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删 十论文 汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术研究 摘要 国家环境保护总局、国家质量监督检查检疫总局于2 0 0 5 年4 月l j 日发布了国家 标准g b l 4 7 6 3 2 0 0 5 装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限值及测量方 法一收集法。为了积极配合这一标准的执行，本文介绍了研制汽车燃油蒸发污染物 排放测试系统的相关研究工作。 虚拟仪器综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程 方法，代表了测试仪器与自动测试系统未来的发展方向。本文将虚拟仪器技术引入到 测试系统的设计中，实现了设备的自动控制。 本文所做的研究工作主要包括： 1 对汽车燃油蒸发污染物形成机理及其排放控制技术做了简要分析； 2 给出了系统整体设计方案及各个功能模块的设计方案； 3 介绍了系统各组成元器件的设计、选型及它们的工作原理； 4 介绍了测控系统硬件电路的设计及其研制过程，并给出了各个功能模块的工 作原理； 5 应用图形化编程语言l a b v i e w ，按照模块化的设计方法，完成了测控系统软件 的设计及研究； 6 。详细介绍了测试系统的组装、调试过程。 该系统界面友好，易于操作。经试验证明该系统具有较高的自动化程度和测试精 度，具有很强的生产实用性。 关键词重型汽车燃油蒸发污染物收集法测试系统虚拟仪器 硕士论文汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术研究 a b s t r a c t 。i _ 1 1 en a t i o n a ls t a n d a r dg b l 4 7 6 3 - 2 0 0 5 i sr e l e a s e do na p r i l15 ，2 0 0 5b ys t a t ee n v i r o m n e n t a lp r o t e c t i o na d m i n i s t r a t i o no f c h i n aa n dt h eg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fq u a l i t ys u p e r v i s i o n ，i n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n e o fp e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a i no r d e rt oe x e c u t et h es t a n d a r d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e c o r r e s p o n d i n g r e s e a r c ho n d e v e l o p i n g t h em e a s u r e m e n ts y s t e mo fv e h i c l e sf u e l e v a p o r a t i v ep o l l u t a n t se m i s s i o n s t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c t m o l o g yt a k e sa l lt h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，t h es t a n d a r db u s ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n gi n t oi n t e g r a t i o n ，w h i c hi n d i c a t e st h e f u t u r eo fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa n da u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw a sb r o u g h ti n t ot h ed e s i g no ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dm a d e t h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1o ft h ee q u i p m e n tc o m et r u e t h e m a i nr e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff u e le v a p o r a t i v ep o l l u t a n t sf r o mv e h i c l ea n dt h e c o n t r o lo f t h ee m i s s i o n sw e r ea n a l y z e d 2 t h es c h e