（动力机械及工程专业论文）摩托车用炭罐性能的影响因素的试验研究.pdf

摘要 随着我国摩托车燃油蒸发排放法规的出台，摩托车燃油蒸发排放的控制已经 成为一个迫在眉睫的问题。摩托车燃油蒸发污染物控制装置的核心部件是活性炭 罐，其性能好坏直接影响整个装置控制排放的效果。由于我国摩托车蒸发排放标 准比较超前，加之我国所生产车型与欧美之间存在较大的差异，因此活性炭罐的 设计开发技术非常缺乏。 本课题的主要内容就是仔细分析影响炭罐性能的各种关键因素，用天津内燃 机研究所自行开发的炭罐性能评价设备开展一系列活性炭罐性能试验，以工作能 力和击穿特性为核心性能指标，分别变换不同炭粉材料、炭罐长径比、吸附温度、 脱附流量等关键因素，通过对比试验摸索影响炭罐上述性能的规律。主要包括： 不同活性炭粉的工作能力差别明显，这和活性炭粉的材质有关。当其他条件一致 时，随着炭罐长径比的增大，炭罐工作能力变大，但是到了一定数值后，炭罐工 作能力就又呈现减小趋势。上吸式炭罐比下吸式炭罐工作能力大；当同为上吸式 炭罐时，底部有隔板的炭罐工作能力较差。随着吸附流量的增大，炭罐的有效吸 附量逐渐减少，脱附流量增大时炭罐的有效吸附量变大。除工作能力以外，还对 比了不同炭罐的击穿特性之间的差异。这些规律的研究与总结将对国内摩托车活 性炭罐开发、设计、生产产生重要的指导意义。 关键词：摩托车燃油蒸发排放活性炭罐 a b s t r a c t c h i n e s em o t o r c y c l ef u e le v a p o r a t i v ee m i s s i o nr e g u l a t i o nw a sp u b l i s h e di n2 0 0 7 ， s oe v a p o r a t i o nc o n t r o l l i n gr e l a t e dr & dh a db e c o m ea l lu r g e n tw o r k c a r b o nc a n i s t e r i st h ec o r ec o m p o n e n t ，a n dw i l la f f e c tp e r f o r m a n c eo fw h o l es y s t e m c h i n e s e e v a p o r a t i o nr e g u l a t i o nw a sa h e a d o fe uw h i c hn o r m a l l ys h o u l df o l l o w e db yu s ，a n d t h e r ei sab i gd i f f e r e n c eb e t w e e nm a s sp r o d u c t i o nm a n u f a c t u r e di nc h i n aa n de u r o p e a n da m e r i c a , s ot h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc a r b o nc a n i s t e r i sal a c ko f t e c h n o l o g yn o w a d a y s t h em a i nc o n t e n to ft h i si s s u ei st oc a r e f u l l ya n a l y z eh o wd i f f e r e n tk e yf a c t o r s w i l li m p a c to nc a n i s t e rp e r f o r m a n c e r e s e a r c h e sw e r ep e r f o r m e db ym e a n so f c o n t r a s t t e s t sw h i c hb a s e do nas e to fe q u i p m e n td e v e l o p e db yt i a n j i ni n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n er e s e a r c hi n s t i t u t e w o r k i n gc a p a b i l i t y a n db r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i cw e r e c h o s e nf 0 fe v a l u a t i o n v a r i o u sf a c t o r s ， s u c ha s ，a b s o r b e n tc h a r c o a lm a t e r i a l s ， s l e n d e m e s sr a t i o so fc a n i s t e r 、a d s o r b e n tt e m p e r a t u r e 、d e s o r p t i o nf l o ww e r es e l e c t e d t e s r i n gr e s u l t ss h o