張智軒林吉坤翟振宇王玉冬（1-天津內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072 2-天津摩托車(chē)技術(shù)中心3-天津摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所　-奧迪（中國(guó)）企業(yè)管理有限公司）

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摩托車(chē)國(guó)Ⅳ循環(huán)下炭罐脫附流量的研究

張智軒1，2，3林吉坤4翟振宇1，2，3王玉冬1，2，3
（1-天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072 2-天津摩托車(chē)技術(shù)中心
3-天津摩托車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所4-奧迪（中國(guó)）企業(yè)管理有限公司）

摘要：中國(guó)摩托車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)（第四階段）中，對(duì)于兩輪和邊三輪摩托車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)的測(cè)試循環(huán)修改為采用全球技術(shù)法規(guī)WMTC測(cè)試循環(huán)，同時(shí)增加對(duì)炭罐初始工作能力的測(cè)試要求。需要對(duì)炭罐在實(shí)際工況下的脫附流量進(jìn)行研究，對(duì)臺(tái)架測(cè)試中不同等速脫附速率的脫附效果進(jìn)行對(duì)比分析，為標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的試驗(yàn)條件、一致性檢驗(yàn)測(cè)試條件的設(shè)定等提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：燃油蒸發(fā)炭罐脫附速率

引言

在現(xiàn)代摩托車(chē)行業(yè)中，綠色環(huán)保、低碳的理念已經(jīng)被摩托車(chē)制造商和消費(fèi)者廣為接受。低排放、低油耗成為摩托車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的重要目標(biāo)之一。其中，由燃油蒸發(fā)所導(dǎo)致的污染物排放，也受到了越來(lái)越大的重視。燃油蒸發(fā)污染物排放控制系統(tǒng)的核心部件是存儲(chǔ)了活性碳的炭罐，其脫附性能直接影響著整個(gè)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)以及摩托車(chē)整體的排放性能。因此，對(duì)于炭罐脫附性能的研究則顯得十分必要和重要。

目前，《摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）》和《輕便摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)”）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正在制定中。相比GB 14622 -2007和GB18176-2007兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所謂國(guó)三階段標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)的文稿將燃油蒸發(fā)污染物排放作為其中的測(cè)試項(xiàng)目，定義為Ⅳ型試驗(yàn)。同時(shí)，兩輪和邊三輪摩托車(chē)Ⅰ型試驗(yàn)的測(cè)試循環(huán)修改為采用全球技術(shù)法規(guī)No.2《裝用點(diǎn)燃式或壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托車(chē)的氣體排放污染物、CO2排放物以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測(cè)量程序》（GTR No.2）中世界摩托車(chē)測(cè)試循環(huán)（WMTC）。

在國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)中，為了加嚴(yán)對(duì)燃油蒸發(fā)污染物排放一致性的控制，標(biāo)準(zhǔn)中增加了對(duì)炭罐初始工作能力的測(cè)試要求。其中，初始工作能力指通過(guò)丁烷/氮?dú)獾幕旌蠚馐固抗尬街僚R界點(diǎn)，再通過(guò)一定量的空氣進(jìn)行脫附，經(jīng)過(guò)13次試驗(yàn)后，測(cè)得的單位炭罐有效容積的有效吸附量。

由于測(cè)試工況循環(huán)的變化以及新增了一致性試驗(yàn)內(nèi)容，需要對(duì)炭罐的脫附流量進(jìn)行研究，以便為標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)的試驗(yàn)條件、一致性檢驗(yàn)測(cè)試條件的設(shè)定等提供數(shù)據(jù)支持。

1國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)中WMTC工況介紹

WMTC測(cè)試循環(huán)與我國(guó)現(xiàn)在執(zhí)行的GB14621-2007的排放測(cè)試循環(huán)相比，WMTC的測(cè)試工況更接近摩托車(chē)實(shí)際道路的行駛特征，按照摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和最高車(chē)速的不同，將摩托車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，具體如表1和圖1所示[1]。

表1　兩輪摩托車(chē)分類(lèi)

圖1　兩輪摩托車(chē)分類(lèi)

WMTC測(cè)試循環(huán)由三個(gè)測(cè)試部分組成，考慮到一些小排量的摩托車(chē)和踏板摩托車(chē)的最高車(chē)速達(dá)不到工況中所要求的車(chē)速，每個(gè)部分各包含一個(gè)正常測(cè)試循環(huán)和低速測(cè)試循環(huán)，每個(gè)循環(huán)持續(xù)600 s，其速度－時(shí)間曲線如圖2所示[1]。第一部分為低速部分，代表市區(qū)內(nèi)道路情況；第二部分為中速部分，代表鄉(xiāng)村公路；第三部分為高速部分，代表高速道路情況。

