[摘要] 本文首先介绍了炭罐在汽油车上应用的历程及其作用，试验研究了炭罐有关的几个关键指标，包括炭罐工作能力、击穿时间、内部几何结构特性、工作寿命、ECU 控制脱附过程以及炭罐安装位置等因素对蒸发排放的影响。研究结果表明合理设计炭罐并与汽车相匹配是控制蒸发排放的关键。
关键词：蒸发排放 欧Ⅱ法规 炭罐
1 概述
研究表明，汽油车蒸发污染物产生的HC 约占汽油车排入大气的HC 总量（由蒸发排放、曲轴箱排放和排气排放组成）的20%左右。而2002 年我国共生产汽车3251225 辆，其中汽油车占68.4%，因此更好地控制汽油车蒸发污染物对减少大气污染的贡献率非常可观。
我国于1995 开始在汽油车上强制安装蒸发排放控制系统——炭罐。当时大多数汽油车的供油方式为化油器式的，为了考虑车辆工作的稳定性，炭罐都配有吸附阀和脱附阀。如今，随着排放法规的不断加严，化油器式汽车在我国的数量已显著减少，供油方式大都采用了电控燃油喷射的形式，但蒸发排放控制系统的技术却始终没有全面的改进。大部分炭罐生产厂只是将脱附阀取消，仍保留着吸附阀。为了满足将要执行的欧II 法规中关于《装点燃式发动机车辆蒸发排放试验》的要求，需要炭罐的吸附口与通大气口间的阻力要小于0.98kPa[1]，即炭罐要基本取消吸附阀。这个标准为一直装备有带吸附阀炭罐的车辆生产厂提出了更高的要求。
炭罐在汽油车蒸发排放污染物控制中起关键的作用，它是油箱产生的汽油蒸汽的中转站，它要将油箱内产生的HC 蒸汽吸附到其内部的活性炭中，在适当的时机将吸附的HC 脱附，脱附出来的HC 进入发动机参与燃烧。如果炭罐设计不合理，导致对HC 吸/脱附不彻底，则有一部分HC 就要逃逸到大气中，从而导致蒸发排放污染物得不到有效地控制。
我们试验研究了炭罐有关的几个关键指标，包括炭罐工作能力、击穿时间、内部几何结构特性、工作寿命、ECU控制脱附过程以及炭罐安装位置等因素对蒸发排放的影响。本文总结了这些试验研究结果。
2 试验描述
2.1 试验设备
本文中所提及的炭罐性能试验是在按HCRJ047―1999 的标准开发的试验台[2]上进行的，所提及的蒸发排放试验是在参考文献1 要求的密闭室内进行的。所有用到的试验设备都经过相关部门的计量认证。
2.2 试验研究内容
2.2.1 炭罐工作能力与蒸发排放的关系研究
炭罐工作能力是影响蒸发排放最主要的因素之一，对炭罐工作能力有一个基本的要求，但炭罐工作能力与车辆的匹配也很重要。试验研究了炭罐工作能力与车辆蒸发排放间的关系。
2.2.2 炭罐击穿时间与蒸发排放的关系研究
击穿时间定义为炭罐的通气孔开始有HC 逃逸到逃逸浓度达到8000×10–4%时所经历的时间。试验研究了击穿时间长短对蒸发排放的影响。
2.2.3 炭罐内部几何结构特性对蒸发排放的影响研究
2.2.4 炭罐工作寿命对蒸发排放的影响研究
2.2.5 ECU 控制脱附过程与蒸发排放关系研究
2.2.6 炭罐安装位置对蒸发排放的影响研究
3 试验结果及分析
3.1 炭罐工作能力与蒸发排放的关系
我们选择了满足参考文献1 中蒸发排放生产一致性要求的5 种轻型汽车以及与其匹配的炭罐。与前4种车型所匹配的4 种类型的炭罐，每个类型的炭罐选择2 个，与后1 种车型所匹配的炭罐选择4 个。每个车型安装一个炭罐按照参考文献1 中的试验程序进行蒸发排放测试，将与车型5 所匹配的炭罐装到不是原匹配的车型1 上进行蒸发排放测试，另外6 个炭罐按参考文献2 的试验程序进行工作能力测试。昼间呼吸损失过程油箱产生的总蒸气量（TTHC）、炭罐的工作能力(有效吸附量、GWC)以及蒸发排放试验结果(THC)见表1。
试验表明，炭罐的工作能力为车辆进行昼间呼吸损失测试过程中的油箱总蒸气量的1.5 到2.5 倍间就能满足蒸发排放法规，而在2.0 倍以上蒸发试验结果更好。但并不一定装更大的炭罐试验结果会更好，车型1 装大的炭罐的结果并不太好，因为控制系统的设计脱附量是定值，大的炭罐在预处理时脱附不彻底，其有效工作容积只是总体炭罐容积的一部分而不是全部，将导致蒸发排放试验的结果很高[3]，换句话说，大炭罐在使用一定条件下由于脱附不彻底在炭罐的内部形成了许多吸附的死角，从而使炭罐有效吸附容积降低；同时当炭罐进行HC 吸附时或其它原因炭罐内部温度上升时，吸附的死角将释放HC，从而导致试验结果比想象的要高。另外，使用大的炭罐会受到车辆上的空间限值，同时也会增加成本。
3.2 炭罐击穿时间与蒸发排放的关系