wt h a t , d i f f e r e n tc a r b o ns a m p l em a t e r i a l s r e s u l t e di nd i f f e r e n t w o r k i n gc a p a b i l i t i e s l e n g t h e ns l e n d e r n e s sr a t i o so fe v a p o r a t i v ec a n i s t e r c a nl e a dt oa b e t t e ro p e r a t i o n a lc a p a b i l i t y h o w e v e r ，t h ew o r k i n gc a p a b i l i t yw i l lb ed e c r e a s e d w h e n 也er a 矗o se x c e e dac e r t a i nv a l u e t h ew o r k i n gc a p a b i l i t yo fu p s u c t i o nc a n i s t e ri s b e l 船rt 1 1 a nt h a to fd o w n - s u c t i o nc a n i s t e r a m o n gt h eu p - s u c t i o nc a n i s t e r s ，t h o s e c 撒1 i s l 脑t h eb a s eo fw h i c hh a sp a r t i t i o nb o a r da r eb e t t e rt h a nt h e mw i t h o u ti t t h e e f f e c t i v ea b s o r p t i o no fc a n i s t e rw i l lb eg r o w nd o w na l o n gw i t hi n c r e a s eo fa b s o r p t i o n f l o w a n dw i l lb ei n c r e a s e dw i t ha ni n c r e a s eo fd e s o r p t i o nf l o w f u r t h e r m o r e ，t h e b r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i cw i t hv a r i o u se v a p o r a t i v ec a n i s t e r sh a db e e ni n v e s t i g a t e d c o r r e l m i o nb e t w e e nt h o s ef a c t o r sa n dc a n i s t e rp e r f o r m a n c eo b t a i n e di nt h i sp a p e r w a s v a l u a b l ef o rm o t o r c y c l ec a r b o nc a n i s t e rd e v e l o p m e n ta n de v a p o r a t i o ne m i s s i o n c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：m o t o r c y c l e ，f u e le v a p o r a t i v ee m i s s i o n ，a c t i v a t e dc a r b o n c a n i s t e r 独创性声明 ，本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多藩榴 签字日期：衫夕年月乒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 张融 导师签名： 凌 签字日期：沙毋红 6 月华日签字日期：) 哆年月岁日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 我国摩托车行业发展情况 摩托车诞生于欧洲，在2 0 世纪8 0 年代前欧洲一直是世界摩托车制造中心。 9 0 年代初，亚洲国家在摩托车制造领域异军突起并逐步取代欧洲的核心地位。随 着我国国民经济的快速增长，交通运输行业也得到飞速发展，使得摩托车制造业 在中国得到迅猛发展，中国摩托车的保有量持续稳定增长。从1 9 9 3 年起摩托车的 产量连续多年居世界首位。摩托车由于便捷、经济，给人们的生产和生活带来了 许多便利。随着我国摩托车行业的发展和人民生活水平的不断提高，摩托车的保 有量也在不断增加。据统计，2 0 0 8 年1 - 1 1 月，全行业累计完成摩托车产销2 5 5 9 1 0 万辆和2 5 4 6 8 6 万辆，同比增长1 1 0 7 和1 0 7 4 。其中：二轮摩托车产销2 4 1 3 1 3 万辆和2 4 0 1 3 0 万辆，同比增长1 0 1 1 和9 7 0 ；三轮摩托车产销1 4 5 9 8 万辆 和1 4 5 5 6 万辆，同比增长2 9 8 7 和3 1 2 7 【1 】。