 温升快，最高温度达到35 ℃，HC 释放也快，浓度急剧上升。在接下来的4 h 内，虽然温度下降较快，但仍然处于30 ℃以上，HC 释放速度仍然很快。在后续的9 h 内，环境温度较低且处于下降趋势，HC 以很缓慢的速度释放，浓度略有增加。H.Man 等人应用4 种不同组分汽油进行的研究结果[5]也发现了同样的规律。

3.2 加油排放测试

加油排放的试验规程在国六法规里面有详细的描述，本文不再赘述。值得关注的一点是，其中“I 型试验行驶”这一步骤需要满足国六I 型排放试验限值要求。这个步骤的测试与I 型试验的差异点是，I型试验不要求炭罐状态。而加油排放中的“I 型试验行驶”这一步骤，是在炭罐经过2 g 击穿后，经过一个WLTC 预处理，再浸车12～36 h 后进行的。也就是说，一个饱和的炭罐仅经过一个预处理过程，然后浸车过程还要有一定程度的吸附，在这个炭罐处于半饱和的状态下，标定需要保证炭罐的冲洗不能引起I型排放的恶化。

此处的预处理和“I 型试验行驶”，以及后续的“加油控制系统处理行驶”这3 个步骤的炭罐脱附量，将成为标定控制的重点，炭罐的脱附效果直接影响加油排放的结果。预处理和“I 型试验行驶”过程的试验概况分别如图5、6 所示。

图5 预处理行驶试验概况

图6 I 型试验行驶试验概况

预处理累计冲洗气流质量253.6 g，炭罐脱附质量114.9 g。“I 型试验行驶”累计冲洗气流质量327.2 g，炭罐脱附质量54.3 g。总体来看，脱附流量较大的区间为高速及超高速的加速和稳速阶段，这依然是得益于发动机负荷较大且工况稳定，而且不存在发动机停机，炭罐控制能够实现以较大的流量连续进行脱附。

预处理过程由于炭罐处于饱和状态，受限于其对驾驶性的冲击，脱附流量需要通过标定加以限制，因此其脱附流量小于“I 型试验行驶”。但由于其所吸附的燃油蒸汽已经达到饱和状态，因此脱附速度明显更快，导致最终炭罐脱附质量较大。2 个测试过程的脱附特性如图7、8 所示，这里也可以清晰地看出，预处理过程炭罐脱附效率较高，主要原因还是在于其所含燃油蒸汽更多，脱附更加容易。

图7 预处理行驶炭罐脱附特性

此处需要说明的是，对于整体式和非整体式炭罐系统，国六法规里面“加油控制系统处理行驶”这一步骤是有区别的。整体式为在“I 型试验行驶”结束后的2 min 内，进行一个低速+低速+中速+低速的WLTC 组合。而对于非整体式系统，可由车企自主选择循环数重复进行低速+中速+高速+超高速，但燃油消耗量最多不能超过85%油箱标称容量。也就是说，对于非整体式炭罐系统，可以不必关心前2 个循环的炭罐脱附量，因为在“加油控制系统处理行驶”这一步，有足够的机会把炭罐脱附干净。

在“加油控制系统处理行驶”结束后，按照国六法规要求，依次进行断开炭罐、放油、10%加油，然后浸车6～36 h。在试验室准备完毕后，重新连接炭罐，将车辆移进密闭室，进行加油排放试验，如图9 所示。

图9 加油排放测试

本研究加油排放试验总计加油量44.03 L，密闭室HC 排放量0.663 g，计算得到加油排放结果为0.015 g/L，经过劣化校正后的最终排放结果为0.025 g/L，满足法规0.05 g/L 的限值要求。可见，本文所述蒸发排放系统可以有效控制加油过程的污染物排放，试验结果仅为国六法规限值的50%。

4 结论

1）国六法规蒸发排放限值大幅降低，并新增了加油排放的要求。汽车混合动力化进一步压缩了炭罐脱附的时间，这些都对蒸发排放系统以及炭罐脱附提出了更高的要求。

2）本文研究开发了一套全新的蒸发排放系统，并经过精细设计及标定优化，按照国六法规要求对某型混合动力汽车分别进行了蒸发排放及加油排放试验测试，结果完全满足国六法规要求。本系统同样适用于传统燃油汽车。

3）分析了蒸发排放和加油排放规程中各个循环炭罐脱附特性、蒸发排放产生规律以及标定重点，为国六阶段蒸发排放系统开发提供借鉴。

“科技攻关要坚持问题导向，奔着最紧急、最紧迫的问题去。”

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话