加载ORVR系统的轿车加油排放数学模型.pdf

第 10 卷 第 1 期 2010 年 2 月 交 通 运 输 工 程 学 报 Journal of Traffic and Transportation Engineering Vol 10 No 1 Feb 2010 收稿日期 2009 12 10 基金项目 江苏省汽车工程重点实验室开放基金项目 QC200503 江苏省交通科学研究计划项目 05T02 作者简介 韦海燕 1963 女 广西南宁人 广西大学副教授 江苏大学工学博士研究生 从事汽车综合节能与排放控制研究 导师简介 何 仁 1962 男 江苏南京人 江苏大学教授 工学博士 文章编号 1671 1637 2010 01 0056 04 加载 ORVR 系统的轿车加油排放数学模型 韦海燕 1 2 何 仁1 蔡锦榕1 1 江苏大学 汽车与交通工程学院 江苏 镇江 212013 2 广西大学 机械工程学院 广西 南宁 530004 摘 要 分析不同类型车载油气回收系统 ORVR 的结构 运用传质原理 针对 ORVR 系统中是否 安装有压力控制阀 分别建立了机械式和液封式 ORVR 系统的轿车加油排放模型 仿真结果表 明 安装 ORVR 系统后 轿车加油排放量比仅安装活性炭罐装置时减少 97 采用机械式 ORVR 系统 由于加油管口完全密封 轿车加油排放比采用液封式的减少 37 当 ORVR 系统中安装压 力控制阀时 轿车加油排放比未安装压力控制阀时减少 8 可见 运用 ORVR 技术可以有效地 控制轿车加油排放 降低环境污染 关键词 汽车工程 加油排放 油气回收系统 传质原理 中图分类号 U472 7 文献标志码 A Mathematical models of refueling emission for car with ORVR system WEI Hai yan1 2 HE Ren1 CAI Jin rong1 1 School of Automobile and Traffic Engineering Jiangsu University Zhenjiang 212013 Jiangsu China 2 School of Mechanical Engineering Guangxi University Guangxi 530004 Nanning China Abstract T he structures of different kinds of ORVR on board refueling vapor recovery systems were analyzed Aiming at the systems with pressure control valve or not tow mathematical models of mechanical and liquid seal ORVR systems were established by using mass transfer principle T he comparison between model simulation result and experiment data shows that the quantity of refueling emission for car with ORVR decreases by 97 compared with that of car with activated carbon canister Because the inlet of filling pipe is entirely sealed the refueling emission of car with mechanical ORVR system reduces by 37 compared with liquid seal ORVR system When pressure control valve is installed in the ORVR system the refueling emission of car reduces by 8 Obviously the ORVR technique can be used to effectively control the refueling emission of car and to reduce environmental pollution 5 figs 9 refs Key words automobile engineering refueling emission ORVR system mass transfer theory Author resumes WEI Hai yan 1963 female associate professor doctoral student 86 511 88791872 gxwhytu 163 com H E Ren 1962 male professor PhD 86 511 88791872 heren1962 163 com 0 引 言 随着汽油车保有量的增加 汽油车排放污染物 逐年增长 1 1971 年后 由于采用闭环控制电喷汽 油机和三效催化转化器技术 轿车尾气排放降低 90 以上 2 因此 燃油蒸发污染物占总体污染排放 量比例增加 汽油车燃油蒸发排放主要有运转排放 热浸排放 昼间排放和加油排放 而活性炭罐燃油 蒸发污染物控制装置只能控制昼间排放和热浸排 放 轿车加油排放因为一次性排放量大成为日益突 出的问题 减少轿车加油排放的办法就是采用车载 油气回收系统 ORVR 这种系统有机械式和液封 式两大类型 分别是通过在加油管内设置密封组合 