m e so f t h ew h o l es y s t e ma sw e l la se v e r yf u n c t i o nm o d u l ew e r ed e s c r i b e d 3 t h ed e s i g n ，c h o o s ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec o m p o n e n t sc o n t a i n e di nt h e s y s t e mw e r ei n t r o d u c e d 4 t h ed e s i g nm a dd e v e l o p i n gp r o c e s so ft h eh a r d w a r ee l e c t r o c i r c u i t ，a sw e l la st h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f e v e r yf u n c t i o nm o d e lo f t h es y s t e mw e r ei n t r o d u c e d 5t h ed e s i g no f t h es o f t w a r ew i t l lt h el a b v i e ww e r ea c c o m p l i s h e du s i n gt h em e t h o d o f m o d u l a r i z i n g 6 t h ea s s e m b l ya n dt h e d e b u g g i n gp r o c e s so f t h em e a s u r e m e n ts y s t e mw e r e i n t r o d u c e di ud e t a i l t h i ss y s t e mh a saf r i e n d l yi n t e r f a c ea n di sv e r ye a s yt oo p e r a t e i t sp r o v e db yt h e e x p e r i m e n tt h a tt h es y s t e mh a sh i g h e re x t e n to fa u t o m a t i ca n dt h et e s tp r e c i s i o nw h i c h m a k e si tn l o f ep r a c t i c a lj np r o d u c t i o n k e yw o r d s lh e a v y d u t y v e h i c l e sf u e l e v a p o r a t i v ep o l l u t a n t s t r a p m e t h o d m e a s u r e m e m ts y s t e mv i s u a li n s t r u m e n t 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 渺年瑚秘日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 予保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：垂越 减 月翘日 硕士论文汽车燃油蒸发污染物捧放测试投控制技术研究 i 绪论 1 1 课题研究意义及背景 随着汽车数量的不断增加，汽车排放对大气环境的污染越来越严重。因此上世纪 五十年代起，汽车工业发达的国家就开始投入大量的人力、物力研究控制汽车排放污 染物的技术，政府则从立法的角度限制排放量，制定越来越严格的排放法规，同时给 以资金和政策上的扶持，来迫使汽车公司花大力气研究排放控制技术。 汽车污染物排放主要分为尾气排放、曲轴箱排放和蒸发排放。尾气排放即通过 发动机排气管的排放，是最主要的污染源，约占整个排放量的6 2 ，历来受到汽车行 业的高度重视，通过改善缸内燃烧过程，排气管内采用催化转换剂及二次燃烧技术等 措旋使尾气排放值不断下降。曲轴箱排放约占整个排放量的1 8 ，它也通过采取了 些有效措施使问题得到了满意的解决。燃泊蒸发排放约占整个排放量的2 0 ，国内对 它的排放控制的重视、研究起步较晚。近几年来，随着国家相关政策的制定、企业重 视程度的提高以及国外先进技术的引进，我国在汽车燃油蒸发排放控制技术上也有了 长足的进步，但和美国等一些发达国家相比仍有较大差距。有必要像重视尾气排放 样，重视汽油车的蒸发排放控制，采取措施降低蒸发排放。而且研制相应的测试设备 也是很有必要的。 由于汽车燃油蒸发污染物排放测试试验程序复杂，环境恶劣，持续时间长，加上 现有的汽车燃油蒸发污染物排放测试系统人工操作项较多，操作繁琐且容易出错，在 信息化飞速发展的今天追切地需要研制自动化程度及测试精度较高且操作方便灵活 的测试系统来满足社会生产的需要。 该项目是在企业实际需求的基础上与企业合作立项研制的，有很好的生产实用价 值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟仪器技术 随着计算机技术、大规模集成电路技术的飞速发展，仪器技术领域发生了巨大的 变化。