摩托车产品结构更趋合理，骨干 企业的主导地位继续巩固，市场竞争更加激烈，摩托车产品出口迅猛发展，摩托 车产业结构调整又有新发展。图1 - 1 为1 9 8 5 - 2 0 0 7 年我国摩托车产量曲线图【2 j 。 j u u u 2 5 0 0 j 梁2 0 0 0 一二， k i 、- ，1 5 0 0 i 翟l o o o 5 0 0 u 1 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 钲胖 丫i 、 图卜11 9 8 5 - 2 0 0 7 年摩托车产量曲线图【2 】 l 第一章绪论 1 1 2 摩托车燃油蒸发污染物的危害 在摩托车给人民生活带来巨大便利的同时也给人类赖以生存的环境造成了 相当严重的污染。但是一提起摩托车对环境的污染，人们通常联想到的是摩托车 尾气排放对大气环境造成的污染，而燃油蒸发往往被人们所忽视。燃油蒸发排放 物成份主要是h c ，它被称为摩托车排放污染物中的第2 大公害，聚集在大气 上空，在太阳光紫外线作用下，会与氧化氮起光化反应生成臭氧、醛等烟雾状物 质，刺激人们的喉、眼、鼻等粘膜。在摩托车排出的h c 中，大约有2 0 是通过 燃油蒸发排放的形式释放到大气中去的【3 刈。 在当今社会，环保、节能已经成为车辆发展的主题。我国摩托车的保有量庞 大，截止到2 0 0 8 年1 1 月，我国摩托车的保有量为8 9 5 3 7 7 7 5 辆【l 】，所以以燃油 蒸发的方式浪费掉的燃油总量将是非常可观的，目前全国每年因为燃油蒸发而浪 费掉的车用燃油约4 2 5 万吨p 】。因此，为了进一步降低摩托车的油耗，节约有限 的、不可再生的石油资源，我国需要对摩托车燃油蒸发污染物制定相应的标准并 采取相应的控制措施。所以国家在2 0 0 7 0 7 0 9 发布了 g b2 0 9 9 8 2 0 0 7 摩托车和 轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法，对摩托车燃油蒸发排放物进 行了详细的说明和严格的限制，并且在2 0 0 7 1 2 0 3 发布了砌仃3 9 0 2 0 0 7 环境 保护产品技术要求汽油车燃油蒸发污染物控制系统( 装置) ，对汽油车燃油蒸 发污染物控制装置进行了详细的描述和规定。 1 2 摩托车燃油蒸发污染物的形成和类型 1 2 1 摩托车燃油蒸发排放物的形成原因 汽油的一个重要物理特性是易挥发。当汽油加注到油箱中，在液面上形成油 气，它通过油箱盖的通气孔等缝隙排入大气中。同时一部分汽油通过渗透的方式 扩散到大气中，渗透的部位集中在塑料油箱壁、油箱盖的密封垫和燃油管。摩托 车燃油系统的蒸发和部分渗透如图1 - 2 所示。 2 第一章绪论 渗透后扩散 气中熊油气 图l - 2 摩托车燃油系统的蒸发示意图 摩托车燃油蒸发污染物来源于燃油箱、燃油滤清器、化油器、进气歧管和燃 油连接管路等组成的供油系统。主要包括以下两部分： ( 1 ) 燃油箱 为保证油箱与大气压保持平衡，油箱上设有通风口，由于环境温度的变化， 油箱内的燃油、燃油液面上方的空气和燃油蒸气会产生收缩或膨胀，导致外部的 新鲜空气补充进入油箱或者将富含燃油蒸气的空气从油箱内挤出。燃油箱周围的 温度越高、温差越大，燃油箱呼吸换气所损耗的燃油蒸气量越大，产生的污染就 越多。 ( 2 ) 化油器 燃油蒸气可以从其浮子室通过外部通风口、内部通风口、燃油通道和空气泄 放口等溢出去。在摩托车发动机工作时，化油器的燃油蒸气主要通过外部通风口 散失并产生污染，而内部通风口溢出的蒸气通过进气系统进入气缸。当发动机经 过长时间运转后停止工作时，来自发动机辐射的热量使浮子室温度上升，燃油蒸 发。此时，浮子室内燃油蒸发形成的燃油蒸气，部分是由外部通风口散入大气， 部分是由内部通风口进入进气管，并通过空气滤清器部分排入大气，形成污染。 第一章绪论 1 2 2 摩托车燃油蒸发排放的主要类型 摩托车的蒸发排放主要有以下四类 5 - 6 ：运转排放、热浸排放、昼间排放和 加油排放。 运转排放是指摩托车行驶时从发动机的燃油系统所逃逸出的燃油蒸气。对于 没有安装蒸发控制装置的摩托车，产生这种排放的主要原因是由于发动机的运转 引起燃油蒸气的形成。对于安装燃油蒸发控制装置的汽车主要是因为蒸气的产生 率超过了蒸气存储和清洗系统的容量。 热浸排放是指摩托车行驶停止后，发动机的残余热量使燃油温度升高而引起 的蒸发排放。它主要发生在摩托车停止后一小时或更短的时间内。 昼间排放是指由于大气温度对停放摩托车的加热引起燃油系统的燃油蒸发。 这种加热使液体燃油蒸发、膨胀并且从油箱中排出。 加油排放是指摩托车加油过程所造成的汽油蒸发排放，包括：( 1 ) 加油时油箱 中汽油蒸气的溢出( 2 ) 夹杂在排入大气中的燃油液体微滴( 3 ) 燃油的泄漏。在加油 过程中，燃油的飞溅加速蒸发，并且会产生液体微滴。燃油的泄露主要由油箱和 加油管引起。 以上几项损失包含了主要的汽油车燃油蒸发污染物排放类型，各项损失的总 和能反映燃油蒸发污染物排放的总体水平。对这几项损失加以控制，就可减少燃 油蒸发污染物的排放。 