摘 要：近年來(lái)，混合動(dòng)力車(chē)型的銷(xiāo)量趨勢(shì)呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭，但混動(dòng)車(chē)型與傳統(tǒng)燃油車(chē)型的蒸發(fā)排放控制方法存在差異。本文分析了各國(guó)法規(guī)的蒸發(fā)排放試驗(yàn)方法以及混動(dòng)車(chē)型的蒸發(fā)控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)炭罐的吸附能力和有效容積進(jìn)行了研究。得到了混動(dòng)車(chē)輛的炭罐吸附能力應(yīng)滿(mǎn)足加油和炭罐老化的要求，且有效容積應(yīng)盡可能減小的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：炭罐 蒸發(fā)排放試驗(yàn) 混合動(dòng)力

機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染物是大氣環(huán)境的主要污染源之一，主要來(lái)源是機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放和蒸發(fā)排放兩個(gè)方面。隨著各國(guó)法規(guī)的排放限值不斷加嚴(yán)，機(jī)動(dòng)車(chē)的尾氣排放水平已經(jīng)得到了有效提升，蒸發(fā)排放的排放量已逐漸超過(guò)尾氣排放[1]。機(jī)動(dòng)車(chē)的蒸發(fā)排放已成為環(huán)境大氣污染的重要來(lái)源，提高機(jī)動(dòng)車(chē)蒸發(fā)排放的控制水平是改善大氣環(huán)境和保護(hù)公眾健康的重要方法。

機(jī)動(dòng)車(chē)蒸發(fā)排放的控制方法主要是通過(guò)燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)（EVAP）實(shí)現(xiàn)的。EVPA系統(tǒng)主要由活性炭罐、控制電磁閥、蒸氣分離閥及相應(yīng)的管路組成。其主要功能是在燃油箱內(nèi)蒸汽壓力超過(guò)預(yù)定值時(shí)，能夠使油氣進(jìn)入并吸附在活性炭罐內(nèi)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制炭罐電磁閥開(kāi)閉，使油氣從活性炭罐脫附到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行燃燒，從而最大限度地減少油氣從燃油箱釋放到大氣中。

然而，由于混動(dòng)車(chē)型在低速情況下長(zhǎng)期處于電驅(qū)動(dòng)工況，這種條件下其炭罐的脫附效率與傳統(tǒng)車(chē)型存在著一定差距。因此，炭罐作為EVPA系統(tǒng)中用來(lái)儲(chǔ)存燃油蒸汽的核心零部件，分析研究炭罐的工作能力對(duì)提升混動(dòng)車(chē)型的蒸發(fā)排放性能有著重要意義。

1 蒸發(fā)排放試驗(yàn)

1.1 國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)污染物試驗(yàn)

蒸發(fā)排放是機(jī)動(dòng)車(chē)燃油系統(tǒng)損失的燃油蒸汽釋放到環(huán)境造成的，蒸發(fā)污染物的主要化學(xué)成分是碳?xì)浠衔?。蒸發(fā)排放試驗(yàn)就是基于排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)程序，測(cè)量蒸發(fā)污染物排放量的試驗(yàn)。

中國(guó)第六階段輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)）[2]中根據(jù)車(chē)輛EVAP控制方式的不同分成了兩種測(cè)試流程，分別為“整體及非整體式控制系統(tǒng)”及“非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)（NIRCO）”。二者的主要區(qū)別在于前者活性炭罐既對(duì)加油排放進(jìn)行控制也對(duì)晝夜換氣排放進(jìn)行控制，而后者活性碳罐主要用于吸附加油時(shí)產(chǎn)生的油氣，其他非加油過(guò)程產(chǎn)生的油氣均儲(chǔ)存在油箱或排放到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定蒸發(fā)污染物排放試驗(yàn)的流程包括以下階段：由預(yù)處理循環(huán)和用丁烷預(yù)處理試驗(yàn)車(chē)輛和炭罐；高溫浸車(chē)和高溫測(cè)試循環(huán)；測(cè)定熱浸損失；測(cè)定晝夜換氣損失這四個(gè)階段，具體試驗(yàn)流程如圖1所示。

1.2 歐美蒸發(fā)污染物試驗(yàn)

通過(guò)解讀各國(guó)國(guó)際法規(guī)中蒸發(fā)排放的相關(guān)試驗(yàn)要求，根據(jù)蒸發(fā)污染物的來(lái)源情況，蒸發(fā)試驗(yàn)的主要內(nèi)容可以分為運(yùn)行排放、熱浸排放、晝間排放和加油排放四種類(lèi)型。按照以上試驗(yàn)內(nèi)容的分類(lèi)，對(duì)比中美歐的蒸發(fā)排放法規(guī)，其蒸發(fā)排放試驗(yàn)的主要區(qū)別在于，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)相比于國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)增加了運(yùn)行排放和BETP試驗(yàn)，歐VI d法規(guī)相比于國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)則增加了炭罐老化測(cè)試、油箱壓力沖擊條件下的BETP測(cè)試[3]。