2樣車(chē)選擇

圖2　 WMTC測(cè)試循環(huán)的構(gòu)成

通常情況下，炭罐的大小會(huì)根據(jù)樣車(chē)油箱容積進(jìn)行選擇，脫附流量也應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量、燃燒狀態(tài)等因素進(jìn)行合理的設(shè)定。不同的樣車(chē)采用不同的炭罐和不同的脫附流量，但炭罐和脫附流量與摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量具有相關(guān)性。因此，本文以發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為基礎(chǔ)，選擇典型樣車(chē)作為研究對(duì)象。根據(jù)中國(guó)2007年至2012年全國(guó)摩托車(chē)的產(chǎn)量[2]，按照不同的排量進(jìn)行分類(lèi)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，對(duì)于兩輪摩托車(chē)產(chǎn)量最大的排量段為111 mL～125 mL這一排量段，排在第二位的是101 mL～110 mL排量段的摩托車(chē)。因此，為了針對(duì)適合中國(guó)摩托車(chē)行業(yè)的實(shí)際情況，本次研究選取這兩個(gè)排量段的摩托車(chē)樣車(chē)作為對(duì)象。同時(shí)，考慮到典型的車(chē)輛類(lèi)別，選擇1輛排量為125 mL的騎式車(chē)、1輛排量為125 mL的踏板和1輛排量為110 mL的彎梁車(chē)作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行研究。

表2　中國(guó)摩托車(chē)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)表

3試驗(yàn)方法及設(shè)備

3.1試驗(yàn)方法

1）對(duì)所選擇的三輛被測(cè)試樣車(chē)，根據(jù)樣車(chē)分類(lèi)原則，選取對(duì)應(yīng)的WMTC工況，研究炭罐在摩托車(chē)上實(shí)際脫附的工作狀態(tài)，測(cè)試炭罐在實(shí)際循環(huán)下的脫附流量和脫附總量。

2）分別測(cè)試炭罐在實(shí)際循環(huán)下脫附質(zhì)量以及不同穩(wěn)定脫附流量下炭罐的脫附質(zhì)量。

3.2測(cè)試設(shè)備介紹

根據(jù)試驗(yàn)方法，摩托車(chē)按照WMTC工況運(yùn)行對(duì)應(yīng)的工況，需要用具有道路行駛阻力模擬功能的底盤(pán)測(cè)功機(jī)；測(cè)量摩托車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中炭罐脫附的實(shí)時(shí)流量，需要用氣體質(zhì)量流量計(jì)；測(cè)量摩托車(chē)炭罐吸附前、后，脫附前、后等狀態(tài)下的炭罐的質(zhì)量，需要用電子天平；使炭罐單獨(dú)進(jìn)行吸附和脫附，需要用炭罐綜合測(cè)試系統(tǒng)。因此，本次研究需要用的主要設(shè)備如表3所示。

4測(cè)試過(guò)程和結(jié)果

4.1三輛樣車(chē)WMTC工況下炭罐脫附流量的測(cè)試

4.1.1測(cè)試過(guò)程

1）根據(jù)每輛被測(cè)試樣車(chē)的基準(zhǔn)質(zhì)量，按照GB14622-2007中C.5條款中使用行駛阻力表設(shè)定底盤(pán)測(cè)功機(jī)的方法，對(duì)底盤(pán)測(cè)功機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定；

表3　主要設(shè)備一覽表

2）根據(jù)GTR No.2中關(guān)于樣車(chē)的分類(lèi)以及對(duì)應(yīng)的工況循環(huán)，準(zhǔn)備好三輛樣車(chē)對(duì)應(yīng)的測(cè)試工況。

3）將三輛樣車(chē)分別置于同一臺(tái)底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，將氣體質(zhì)量流量計(jì)串聯(lián)接入炭罐的脫附管路；

4）連接好后，按照WMTC排放工況進(jìn)行每輛樣車(chē)的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測(cè)量炭罐脫附流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。每輛樣車(chē)分別測(cè)試常溫下起動(dòng)以及熱車(chē)狀態(tài)下起動(dòng)，這兩種狀態(tài)下的脫附流量數(shù)據(jù)。

4.1.2測(cè)試結(jié)果

三輛測(cè)試樣車(chē)的瞬時(shí)脫附流量如圖3至圖5所示。

根據(jù)三輛被測(cè)樣車(chē)炭罐脫附流量的模態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算進(jìn)行一次WMTC工況運(yùn)轉(zhuǎn)后炭罐的脫附總量以及脫附流量的平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖3　騎式車(chē)WMTC工況下脫附流量模態(tài)圖

圖4　踏板車(chē)WMTC工況下脫附流量模態(tài)圖

圖5　彎梁車(chē)WMTC工況下脫附流量模態(tài)圖

表4　三輛樣車(chē)的脫附量測(cè)試結(jié)果

4.1.3數(shù)據(jù)分析

1）相同排量下，踏板車(chē)脫附總量大于騎式車(chē)。由于被測(cè)試樣車(chē)都為化油器供油方式，炭罐脫附閥是否開(kāi)啟與進(jìn)氣負(fù)壓成正比關(guān)系；在相同條件下，負(fù)壓的大小與車(chē)輛節(jié)氣門(mén)開(kāi)度有直接的關(guān)系，踏板車(chē)采用自動(dòng)離合方式，因此使得節(jié)氣門(mén)在運(yùn)行工況過(guò)程中多處于較大的開(kāi)度狀態(tài)，使炭罐處于較高的脫附流量。