美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t m m e 眦s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机技 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放 9 1 5 试及控制技术研究 术的虚拟仪器的概念 2 】。所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任 务需要，定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操 作一台他自己设计的专用的传统电子仪器，实现了计算机和测试仪器的一体化。 在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系 统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系 统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传 统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的 才能、想象力的空间。用户( 而不是厂家) 可以随心所欲地根据自己的需求，设计自 己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。 虚拟仪器利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数 据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、 升级等。与传统仪器相比，虚拟仪器在经济性、灵活性、扩展性和可维护性等方面都 具有独特的优势( 见表1 1 ) ，它实质上代表了种创新的仪器设计思想。 表1 1 虚拟仪器和传统仪器比较 虚拟仪器 传统仪器 f 开发和维护费_ = | j 低 开发和维护费用高 i 技术是更新周期短( o 5 1 年) 技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键硬件是关键 价格低价格昂贵 开放灵活与计算机同步，可重复用和重配置固定 可用网络联络周边各仪器只可连有限的设各 自动、智能化、远距离传输 功能单一，操作不便 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用 者利用。最早和最具影响的开发软件是n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d w o s c v i 开 发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s ，c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的，在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了 上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台软件，也 是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。从9 0 年代开始，国内的一些大学也相继 开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，他们正在积极开展虚拟仪器的研究工作，重 点在于研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发相应的虚拟仪器设备。 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪 器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当 硬上论文 汽车燃油蒸发污染物排敷铡试及控制技术研究 代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。 “没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领 域得到广泛应用，目前虚拟仪器技术已广泛地应用在机械工业、通讯、自动化、半导 体、航空、电子，电力、生化制药等各种领域。 1 2 2 国内外汽车燃油蒸发污染物排放测试的研究概况 蒸发排放测试常用的有两种测试方法：收集法和密闭室法口1 。 采用密闭室法必须具备三个最基本的仪器设备：密闭室、底盘测功机和f i d 碳氢 分柝仪。试验过程包括三大阶段：呼吸损失试验( 昼间换气试验) 、运行试验、热浸 试验。运行试验在底盘测功机上进行，其它试验在密闭室内进行，试验前后测量密闭 室内碳氢化合物浓度( 用f i d 分析仪测量) 以计算蒸发排放量。总蒸发排放量( t e v ) 等于呼吸损失( d b l ) 与热浸损失( h s l ) 之和。一般规定不得超过2 9 试验。 炭罐收集法的主要仪器设备是测功机、温度记录仪、称重天平、收集器等通用而 简单的设备。其试验过程同样包括上述三个阶段，但它不是将试验车辆放入密闭室来 收集蒸发污染物，而是直接将采样用的收集器连接到车辆上可能向外排放汽油蒸气的 出口一炭罐通大气口、空气滤清器入口。