降低整车蒸发排放的实用技术研究

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1、2 0 0 5 中国汽车工程学会制造年会 2 0 0 5S A E C h i n aD e s i g n & M a n u f a c t u r i n gC o n f e m n c e 降低整车蒸发排放的实用技术研究 高俊华张晓辉 中国汽车技术研究中心 【摘要】本文从减少油箱蒸发量以及提高炭罐性能两方面进行分析研究，提出炭罐串联、利用汽油车尾气 管的温度加热炭罐脱附空气以及车辆安装绝热油箱等技术策略，降低整车的蒸发排放量，以满足目前及将来更 严格的排放法规。 关t 词：汽油车蒸发捧放炭罐 A p p l i e dT e c h n o l o g yS t u d yf o r

2、R e d u c i n gE v a p o r a t i v eE m i s s i o no f V e h i c l e G a oJ u n h u a Z h a n gX i a o h u i C h i n aA u t o m o t i v eT e c h n o l o g ya n dR e s e a r c hC e n t e rU n i v e r s i t y 【A b s t r a c t 】T h i sa r t i c l er e s e a r c h e de v a p o r a t i v ee m i s s i o n

3、B a s eo nr e d u c i n ge v a p o r a t i v em a s so ff u e lt a n k a n de n h a n c i n gp e r f o r m a n c eo fc a n i s t e r I tr a i s e ds o m ep o i n to ft e c h n o l o g y ，l i k eu s i n gt w oc a n i s t e r s ，u s i n gh e a t o ft a i l p i p eh e a t e da i ro fp u r g i n gc a n

4、i s t e r ，u s i n gi s o l a t e dt a n ka n dS Oo n A c c o r d i n gr e s u l to ft e s t i n gt h e s e t e c h n o l o g yw a se f f e c t i v ef o rr e d u c i n ge v a p o r a t i v ee m i s s i o no fv e h i c l e K e yW o r d s ：G a s o l i n eV e h i c l eE v a p o r a t i v eE m i s s i o

5、 n C a r b o nC a n i s t e r 1 前言 随着科技水平的提高以及环保意识的加强，我国的车辆排放法规正快速地向更加严格的方向发展， 就汽油车蒸发排放标准而言从1 9 9 9 年开始实行密闭室法的6 克标准，到2 0 0 4 年开始进行大量欧三标准 试验，在6 年时间里完成国外1 0 年走过的里程。在通过对过去几年内所进行几百次的密闭室试验的统 计分析过程中发现，每当新标准出台前后都有大量的车辆不能通过标准要求，但经过修理或提高炭罐的 工作能力就可以改善蒸发排放。通过对测试车辆所采用的蒸发排放控制部件以及控制技术的分析研究表 明，通过改善蒸发系统的密封性、提高炭罐的工作

6、能力、降低整车的背景排放以及优化控制策略等技术 可以有效地降低整车的蒸发排放。 2 目前的整车蒸发排放水平 通过对过去几年所进行的整车燃油蒸发试验的统计发现整体的蒸发控制水平是在不断提高，统计结 果见表1 和图1 。利用欧I I 密闭室【l j 进行的试验的通过率由1 9 9 9 年的6 0 提高到2 0 0 4 年的9 2 ，利用 欧I 密闭室在2 0 0 4 年所进行的欧I 标准要求的试验的通过率为6 6 。标准限值从1 9 9 9 年的6 克降低 到目前的2 克，试验测试时间由最早的2 小时延长到目前的2 5 小时。目前的蒸发排放控制水平还不够 理想，在2 0 0 4 年所进行的欧I I

7、 测试的车辆其中有3 0 是欧的配置的前提下，其总体通过率比2 0 0 3 年提高l O 个百分点。而欧系统匹配的车辆的蒸发排放水平也不是太理想。在通过的标准要求的试验 中超过匹配期望值1 2 克T e s t 的车辆数目为1 9 辆，占总体试验次数的3 0 6 ；而超过1 7 克T e s t 的车 辆数目的车辆竟高达9 辆，占总体试验次数的1 4 5 。从数据分析角度看，我们需要在汽油车蒸发排放 控制方面投入更多的技术策略，以满足目前以及将来的蒸发排放法规。 1 2 2 2 0 0 5 中国汽车工程学会制造年会2 0 0 5S A E C h i n aD e s i g n & M a