1 3 国内外标准法规现状 1 3 1 我国摩托车燃油蒸发排放控制的现状 在2 0 0 7 年以前，我国摩托车领域燃油蒸发污染物控制方面无相关标准，摩 托车生产企业对燃油蒸发排放基本未采取任何控制措施。据有关研究机构的数据 表明【7 1 ，在未采取燃油蒸发控制措施、未加装控制装置的条件下，我国摩托车燃 油蒸发排放水平约为6 9 t e s t ( 约为0 2 6 9 k i n ) ，以摩托车的日行驶里程为5 0 k i n 计算，全国摩托车的年燃油蒸发量为： m = l s 3 6 5 x n( 1 - 1 ) 式中，m 为全国摩托车的年燃油蒸发量，t y e a r l 为摩托车每千米燃油蒸发量，g & m s 为日行驶里程，k m d a y 4 第章绪论 n 为全国摩托车保有量 ( 截至2 0 0 8 年底全国摩托车保有量已超过8 9 5 3 7 7 7 5 辆) 1 l 】 由上述公式可以计算得出，目前我国的摩托车年燃油蒸发量高达4 25 万吨。 而如果采取了燃油蒸发控制措施、加装了燃油蒸发控制装置后，摩托车蒸发排放 将会降低为01 7 9 k m 。同理可推采取措施后我国摩托车的燃油蒸发年排放量约 为2 78 万吨，污染物控制效果将达到3 5 - 4 0 左右。固此，采用燃油蒸发控制 装置，不但会减少一定量的燃油浪费，而且也避免了约1 4 万吨的燃油蒸发物直 接捧向大气对空气造成污染。所以，为了促使摩托车企业采取燃油蒸发控制措施、 加装燃油蒸发控制装置，国家在2 0 0 7 0 7 0 9 发布了( 6 b2 0 9 9 82 0 0 7 摩托车和 轻便摩托车燃油蒸发污染物排放限值及铡量方法，对摩托车燃油蒸发排放物进 行了详细的说明和严格的限制。 该标准规定了以汽油为燃料脖摩托车和轻便摩托车燃油蒸发污染物的排放 限值和测量方法：型式核准实验要求、生产一致性检查要求和判定方法。 实验采用密闭室法，将摩托车置于符合规定要求的密闭室内。按规定温度变 化对密闭室内的温度进行控制，同时用h c 分析仪测量密闭室内的浓度。根据h c 浓度、密闭室的体积和温度、采样流量和气体压力等计算整个实验过程中的h c 蒸发量。 实验用的设备密闭室是一个气密性良好的矩形测量室，参见图l 一3 ，试验时 容纳摩托车并有足够窀问，内表面既不渗透也不释放h c ，并有良好的散热性， 至少有一面墙的内表面装有柔性不渗透材料。测试过程需要的仪器包括；氢火焰 离子( f i d ) h c 分析仪：分析仪用的数据记录系统；燃油箱加热系统：温度、压 力记录系统；符合g b1 4 6 2 2 2 0 0 2 和g b1 8 1 7 6 - 2 0 0 2 要求的底盘测功机。 圈1 - 3 天津内燃机研究所s i ：i e d 实验室 第一章绪论 标准规定要求严格的试验流程，包括试验准备、预处理进行( 及静止) 、昼 间换气损失试验( 对外露式和非外露式油箱有不同操作要求) 、底盘测功机上行 驶、热浸损失试验等。试验结果为昼间换气损失和热浸损失测定的h c 排放的质 量总和。蒸发排放总质量不应超过2 9 t e s t 。 该标准规定的型式核准执行时间为2 0 0 8 年7 月1 日。自规定的型式核准执 行日期起，凡进行污染物排放型式核准的摩托车都应符合本标准要求。在规定的 执行日期之前，可以按照本标准的相应要求进行型式核准的申请和批准。对于按 本标准已获得型式核准批准的摩托车，其生产一致性检查自批准之日起执行。自 规定型式核准执行日期之后一年起，所有生产、进口和销售的摩托车，其燃油蒸 发污染物排放应符合本标准的要求。摩托车生产企业应采取技术措施，确保摩托 车在使用寿命内，在正常条件下，能有效控制摩托车燃油蒸发污染物的排放符合 本标准的要求 8 - 9 。 该标准虽然在制定的时候参考了泰国机动车燃油蒸发污染物排放标准 ( t i s2 1 3 0 2 5 4 5 2 0 0 2 ) 、台湾省燃油蒸发标准机动脚踏车蒸发污染测试方法 及程序，但是和它们也有些差异： 该标准采用密闭室法，而泰国和台湾的标准采用收集法。 该标准的预处理进行是在底盘测功机上完成的。 所用基准燃料的规格不同。比较可看出，我国车用无铅汽油标准规定的硫含 量和烯烃含量与e u r o - r i 阶段的欧洲优质无铅汽油差距明显。 g b1 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 规定试验用基准燃油的技术要求与欧洲优质无铅汽油基本 一致。摩托车和轻便摩托车iii 期排放标准也采用g b1 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 规定试验用 基准燃油。所以摩托车和轻便摩托车燃油蒸发排放标准采用g b1 8 3 5 2 3 - 2 0 0 5 规定试验用基准燃油是可行的。燃油蒸发排放试验的流程如图卜4 所示。 随着摩托车燃油蒸发污染物标准的制订和实施，必将促使摩托车企业不断应 用新技术、采用新装置，加强对燃油蒸发污染物的控制，提高摩托车产品的竞争 力。而摩托车燃油蒸发控制装置的核心部件就是活性炭罐。目前国内生产的活性 炭罐形状比较单一，对于影响活性炭罐性能的一些关键因素没有充分考虑，因此 在活性炭罐的设计开发这一块技术相对比较缺乏。 