试验前后测量收集器的重量变化( 用精密天 平测量) 就可得出各阶段蒸发排放量，总排放量( t e v ) 为呼吸损失( d b l ) 与热浸 损失( h s l ) 之和。蒸发排放不得大于2 9 试验。 与密闭室法相比，收集法只是考虑到炭罐通大气口和空气滤清器入口的蒸发排放 量，没有考虑到车辆上其他部位，如油箱、油管、接头处的蒸发排放量，更没有考虑 汽车塑料件和油漆、粘接胶等挥发和燃油系统可能连接不紧而渗漏的碳氢化合物，所 以收集法测量结果较小。表1 2 是一些对比试验结果。 表1 2 收集法和密闭室法测量结果对比表 车型 收集法试验结果( g 试验)密闭室法试验结果( g 试验) d b lh s lt e vd b lh s lt e v 电喷轿车 a0 0 60 0 10 0 70 - 3 10 2 60 5 7 b0 0 40 0 40 0 8 0 1 】0 1 70 2 8 国外，对汽油车燃油蒸发排放物的控制已有3 0 多年的历史。1 9 7 0 年，美国开始 控制小轿车的燃油蒸发排放物，采用的是炭罐收集法。1 9 7 8 年，美国把汽油车燃油 蒸发排放物测量方法改为密闭室法。目前美国、欧洲、日本都采用密闭室法。我国正 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排艘铡试及控制技术研究 处在从收集法向密闭室法过渡的阶段。由于密闭室法对试验室的要求及试验成本较 高，现阶段只适用于轻型汽车的燃油蒸发排放测试，还不能适合于重型车辆。炭罐收 集法采用通用而简单的设备，它不仅试验成本低，操作方便灵活，而且测试系统还可 以单独进行活性炭罐的吸附脱附性能试验，较为符合我国现阶段重型车辆的燃油蒸发 污染物排放测试。并且要减少整车及零部件的油漆、涂料、溶剂产生的蒸发排放物， 要靠改进汽车生产工艺加以解决，在现行的标准中暂时不予考虑是合理的。在政策上， 我国于1 9 9 3 年1 2 月1 0 日发布了国家标准g b t 1 4 7 6 3 1 9 9 3 汽油车燃油蒸发污染 物的测量收集法( m e a s u r m e n to f f t l l ee v a p o r a t i v ep o l l u t a n t sf r o mv e h i c l ew i t hd e t r o l e n g i n e - t r a p m e t h o d ) ，并于1 9 9 4 年5 月1 0 日实施。2 0 0 5 年4 月1 5 日颁布了国家标 准g b l 4 7 6 3 2 0 0 5 装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法 收集法，并于2 0 0 5 年7 月1 日实施。由上述可见，现阶段采用收集法进行重型汽 车燃油蒸发污染物排放测试是符合我国国情的。 1 3 本文所研究的主要内容及课题来源 本论文的研究对象是汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术，主要完成汽车燃 油蒸发污染物排放测试系统的研制。该测试系统严格按照相关标准的规程和具体要 求，并采用对试验过程相关参数的实时监控，尽可能减少人为因素对试验过程和结果 的干扰及影响，同时使系统的各项技术参数全面符合国家标准的要求。本文所做的主 要工作有： 1 燃油蒸发污染物排放机理及控制技术研究； 2 测试系统方案确定； 3 测试系统各组成元器件的设计、定制、选择； 4 测试系统测控系统硬件电路设计及研制： 5 测试系统测控系统软件设计与研制； 6 测试系统的组装、调试及试验。 本文需要解决的问题： 1 燃油加热装置的自动控制； 2 温度信号、压力信号的采集、处理及显示； 3 实现电子天平与计算机之间的串口通讯： 4 电磁阀、磁力泵、真空泵等元器件的开关控制； 5 试验测试数据的自动处理；报告生成。 本课题来源于南京理工大学车辆与交通工程系与某企业的合作项目：重型汽车燃 油蒸发排放测试系统研制。 4 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术研究 2 燃油蒸发污染物形成机理及其控制 燃油蒸发污染是指从汽油车燃油系统的通大气口逸散的汽油蒸气产生的污染。这 部分汽油蒸气占汽油车h c 污染物的2 0 ，是汽车排放污染物的一重要组成部分【”。 它来源于燃油箱、输油泵、燃油滤清器、进气岐管和燃油连接管路组成的供油系统。 其控制系统是为防止油箱内的燃油蒸气直接进入大气而设置的。 在测试系统研制前，先对燃油蒸发污染物形成机理及其排放控制技术进行分析与 研究。 2 1h c 蒸发排放的来源 2 1 1 从时间角度分析 以发生的时刻来划分，汽车的h c 蒸发排放可分为运转蒸发排放、热浸蒸发排放、 昼间呼吸蒸发排放、驻车蒸发排放及加油蒸发排放【4 。 运转蒸发排放( r u n n i n gl o s s e s ) 是指车辆运行期间从发动机燃油系统逸散到大气中 燃油蒸气。发动机运转会大大促进燃油蒸气的形成，未装蒸发控制装置的汽车，蒸气 直接排放至4 大气中；已装燃油蒸发控制装置的汽车，当燃油蒸气的生成量超过蒸气的 存储及脱附系统的处理能力时，就产生了运转损失。 昼间呼吸蒸发排放( d i u r n a l l o s s e s ) 是指在规定的时间内，燃油箱按规定的规范升温 时，燃油系统所排出的燃油蒸气。在图l 中，曲线o a b c d o7 表示的是汽车全天都停 放时油箱温度的变化。