美國(guó)第三階段機(jī)動(dòng)車(chē)排放及燃料標(biāo)準(zhǔn)（Tier3）與國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，在整車(chē)蒸發(fā)排放試驗(yàn)的流程中不僅增加了冷啟動(dòng)排放試驗(yàn)和熱啟動(dòng)排放試驗(yàn)，還增加了運(yùn)行排放試驗(yàn)用于測(cè)定車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的蒸發(fā)排放。Tier3的晝間試驗(yàn)也采用了較中歐法規(guī)更長(zhǎng)的72小時(shí)試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)。除了整車(chē)的試驗(yàn)外，Tier3針對(duì)炭罐還增加了零部件級(jí)的BETP試驗(yàn)（炭罐逸出排放試驗(yàn)），用于測(cè)定炭罐的蒸發(fā)污染物逸出情況。

歐盟法規(guī)中，歐Ⅵd法規(guī)相比于國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)的蒸發(fā)試驗(yàn)，對(duì)于炭罐增加了包含有溫度循環(huán)老化、振動(dòng)老化和GWC燃油蒸氣老化的預(yù)處理要求。對(duì)于裝備N(xiāo)IROC系統(tǒng)的車(chē)輛在試驗(yàn)流程中則是增加了炭罐減壓呼氣損失測(cè)試來(lái)模擬碳罐內(nèi)的加載質(zhì)量。此外，歐Ⅵd還有油箱滲透因子測(cè)試，目的是將油箱滲透產(chǎn)生的蒸發(fā)排放也計(jì)算到試驗(yàn)結(jié)果中。

2 混動(dòng)車(chē)型的蒸發(fā)控制方法

2.1 非整體僅控制加油排放的炭罐系統(tǒng)

根據(jù)國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)中蒸發(fā)排放的試驗(yàn)流程，采用整體式蒸發(fā)控制系統(tǒng)的車(chē)輛需要先將炭罐吸附到擊穿臨界的狀態(tài)下，然后再通過(guò)高溫行駛對(duì)炭罐進(jìn)行脫附。如果車(chē)輛炭罐在高溫行駛階段無(wú)法得到足夠的脫附，在后續(xù)的熱浸和晝夜氣試驗(yàn)中，將導(dǎo)致大量油氣擊穿炭罐排放到大氣中，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在實(shí)際的國(guó)VI蒸發(fā)試驗(yàn)中，混動(dòng)車(chē)型在預(yù)處理試驗(yàn)后處于電量保持模式，在這種模式下車(chē)輛能夠在起步時(shí)使用純電力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且在怠速和低速的狀態(tài)下也可以保持純電行駛。這就造成了混動(dòng)車(chē)型在高溫行駛的過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)與傳統(tǒng)燃油車(chē)有著較大的差距，炭罐脫附時(shí)長(zhǎng)不足而無(wú)法得到有效脫附。所以為了滿(mǎn)足蒸發(fā)排放的要求，混合動(dòng)力車(chē)輛的蒸發(fā)控制系統(tǒng)普遍采用了非整體僅控制加油排放炭罐系統(tǒng)（NIRCO）。在NIRCO系統(tǒng)中，活性炭罐僅用來(lái)吸附加油過(guò)程中產(chǎn)生的油氣，其他非加油過(guò)程中產(chǎn)生的油氣則是通過(guò)高壓油箱控制技術(shù)儲(chǔ)存在具有高壓密閉功能的油箱內(nèi)部，從而減少燃油箱呼吸產(chǎn)生的油氣進(jìn)入炭罐，降低炭罐的脫附需求。

2.2 其他蒸發(fā)排放控制技術(shù)

使用NIRCO系統(tǒng)可以有效解決混動(dòng)車(chē)型的蒸發(fā)排放控制問(wèn)題，但混動(dòng)車(chē)型脫附能力不足的問(wèn)題依然存在。隨著汽車(chē)技術(shù)的進(jìn)步，為了解決混動(dòng)車(chē)型的蒸發(fā)排放問(wèn)題，許多提高炭罐脫附水平和控制油氣產(chǎn)生的技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用。