6 第一章绪论 i放溢【翱搬油 i 凝磷酸燃至 i 甑界点( 汽油) 慧爱努两换气 戳迓捌2 髭蔹再点 起始赧壤= 2 9 3 k 热) 矗t = i 5 嚣 开鳓 凝罐吸既至 娲券点( t 靛j 放渗移糯滋 预处瑾落稽 最多知血 浚车 i 骚黼换气掇失试验 弦疑理运行 煞浚援炙溃验 结束 图1 - 4 我国燃油蒸发排放试验 燃虢觳爱：2 8 弧至2 8 覆旺o - 1 4 弋： 名置祷旃容移5 溉土溉 睇境箍瘦l2 拿嚣蔓3 0 蕊锄- $ o 铝i | 喜笠臻强：窖l 佰辫最e 筑定盼舔珲 起鲢 溢麓：绺弧至3 c 篮2 c ) 辉境塞寝，瓤至如秘：c 剪- 3 0 鼍饭琵巍- - 2 u 强n s s c ) 最高滋麓= 3 0 ”k 驺j j 翻衄纛o 洫 诌l 铺：2 或强1 8 1 7 6 辩承c 缓宪的糯摊 起始箍度：2 拿强至3 鑫嚣一； 1 3 2 国外及我国台湾省摩托车燃油蒸发排放控制现状 相关国家及地区的摩托车燃油蒸发排放控制标准如下所示【l 卜1 6 1 。 ( 1 ) 欧盟 我国的最新燃油蒸发排放法规c g b2 0 9 9 8 2 0 0 7 摩托车和轻便摩托车燃油蒸 发污染物排放限值及测量方法参考了泰国机动车燃油蒸发污染物排放标准 ( t i s2 1 3 0 - 2 5 4 5 2 0 0 2 ) 、我国台湾省燃油蒸发标准机动脚踏车蒸发污染测试 方法及程序和我国轻型汽车污染物排放限值及测量方法( i i ) ( g b 1 8 3 5 2 2 - 2 0 0 1 ) 等标准制订的。该标准起草时，欧洲尚无相应的摩托车燃油蒸发 控制标准。2 0 0 5 年9 月，欧洲摩托车制造商协会( a c e m ) 对摩托车燃油蒸发提出 了新建议案：排量大于5 0 m l 的装配点燃式发动机的两轮和三轮摩托车的燃油蒸 发排放的确定。蒸发排放物实验分预处理阶段和试验阶段，将油箱的换气损失， 工触上 一纛 l 上圣 纛 第一章绪论 热浸损失阶段测得的h c 排放质量相加，为总试验结果。蒸发排放总质量不应超 过2 9 t e s t 。在制造厂要求下，如果车型已通过加州认证权力机构的认证试验，则 该车型可在不进行试验的情况下通过认证。 ( 2 ) 美国联邦标准和加州标准 a ) 美国加州标准：截至2 0 0 3 年1 2 月2 3 日前，美国联邦没有制定摩托车燃油 蒸发污染物标准，但是加州在1 9 7 5 年4 月1 6 日就首次颁布了适用于1 9 8 3 年以后 生产的摩托车新车型的燃油蒸发排放标准。如表卜1 所示。美国加州是世界上最 早实施摩托车蒸发排放控制及标准最严格的地区。在燃油蒸发排放标准中规定了 燃油蒸发污染物分昼间换气损失、运转损失、热浸损失和注油蒸发4 种形式。1 次完整的摩托车燃油蒸发排放试验包括昼间换气损失( 呼吸损失) 、运转损失、热 浸损失3 部分，3 部分排放量之和应 2 9 t e s t ，试验方法采用密闭室法。试验前， 可采用重复加热法或丁烷氮气吸附法，对加装的炭罐进行老化和吸附处理。 表1 - 1 美国加州燃油蒸发污染物标准限值 摩托车类型车型年h c ，g t e s t i 类和i i 类1 9 8 3 1 9 8 4 年 6 0 ( 5 0 2 7 9 m l )1 9 8 5 年以后 2 0 类1 9 8 4 1 9 8 5 年 6 o ( 耋2 8 0 r a l )1 9 8 6 年以后 2 0 类( 耋2 8 0 m l ) 1 9 8 6 1 9 8 8 年 6 0 小批量生产 美国加州还对摩托车燃油蒸发排放控制装置提出了耐久性要求，进行型式核 准的摩托车必须在耐久性考核前至少1 个月生产，或由制造商证明非燃油蒸发污 染物排放已经稳定。表1 - 2 给出了不同排量摩托车燃油蒸发排放耐久性要求及相 应的测试里程要求。 表1 - 2 不同排量摩托车燃油蒸发排放耐久性要求及测试里程要求 发动机排量类别发动机排量，m 1总测试里程，k m耐久性里程，l 【m i 5 0 - 1 6 96 0 0 01 2 0 0 0 1 7 0 - 2 7 99 0 0 01 8 0 0 0 2 8 0 及以上 1 5 0 0 03 0 0 0 0 b ) 美联邦标准：2 0 0 3 年1 2 月2 3 日，e p a 颁布了新的排放法规，其中规定从 第一章绪论 2 0 0 8 年起对摩托车实施燃油蒸发排放控制。如表1 - 3 所示。 表1 - 3 美国联邦燃油蒸发控制限值 排放源实施日期 限值，g m d a y 实验温度， 燃油箱2 0 0 8 年 1 52 8 ( 8 2 。f ) 油管2 0 0 8 年 1 5 2 3 ( 7 3 。f ) ( 3 ) 泰国摩托车排放标准 泰国摩托车排放标准t i s2 1 3 0 - 2 5 4 5 ( 2 0 0 2 ) 是一部较完整的规则，适用于车 质量小于4 0 0 k g 、排量大于5 0 m l 的摩托车，其中包括摩托车排气污染物排放试验 ( 工况法试验) 和燃油蒸发排放试验，还包括二冲程摩托车烟度试验。 泰国标准t i s2 1 3 0 2 5 4 5 ( 2 0 0 2 ) 规定一般摩托车燃油蒸发排放限值为 2 9 t e s t ：如果摩托车排气污染物排放c 0 3 5 9 k m ，h c + n o x 1 8 9 k i n ，燃油蒸发 排放限值为6 9 t e s t 。