昼问蒸发排放主要发生在a b c d 时间段。在此时间段内，油 箱温度逐渐升高，油箱内的蒸气量逐渐增多；当压力值高于吸附阀的压力设定值时， 吸附阀打开，蒸气流经吸附阀通路被活性炭罐吸附暂存；在扩散作用下，少量蒸气会 克服活性炭罐的阻挡到达外界大气，造成昼间蒸发排放。在d o7 时间段，油箱内的温 度开始降低，燃油蒸气的压力逐渐降低，当压力低于吸附阎的压力设定值时蒸气停止 外溢；油箱的压力继续降低，当压力低于大气压力时，活性炭罐的吸附阀在真空度作 用下逆向打开，外界空气就会被吸进燃油箱。空气在进入油箱的过程中会对活性炭罐 产生逆向吹扫，将炭罐内吸附的部分蒸气吹回油箱，这一过程称为反向脱附过程( b a c k p u r g e ) 。脱附效应可使活性炭罐的吸附能力得到一定程度的恢复。善加利用可缓解连 续多天驻车情况下燃油蒸发排放的失控。 热浸蒸发排放( h o ts o a k l o s s e s ) l 匀定义是从发动机熄火开始，在规定时间内( 约l h ) 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放钡4 试及控制技术研究 燃油系统排出的燃油蒸气。它主要发生在汽车停止运作一小时后或更短的时间内。图 2 1 中，曲线o a b b c c7 d o7 表示的是汽车在b b 时间段行车，其他对问停放的状况 下，油箱温度的变化情况。可见，在汽车停止运转后的一小时左右，汽车燃油箱的温 度显著高于车辆全天的温度。由于燃油蒸发排放量与油箱温度密切相关，所以这段时 间虽然很短，但燃油蒸发量却非常突出。 0 1 22 4 运转口十刻 f 夭中的时翱p h 停车日寸刻= = = = = = i j 昼间呼吸损失_ _ 一 热浸损失一 图2 1昼间呼吸蒸发排放与热浸蒸发排放的关系示意图 驻车蒸发排放( r e s t i n gl o s s e s ) 是指车辆停放时，由于蒸气的扩散迁移所造成的燃油 蒸发排放。一般来说，驻车蒸发排放的速率显著低于其他类型的蒸发排放，但连续多 天停车的排放量很可观，需要对其加以重视。相对于其它排放，驻车蒸发排放对温度 的敏感性差，其排放速度基本不随温度变化。 加油蒸发排放( r e f u e l i n gl o s s e s ) 是指汽车加油期间排放到大气中的燃油蒸气。在加 油的开始时刻，燃油箱内的压力较高，打开油箱盖时燃油蒸气会在压力作用下溢出油 箱，加油时的泼溅作用会形成大量的燃油蒸气及小液滴；在加油过程中，油箱的蒸气 容积不断减小，会将油箱内的气体向外排挤，燃油蒸气及小液滴就随之流入大气。另 外，加油管在插入及拨出加油口时会有燃油的滴漏。 2 1 2 从空间角度分析 汽车的h c 蒸发排放源自背景排放和燃油蒸发排放1 4 。背景排放主要来自汽车的 橡胶、油漆及塑料制件。一般来说，背景排放比燃油蒸发排放小得多。但如果这些部 件质量低劣，则会显著增大背景排放量。背景排放虽然数量相对很少，但其主要成分 6 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物捧放测试及控制技术研究 为苯等物质。这些物质对人体危害很大，而且具有刺激性的气味，严重影响汽车的舒 适性。燃油蒸发排放主要来自汽车的燃油供给系统。 促使汽车内的燃油形成燃油蒸气的动力有，燃油吸收的热量和燃油流经管路时， 由于管径的突然变化，导致的压力突然降低和燃油的泼溅。 在燃油供给系统的不同部件处，促使蒸气产生的机理也不同。 油箱内燃油的受热蒸发是促使蒸气生成的主要动力来源。油箱的热量主要来源于 环境空气对油箱的传热、路面对油箱的热辐射、排气管对油箱的热辐射、汽油泵的摩 擦损失造成的热量以及发动机的回油带来的热量。 汽车行驶时，油箱外的空气流动会对油箱起到散热的作用，这对于减少运转蒸发 排放量起到了重要作用。在上述的5 个主要热量来源中，空气热传导对昼间呼吸蒸发 排放及驻车蒸发排放起主要作用：其他的4 个热量来源主要发生在汽车运转时或停车 后的很短时间内发生的，是造成运转蒸发排放及热浸蒸发排放的主要原因。 燃油在燃油供给系统的不同位罱处温度和压力差异很大。温度越高，压力越低， 燃油的蒸发性越强，所以燃油供给系统的高温位置对燃油蒸气的生成具有更大的影 响。例如从发动机返回韵燃油量相对于整个油箱韵燃油量来说很少，但由于温度高， 蒸发性强，也是重要的燃油蒸发源。采取不回油系统的发动机，其燃油蒸气量明显低 于采用回油系统的发动机产生的燃油蒸气量。 燃油被汽油泵加压泵入油轨后，经过一系列分配管道流向喷嘴。被泵入油轨的燃 油量大于发动机消耗的燃油量，多余的燃油就通过回油管路回到燃油箱。这一系列燃 油管路存在着许多管径突变的地方，燃油从小管径区域流到大管径区域时，压力就会 发生突变，导致液态的燃油气化成为燃油蒸气。这些蒸气即使重新流经管路中压力高 的区域，也不能再被压缩成液体。这些燃油蒸气的一部分随燃油流到喷油嘴后进入气 缸烧掉，另一部分随着回油到达油箱。这部分蒸气是运转蒸发排放及热浸蒸发排放的 重要组成部分。 燃油的泼溅主要发生在加油过程及汽油泵泵油时。泼溅作用在油箱蒸气空间内形 成了悬浮的小油滴，这些小油滴一部分直接逸散到外界，一部分受热后形成蒸气逸散 到大气中。泼溅作用加速了燃油蒸气的形成。 燃油供给系统产生的大量燃油蒸气主要是通过加油口和炭罐与大气通口处逸散 到大气中。加油1 3 不可能做到完全密封，随时都会有少量燃油蒸气从加油口大量排放 到大气之中。