汽油车蒸发污染物排放控制——以汽车碳罐初始工作能力的试验方法解析与优化为例

文/孟海栗

随着汽车数量的持续增加，汽车排放对大气环境的污染也越来越严重。汽车的主要污染物来自尾气，其次是曲轴箱泄漏和燃料供给系统中燃油的蒸发。燃油蒸发排放的主要成分为碳氢化合物（HC），约占汽车总HC排放量的20%。为了改善空气质量，世界各国都制定了越来越严格的汽车蒸发污染物排放法规。

一、新标准的技术挑战

随着我国对环境保护重视程度的不断增加，机动车环保标准GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》已经发布，而其中燃油蒸发和加油排放的试验方法向更为严格的美国标准方向靠拢，试验难度大大增加。但同时也将促进企业加快推出新的控制燃油蒸发排放污染物控制装置，更会对检测机构的技术人员和设备提出更加严苛的考验。

活性碳罐作为对汽车蒸发污染物排放控制的关键附件，主要用于车辆静止、运行时以及加油过程中的油蒸汽吸附，其性能直接影响蒸发污染物排放控制的好坏，同时对GB 18352.6-2016中燃油密闭蒸发和加油排放的实验结果造成直接影响，而碳罐性能测试方法则主要根据HJ/T 390-2007《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）》中“蒸气贮存装置初始工作能力试验”。本文主要讨论在该试验过程中所发现的问题，通过问题剖析、试验、验证，最终完善该试验步骤，得到精确的试验结果，相应提高新车认证试验的可靠性，为后续碳罐开发工作提供有效的数据支撑。

二、碳罐的基本工作原理

根据碳罐的基本工作原理（见图1），碳罐能有效储存燃油系统中多余的油蒸汽，其吸附口与油箱直接连接，当汽车处于静止状态或行驶状态时，油箱内的燃油随着外界热量传递升温而不断挥发，油蒸汽通过管路从吸附口进入碳罐并被收集；为防止轻型汽车在加油过程中，油蒸汽从加油口溢出，对其加油口与油枪接合处进行特殊密封设计。这样多余的油蒸汽会经过吸附口进入碳罐。车辆行驶过程中，通过通气口进入碳罐的新鲜空气，会将碳罐吸附的油蒸汽通过脱附口带入车辆发动机进行燃烧。整个过程既防止了多余的油蒸汽直接进入大气污染环境，同时收集并再次进入发动机燃烧，对能源进行了充分合理的利用。

图1 汽车碳罐的基本工作原理

三、 碳罐初始工作能力试验方法关键步骤

1. 试验方法关键步骤

碳罐初始工作能力试验主要反应碳罐对燃油蒸发物的吸附能力，测试过程分为吸附与脱附两个部分。经过数个试验循环，计算碳罐吸附击穿后的质量与脱附完成后的质量差来计算有效吸附量，作为工作能力。

按照吸附介质的不同，试验可以分为油蒸汽吸附法（GWC）和50%丁烷与50%氮气混合吸附法（BWC）。按照测量试验碳罐击穿方式不同，试验又可以分为辅助碳罐法和密闭室法。本文主要讨论以50%丁烷与50%氮气混合气作为吸附介质，同时采用辅助碳罐测量试验碳罐击穿的试验方法。

按照HJ/T 390-2007的要求，“蒸气贮存装置初始工作能力试验”方法主要有以下步骤:

① 使用50%容积丁烷和50%容积氮气的混合气对样品碳罐进行吸附，直至临界点（以辅助碳罐增长2 g作为临界点）；

② 样品碳罐称重，W1（单位：g）；

③ 以（25±5）℃的干空气对样品碳罐进行脱附，脱附流量为（25±1）L/min，直至临界点（以脱附气体总量为样品碳罐有效容积的600倍时作为临界点）；

④ 样品碳罐称重，W2（单位：g）；

⑤ 计算样品碳罐重量变化，记为W3=W1-W2；

⑥ 重复步骤1至步骤5，总计进行6次循环；

⑦ 取循环5中W3与循环6中W3的平均值，并除以样品碳罐有效容积L，记为该样品碳罐初始工作能力；

2. 碳罐初始工作能力测试主要设备

根据试验方法，进行碳罐初始工作能力试验需运用到碳罐综合试验系统（CANISTER LOAD UNIT），其中包括：电子天平、流量控制系统（控制丁烷、氮气、空气流量对样品碳罐和辅助碳罐的脱附与吸附的流量）。