摩托车不仅要进行排气污染物排放试验，还要进行燃油蒸 发排放试验。如表1 q 所示。 表1 _ 4 泰国摩托车燃油蒸发捧放标准 椽准号辕准限傻囊求发糍西期实缝r 期 t is1 6 5 0 。1 9 9 8 蒸发排放2 9 ；试验 1 9 9 9 0 7 2 02 0 0 1 。0 7 3 0 h c + n o x 2 o g 2 0 0 3 0 7 0 1 t ls - 2 0 0 4 。0 7 0 1 e v a p ：2 9 t e s t 或者 h c + n o x 1 8 9 = 2 o e 豫p 6 0 泰国作为发展中国家，近几年摩托车工业快速发展，吸引了许多外资企业在 泰国建厂生产或组装摩托车。目前，泰国摩托车市场竞争主要集中在日本、意大 利等著名摩托车企业间，现行摩托车排放法规受日本企业的影响很大，设定的门 槛相对很高，主要目的是想阻止外国摩托车进入泰国市场。我国作为摩托车生产 大国，近年出口到泰国的摩托车数量也在不断增加，对日本车形成一定威胁。随着 今后泰国对摩托车各项法规不断加严，我国摩托车企业要想做大泰国市场，必须 熟悉和了解泰国工业标准，提前做好充分应对准备，以过硬的产品品质、优良的动 力性能跨越这道高门槛，参与市场竞争。 ( 4 ) 我国台湾省摩托车排放标准 9 第一章绪论 我国台湾省在机动车环保方面一直走在世界的前列，在全世界摩托车人均密 度最高的我国台湾省，车辆排放已成为城市最主要的污染源，比例高达9 5 ：在 车辆总排放中，摩托车占h c 排放的的6 1 ，为此台湾省对摩托车排放予以优先 考虑并建立了世界上最严格的排放法规。从1 9 9 1 年起，台湾建立了采用美国蒸发 试验程序( 密闭式法) 或炭罐收集法测量蒸发的h c 排放，限值为2 9 t e s t 的标 准。该标准中未规定运行损失，只规定了昼间换气损失和热浸损失的测量要求和 测量方法，也未提出蒸发排放耐久性相关要求。收集法试验流程如图卜5 所示。 簟鑫l 矗l 量多5 啊如l 嚣蛾下f 6 m a 上l l 参 鼍番7 口血 图1 - 5 炭罐收集法试验流程图 美国加州、泰国和中国台湾省燃油蒸发排放试验的对比如表1 - 5 所示 1 0 第一章绪论 表1 - 5 美国加州、泰国、中国台湾省燃油蒸发试验对比 蒸发损失加州法( s h e d 法)台湾省、泰国法( t r a p 法) 昼间换气试验前的准备：在底盘测功机上按试验前准备：在底盘测功机上以车 损失照加州排气试验工况循环行驶；在速5 0 k m h 行驶l o k m ；在( 2 5 4 - 5 ) ( 2 5 5 ) 的室温条件下放置6 - 3 6的室温条件下放置6 3 6 小时 小时 ， 测量方法：将试验车辆置于密闭室测量方法：将试验车辆置于试验室 内( 2 5 4 - 5 ) ，使用加热带，按照内( 2 5 5 ) ，使用加热带，按照 规定的升温曲线，对油箱进行加热规定，对油箱进行加热处理。按照 处理。 外露式油箱和非外露式油箱使用不 同的要求加热。 测量开始1 h 后，测量密闭室内的h c测量开始1 h 后，测量收集器内的h c 浓度，计算h c 排放量质量变化，计算h c 排放量 运转损失试验前准备：将所有发生蒸发排放未规定 的部位都连接在收集器上 规定了运转蒸发损失测量及方法 ( 在底盘测功机上按照l a 4 工况进 行行驶，计算h c 排放量) 热浸损失试验前准备：在底盘测功机上按照试验前准备：在底盘测功机上以车 l a 4 工况进行运行，通过运行损失试速5 0 1 m h 行驶l o l 锄以上 验的测量代替 测量方法：测量开始l h 后，测量密测量方法：将试验车辆至于试验室 闭室内的h c 浓度，计算h c 排放量内( 2 5 5 ) ，测量开始1 h 后， 测量收集器内的h c 质量变化，计算 h c 排放量 1 4 课题的主要研究内容 由上面的叙述可以看出，在摩托车数量日益增多的今天，摩托车的燃油蒸发 排放已经成为一个新的重要的问题。摩托车达到最新的国家标准需要安装燃油蒸 发排放控制装置。摩托车燃油蒸发污染物控制装置的核心部件是活性炭罐，其性 能好坏直接影响整个装置控制排放的效果。由于我国摩托车蒸发排放标准比较领 第一章绪论 先，所生产车型与欧美之间存在较大的差异，因此没有国外成熟的技术可以直接 借鉴，活性炭罐的设计开发技术非常缺乏。本论文的主要内容就是分析影响炭罐 性能的各种关键因素，针对提高炭罐性能进行实验研究，将对国内摩托车活性炭 罐开发、设计、生产具有指导意义。 本论文在第一章中已简要介绍了我国摩托车的概况，摩托车燃油蒸发排放物 的形成原因，并详细介绍了国内外摩托车燃油蒸发排放法规的相关情况。第二章 将对影响活性炭罐性能的关键因素进行分析。第三章通过一系列的炭罐实验讨论 分析影响炭罐性能的各个因素。第四章是结论和展望。 1 2 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 摩托车燃油蒸发污染物控制装置的核心部件是活性炭罐，其性能好坏直接影 响整个装置控制排放的效果。澄清影响炭罐关键性能及其影响因素是指导炭罐设 计的重要基础性工作，目前国内还没有摩托车这方面比较系统的研究资料。