燃油蒸发形成蒸气使油箱内的压力升高，当该压力超过炭罐吸附阀的设 定压力时，阀门会自动开启，油箱内的燃油蒸气流入活性炭罐被活性炭吸附；当吸附 接近或达到饱和状态时，炭罐就无法阻止再输入的燃油蒸气逸散到大气之中。相比之 下，油箱是最大的燃油蒸气源，炭罐与大气的通1 3 是燃油蒸气逸散的主要途径。 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放钡i 试及拉制技术研究 2 2 燃油蒸发污染物排放控制 汽车燃油蒸发排放控制系统是为防止油箱内的燃油蒸气直接进入大气而设置的。 它主要由燃油蒸气暂存部件( 活性炭罐) 、吸附控制装置( 吸附阀) 、脱附控制装置( 脆 附阀) 、油箱以及相关管路等部件组成。其中活性炭罐是功能部件，吸附阀和脱附阀 是协调控制部件。系统的性能，方面与其部件性能有关，同时也受到整车匹配效果 及环境情况所影响。 2 , 2 1 活性炭罐 活性炭罐是汽油车蒸发排放控制的关键部件，一般装上合适的炭罐后，汽车蒸发 排放能降低9 5 p a 上 3 1 。炭罐是利用活性炭的吸附性能暂存来自油箱的汽油蒸气，然 后通过脱附阀利用进气真空度将吸附在活性炭上的汽油蒸气清洗下来并和进入炭罐 的新鲜空气一起吸入进气管，进入燃烧室燃烧，达到净化效果。 活性炭罐性能的主要衡量参数为有效吸附率，残存吸附率及工作能力。国家环境 保护总局发布的h c r j 0 4 7 1 9 9 9 文件中规定，炭罐的有效吸附率不低于1 8 ，残存吸 附率不高于1 5 ，工作能力不小于5 5g l o o m l t 4 】。 有效吸附量= 吸附后炭罐总质量一脱附后炭罐总质量 有效吸附率= 焉孺品雾蓍淼x 。 残存吸附率= 堡堡堡塑等嚣群黎薰吾藿霎 ：；掣，。 工作能力主要是看l o o m l 的活性炭在规定条件下可吸收多少克丁烷，亦即“丁烷 工作能力”。 影响炭罐的有效吸附率的因素很多，其中有活性炭的比表面积，即活性炭所有孔 隙的表面积与其外形表面积之比，该比值越大，活性炭孔隙越多，有效吸附率也越大： 再有活性炭孔径分布，即活性炭孔隙按其直径大小的分布规律，分布中过渡孔和微孔 所占的比率越大，有效吸附率也越大：还有炭罐的结构形式，即炭罐设计中尽量避免 吸附盲区和脱附盲区的存在，使活性炭都能有效工作。此外，炭罐的长度直径比对 其有效吸附率也有主要影响，该比值越大，在相同流量下脱附气流的流速就越快，脱 附力就越大，脱附出的燃油蒸气就越多，残留就越少，有效吸附率就越高。为有效提 高炭罐的长度直径比，常在炭罐内设置隔板。隔板位置、吸附口和脱附口位置都会 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排驶泌试及控制技术研究 对炭罐有效吸附率产生影响。汽车所处环境湿度，也会对炭罐有效吸附率产生影响。 活性炭对燃油蒸气及水蒸气有很强的吸附作用。如果汽车长期工作在湿度过高环境 下，炭罐里的活性炭会吸附大量的水蒸气，降低炭罐对燃油蒸气的吸附能力，导致炭 罐的有效吸附率下降 列。图2 2 给出了活性炭湿度与有效吸附量的关系。 图2 2 括性炭湿度与有效吸附量的关系 活性炭孔径分布对活性炭罐的残存吸附率也产生一定的影响。活性炭大孔和中孔 不易吸附而容易脱附，微孔容易吸附丽不容易脱附。因此，活性炭的大孔、中孔和微 孔之间的数量比例直接影响活性炭罐的三个衡量参数。需选择合适的三者比例，才能 得到有效吸附率较高、蒸气储存能力较强而残存吸附率较低的活性炭罐。一般直径在 1 7 i n i n 2 4 m m 之间的活性炭粒最少占9 0 ，炭粒直径在1 4 r a m 3 0 r a m 时为 1 0 0 1 6 1 。 在设计活性炭罐时，要考虑活性炭材料、炭罐结构与装载量等问题 7 1 。 汽车用活性炭主要有煤基活性炭、果壳基活性炭和木基活性炭三种。煤基活性炭 吸附能力稍差，但强度较高：木基活性炭在吸附能力和强度方面具有优势，但成本较 高：果壳基活性炭吸附能力强，但质地较脆，在汽车颠簸时易成为粉末【8 1 。 上文已谈到了活性炭罐结构对有效吸附率的影响，在此不再论述。按炭罐内部结 构分可分为全导管式结构、隔板式结构和半导管式结构几种。全导管式结构与隔板式 结构炭罐吸附脱附效果基本相同：而隔板式结构中的中间隔板除能起到对气流导向、 提高脱附效率外，还可增加活性炭罐的强度，但加工比较困难。半导管式结构对气流 导向的性能较差，吸附脱附效率较低。因此，常采用全导管式结构和隔板式结构的活 性炭罐。按炭罐的底部结构来分可分为底部开口式和底部密封式两种结构。底部开口 式的炭罐结构简单，脱附性能好，但易于产生水污染，降低了活性炭罐的吸附能力。 底部密封式结构的炭罐虽然结构复杂，脱附效果略差，易造成液态汽油对活性碳的污 染而影响活性碳的吸附性能，但只要对液气分离部件的质量进行严格控制，尽量避免 液态汽油进入活性炭罐，则其综合性能一般优于底部开口式结构。 炭罐的装载量是与炭材料的颗粒大小密切相关的。在已知呼吸蒸发排放量m 。和 热浸蒸发排放量b 。，以及材料的b w c 值时( 丁烷工作能力) ，炭罐装载量的计算公 。，喇芒掣轼挥 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物摊放操8 试及控制技术研究 式为 l ；k m a x ( m a m h ) 所， r 式中的置为系数，r 为丁烷工作能力，考虑实际运行因素后而进行的修正，实际 运行因素如下： 1 实际燃油是多种成分的烃类，活性炭对不同成分烃有机物的吸附能力是不同 的。 