8、n u f a c t u r i n gC o n f e r e n c e 表1欧二标准的密闭室试验统计表 年份试验次数通过次数通过率 1 9 9 9 焦 2 0 1 2 6 0 舢年 4 7 3 3 7 0 2 2 0 0 1 盆8 25 36 4 6 2 0 0 2 笠1 7 11 2 37 1 9 2 0 0 3 生1 7 71 4 58 1 9 2 0 0 4 焦1 5 41 4 19 1 5 0 器 h 笆 | 姆 像 堪 01 02 0 3 蒸发排放控制技术分析 3 04 05 06 07 0 试验编号 图1 欧三标准的密闭室试验结果统计 3 1 背景捧放控制 整车的蒸发排放

9、由昼间呼吸、热浸损失以及背景排放组成。背景排放是指除油箱系统之外的其他部 件的H C 排放，如车身油漆、车的内饰材料、橡胶部件、油类和油脂等。从一些车辆的玻璃水中也测出 了H C 的排放，先前的研究也表明空调制冷剂对蒸发排放也有贡献【2 】。对出厂超过3 个月的车，利用欧 密闭室法进行1 小时热浸测试背景排放一般为0 0 1 0 3 9 。如果进行更长时间的背景排放测试，结果可 能会更多。背景排放对整体蒸发排放的结果有一定的贡献，通过消除背景排放可以适当降低整车蒸发排 放。背景排放的消除一般采用长期放置的方法，让H C 自然挥发；也有的公司如丰田公司将要进行蒸发 测试的车辆放到7 0 的房间内

10、放置4 8 小时或更长的时间进行强制通风挥发；当然最理想的消除背景排 放的方法是采用环保的材料和部件。 3 2 炭罐性能改进 炭罐是蒸发排放控制系统的关键部件之一，炭罐在整个控制系统中起到收集、存储以及释放H C 蒸 汽的作用，其性能指标的好坏将直接影响到整车的蒸发排放量。通过理论分析以及试验研究表明可以通 过以下途径提高炭罐的工作能力。 3 2 1 活性炭的几何特性及材质 炭罐的主要工作介质是活性炭，炭罐利用活性炭对H C 的吸附和脱附作用来实现控制整车蒸发排放 的目的。因此活性炭的性能是影响炭罐性能的关键指标之一。 活性炭是一种无规律的、多孔结构的、具有很强有机成分吸附能力的炭的一种形式。

11、在l m m 直径 的炭粒中能包含1 0 亿个孔，这些孔中有很大一部分的直径在燃油分子尺寸范围1 0 1 0 0 埃之内。在吸附 过程中，燃油蒸气进入炭罐并且扩散到炭孔的矩阵中，由于范得华物理力的作用，将燃油蒸气吸附到炭 孔中。由于这些H C 分子保存在孔中的力与分子直径以及孔的直径成比例，因此活性炭中直径是H C 分 子直径1 0 2 0 倍的孔( 大于1 0 0 0 埃) 不能吸附H C 分子，而微孔( 小于2 0 埃) 吸附的H C 分子不能被 】2 3 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 2 0 0 5 中国汽车工程学会制造年会 2 0 0 5S A E C h i n aD

12、e s i g n & M a n u f a c t u r i n gC o n f e r e n c e 空气脱附，在活性炭中对蒸发排放有贡献作用的是介于上述两种孔径之间的中孔口1 。因此选择孔容积分 布比例合适的活性炭是提高炭罐的性能的关键因素吲。 炭罐用活性炭的种类很多，有煤基、木基以及化学方法合成的活性炭，每种材质制出的活性炭的性 能指标各异5 羽，但通过对国内现有的各种类型的车用活性炭试验测试结果进行比较，发现木基炭在性 能上有很大优势。具有代表性的试验结果见图2 。 图2 装有不同类型活性炭的炭罐的工作能力图3 活性炭吸附液体汽油时的放热量 3 2 2 活性炭的热特性 活性炭