在这 一章中，就目前国内外关于炭罐设计方面的资料进行了比较全面的总结和分析。 2 1 活性炭罐工作过程 2 1 1 炭罐的吸附 炭罐的吸附目标是吸附摩托车燃油系统排出的碳氢化合物。而燃油系统包括 了燃油箱、燃油管、燃油滤清器、化油器或汽油喷射部件组成的系统和燃油蒸发 污染物控制系统。炭罐只能收集燃油系统中所有的通大气开口处排放出的碳氢化 合物，无法收集燃油系统部件向外渗透的碳氢化合物。一般来说，燃油系统通大 气开口有油箱排气口和化油器浮子室排气口两处。炭罐的吸附原理就是依靠吸附 能力较强的活性炭粒为吸附材料，将从油箱及化油器浮子室里排放出来的燃油蒸 气吸附至活性炭罐，减少了排放到大气中的碳氢化合物。 摩托车安装燃油蒸发污染控制系统应首先考虑炭罐的工作能力是否能满足 系统要求，即从油箱及化油器浮子室里排放出来的燃油蒸气是否能被炭罐吸收并 将逃逸量控制在法规限值以下。其次考虑到摩托车的生产一致性及实际使用时环 境的复杂程度，炭罐工作能力需要有一定工作余量。另外，炭罐所吸附的燃油蒸 发污染物数量与油箱或化油器容积及其燃油蒸发表面面积成正比。容积越大的油 箱及化油器，其易挥发燃油数量越多，燃油蒸发表面面积越大，则燃油蒸气排放 就越多，需要的炭罐工作能力就应该越大1 1 7 1 9 。 炭罐总的工作能力确定后，就可计算炭罐其余各项参数。首先选择活性炭型 号，其主要影响活性炭单位工作能力和炭罐通气阻力等参数。当活性炭型号选定 后，可由炭罐总的工作能力和活性炭单位工作能力这两个数值计算出系统所需活 性炭罐容积。炭罐结构设计也是影响炭罐性能很重要的因素，它能影响包括活性 炭的利用效率、炭罐通气阻力及炭罐外形尺寸和多功能性等因素，炭罐结构原理 如图2 - 1 所示。活性炭罐实物图如2 - 2 所示。 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 21 2 炭罐的脱附 固2 吨炭耀实物图 为了把贮存在活性炭罐内的燃油蒸气送出去，恢复活性炭粒的吸附能力，炭 罐有一个“卸载”过程。此过程是从活性炭罐通大气口吸 一定量经过滤的新鲜 空气进入活性炭罐，让这些新鲜空气在活性炭粒间流动后，带走活性炭粒表面的 燃油分子回到油箱或进入发动机参与燃烧。 炭罐的脱附方式有以下几种 ”i ： 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 a ) 对油箱补气：当油箱内压力下降时( 燃油被使用或者温度降低) ，活性炭 罐大气口吸入新鲜空气带走活性炭粒表面的燃油分子回到油箱。 b ) 对发动机补气：利用发动机进气真空度( 化油器式燃油供给系统) 或是 通过电子阀开启时的负压( 电喷式燃油供给系统) 从活性炭罐大气口吸入新鲜空 气带走活性炭粒表面的燃油分子，并经管道送入发动机去燃烧室参加燃烧。 炭罐脱附需考虑的因素 a ) 为了把活性炭粒表面吸附的燃油蒸气分子带走，恢复活性炭粒的吸附能力 所需的空气量( 脱附流量) 的多少； b ) 带着燃油蒸气分子的脱附空气进入发动机后，对发动机空燃比以至发动机 的性能会带来怎样的影响( 主要是脱附空气空燃比的影响) 。 这两个因素既相互关联又存在一定制约关系，脱附流量小时对发动机性能影 响小，但炭罐脱附性能差，炭罐无法及时恢复工作能力；脱附流量大时炭罐脱附 性能好，但脱附空气对发动机性能影响大。所以脱附空气流量是炭罐设计时要考 虑的一个关键因素。 2 1 3 炭罐的工作循环 燃油蒸发系统通过炭罐上述吸附脱附过程形成连续循环。这样就使得燃油系 统中所有的通大气开口处排放到大气中的碳氢化合物没有或很少散溢到大气中 去，从而能有效地控制燃油蒸气所造成的污染，并充分利用了能源。 2 2 炭罐的关键性能指标 活性炭罐的关键性能指标有炭罐工作能力、击穿时间、内部几何结构特性、 工作寿命、e c u 控制脱附过程以及炭罐安装位置等。这些关键指标对摩托车燃油 蒸发排放有着非常重要的影响。对于炭罐的性能指标和影响因素之间的关系如表 2 - 1 所示。 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 表2 - 1 炭罐性能指标和影响因素对照表 性能指标一影响因素一 活性炭的种类、炭罐的类型、长径比、吸附温度、吸 炭罐工作钷力p 附流量、脱附温度、脱附流量等p 活性炭的种类、炭罐的类型、长径比、吸附温度、吸 炭罐击穿特佳p 附流量等。 2 3 炭罐性能影响因素的国内外研究情况 由上述可以看出影响炭罐性能的关键因素有活性炭的种类、炭罐的形状、吸 附脱附的流量、吸附脱附的温度等。国内摩托车炭罐领域对这些因素的研究很少， 在这里对国外的一些研究现状进行总结和分析，对活性炭罐的设计开发具有很好 的的指导意义。 2 3 1 摩托车用活性炭的选择 2 3 1 1 活性炭的材质与特性 炭罐的主要工作介质是活性炭，利用活性炭对h c 的吸附和脱附作用来控制燃 油蒸发排放，因此活性炭的性能是影响炭罐性能的最关键因素。在设计炭罐时如 何选择活性炭是首先要考虑的问题。 活性炭可由许多种含炭物质制成，这些物质包括木材、锯屑、煤、焦炭、泥 煤、木质素、果核、硬果壳、蔗糖浆、骨、褐煤、石油残渣等。其中煤及椰壳、 果壳已成为制造活性炭最常用的原, 蚪t 2 0 2 2 1 。