炭罐吸附HC 过程中并不是在炭罐中的活性炭吸附HC 都达到饱和时才在炭罐的通大气孔有HC 出现，而是在炭罐吸附HC 达到一定程度时就有HC 从炭罐的通大气孔处逃逸出来。先逃逸出来的是扩散系数大的小分子量的HC。从炭罐的通大气孔开始有HC 逃逸到逃逸的HC 浓度达到8000×10–4%时所经历的时间为炭罐的击穿时间。我们选择了两种不同击穿时间而工作能力相同的炭罐装在同一辆车上进行密闭室试验。两种炭罐的击穿时间如图1 所示，蒸发排放试验结果如表2 所示。
图1 炭罐击穿时间比较
表2 蒸发排放试验结果
 图1 表明，A 型炭罐的击穿时间短，B 型炭罐的击穿时间长。从表2 可知，装有A 型炭罐的车辆的蒸发排放结果明显好于B 型炭罐。A 型炭罐的工作能力为20.0 克，B 型炭罐的工作能力为19.3 克，而车辆在昼间呼吸损失阶段产生的总蒸发量为10.56 克，在热浸损失阶段产生的总蒸发量为4.2 克，理论上无论采用哪个炭罐，其蒸发排放值都应很小，但是装B 型炭罐的蒸发排放却接近于限值，这是由于B 型炭罐的击穿时间长，当炭罐并未达到完全吸附饱和时炭罐的通大气口就有HC 逃逸。从表2 中可以清楚地看到这一点。
3.3 炭罐内部几何结构特性对蒸发排放的影响
炭罐的内部几何特性是影响炭罐工作能力以及炭罐击穿速度特性的关键因素。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几何特性。文献4 表明对所有类型的炭来说，提高炭床的深度可以成比例的提高炭罐的吸附能力。
为了研究不同几何特性的相同容积的炭罐的工作能力的差异，我们仿造文献5 制作了三种容积均为1升的炭罐，炭罐所用材料、炭的型号以及炭罐的三个出口内径都相同。炭罐简图如图2 所示，其中第三个炭罐的两个碳床的分割比例为2:1。三种炭罐的工作能力以及装车蒸发排放试验结果如表3 所示。
L/D=3.5,等分 L/D=4.5,等分 L/D=3.5,不等分(2:1)
图2 相同容积不同长径比的炭罐
表3 三种炭罐的工作能力以及装车蒸发排放试验结果表
从表3 可知提高长径比可以提高炭罐的工作能力，可以缩短炭罐的击穿时间，从而降低整车的蒸发排放结果；另外保证长径比不变，而改变炭床的分割比例也可以提高炭罐的工作能力，缩短炭罐的击穿时间。
表3 的试验结果与文献5 中提到的炭罐几何特性对昼间呼吸损失的影响非常相似。另外在炭罐的炭层中加上一定厚度的空气隔离层或采用迷宫式碳床结果都可以大大提高炭罐的工作能力、减少整车的蒸发排放[6]。在炭床内部采用不同的活性炭的组合也可以大大降低整车的蒸发排放［7］。而将传统的炭罐内部的空气/蒸气行走路线改为U形或W形是不改变炭罐外部尺寸而能大大提高炭罐的长径比的最有效的方法之一。
3.4 炭罐工作寿命对蒸发排放的影响
炭罐有效工作寿命是有限的，炭罐性能劣化是由于高沸点的HC 被吸入炭罐内部活性炭的微孔并被有效吸附而产生的［6］，当劣化达到一定程度则炭罐的有效工作寿命就终止了。不同车型所匹配炭罐的有效工作寿命不同，相同车型不同行驶状态也会导致所匹配炭罐的有效工作寿命不相同。表4 是5 种车辆按文献1 中Ⅴ型试验运行时每一万公里的蒸发试验结果。表4 不同车型8 万公里蒸发排放结果 （单位：g/试验）
 由表可见，前三个车型的1 万公里的结果都略好于零公里的排放结果。这是由于经过1 万公里的跑合，车辆的各零部件之间已经磨合充分，且车辆的背景排放大量减少的缘故。车型5 是由于车辆系统密封性不好导致试验不合格，车型3 和4 的结果表明炭罐的有效工作寿命可能在有限的里程就终结了，即蒸发超过了标准规定的2g/试验的限值。
因此蒸发排放控制系统设计时就要根据炭罐正常有效工作寿命设定一个合理的更换周期，但正常情况下，更换周期应在8 万公里以上。上表车型1 和2 的试验结果也表明，正常情况下的8 万公里耐久性试验后的试验结果为零公里试验结果的两倍左右。
3.5 ECU控制脱附过程与蒸发排放关系
要想车辆的蒸发排放能得到有效的控制，则蒸发排放控制系统必须都能正常吸附，也能正常脱附，缺一不可。表5 是我们就2001 年~2002 年的72 次蒸发排放试验不合格原因分析结果。表5 2001 年和2002 年的排放不合格原因统计
 由表5 可知在所有统计的失效试验中由于ECU控制炭罐脱附方面失效的试验约占总体统计值的30%，可见ECU 控制炭罐脱附在蒸发排放控制系统中起到相当大的作用。