件或者加油管内形成特殊结构在加油时泵入的汽油 流动形成液封 阻止油气通过敞开的加油管口进入 大气中 排出油箱的油气流向活性碳罐并被活性炭 吸附净化后排入大气 到目前为止国外在加油排放方面的理论研究 是对汽油化学成分与加油试验的回归分析等 3 4 所 建立的加油排放数学模型是在未受控制即只安装活 性炭罐条件下得到的 同时这些模型都有一定的适 用范围 并且仅考虑了油箱平均温度 泵入燃油平均 温度和雷德蒸气压几个因素对轿车加油排放的影 响 没有考虑采用 ORVR 系统后的轿车加油排放 而国内汽油车燃油蒸发污染物的排放控制的研究重 点在热浸和昼间排放方面 对加油排放方面的研究 仅限于车载油气回收系统的结构 在理论研究上尚 未深入探讨 本文运用传质原理 分析安装不同类 型 ORVR 系统的轿车加油排放特性 探究加油排放 规律 并建立模型 可为 ORVR 系统的开发与应用 提供理论基础 1 加油过程简化假设 采用 ORVR 系统后 加油管入口被液封或者 密封组件密封 并且活性碳罐中的活性炭物理结 构是具有多孔的固体 具有很小微观孔隙 5 有 些采用 ORVR 系统的油箱 通气管路中还安装压 力控制阀 只有在油气压力大于压力控制阀的开 启压力时 6 油箱内的油气才能排入活性炭罐 故 采用ORVR系统的轿车加油排放与只安装碳罐时 不一样 图 1 是一种安装液封式 ORVR 系统 通气管路 中设压力控制阀的汽车油箱加油示意图 对于安装机 械式 ORVR 系统 除加油管及其入口用密封组合件 完全密封 7 外 其余结构与液封式 ORVR 系统基本 相同 图 1中 z 表示油面上升和汽油蒸气扩散的 方向 y 表示油箱的纵向 H 是油箱高度 h 是加油前 油面初始高度 加油时 泵入的燃油在加油管勺状的 下端形成液封 阻止油气向大气直接排放 当油面上 升 气体空间的油气受到压缩 只有当压力增大到一 图 1 安装液封式 ORVR 系统的油箱加油简图 Fig 1 Refueling sketch diagram of tank with liquid ORVR system 定值时 压力控制阀才开启 油气进入活性炭罐 为 了分析轿车加油排放 对加油过程简化假设如下 1 油箱内汽油蒸气 A 与空气 B 的混合物为理 想气体 2 油气沿z 向扩散 加油时间短 因此 油箱内汽 油蒸气的蒸发扩散传质和扩散方向与无穷大时一致 2 采用 ORVR 系统轿车加油排放模 型建立 安装车载油气回收系统时 油箱内汽油蒸气 A 在空气 B 中的扩散系数 DAB为 DAB D T T0 1 75 P0 P 1 式中 T P 分别为油箱平均温度与油气的压力 D 为在已知加油前初始温度与压力 T0 P0 下的汽油 在空气中的扩散系数 设 F 是油箱平均水平截面积 xAS xA0分别是汽 油蒸气 A 在加油前油气界面 S 和气体空间的摩尔 分数 cAS cA0分别是油气界面和气体空间汽油蒸气 的物质的量浓度 c0是气体空间的油气的物质的量 浓度 u0为油面上升速度 为摩尔平均速度 若加 油过程 xA是气体空间汽油蒸气 A 的摩尔分数分 布 MAS是从油面 S 蒸发的汽油蒸气 A 的物质的 量 NA是油箱内汽油相对静止坐标系的自然扩散 传质摩尔通量 t 为加油时间 则有 xA xAS xA0 1 erf 1 erf xA0 2 MAS 2F cAS cA0 1 xA0 exp 2 1 erf DABt 3 NA cAS cA0 1 erf 4DAB 1 erf cA0u0 cAS cA0 1 xA0 DABt exp 4DABt 2 1 erf 4 57第 1 期 韦海燕 等 加载 ORVR 系统的轿车加油排放数学模型 z h u0t 4DABt 5 xAS xA0 1 xA0 1 erf exp 2 6 2 1 未设置压力控制阀 设 Vt为加油时间 t 时的加油量 为活性炭罐 存贮汽油蒸气的效率 为汽油蒸气摩尔质量 油 箱加油管的体积相对加油量很小 可以认为油气直 接从 z H 处向外排放 安装机械式ORVR系统 所有油气均排向活性炭罐 因此 采用机械式ORVR 系统的轿车加油排放量 Gj为 Gj 1 F t 0N AdtVt 7 2 2 设置压力控制阀 设 Pp为压力控制阀开启压力 p0 V0分别为加 油前气体空间油气的总压力与总体积 Z 为油气压 缩因子 R 为通用气体常数 排出油箱的油气的物 质的量 Mp为 Mp p0V0 ZRT MAS PpVt ZRT 8 设 xAm是排出的汽油蒸气 A 平均摩尔分数 采 用机械式 ORVR 系统的轿车加油排放量 Gjp为 Gjp 1 MpxAm Vt 9 根据式 8 9 若压力控制阀的开启压力 Pp 大 则排出油箱油气的物质的量 Mp就减小 轿车加 油排放量 Gjp就会下降 采用液封式 ORVR 系统 时 从加油管入口到液封之间无密封 故加油排放量 大些 未设置压力控制阀的加油排放和设置了压力 控制阀的加油排放计算仍可分别沿用式 7 和 式 9 可适当降低活性炭罐存贮汽油蒸气的效率 3 计算结果分析 设加油枪加油体积流量是 40 L min 1 适当 选取活性炭罐存贮汽油蒸气的效率 8 液封式取 0 975 机械式取 0 990 汽油蒸气摩尔质 量为 65 51 g mol 1 9 加油量为50 L 加油前油箱内尚 余油量为 12 L 加油管内径为 36 mm 通气管内径 为6 mm 泵入燃油平均温度为 26 油箱内燃油和 泵入燃油雷德蒸气压均为 61 kPa 油气压缩因子为 0 951 压力控制阀开启压力为 3 kPa 当 T0为 20 P0为 101 kPa 时 D 为 3 15 10 2m2 h 1 对上述模型使用 Matlab 软件进行仿真计算 同时对 采用不同类型 ORVR 