活性炭的制造基本上分为两个过程， 第一个过程包括脱水及炭化，将原料加热，在1 7 0 至6 0 0 的温度下干燥，并使 原有的有机物大约8 0 炭化。第二个过程是使炭化物活化，这是经由用活化剂 如水蒸气与炭反应来完成的，在吸热反应中主要产生由c o 及h 2 组成的混合气体， 用以燃烧加热炭化物至适当的温度( 8 0 0 至1 0 0 0 ) ，以烧除其中所有可分解的 物质，由此产生发达的微孔结构及巨大的比表面积，而所谓的吸附过程正是在这 些孔隙中和表面上进行的，因而具有很强的吸附能力 2 l 】。 1 6 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 2 3 1 2 活性炭的吸附原理 在直径l m m 的炭粒中能包含1 0 亿个孔f 2 0 】。活性炭中的孔隙半径大小可分为 半径小于2 0 a 。的的微孔、2 0 - - , 1 0 0 0 h 。的过渡孔以及大于1 0 0 0 h 。的大孔，活性 炭的表面积主要是由微孔提供的【2 3 1 。孔隙之间的关系一般的设想为大孔上分叉 地连接有许多过渡孔，过渡孔上又分叉地连接着许多微孔。大孔的内表面可发生 多层吸附，由于它的比例很小，所以大部分只起着作为吸附质分子进入吸附部位 的通道作用，但是它作为支配吸附速度的因素，在使用中是很重要的。过渡孔一 方面作为被吸附质的通路而支配着吸附速度，另一方面在一定的相对压力下会发 生毛细管作用，对不能进入微孔的大分子起吸附作用，吸附作用最大的是微孔， 它对活性炭的吸附量起决定作用1 2 4 】。 活性炭的吸附作用分物理吸附和化学吸附两种，车用活性炭吸附h c 的过程是 物理吸附过程。物理吸附中的作用力与分子间的内聚力一样，是范德华力，这种 力是静电性的。吸附过程是以扩散的方式进行的，这种扩散运动是由于吸附体之 间吸附质的浓度差造成的。对于给定的吸附剂一吸附质来说，吸附量又是压力和 温度的函数【2 引。 当汽油蒸气分子( 即碳氢分子) 进入炭层时，首先穿过大孔，然后经过过度 孔，最后到达微孔。由于汽油是混合物，如表2 - 2 所示，所以其产生的蒸气分子 体积是一个范围。由于分子间作用力一范得华力的作用，汽油蒸气分子会在合适 尺寸的活性炭孔隙中被吸附。当出现足够大的真空时，其产生的脱附力将大于碳 氢分子与孔隙结构活性炭分子的分子间作用力，使汽油蒸气脱离孔隙进入发动机 燃烧。由于分子间作用力的不同，存留在大孔和中孔上的碳氢分子可以很轻易地 脱离孔隙而被脱附掉。而存留在微孔上的碳氢分子由于其与炭粒分子的接触非常 紧密，即分子之间的作用力很大，所以很难脱离孔隙而被脱附掉。也就是说，大 孔和中孔不容易吸附而容易脱附，微孔容易吸附而不容易脱附。这样，大孔、中 孔和微孔三着之间的数量比例直接影响到活性炭的工作性能。调整三者之间的比 例就可以得到吸附能力较高的活性炭l 2 1 1 。 第二章影响活性炭罐性能的关键因素 表2 - 2 汽油蒸气中各组分列表 缀分名称襁对禽鬣( ) 内烷 口1 5 阿燔 口1 l l2 - 甲蒸- 1 一- 丙烯 7 5 4 正丁烷1 1 4 4 l反式- 2 - t 爆 40 1 顺式2 t 烯 4 7 口 ：甲基丁烷 3 47 2 1 ，毙，宠 21 3 正戊烷 99 5 反式2 度爝3 9 2 2 甲基- 2 了爝 71 2 2 3 = 甲蕊1 _ 娩 d 2 d 3 甲纂一1 - 戊烯0 5 3 2 一甲藻戊烷 2 7 7 3 甲纂戊婉 l2 5 2 甲纂一1 一戊德 口3 4 藏已烷 0 4 8 2 3 1 3 活性炭的选择 摩托车用活性炭的选择主要从以下三个方面考虑：工作能力、强度、活性炭 引起的压降，决定这三个性质的因素就是活性炭中孔径大小及比例、材质和炭粒 大小。 ( 1 ) 工作能力 在介绍工作能力前，先介绍几个概念。蒸气贮存装置有效容积指蒸气贮存装 置中存储的活性炭的体积。有效吸附量指吸附蒸气后蒸气贮存装置总质量与脱附 后蒸气贮存装置总质量之差。工作能力分为汽油工作能力g w c 和丁烷工作能力 b w c 。指经过试验后，单位蒸气贮存装置有效容积的有效吸附量【2 5 1 。但这里要区 分两个概念：工作能力与最大吸附能力，最大吸附能力只是指活性炭单位体积 ( 1 0 0 m l ) 对h c 的饱和吸附量。虽然最大吸附能力也是活性炭的一个参数，但在 炭罐使用中主要看不同活性炭的工作能力。s a e6 9 0 0 8 6 2 6 】选用几种市场上的车 用活性炭比较它们工作能力和最大吸附能力之间的关系，如图2 - 3 所示。 第二章影响活性炭罐性能的关键因囊 暖2 - 3 工作船力与最大驶附能力关系 圈中最大吸附能力是指将活性炭放在7 5 f ( 2 3 9 ) 的丁烷气体中直至吸附饱 和时的质量变化，而工作能力是指吸附饱和后的活性炭以每分钟1 0 倍炭罐体积 的流速脱附2 0 分钟后的脱附量，温度仍保持在7 5 f ( 2 39 ) 。从图上可以看出 活性炭的最大吸附能力和工作能力之间没有明显的相关性，最大吸附能力高的活 性炭并不一定有高的工作能力。工作能力是表征活性炭性能最主要的因素，设计 炭罐当然会首先考虑选用工作能力值高的活性炭，工作能力值越高，在捧放相同 的情况下就可以将炭罐的体积设计得越小，便于安装和减少成本。 (