试验表明，在保证ECU 有效控制炭罐脱附的前提下，适当提高炭罐的总体脱附空气量可以减少蒸发排放的热浸损失，但是并不能为了减少热浸损失就无限制地提高总体脱附空气量，因为脱附时机和某种状态下的脱附量是受许多因素所控制的，如在减速情况下就不能脱附，否则不仅浪费燃料而且影响车辆的减速过程。因此要想理想地控制蒸发排放，应该在不影响车辆工作状态下尽可能的提高炭罐脱附的总空气量。这需要ECU 与整车的匹配工作上要进一步做细，解决提高炭罐脱附总空气量和精确控制发动机空燃比的矛盾。
3.6 炭罐安装位置对蒸发排放的影响
由于活性炭吸附HC 的过程是个放热过程，脱附HC 的过程是个吸热过程，因此炭罐工作在低温环境下有利于HC 吸附，而工作在高温条件下有利于HC 脱附。在表5 统计的其它原因项中80%以上是由于炭罐安装位置导致其环境温度过高而造成试验结果超标的。当炭罐装在车辆的发动机仓内而且靠近发动机时，在蒸发试验中当运行一个城区循环和一个城郊循环后，炭罐周围的环境可达到50℃以上，这种条件下，在热浸损失过程中炭罐吸附HC 的能力减弱，从而致使油箱产生的汽油蒸气不能完全被吸附而从炭罐的通大气口逃逸出来。表6 所列的试验数据为炭罐安置在车辆的不同位置所进行的蒸发排放试验结果，其中炭罐的环境温度为25℃的情形是将炭罐放置在车外，保持原炭罐的位置高度不变。表6 炭罐不同环境温度对蒸发排放的影响
 由表6 可见，炭罐工作位置对昼间呼吸损失结果没有影响，这是由于车辆在昼间呼吸损失前进行了6～30 小时的试验室温度下的浸车，炭罐的工作环境温度都是试验室的环境温度。但是从表6 可知炭罐的工作环境温度如果太高则热浸损失将会很高，因为高温时炭罐的有效吸附量相应减少。但从表6 中可以看出，工作环境温度对炭罐的脱附也有影响，环境温度高则脱附效果好。因此，如何将炭罐放置在合适的位置/工作温度下，以求得到最好的脱附效果同时又能将热浸损失控制在合理的范围，最终只能通过试验来确定。
4 结论
1) 炭罐工作能力是影响车辆蒸发排放最主要因素之一，因此选择合适工作能力的炭罐很重要。
2) 炭罐击穿时间是评价工作能力相同的炭罐的重要指标，炭罐的击穿时间短则炭罐的性能就好，所装车辆的蒸发排放结果就好。
3) 炭罐的内部几何结构特性是影响炭罐工作能力的主要因素，提高炭罐的长/径比，改变蒸气/空气行走路线的截面积都可以有效地提高炭罐工作能力、减少蒸发排放。
4) 提高炭罐的脱附量可以有效地减少车辆的蒸发排放。
5) 炭罐工作环境温度会影响车辆蒸发排放，合理的炭罐工作位置最终应该通过试验来确定。
6) 应合理地选择和匹配炭罐，确保炭罐有效工作寿命满足标准要求。
参考文献
1 国家环境保护总局、国家质量监督检验检疫总局. GB18352.2-2001《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》. 中国环境科学出版社，2001
2 国家环境保护总局. HCRJ047-1999 《汽油车燃油蒸发污染物控制系统（装置）认定技术条件》. 1999
3 Philip J.Johnson,Roger J.Khami,. Jeffrey E.Bauman,Thomas. Carbon Canister Development for Enhanced Evaporative Emissions and On-Board Refueling.
AE 970312
4 J.E.urbanic,E.S.Oswald. N.J.Wagner and H.E.Moore etc. Factors Affecting the Design and Breakthrough Performance of Evaporative Loss Control
Systems or Current and Future Emission Standards. SAE 890621
5 Roger S. Williams and C. Reid Clontz. Impact and Control of Canister Bleed Emissions. SAE 2001-01-0733
6 Detroit,Michigan. Studies on Carbon Canisters to Satisfy LEVII EVAP Regulations. SAE 2000-01-0895
7 Hideyuki Matsushima, Akio Iwamoto, Masahiro Ogawa etc. Development of a Gasoline-Fueled Vehicle with Zero Evaporative Emissions. SAE
000-01-2926(end)
|