系统前后轿车加油排放使用 密闭室法进行试验 并进行模拟和试验数据对比 结 果见图 2 5 图 2 是安装液封式 ORVR 系统 带压力控制 阀 前后轿车加油排放量 只安装活性炭罐时 轿车 加油排放随着油箱平均温度的升高而增大 轿车加 油排放平均是1 13 g L 1 当采用 ORVR 系统后 油箱加油管入口密封 油气基本被排入活性炭罐 绝 大部分汽油蒸气被活性炭所吸附 轿车加油排放量 很小 平均是 0 036 g L 1 比只安装活性碳罐时 降低 97 油箱平均温度变化对加油排放的影响并 不明显 图 2 安装液封式 ORVR 系统前后加油排放对比 Fig 2 Comparison of refueling emissions before and after installing liquid ORVR system 图 3 是安装机械式和液封式两种不同类型 ORVR系统的轿车加油排放对比图 采用液封式 ORVR系统 在液封到加油管入口这一段没有密封 因此 在加油管内形成液封的汽油仍会蒸发排放到大 气中 尽管量很小 同时汽油和空气的裹携在加油时 可能产生额外的雾沫进入到油箱 并且无法阻止加油 枪喷油时产生的少许雾化油气排放到大气中 而采用 机械式 ORVR 系统 密封组合件将加油枪嘴与外界 完全隔离 汽车加油排放量明显比安装液封式的平均 减少 37 比只安装活性炭罐时减少 98 图 3 安装不同类型 ORVR 系统加油排放对比 Fig 3 Comparison of refueling emissions installed with different kinds of ORVR systems 图 4 是油箱上的液封式 ORVR 系统中安装压 力控制阀前后的加油排放对比图 油箱内油气压力 58交 通 运 输 工 程 学 报 2010 年 图 4 安装压力控制阀前后加油排放对比 Fig 4 Comparison of refueling emissions before and after installing pressure control valve 大 因此 汽油在空气中的扩散系数下降 从油面蒸 发的汽油蒸气的物质的量减少 燃油飞溅较少 只有 在油箱内压力超过 3 kPa 时 才有油气排出 故加油 排放量比未安装压力控制阀时减少 8 图 5 是模拟油箱液封式 ORVR 系统中安装有 压力控制阀的轿车加油排放随时间变化图 可以看 到 刚开始 没有汽油蒸气排放 直到油箱内气体压 力超过 3 kPa 时 才有油气排出 随着时间增长 以 g 为单位计量的加油排放增长缓慢 在加油结束时 汽车加油排放量不大 仅为 0 025 g L 1 图 5 ORVR 系统安装压力控制阀的加油排放 Fig 5 Refueling emission under installing liquid ORVR system with pressure control valve 4 结 语 1 运用传质原理建立采用不同类型车载油气 回收系统的轿车加油排放模型 模型计算结果与试 验结果基本一致 可用加油排放模型来预测轿车加 油排放 2 安装 ORVR 系统后 加油过程中存储在油 箱内的汽油处于密封状态 油气压力大 空气流速 低 汽油在空气中的扩散系数降低 汽油蒸发量少 油气是经活性炭罐净化后才排入大气 轿车加油排放 量比仅安装活性炭罐时减少 97 采用ORVR技术 是降低轿车加油排放 减少大气污染的有效措施 3 安装机械式 ORVR 系统时加油管入口完全 密封 轿车加油排放量最少 安装液封式 ORVR 系 统时 加油管入口液封处有少量油气向外排放 与安 装机械式 ORVR 系统的加油排放相比略大 而 ORVR系统通气管路中设置压力控制阀时 轿车加 油排放比没有设置压力控制阀时稍少 参 考 文 献 References 1 张春化 王奉双 马志义 等 在用汽车不同测试方法的排放特 性 J 长安大学学报 自然科学版 2009 29 2 88 93 ZHANG Chun hua WANG Feng shuang MA Zhi yi et al Emission characteristics of in use vehicles under different test modes J Journal of Chang an U niversity Natural Science Edition 2009 29 2 88 93 in Chinese 2 程 勇 付铁强 李 洧 等 国产轻型汽油车蒸发排放现状与 分析 J 汽车工程 2002 24 3 182 186 CHENG Yong FU T ie qiang LI Wei et al Status quo and analy sis of evaporative emission from domestic light duty gas oline vehicle J Automotive Engineering 2002 24 3 182 186 in Chinese 3 LAVOIE G A IMAI Y A JOHNSON P J A fuel vapor model FVSMOD for evaporative emissions system design and analysis J SAE Paper 982644 1 14 4 QUIGLEY C J Refueling and evaporative emissions of volatile organic compounds from gasoline powered motor vehicles D Austin U niversity of T ex as 2007 5 郑