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
2004(Vol .26)No .3
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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由加在电磁阀上的脉冲电压的占空比来调节,并要求该电磁阀的流量曲线的线性范围较宽,选定电磁阀的最大流量应大于所希望脱附的流量。

图4　脱附电磁阀实测的流量特性
图4表示这种脉冲调节型电磁阀的流量特性,它表示脱附量随电磁阀占空比(脉冲电压打开时间的比例)的变化关系。

在发动机正常运行时,如脱附阀开启,则燃油蒸气被进气真空吸入气缸内燃烧。

4　蒸发排放系统的控制策略
为满足汽车尾气排放法规的要求,现代汽车电控汽油喷射发动机,多数采用三效催化转化器的闭环控制系统。

闭环控制系统通过氧传感器提供的混合气浓或稀的反馈信号来对喷油量进行修正。

当电控发动机系统引入蒸发排放之后,会使原匹配好的空燃比脉谱受到干扰或变坏。

因此,设计蒸发排放系统时,必须采取适当的控制策略,使得蒸发排放系统尽可能地脱附掉炭罐中已吸附的蒸发燃油,同时又不破坏空燃比的控制精度。

为了实现对空燃比的精确控制,必须制定以下的蒸发控制策略。

(1)为了避免脱附阀从零开度突然变到目标开度时空燃比突变所产生的尾气排放恶化,要求脱附阀开启的过程,遵循线性逐渐递增的规律,同样也适用于从目标开度过渡到零开度的逆过程。

(2)考虑到怠速运转的稳定,一般在低转速运行区,不开启脱附阀。

(3)考虑到排放的原因,在减速断油时不开启脱附阀,考虑小负荷运行时的稳定性,也不开启脱附阀。

(4)在部分负荷运行区,可使用逐渐增大的开度值。

脱附区的标定原则是应以闭环喷油校正系数的变化不超过15%～25%为目标,或以空燃比的变化和不开启脱附阀时的空燃比相比,不超过2%～5%为准。

实际匹配标定时,还应在尾气排放的试验中得到确认。

若脱附量过大,导致空燃比波动太大而恶化尾气排放时,则此标定限值还要减小。

在闭环控制系统中,为了保证工况变化时,空燃比变化不致过大,一般要对喷油量校正系数进行限制,如果该校正系数达到一定浓度限值后,必须关闭脱附阀。

5　脱附脉谱标定
首先进行带蒸发控制系统的发动机性能试验。

在各个工况点上,分别将混合气调制到过量空气系数λ=1.15、1.10、1.05时进行性能检测。

记录CO 、HC 、NO x 的排放量,以及发动机转矩、燃油消耗量和转速等数据。

根据许多试验工况的试验数据进行综合分析,发现随着混合气成分由稀到浓(λ为1.15～1.05)一般具有转矩增加、燃油消耗率降低、NO x 增加、CO 一直很小,HC 相对稳定的变化规律。

综合考虑CO 、HC 、NO x 的排放量,以及转矩、燃油消耗率的性能指标之后,确定优化的部分负荷下的混合比λ为1.10,并据此来标定喷油脉谱。

根据脱附控制的策略,设定的闭环喷油校正系数的偏移量不超过15%～25%,由此原则来标定的脱附脉谱,如图5所示。

图5　闭环脱附脉谱
6　试验结果
选用一台轻型汽油车,整车总整备质量为1500kg ,汽油箱容积为76L ,选用RON93#无铅汽油。

该车发动机为4缸四冲程电喷发动机、缸径为98mm 、行程为81mm 、压缩比为8.1。

按上述方法设计装用的活性炭罐蒸发系统,炭罐吸附满载时的质量为1283g ,完全脱附时的质量为1194g ,炭罐吸附蒸气量为92g 。

根据蒸发排放法规规定的试验流程,实际测得的昼间换气损失为0.4g ,浸车1h 后测得的热浸损失为0.48g ,这样得到总蒸发排放量为昼间换气损
(下转第358页)
·
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快速的方法,特别适用于现场测试。

但钻孔时会引起附加应变,因此测量结果有一定的误差。

图12是曲轴残余应力测点布置图,测点均选在6个曲柄销的外顶部圆角处。

图13为连杆轴颈表
面轴向残余应力实测结果,由图13可以看出,测量得到的轴向残余应力的范围是-255～-383MPa 。

由于实际测量点靠近圆角处,所以取相对应位置的节点的计算结果相比较,计算的残余应力的范围是-190～-466M Pa。

图12　
曲轴残余应力测点布置图
图13　轴颈表面轴向残余应力实测结果计算模拟结果和实测值是基本吻合的,这说明采用计算机模拟计算感应淬火过程和残余应力具有较高的精度。

由于曲轴实际感应淬火过程是按单拐分段进行的,边界条件有差别。

所以,计算值和实测
值有一定的差别。

8　结论
(1)利用ANSYS 热固耦合功能来进行感应淬火过程模拟和残余应力计算是可行的,用二维轴对称模型来简化和代替三维模型的方法基本正确。

(2)通过实际测量结果和模拟计算结果的比较,可以看出计算机模拟结果是可信的,计算不仅省去了许多实验,有较高的精度,而且可以显示任意时刻工件内任意截面上的温度场和应力场,能使操作者观察到各种等值面(温度值、应力值),等值线随着时间推移的情况,也可以显示所感兴趣的任意点上的温度-时间曲线、应力-时间曲线等。

参考文献
1　袁发荣,伍尚礼.残余应力测试与计算.长沙:湖南大学出版社.
1987
2　王文静,李强.内燃机车曲轴中频淬火过程的数值模拟.内燃机
学报,2002(3)
3　Cheng Heming ,M ajorek A ,W ang Honggang .Determination of S ur -
face Heat -T rans fer Coefficient of 42CrM o S teel Cylinder w ith Phase Transformation Du ring Quenching [C ].Beijing :Proceeding of IM M M 95,1995
4　陈明伟,侯增寿.淬冷过程瞬态温度场有限元分析及淬硬层深度
预测.太原工业大学学报,1994(4)
5　林慧同,付代直.钢的奥氏体转变曲线.北京:机械工业出版社,
1998
6　[日]米谷茂.残余应力的产生和对策.北京:机械工业出版社,
1983
(上接第271页)
失和热侵损失之和只有0.88g /test ,满足了蒸发排放法规为2g /test 的要求。

试验测得的发动机各种转速负荷工况下空燃比分布均匀度系数为E λ=(λmax -λm in )/λm ,在未加蒸发排放系统时,E λ的最大值为3.3%。

而在加入蒸发排放系统后,最大的E λ为3.98%,是符合控制策略要求的。

由于蒸发排放量最终还要经过汽车尾气排放法规的检验认可,该试验车实测的排放值:CO 为1.3g /km 、HC +NO x 为0.33g /km 。

尾气的排放水
平达到了欧Ⅱ法规的要求。

由此表明此蒸发排放控制系统的设计是可行的、有效的。

参考文献
1　Lavoie G A ,et .al .Carbon Canister M odel ing for Evaporative Emis -s ion :Adsorption and T hermal Effects .SAE Paper No .9612102　Bu rns V R ,et .al .Effects of Gasol ine Composition on Evaporative
and Running Loss Emission .SAE Paper No .920332
3　Haskew H M ,et .al .T he Developm ent of R eal Time Evaporative E -miss ion Test .SAE Paper No .901110
4　北川浩(日).吸附的基础与设计.北京:化学工业出版社,19835　汽车工程手册·基础篇.北京:人民交通出版社,2001
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