13、吸附汽油蒸汽的过程是一个放热过程，而脱附H C 的过程是一个吸热过程。图3 是文献 7 在1 0 0 克的活性炭中加入汽油的放热曲线图。为了定性地验证活性炭吸放热的程度，在进行炭罐性能测 试8 1 时利用热电偶测量炭罐壳体内壁的温度，测试结果见图4 和图5 。 图4 炭罐吸附过程中的温度变化曲线图5 炭罐脱附过程中的温度变化曲线 文献 7 】的研究表明通过提高活性炭脱附时的脱附空气温度可以显著提高活性炭的工作能力，通过试 验也表明了上述观点。图6 是吸附温度相同而脱附空气温度不同对炭罐工作能力的影响。通过试验也表 明采用散热好的炭罐壳体也可以提高炭罐的工作能力，表2 是几何特性、活性炭种类以及

14、装炭量完全相 同的塑料壳体的炭罐与铁壳体炭罐的性能比较。 炭罐类型 炭罐1 炭罐2 炭罐3 表2 不同壳体的炭罐性能比较表 塑料壳体金属壳体 5 2 9 9 1 0 0 m l5 5 7 9 1 0 0 m l 5 9 2 9 1 0 0 m l6 3 8 9 1 0 0 m l 6 3 3 9 1 0 0 m l6 7 5 9 1 0 0 m l 1 2 4 撤 E 9 7 4划泐加似 2 0 0 5 中国汽车工程学会制造年会 2 0 0 5S A E C h i n aD e s i g n & M a n u f a c t u r i n gC o n f e r e n c e 图6

15、 使用不同温度的脱附空气对炭罐性能的影响 从图6 和表2 可以看出通过利用活性炭的对H C 的这种热特性可以显著地提高炭罐的工作能力。在 S A E 的文献中有一些通过利用活性炭的这种热特性来提高炭罐的性能，如在炭罐中装入一些高比热的活 性炭来提高炭罐的性能【9 】，以及利用电阻丝加热炭罐底版来控制脱附空气的温度u0 1 ，从而提高炭罐的性 能。这些研究理论性非常强，但在应用上有一些缺陷。如在市场上很难找到适合炭罐用的高比热的活性 炭，而用电阻丝加热炭罐底板则限制了从炭罐几何特性上来提高炭罐的性能，只适用于直通式的炭罐， 另外还要消耗能量。从目前的研究看，利用汽车尾气管散发的热量加热脱附炭罐用

16、的空气以及采用炭罐 远离车辆的热源安装或炭罐壳体采用散热效果好的材料，可以有效的降低整车的蒸发排放，消除上述所 列举的缺陷。 3 2 - 3 炭罐的几何特性 炭罐的几何特性分为炭罐内部的几何特性和炭罐外部的几何特性，炭罐的内部几何特性包括炭罐中 炭层的深度、炭层的长径比以及炭层的分割等特性，炭罐的外部几何特性主要指三个阀的直径以及位置 等因素，研究表明炭罐的几何特性是影响炭罐性能的关键因素。 对于炭罐的内部几何特性而言，对所有的种类的活性炭来说，提高炭床的深度都可以成比例的提高 炭罐的工作能力，提高炭罐的长径比也都可以提高炭罐的工作能力【1 1 1 。同样改变炭罐内炭床的分割比例 以及在炭层中加入一定厚度的空气隔离层或采用迷宫式的炭床都可以提高炭罐的工作能力、减少整车的 蒸发排放【l2 1 。关于内部几何特性对炭罐性能以及整车蒸发排放量的影响在先前的研究论文【1 3 】中有详细的 论证，这里不再进行数据论证。 炭罐上的三个