2 燃油蒸气被活性炭吸附过程中将伴随着温度升高，由此会降低活性炭的吸附 能力。 3 环境因素变化对活性炭的吸附能力也有影响，如相对湿度增加，吸附能力下 降，同时随着运行时间的增加，活性炭的吸附能力也是下降的。 园此，系数足取值必须适当，若髟太小，则装置较小，无法满足吸附要求；茁过 大，活性炭罐装载量过大，会使脱附空气的流动阻力增大，影响脱附效果 w 。 图2 3 活性炭罐吸附脱附性能试验台 在活性炭罐的最终设计方案选择中，采用图2 3 所示装置进行活性炭罐吸附脱附 性能试验渊。 2 2 2 吸附阀 燃油系统产生的燃油蒸气是通过吸附阀进入活性炭罐的。吸附阀开启压力值是吸 附阀设计中首先要考虑的问题，它的大小对燃油蒸发排放控制系统产生较大的影响。 若开启压力过小则汽油蒸气容易溢出，就需要较大工作容积的活性炭罐，否则汽油蒸 气会排放到大气中；若开启压力过大则对整个燃油系统的密封性和安全性的要求增 加，再加上压力过高会引起阀门打开对油箱内的蒸气会快速大量地涌入炭罐，蒸气流 带来的热量加上吸附效应所产生的热量，会使炭罐的温度迅速升高，导致其吸附能力 降低。所以吸附阀的开启压力要选择适当，一般设定在3 0 5 o k p a 。表2 1 给出了 某车辆匹配两种不同开启压力吸附阀的炭罐时的蒸发排放结果。 硕士论文汽车燃池蒸发污染貔排放溅试及控锵技术研究 表2 1 某车辆匹配两种不同开启压力吸附阀的炭罐时的蒸发排放结果 炭罐编号吸附阀开启压力( k p a ) 试验结果( 试验) 11 07 8 9 24 00 5 9 2 2 3 脱附阀 脱附阀是蒸发排放控制系统的重要部件，它分机械式及电控式两种。真空控制式 燃油蒸发排放系统采用机械式脱附阀，电子控制式燃油蒸发排放系统采用电控式脱附 阀。在化油器式车辆上，大部分采用机械式脱附阀，炭罐脱附口经脱附阀与发动机进 气真空处直接相连，利用进气真空度将炭罐中碳氢化合物脱附到发动机中燃烧掉：在 燃油喷射式车辆上，大部分是通过开关型电磁阀与发动机真空处相连，由发动机电控 单元( e c l n 控制其开关动作。 脱附阀设计非常关键，它直接关系到炭罐的清洗效果和对发动机性能的影响。 若脱附阀的开启压力设计过大，或者电磁阀开启条件设簧不合理，会导致炭罐中汽油 蒸气不能及时脱附到发动机中燃烧掉，而是从炭罐中溢出，使得蒸发排放增加。若脱 附阀的开启压力设计过小，在炭罐脱附过程中，较大的脱附流量可以保证有良好的脱 附效果，但可能会影响发动机的空燃比，从而破坏发动机的性能。要保证炭罐既有良 好的清洗效果又不影响发动机的性能，对脱附阀的设计有如下要求：大负荷情况下少 进气；中等负荷时在不影响发动机性能的前提下允许多进气；怠速时尽量少进气或不 进气【1 0 l 。一般在下列条件全部或部分( 取决于车辆) 满足时，脱附阀开启( 或电磁阀打 开1 ，炭罐中的碳氢化合物被脱附到发动机中燃烧掉：动力控制模块进人闭环状态 1 5 0 s ：冷却剂湿度在8 0 。c 以上；怠速空气控制电机中的怠速接触开关断开；汽车车速 在3 2 k m h 以上：发动机转速在11 0 0 r m i n 以上。 12， 1 弹簧2 阀心 3 阔睦 图2 4 脱附阀 图2 4 为一典型机械式脱附阀，它由阀座、阀心和弹簧组成。当脱附空气的真空 度太小时无法克服弹簧张力，脱附阀仍然关闭；当脱附空气的真空度太大时，迫使阀 l i 硕：匕论文 汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术研究 心克服弹簧的阻力向左移动，以至堵塞脱附阎的通道，使脱附阀关闭。 在选择脱附电磁阀时要考虑以下因素。 ( 1 ) 电磁阀流量曲线的线性范围要较宽； ( 2 ) 电磁阀的最大流量要大于所希望的流量值。 在控制精度要求较高的系统中，一般选用脉宽调制型的电磁阀。在发动机运行时 如果脱附阀开启，则燃油蒸气由进气真空度吸入缸内燃烧。 2 2 4 控制方法研究 上世纪6 0 年代末，美国率先开始对控制汽油蒸发污染问题进行研究，1 9 7 0 年在 美国加州出售的汽车开始安装燃油蒸发控制装置【肼。其加利福尼亚州于1 9 7 0 年制定 了世界上第一个控制燃油蒸发污染物排放的标准法规7 1 。日本于1 9 7 2 年开始对燃油 蒸发污染物排放进行控制，欧洲国家则是近2 0 年内开始对燃油蒸发污染物排放进行 控制的”】。 新鲜空气进 接燃油镩管 图2 5 曲轴箱式控制法 在7 0 年代，燃油蒸发排放控制系统普遍采用的控制方法大体上有两种：简单机械 式控制法和曲轴箱式控制法【8 1 。简单机械式控制法，是用简单的机械方法对燃油箱、 化油器等分别加以控制，从而达到减少污染的目的。如采用了带有双弹簧的油箱密封 盖；又如采用化油器平衡孔与进气口相通的方法，使浮子室内的汽油蒸气进入进气管。 该控制法，具有结构简单、使用方便等优点，但控制效果较差，尤其在环境温度较高 时，其缺点更加突出。曲轴箱式控制法，该方法实际上是燃油蒸发污染物控制与曲轴 1 2 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术研究 箱有害物排放控制相结合的方法。如图2 5 所示。系统工作时，将曲轴箱作为汽油蒸 气的储存空间，燃油箱及化油器浮子室( 如果有) 中产生的燃油蒸气通入曲轴箱，利 用曲轴箱通风系统，经p c v ( p r e s s u r ec o n t r o lv a l v e ) ，将汽油蒸气送入燃烧室烧掉。 当发动机停止工作时，汽油蒸气仍可从空气滤清器、曲轴箱加机油口处逸出，污染空 气。