從炭罐脫附的角度出發(fā)，通過(guò)控制脫附電磁閥開(kāi)度和發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比，增加炭罐脫附時(shí)的脫附速率是最直接有效的技術(shù)手段。申立影[4]等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)可以通過(guò)提高中高速行駛階段脫附速率來(lái)彌補(bǔ)脫附時(shí)長(zhǎng)不足。然而，炭罐的脫附策略能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，相同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性隨著脫附速率的增加而降低[5]。

提高混動(dòng)車(chē)型炭罐的脫附能力，還可以通過(guò)增加脫附時(shí)長(zhǎng)的控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如比亞迪公司基于DM-i串并聯(lián)架構(gòu)開(kāi)發(fā)的油氣排放控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)輪的解耦，能夠根據(jù)環(huán)境和車(chē)輛狀態(tài)判斷炭罐的吸附量，在炭罐吸附量接近飽和前，短時(shí)將電動(dòng)模式切換到混動(dòng)模式，從而在低中速階段也能夠啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)炭罐進(jìn)行脫附[6]。

以上這些蒸發(fā)控制技術(shù)都是基于炭罐系統(tǒng)，通過(guò)處理已經(jīng)產(chǎn)生的蒸發(fā)污染物實(shí)現(xiàn)的。除此之外，有些控制方法是通過(guò)減少油箱內(nèi)油氣產(chǎn)生，從控制污染物來(lái)源角度實(shí)現(xiàn)的。如帶隔離閥的多腔體油箱，它能夠根據(jù)油箱內(nèi)的汽油量改變?nèi)莘e，減少油箱內(nèi)的汽油表面積和蒸氣體積，從而降低油氣的產(chǎn)生。還有油箱溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)在油箱內(nèi)增加蒸發(fā)器，使車(chē)載空調(diào)能夠?qū)τ拖溥M(jìn)行溫度控制，依靠降低油箱內(nèi)的溫度和壓力實(shí)現(xiàn)控制油氣產(chǎn)生的目的[7]。

3 炭罐性能研究

活性炭罐是EVAP系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其最主要的功能就是貯存車(chē)輛使用過(guò)程中產(chǎn)生的燃油蒸氣。經(jīng)由炭罐產(chǎn)生的蒸發(fā)排放主要包含兩種方式：第一種是炭罐吸附量達(dá)到臨界點(diǎn)后，油氣擊穿炭罐產(chǎn)生的排放（Breakthrough）；第二種則是炭罐飽和前，由于環(huán)境變化炭罐內(nèi)油氣逸出產(chǎn)生的排放（Bleed Emissions）。結(jié)合這兩種方式，本文對(duì)炭罐的有效吸附量和容積進(jìn)行了研究分析。

3.1 有效吸附量

蒸發(fā)排放試驗(yàn)中必須避免Breakthrough的發(fā)生，因此炭罐需要具有足夠的有效吸附量。為了確定炭罐有效吸附量的大小是否會(huì)對(duì)蒸發(fā)試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響，我們選用兩個(gè)有效吸附量分別在180g和230g的炭罐，經(jīng)過(guò)600倍有效容積的有效脫附后，先后安裝在同一車(chē)輛，在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行了48小時(shí)的晝間試驗(yàn)，試驗(yàn)信息如表2所示。最終，從圖2的試驗(yàn)結(jié)果能夠看出，兩個(gè)炭罐的兩次試驗(yàn)均未發(fā)生Breakthrough現(xiàn)象。在這種情況下，炭罐有效吸附量大小對(duì)蒸發(fā)排放的試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。因此，炭罐的有效吸附量的設(shè)定只需要保證在蒸發(fā)排放的試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生Breakthrough情況。

大部分混動(dòng)車(chē)型由于采用了NIRCO系統(tǒng)，炭罐的有效吸附量不需考慮晝間和熱浸過(guò)程，僅需要滿(mǎn)足試驗(yàn)中加油過(guò)程的油氣吸附。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，加油過(guò)程產(chǎn)生的排放大約在1.1～1.5g/L之間，需要根據(jù)實(shí)際的油箱容積進(jìn)行計(jì)算。此外，采用NIRCO系統(tǒng)的車(chē)型還需要考慮高壓密閉油箱在加油前的泄壓過(guò)程，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的油氣同樣需要由炭罐進(jìn)行吸附。按照袁衛(wèi)[8]等人的研究，高壓泄壓過(guò)程中的炭罐吸附量約為加油過(guò)程中炭罐吸附量的0.6倍。

