汽车蒸发排放控制系统的设计

2004066

汽车蒸发排放控制系统的设计

钱耀义　马忠杰　李国良　范俊民

(吉林大学汽车工程学院,长春　130025)

[摘要]　介绍了汽车蒸发排放技术的发展、控制系统的设计方法及其控制策略。经过试验证明,该系统设计可以满足法规的要求。

叙词:汽车,蒸发排放,控制系统,设计

Design of Evaporative Emission Control System for Automobile

Qian Yaoyi ,Ma Zhongjie ,Li Guoliang &Fan Junmin

College of A utomotive E ngineering ,Jilin University ,Changchun 130025

[Abstract ]　The technology development ,system design and control strategies of evaporative emission con -trol system are presented .The test on vehicle shows that the design of the system can satisfactorily meet the re -quirements of evaporative emission regulation .

Keywords :Automobile ,Evaporative emission ,C ontrol system ,Design

原稿收到日期为2003年6月5日,修改稿收到日期为2003年9月1日。

1　前言

汽油车尾气的排气有害成分是CO 、HC 、NO x 等。此外,由于燃油供给系统的泄漏与蒸发,汽车还排放出约20%～25%的HC 。其中的HC 和NO x 若在强阳光下,经波长小于4000A 的紫外线的照射,会产生光化学烟雾反应,生成臭氧O 3、过氧化酰基硝酸盐PAN 及醛RCHO 等二次污染物。光化学烟雾具有很强的氧化力和特殊的臭味与刺激,严重地影响了人体的健康与生态环境。为了改善大气质量,世界大多数国家汽车尾气排放法规都变得越来越严格,同时还制定了严格的汽车蒸发排放法规。

为了满足蒸发排放法规的要求,现代汽车上多数装有燃油蒸发的电子控制系统。其主要元件是1个活性炭罐和1个脱附电磁阀,活性炭罐收集与储存燃油蒸气,使之不逃逸到环境中去。当汽车发动机正常运行时,电控单元ECU 控制脱附电磁阀开启,将被吸附的燃油蒸气从罐中抽出,吸入进气管后进入燃烧室内烧掉,以防止未燃烃HC 的蒸发排放。

2　蒸发排放的测量

汽车的蒸发损失一般可分为5类:

(1)运转蒸发损失:汽车按规定的规范运行期间,燃油系统所排出的燃油蒸气。

(2)热浸损失:从发动机熄火开始,在规定时间内燃油系统所排出的燃油蒸气。

(3)昼间换气损失:在规定时间内燃油箱按规定的规范升温时,燃油系统所排出的燃油蒸气。(4)驻车迁移损失:当车辆停放时,由燃油系统各元件渗透及迁移引起的损失。

(5)注油损失:汽车在油箱注油期间排入环境的燃油蒸气。

上述5类损失的部分或全部相加的结果作为汽油蒸发排放量。

蒸发损失最通用的测量方法是密封室法(SHED ),它是通过测量车辆置在整个密闭室中的碳氢浓度来确定蒸发损失的结果。

检测的第1阶段是在燃油箱中注入总容积40%的燃油。试验燃油从初始温度10～14.5℃开

2004年(第26卷)第3期 汽　车　工　程

Automotive Engineering

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始加热,达到15.5℃就开始监测周围的HC 浓度,在随后的1h 内,把燃油的温度升高14℃,再测试最后取样的HC 浓度,蒸发排放物的浓度由初始测量和最后测量的结果决定。在测试期间,车辆的行李

箱和窗口必须打开。检测的第2阶段是按照规定的城市道路测试循环,经过汽车暖车过程后,把车辆停放在检测室中,经过1h 冷却,以后测定HC 的浓度。两次测试结果之和必须低于蒸发排放法规规定的限值2g /test 。

2000年后,美国规定车辆还要适应OBD -Ⅱ(随车诊断)的要求,在OBD -Ⅱ中对蒸发排放系统的监控要求如下:诊断系统应能验证整个蒸发排放系统的空气流动,同时诊断系统应通过对整个系统的真空(或压力)检测校验,来监控是否有燃油蒸气从蒸发系统中流入大气(要求对0.5mm 以上的孔径泄漏能被检测出来)。若失效被诊断出来,则诊断系统就发出信号,驱动故障灯闪烁,指示用户注意维护。

图1是一种有OBD -Ⅱ蒸发控制的系统配置。该系统在一定条件下,关闭“截止阀”,同时开启“脱附阀”。此时油箱内的压力按一定速率降低,随后“脱附阀”关闭,同时“截止阀”开启,油箱压力又按一定速率升高。按此机理利用油箱内装的压力传感器信号来判断是否有泄漏

。

图1　蒸发控制的系统简图

3　蒸发排放系统主要元件的设计

3.1　活性炭罐

活性炭罐是蒸发控制系统中的最重要的元件,其中的活性炭材料、装量和炭罐结构对燃油蒸气的吸附和脱附有直接的影响。汽车用的活性炭主要有碳基活性炭、可可基活性炭和木基活性炭3种。每种活性炭的吸附能力各不相同,根据活性炭的颗粒大小,又具有不同的吸附能力。

吸附能力定义为:100m L 活性炭在规定条件下

吸附丁烷蒸气的质量数。一般按活性炭材料与颗粒尺寸的不同,要求选择吸附能力>5.5g /100mL 的。

活性炭罐中,活性炭的装量是与其炭材料颗粒大小的选择密切相关的。若已知燃油系统蒸发量或要求的燃油蒸气吸附量,活性炭的装量V (m L )可用下式估算。

V =K

m V

q

式中m V 为燃油箱系统中燃油蒸发的质量(g ),q 为吸附材料的吸附能力(g /100m L ),K 为考虑实际运

行后,进行修正的经验系数。

另外还要考虑一些实际运行的因素来确定实际装量,如:燃油是多种烃类成分组成,而活性炭对烃不同成分有机物的吸附能力是不相同的,而且燃油蒸发被活性炭的吸附过程中,随着温度升高,活性炭的吸附能力可能降低。另外还有环境因素、运行时间变化,对吸附能力也有影响,当相对湿度增加,运行时间加长也会使吸附能力下降。

系数K 的设定必须适中,若K 值太小,则是炭罐装量较少,无法满足吸附要求;若K 值太大,则是炭罐装量过多,使脱附空气的流动阻力增加,也会影响脱附效果。

图2　高效炭罐结构设计方案

碳罐位于燃油箱通风管的末端。图2为一种高效炭罐结构设计方案。罐中设有一个通外界空气(大气)的敞开口,另一个通气口是脱附口及蒸气入口,它同时和油箱与脱附电磁阀相连。这种炭罐的

结构特点是死区面积小,脱附效率高,但在脱附工作时,油箱产生的蒸气有时会不经过脱附电磁阀,直接

进入进气管中,这会对空燃比造成较大的干扰。图3　敞底型碳罐

另一种敞底型的碳罐结构方案,如图3。这种结构简单,制造方便,而且脱附流动较小,但与上述高效炭罐相比存在较大的死区。此外敞底型碳罐在寒冬使用时,可能发生滤芯结冰而影响脱附效果。

3.2　脱附电磁阀

在控制精度较高的活性炭罐系统中,脱附阀一般都选择脉宽调制型(PMW )电磁阀。其输出电压

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