虽然简单机械式控制法和曲轴箱式控制法都有一定的局限性，但还是可以满足收 集法规定的每次试验6 0 9 的限值要求的。 8 0 年代后，随着科学技术的发展和更严格的蒸发排放控制法规出台，出现了许 多新的汽车燃油蒸发控制技术，主要手段是电控和活性碳罐控制法的联合运用，按控 制系统方式不同，通常分为真空控制式和电子控制式。真空控制式燃油蒸发排放系统， 是通过节气门的负压源的作用，使碳罐顶部真空阀适时开闭，来控制油气的排放时机 和排放量。系统主要包括碳罐、吸附阂、脱附阀( 真空阀) 等部件，如图2 6 所示 3 1 。 电子控制式燃油蒸发排放系统，是通过电脑控制模块( e c u ) 控制电磁阀的开闭，从而 控制油气排放时机和排放量。系统包括活性碳罐、过量限制阀、燃油止回阀、排污控 制电磁阀等部件。 图2 6 真空控制式燃油蒸发排放控制系统 现在应用更为广泛的是电子控制式。图2 7 为一典型的电子控制式燃油蒸发排放 控制系统简图。其特点是把蒸发控制与燃油喷射控制系统集成一个整体来考虑，为了 解决脱附期间精确地控制空燃比的闽题，系统中设有一个h c 浓度传感器来判断吸附 h c 的浓度，并据此来修正喷油量【7 。 2 3 减少燃油蒸发排放的主要技术措施 可以通过以下几点技术措施来减少汽车燃油蒸发排赦 1 采用不回油的发动机燃油供给系统； 硕士论文汽车燃油蒸发污染物排放测试及控制技术磺究 2 采用机械效率高、摩擦生热少的不用燃油冷却的汽油泵： 3 将油箱布置得远离热源； 4 提高活性炭罐的有效吸附率： 5 优化e c u 吸脱附控制逻辑及脱附气流控制装置； 6 采用体积更大的炭罐，提高炭罐的处理能力； 7 通过改造加油站的加油装置或车载加油装置来对加油蒸发排放加以控 制。 采用不回油的发动机燃油供给系统可以防止燃油从发动机的油轨携带热量到燃 油箱，减少油箱内的蒸气产生量。采用机械效率高的汽油泵，可减少由油泵传导到油 箱内燃油的热量，从丙减少燃油的蒸发量。将油箱布置得远离发动机动力系统及尾气 排放系统等热源，有助于减少因油箱受热而产生的蒸气量。提高炭罐的有效吸附率的 方法有采用优质活性炭和提高炭罐的长径比等。炭罐容积越大，其中装载的活性炭越 多，炭罐能够吸附的汽油蒸气就越多，炭罐被突破的机会就会大大减少，蒸发排放就 少。 2 4 本章小结 图2 。7 电子控制式燃油蒸发摊放控制系统简图 发 动 机 进 占 、 管 本章根据近期国内外对汽油车的h c 蒸发排放的研究成果，对h c 蒸发排放的来 源、燃油蒸发排放的控制方法及装置进行了分析，并给出了一些减少燃油蒸发排放的 技术措施。 硕士论文 汽车燃浊蒸发污染物排放测试及控镥嫩术研究 3 测试系统方案设计 系统设计与研制的主要依据为装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放 限值及测量方法一收集法2 0 0 3 年草案。该标准的正式版本于2 0 0 5 年4 月1 51 7 1 正 式发布。 在项目开发之初，需要做好以下几点准备工作，以便后续设计工作的开展： 1 确定项目开发目标； 2 确定系统总体设计方案： 3 确定各个子模块的的设计方案。 3 1 系统设计原则、项目开发目标及流程 为适应装用点燃式发动机重型汽车燃油蒸发污染物排放限值及测量方法一收集 法标准的检测能力要求和实际生产需要，受企业委托研制相应检测设备。该测试系 统的研究将严格按照相关标准的规程和具体要求，并采用对试验过程相关参数的实时 监控，尽可能减少人为因素对试验过程和结果的干扰及影响，同时使系统的各项技术 参数全面符合国家标准的要求。 测试系统有以下几点功能： 1 温度、压力参数的实时显示监控； 2 电磁阀、真空泵、磁力泵的开关控制： 3 燃油加热装置的自动控制； 4 试验测试数据的自动处理，报表的自动生成； 5 对人工操作项的智能对话框提示。 项目开发流程如图3 1 所示，经过系统方案设计、系统软硬件设计、系统组装调 试、系统完善与优化、试验几个过程。 图3 1 项目开发流程示意图 硕士论文 汽车燃油蒸发污染物排放飒l 试及控制技术研究 3 2 系统总体方案设计 1 ) 车辆3 0 0 0 k m 走合行驶，炭罐无异常脱附吸附 2 ) 用5 2 。c 恒温燃油蒸气以2 4 l m i n 的流量进行吸附，达 到临界点后用6 0 0 倍炭罐体积的干空气，以2 5 l m i n 的流量 脱附，重复6 次。 3 ) 加热油箱使燃油从1 5 。0 均匀升高至3 54 c 对炭罐进彳亍吸 附，使之达到临界点。 4 ) 试验车以4 0 k m h 车速运q t 4 0 m i n ，或以相应的发动机转 速和负荷，在发动机台架上运q 亍4 0 m i n 。油箱中装入4 0 标称容量的燃油，油温为室温。 5 ) 环境温度2 5 。c + 5 c ，炭罐正常连接，通大气口加接除 湿器。油箱存留预试验时的燃油。 6 ) 进行燃油箱放油，放油完成后再进行加油，加油至燃 油箱标称容量的4 0 士2 ，燃油温度为1 06 c 1 4 。c 。 7 ) 燃油温度为1 6 。c 士1 时试验开始，经6 0 m i n 士2 m i n 温升1 4 士0 5 。 8 ) 试验车辆在直接档4 0 k m h 车速下运行4 0 r a i n ，或以相应 的发动机转速和负荷在发动机台架上运行4 0 m i n ，然后怠 速运q 亍3 m i n 。 9 ) 热浸时f 司6 0 m i n 士o 5 r a i n ，环境温度最低为2 3 ，最高 为3 l 。 1 0 ) 试验结果(