2）本次研究的彎梁車(chē)，排量小于騎式車(chē)和踏板車(chē)；彎梁車(chē)也多采用3L至4L的油箱容積，因此此種樣車(chē)多采用了較小的炭罐。通過(guò)表4的結(jié)果可以看到，彎梁車(chē)相應(yīng)的脫附總量和脫附流量的平均值都較小。

4.2騎式車(chē)不同脫附方式的測(cè)試

4.2.1不同脫附條件下的炭罐脫附情況的測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試，在排量為125 mL的騎式車(chē)上進(jìn)行。采用三種不同的脫附條件對(duì)炭罐進(jìn)行脫附處理，分別測(cè)試在三種方式下的脫附效果。三種不同的脫附方式為：

1）運(yùn)行一次完整的WMTC工況；

2）以（24±1）L/min的速率，400倍床容積進(jìn)行脫附；

3）以（2±1）L/min的速率，400倍床容積進(jìn)行脫附。

每種脫附條件的試驗(yàn)前，都采用GB20998-2007 中C.5.1.6條款的方法“用丁烷使炭罐吸附至臨界點(diǎn)”，并稱(chēng)量此時(shí)炭罐的質(zhì)量，作為吸附后（脫附前）的質(zhì)量；采用不同的脫附條件對(duì)炭罐進(jìn)行脫附；稱(chēng)量脫附后炭罐的質(zhì)量，作為脫附后的質(zhì)量。

4.2.2測(cè)試結(jié)果

三種不同脫附條件下，炭罐脫附能力的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5　炭罐不同脫附條件下的測(cè)試結(jié)果

4.2.3數(shù)據(jù)分析

從表5中可以看出，對(duì)于相同炭罐在相同脫附空氣總量的條件下，采用不同的等速脫附流量，（24± 1）L/min的脫附速率可以使炭罐得到更加充分的脫附。由于流速越大壓強(qiáng)越小的原理，較高的流速使得碳粉表面的壓力降低，因此增大了碳粉縫隙與表面的壓力差，把碳粉中吸附的碳?xì)浞肿訌目p隙中吸了出來(lái)，從而達(dá)到脫附的效果。

5　結(jié)論

由于試驗(yàn)工況的變化，摩托車(chē)制造廠可以根據(jù)樣車(chē)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的排量以及油箱容積的大小，來(lái)選擇炭罐的有效容積，合理地設(shè)定脫附速率。從而達(dá)到既能控制燃油蒸發(fā)污染物排放，又能充分利用炭罐的效果，以節(jié)省企業(yè)的生產(chǎn)成本，避免浪費(fèi)。

同時(shí)對(duì)于炭罐臺(tái)架測(cè)試，采用較高的脫附流量可以使炭罐得到充分的脫附，提高其工作能力，同時(shí)又提高了試驗(yàn)的效率，節(jié)省測(cè)試成本。

參考文獻(xiàn)

1環(huán)境保護(hù)部. GB 14622-2007摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（工況法，中國(guó)第Ⅲ階段）[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007

2環(huán)境保護(hù)部. GB 18176-2007輕便摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（工況法，中國(guó)第Ⅲ階段）[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007

3全球技術(shù)法規(guī)No.2《裝用點(diǎn)燃式或壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的摩托車(chē)的氣體排放污染物、CO2排放物以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗的測(cè)量程序》[EB/OL]. http://wenku.baidu.com，2015-03-20

4 Japan Automobile Manufacturers Association. World motor vehicle statistics[J]. Motorcycle Statistics，2014，13：200

5環(huán)境保護(hù)部. GB 20998-2007摩托車(chē)和輕便摩托車(chē)燃油蒸發(fā)污染物排放限值及測(cè)量方法[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007

Study on the Canister Purging Flow under Testing Cycle of China StageⅣ Zhang Zhixuan1，2，3，Lin Jikun4，Zhai Zhenyu1，2，3，Wang Yudong1，2，3
1- Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute（Tianjin，300072，China）

2- Tianjin Motorcycle Technical Center 3- Tianjin Motorcycle Quality Supervisory &

Testing Institute 4- Audi（China）Enterprise Management Co.，Ltd.

Abstract：In China motorcycle emission standards（StageⅣ），the Word Motorcycle Test Cycle(WMTC) was accepted as the exhaust emission test cycle for motorcycle with two-wheels or with sidecar. At the same time, the canister initial butane working capacity（BWC）need be the test. The purging rate of canister in real driving cycle should be studied, and the purging effective of different purging rate under bench test should be analyzed to propose the testing conditions and setting of the COP test in ChinaⅣ.

Keywords：Evaporation，Canister，Purging rate

收稿日期：（2015-03-18）

文章編號(hào)：2095-8234（2015）03-0044-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U483

作者簡(jiǎn)介：張智軒（1983-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槟ν熊?chē)檢測(cè)技術(shù)。