四、测试过程中存在的数据变异分析

按照HJ/T 390-2007的碳罐初始工作能力试验方法，通过对样品碳罐反复吸附（流量为40 g/h丁烷与氮气1:1的混合气）和脱附（流量为25 L/min的干燥空气），计算出碳罐初始工作能力。

根据该试验要求，对某样品进行的试验，其中单个试验循环数据曲线（见图2）：

图2 碳罐初始工作能力试验单循环数据图

从图2可看出，吸附环节自试验开始至8 000 s左右，使用50%容积丁烷和50%容积氮气的吸附混合气对样品碳罐进行吸附，样品碳罐相对质量持续上升，上升幅度较大；当样品碳罐接近饱和后，样品碳罐相对质量上升幅度减小，辅助碳罐相对质量开始持续上升。当辅助碳罐相对质量上升2 g时，停止吸附混合气供应，作吸附临界点，记录样品碳罐质量W1；

脱附环节自吸附临界击点开始至试验结束，当吸附临界点记录样品W1以后，应立刻采用（25±5）℃干空气对样品碳罐进行脱附，脱附流量为（25±1）L/min。此时，样品碳罐相对质量持续下降，下降幅度非常大。当脱附干空气总流量为样品碳罐有效容积的600倍时，停止脱附干空气供应，作脱附临界点，记录样品W2。

通过实际操作结合试验数据曲线，我们发现试验过程中样品碳罐的相对质量存在两个突变点，分别位于吸附临界点与脱附临界点。产生相对质量突变的主要原因是由于停止吸附混合气供应和脱附干空气供应，气路对样品碳罐应力瞬间变化所造成的。计算碳罐初始工作能力的样品碳罐质量取样点正好位于吸附临界点与脱附临界点，若不考虑应力变化造成的质量数据突变，则会影响最终试验结果的准确度。

五、碳罐初始工作能力试验方法的优化

为了避免试验过程中由于气路对样品碳罐应力瞬间变化导致质量数据突变对最终试验结果的影响，需要对碳罐初始工作能力试验方法和取样逻辑进行优化。

在吸附环节，样品碳罐吸附混合气相对质量持续上升；当触发吸附临界点，停止混合气供应，气路对样品碳罐应力发生变化，样品碳罐相对质量发生突变。由于没有吸附混合气通过样品碳罐，故此时样品碳罐绝对质量并不发生变化，增加静置时间T后，等待气路应力逐渐减小直至样品碳罐绝对重量数值不再变化、样品碳罐不受到额外气路应力的状态，此时记录样品W1。

在脱附环节，样品碳罐受到干空气脱附，相对质量尺寸下降；当触发脱附临界点，停止干空气供应，气路对样品碳罐应力发生变化，样品碳罐相对质量发生突变。由于没有干空气通过样品碳罐，故此时样品碳罐质量并不发生变化，增加静置时间T后等待气路应力逐渐减小直至样品碳罐绝对重量数值不再变化，样品碳罐不受到额外气路应力的状态，此时记录样品碳罐质量W2。

为了确认合适的静置时间T，分别对不同质量样品碳罐应力变化消除时间进行3次统计，统计结果如表1所示：

表1 不同质量样品碳罐应力变化消除时间s

根据表1数据统计，最终选择将静置时间设置为180 s。由于样品碳罐应力变化消除时间受到设备结构影响较大，建议在不同试验设备操作时，收集各重量样品碳罐应力消除时间作为静置时间设置依据。经过优化后的试验流程如下：

使用50%容积的丁烷和50%容积的氮气的混合气对样品碳罐进行吸附，直至临界点（以辅助碳罐增长2 g作为临界点）；对样品碳罐静置时间180 s；样品碳罐称重，W1；以（25±5）℃的干空气对样品碳罐进行脱附，脱附流量（25±1）L/min，直至临界点（以脱附气体总量为样品碳罐有效容积的600倍时作为临界点）；对样品碳罐静置时间180 s；对样品碳罐称重，W2。其他步骤同。

六、总 结

经过上述试验方法和取样逻辑的优化，保证了样品碳罐相对质量W1与W2取样时，样品碳罐保持绝对质量不变化、不受到额外气路应力的状态，有效地消除了气路应力对取样数据造成的影响，同时，符合HJ/T 390-2007碳罐初始工作能力试验方法要求，确保了试验数据的准确性。