炭罐的老化對(duì)炭罐的吸附能力也有著重要的影響。按照國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn)，蒸發(fā)排放試驗(yàn)需要進(jìn)行3000km行駛的老化，歐美法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)炭罐也是有著相應(yīng)的老化要求。根據(jù)李哲[9]等人研究，經(jīng)過(guò)歐VI D法規(guī)老化后的炭罐比VI標(biāo)準(zhǔn)要求的炭罐工作能力更低。因此，炭罐的有效吸附能力需要在吸附量的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的老化系數(shù)。

綜上所述，混動(dòng)車(chē)型的炭罐有效吸附量的確定需要同時(shí)對(duì)加油過(guò)程排放量、油箱泄壓過(guò)程排放量和炭罐老化的劣化系數(shù)進(jìn)行考慮計(jì)算。

3.2 有效容積

炭罐的活性炭表面存在著大量微小的孔道和孔隙，有機(jī)分子可以在這些空隙中被物理吸附。這種物理吸附是可逆的，吸附的同時(shí)也有著解吸的現(xiàn)象發(fā)生，解吸的污染物逸出炭罐，就產(chǎn)生了炭罐的逸出排放。炭罐脫附過(guò)程不徹底，剩余的油氣在試驗(yàn)過(guò)程中解吸逸出，會(huì)造成蒸發(fā)排放結(jié)果的升高。TIRE3中的BETP試驗(yàn)就是為了檢測(cè)蒸發(fā)過(guò)程中的炭罐逸出排放。

炭罐的脫附量通常是由炭罐脫附倍數(shù)表示的，脫附倍數(shù)的定義是總脫附氣體體積與炭罐有效容積的比值。林志昌[10]等人通過(guò)簡(jiǎn)化的BETP試驗(yàn)得到了炭罐逸出排放與脫附倍數(shù)呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系的結(jié)論，即隨著脫附倍數(shù)的減少，逸出排放會(huì)急劇增加。在此基礎(chǔ)上，我們也對(duì)炭罐脫附量與脫附倍數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究方法是選取6組參數(shù)如表3所示的炭罐，使用丁烷和氮?dú)饣旌蠚鈱⑦@些炭罐加載至飽和狀態(tài)，然后以600倍脫附倍數(shù)（600BE）的脫附氣體量和25L/min的脫附速率進(jìn)行脫附。最后，對(duì)脫附結(jié)果進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)炭罐吸附量隨著脫附倍數(shù)的變化關(guān)系也呈現(xiàn)了一個(gè)冪函數(shù)的變化趨勢(shì)，如圖3所示。由此，我們推斷增大炭罐脫附時(shí)的脫附倍數(shù)，能夠有效提高炭罐的脫附質(zhì)量，從而降低試驗(yàn)中的炭罐逸出排放。

基于上述推斷能夠提出假設(shè)，混動(dòng)車(chē)型在脫附氣體量無(wú)法有效提高的前提下，可以通過(guò)減小炭罐有效容積，實(shí)現(xiàn)增大脫附倍數(shù)、提高炭罐的脫附能力的目的。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們?cè)俅芜x取兩個(gè)吸附量為200g左右、有效容積分別為3.1L和2.4L的炭罐，以同樣25L/min的速率進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為40分鐘的脫附。結(jié)果如圖4所示，在相同的脫附氣體量的條件下，有效容積為2.4L的炭罐明顯能夠得到更為有效的脫附。因此，我們確定減小炭罐的有效容積能夠降低炭罐的逸出排放，提高車(chē)輛的蒸發(fā)排放控制水平。

4 結(jié)論

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放水平的提高，蒸發(fā)排放造成的環(huán)境污染愈發(fā)顯著，各國(guó)對(duì)于蒸發(fā)排放的試驗(yàn)要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在這樣的背景下，混動(dòng)車(chē)型為了解決脫附流量不足的問(wèn)題，普遍采用了NIRCO系統(tǒng)。以此為條件，本文對(duì)炭罐的有效吸附量和有效容積進(jìn)行了分析研究，得到如下結(jié)論。

炭罐的有效吸附量應(yīng)保證在蒸發(fā)排放試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)被污染物擊穿，但過(guò)剩的有效吸附量對(duì)蒸發(fā)排放的試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生大的影響，反而可能因?yàn)樘抗廾摳讲煌耆斐梢莩雠欧诺脑黾?。采用NIRCO系統(tǒng)的混動(dòng)車(chē)型，其炭罐的有效吸附量設(shè)計(jì)需要計(jì)算加油和油箱泄壓過(guò)程的吸附要求，還應(yīng)對(duì)炭罐的老化情況進(jìn)行考慮。在有效吸附量和脫附能力確定的情況下，可以通過(guò)采用降低炭罐有效容積的方式，改善車(chē)輛的炭罐逸出排放，提高其蒸發(fā)排放水平。

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